Werkstoffkunde I WS 05 06 Episode 3 doc

2.3 Gitterstörungen Seite 47 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach  Realkristalle sind niemals fehlerfrei, sondern weisen Störungen der idealen Struktur auf  Gitterbaufehler sind für positive mechanische Eigenschaften metallischer Werkstoffe verantwortlich  jede Störung des idealen Gitteraufbaus erzeugt ein bestimmtes Spannungsfeld, der Kristall bekommt einen höheren Energiegehalt Einführung in Kristallgitterfehler  der kleinste Gleichgewichtsabstand für zwei Atome im ungestörten Raumgitter entspricht dem Minimum der Bindungsenergie  die Bindungsenergie entspricht der erforderlichen Arbeit für die Trennung der beiden Atome bei 0 K  Gitterbaufehler werden nach ihrer Geometrie unterschieden : – Leerstellen und Zwischengitteratome (Punktfehler) – Versetzungen (Linienfehler) – Korn- und Phasengrenzen (Flächenfehler) – Ausscheidungen, Einschlüsse etc. (Volumenfehler)  Die Störung des idealen Gitteraufbaus hat zur Folge, dass angrenzende Atome den Gleichgewichtsabstand nicht einhalten können. Sie befinden sich damit auf einem höheren Energieniveau. Gitterbaufehler  Entstehung von Gitterbaufehlern : – durch Störung des thermodynamischen Gleichgewichts bei der Kristallentstehung –im festen Kristall durch Energiezufuhr z. B. mechanische Verformung oder Kernstrahlung 2.3 Gitterstörungen Seite 48 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach  die Leerstellendichte ist temperaturabhängig. Sie beträgt bei RT 10 -12 Leerstellen pro Gitterplatz und nimmt bis zum Schmelzpunkt auf 10 -4 zu.  der Kristall kann sich mit Leerstellen im thermodynamischen Gleichgewicht befinden.  die Kombination aus Leerstelle und Zwischengitteratom heißt Frenkel-Paar; diese tritt häufig durch energiereiche Kernstrahlung auf. Nulldimensionale Gitterfehler ZwischengitteratomLeerstelle nulldimensionale Gitterfehler : nulldimensionale Gitterfehler : – Leerstellen (unbesetzte Gitterplätze) – Zwischengitteratome – Fremdatome – Leerstellen (unbesetzte Gitterplätze) – Zwischengitteratome – Fremdatome Frenkel-Paar  Anregung einzelner Atome beim Auftreffen von (energiereicher) Kernstrahlung auf den Kristall, so dass diese ihre Gitterplätze verlassen und Leerstellen entstehen  Anregung jedoch meist nicht groß genug, um Kristall komplett zu verlassen, sondern nur Sprung auf nächsten Zwischengitterplatz 2.3 Gitterstörungen Seite 49 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Substitutionsatome 100 % Cu  Fremdatome sind ebenfalls Fehler im Gitter.  Prozess ist Voraussetzung für Legierungsbildung. Beispiel sind Cu-Ni-Legierungen: 50 % Cu 50 % Ni 100 % Ni Austausch-oder Substitutionsatome sind Fremdatome, die bei Atomradiendifferenzen von höchstens 15% Gitterplätze einnehmen. Elemente sollten gleiche Gitterstruktur haben und sich chem. affin zueinander verhalten. Austausch-oder Substitutionsatome sind Fremdatome, die bei Atomradiendifferenzen von höchstens 15% Gitterplätze einnehmen. Elemente sollten gleiche Gitterstruktur haben und sich chem. affin zueinander verhalten. Einlagerungsatome Einlagerungsatome (C in Fe)  Nur möglich, wenn sie wesentlich kleiner als Atome des Grundgitters sind.  Beispiele für Einlagerungsatome in metallischen Werkstoffen: H, O, N, C, B. Die bedeutendste Kombination ist Fe und C. Fremdatome auf Zwischengitterplätzen heißen Einlagerungs-oder interstitielle Atome. Fremdatome auf Zwischengitterplätzen heißen Einlagerungs-oder interstitielle Atome. 