Werkstoffkunde I WS 05 06 Episode 6 pptx

2.9 Grundlagen der Erstarrung Seite 122 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Kristallform: stengelförmig (kolumnar), globular Temperatur T fest flüssig Abstand a Q Temperatur- verlauf 10 mm 200 µm Kristallwachstum stabil/instabil Stabiles Wachstum Stabiles Wachstum Kristallform: dendritisch Abstand a Temperatur T fest flüssig Q Q Q Q Q Q Q Q 200 µm Kristallwachstum stabil/instabil Instabiles Wachstum Instabiles Wachstum 2.9 Grundlagen der Erstarrung Seite 123 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Erstarrungsvorgang bei Metallen  diffuse Atomanordnung durch thermische Fluktuationen im flüssigen Zustand  die Keimbildung ist abhängig von – einer bestimmten Schmelzeunterkühlung und – einem minimalen notwendigen Keimradius und/oder – dem Vorhandensein von Fremdkeimen  die Kristallisationsrichtung ist abhängig vom Temperaturgradienten an der Erstarrungsfront – negativer Gradient zur festen Phase, positiver zur flüssigen Phase (planares stengelförmiges oder globulares Wachstum) – positiver Gradient zur festen Phase, negativer zur flüssigen Phase (dentritisches Wachstum) Je größer die Unterkühlung und/oder je höher die Anzahl der Keime, desto feiner wird das Korn. Je größer die Unterkühlung und/oder je höher die Anzahl der Keime, desto feiner wird das Korn. Einflussfaktoren auf das Erstarrungsgefüge feinhoch Abkühl- geschwindigkeit dentritischungerichtet mit großer Unterkühlung globular z. B. Kokilleninneres ungerichtet stabil stengelförmig z. B. Kokillenwand gerichtet stabil Wärmefluss fein viel Fremdkeime grob wenig Fremdkeime heterogen fein hohe Unterkühlung grob geringe Unterkühlung homogen Keimbildung grobniedrig GefügeausbildungErstarrungseinfluss 2.9 Grundlagen der Erstarrung Seite 124 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Erstarrung eines Gussblocks Abschreckzone Feinkristallines Gefüge durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit an der Kokillenwand und Keimeffekt der Wand Säulen(-kolumnar)-zone Bildung von Stengelkristallen durch eine langsamere, stabile Wärmeabfuhr zur aufgeheizten Kokillenwand Globularzone Grobkristallines, globulitisches Gefüge durch langsame, ungerichtete Wärmeabfuhr im Blockinneren. An vorhandenen Keimen, die vor der Erstarrungsfront hergeschoben werden. Gerichtete Erstarrung Durch die Erstarrung von Metallen in einem geordneten Gitter besitzen die einzelnen Kristallite eine kristallographische Orientierung (in Richtung der Wärmeabfuhr). Aus dieser Orientierung resultiert eine bevorzugte Wachstumsrichtung bei der Kristallisation. globulitische Erstarrung  isotrope (richtungsunabhängige) Werkstoffeigenschaften stengelförmige Erstarrung  anisotrope (richtungabhängige) Werkstoffeigenschaften Q  Q  Q  Q  Q  2.9 Grundlagen der Erstarrung Seite 125 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Erstarrung von Einkristallen Einkristalle zeichnen sich aus durch: – eine vollständige ideale Gitterausrichtung – das Fehlen von inneren Grenzflächen (Korngrenzen) – eine geringe Anzahl von Gitterdefektstrukturen (Versetzungen, Leerstellen, etc.) – ein vom Atomgitter bestimmtes Eigenschaftsprofil (An- bzw. Isotropie) – eine nahezu ideale Gitterstruktur – einen geringen Gehalt an Verunreinigungen Vorteile: – sehr gute elektrische Eigenschaften (Piezoquarze, Halbleiter, Laser) – sehr gute Warmfestigkeits- und Kriecheigenschaften (Turbinenschaufeln) Nachteil: – aufwendiges Herstellungsverfahren Gerichtete Erstarrung (Einkristall) DieTurbinenschaufeln unterliegen extrem hohen Belastungen:  T Betrieb > 900°C  20.000-60.000 U/min  Angriff korrosiver Gase Anwendungsbeispiel: Turbinenschaufel in