2.3 Gitterstörungen Seite 51 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Bewegung von Versetzungen vorher: nachher: Bewegung von Versetzungen II  Versetzungsbewegung bewirkt Abgleiten von zwei Kristallbereichen gegeneinander  hierfür benötigte Energie viel geringer als bei starrem Abgleiten der Kristallbereiche  gute plastische Verformbarkeit von Metallen durch Verformung mittels Versetzungsbewegungen  Kaltverformung: Verfestigung durch Behinderung der Versetzungsbewegungen auf Grund von neu erzeugten Versetzungen  makroskopisch: sehr geringe plastische Verformung des Werkstücks 2.3 Gitterstörungen Seite 53 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Bewegung von Versetzungen III vorher: nachher:  Möglichkeiten des TEM hinsichtlich Gitterbaufehler: – Darstellung und Analyse der meisten Fehler und Phasengrenzen – direkte Abbildung von Versetzungen und ihrer Anordnungen zueinander – Ausscheidungsanalysen durch Elektronenbeugungsaufnahmen von gezielt ausgewählten Gebieten Elektronen- kanone Proben- halter Betrachtungs- schirm Kamera TEM 2010 der Firma Jeol am IW Exkurs: Transmissionselektronenmikroskop (TEM) 2.3 Gitterstörungen Seite 54 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Funktionsprinzip TEM  bei der Transmissionselektronenmikroskopie erfüllt der Elektronenstrahl die Braggsche Reflexionsbedingung am Kristallgitter und wird gebeugt, der betreffende Ort auf dem Durchstrahlbild erscheint dunkel. Prinzip der Kontrastbildung an Versetzungen 100 nm Nachweis von Versetzungen mittels TEM Versetzungen (werden als Schatten im Durchstrahlungs- bild sichtbar) TEM-Aufnahme der Aluminiumlegierung AlMg5Mn 2.3 Gitterstörungen Seite 55 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach 200 nm Versetzungsnetzwerke TEM-Aufnahme von AlMg5Mn  Versetzungen enden entweder an Kristallgrenzflächen oder anderen Fehlern oder bilden geschlossene Linienzüge. Dadurch entstehen Versetzungsringe und -netzwerke. Versetzungen enden an anderen Fehlern Hier: Korngrenze 100nm 100nm die Versetzungsdichte ist die Gesamtlänge der Versetzungslinien pro Volumeneinheit die Versetzungsdichte ist die Gesamtlänge der Versetzungslinien pro Volumeneinheit  Dimension festgelegt in [cm/cm 3 ] = [cm -2 ], letztere Bezeichnung ist allgemein üblich  typische Versetzungsdichten zwischen 10 8 cm -2 bei geglühten und 10 12 cm -2 bei kaltverformten Werkstücken Versetzungsdichte  Versetzungen befinden sich nie im thermodynamischen Gleichgewicht, da sie die Energie des Gitters merklich erhöhen (10 -12 Joule je mm Versetzungslänge). TEM-Aufnahme von AlMg5Mn (nicht kaltverformt) AlMg5Mn (kaltverformt) [...]... Konzentrationsausgleich die treibende Kraft bei der Diffusion ist der die treibende Kraft bei der Diffusion ist der Konzentrationsgradient Konzentrationsgradient Teilchen in Gebieten mit hoher Konzentration wandern in Gebiete mit niedriger Konzentration Diffusionsgesetz das Fick´sche Diffusionsgesetz beschreibt die Geschwindigkeit von Diffusionsprozessen: j D A dc dx Hierbei bedeuten: j Diffusionsgeschwindigkeit... Atome im Gitter zusammen Strukturen mit hoher Bindungsenergie besitzen eine geringere Diffusionsneigung als Gitter mit niedriger Bindungsenergie die Schmelztemperatur ist ein qualitatives Maß für die Bindungsenergie in reinen Metallen gilt etwa folgende lineare Beziehung: Q C TS C 1 43 J mit mol K Q: Aktivierungsenergie für Selbstdiffusion im Gitter Ts: Schmelztemperatur Universität Hannover Q TS Institut... größer die Versetzungsdichte ist Zusammenfassung Diffusion Diffusion ist einzige Möglichkeit des Materialtransports in kristallinen Werkstoffen Diffusion findet aufgrund von thermischer Anregung statt die Aktivierungsenergie ist proportional zur Schmelztemperatur das Fick´sche Diffusionsgesetz beschreibt die Geschwindigkeit von Diffusionsprozessen die wichtigsten Mechanismen sind Leerstellen- und Zwischengitterdiffusion,... Aufweitungen verbunden sind, Atome sich also leichter durch die aufgeweiteten Störfelder zwängen können als im Gitter – die Aktivierungsenergie jedoch nicht so niedrig ist wie bei der Oberflächendiffusion Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 2.4 Diffusion Seite 67 Beispiel Korngrenzen und Versetzungen Korngrenzen wirken als zweidimensionale Kanäle mit einer... Diffusionsgeschwindigkeit (Teilchenstrom) [Atome / s] D = Diffusionskoeffizient [cm2 / s] A = Diffusionsquerschnitt (Referenzebene) [cm2] dc/dx = Universität Hannover = Konzentrationsgradient [Atome / cm4] Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 2.4 Diffusion Seite 64 Diffusionskoeffizient Diffusionskoeffizient D bestimmt bei zeitlich konstantem Konzentrationsgradienten und gegebenem Diffusionsquerschnitt... Druckplatte Isolationsstück Induktionsspule Isolationsstück VakuumPumpaggregate untere Druckplatte Druckzylinder Aufbau einer Diffusionsschweißanlage Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 2.4 Diffusion Seite 62 Anwendungsbeispiel für das Diffusionsschweißen Schweißflächen Wasserkühlkanal Anwendungsbeispiel, Wasserkühlsystem Diffusion in Festkörpern Diffusion in... enden an inneren oder äußeren Oberflächen oder sind durch eindimensionale Defekte (= Versetzungen) begrenzt Stapelfehlerenergie ist abhängig vom jeweiligen Kristall Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 2 .3 Gitterstörungen Seite 59 Dreidimensionale Gitterbaufehler zu den dreidimensionalen Gitterbaufehlern zählen alle absichtlichen oder zu den dreidimensionalen... für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 2.4 Diffusion Seite 65 Energiezustand des Atoms Aktivierungsenergie für einen Platzwechsel Aktivierungsenergie Q Grundzustand die thermische Anregung muss groß genug sein, um das Atom aus seiner Bindung zu lösen und über eine energetisch ungünstigere Position auf einen neuen Gitterplatz zu verlagern die Aktivierungsenergie Q ist abhängig vom jeweiligen... Platzwechsel ist höherenergetisch und deshalb unwahrscheinlich – der Zwischengittermechanismus ist für arteigene Atome (Selbstdiffusion) nur bei höheren Temperaturen wahrscheinlich, dieser ist aber von großer Bedeutung für Einlagerungsatome (Fremddiffusion) mit geringerem Durchmesser als die Wirtsatome (z B C, N, H in Fe-Gitter) Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm... sind für die plastische Verformung verantwortlich – Korngrenzen sind Hindernisse für Versetzungsbewegungen, also wichtig für die Festigkeit Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 2.4 Diffusion Seite 61 Diffusionsschweißen Aufgabe: Verbinden von Werkstoffen mit stark unterschiedlichen Schmelztemperaturen oder an unzugänglichen Stellen Werkstücke Diffusionsschweißen: . Atomen im Kristall 2.4 Diffusion Seite 63 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Konzentrationsausgleich die treibende Kraft bei der Diffusion ist. Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach  Diffusionskoeffizient D bestimmt bei zeitlich konstantem Konzentrationsgradienten und gegebenem Diffusionsquerschnitt die Diffusionsgeschwindigkeit )( 0 RT Q eDD  . Konzentrationsgradient. die treibende Kraft bei der Diffusion ist der Konzentrationsgradient. Teilchen in Gebieten mit hoher Konzentration wandern in Gebiete mit niedriger Konzentration  das Fick´sche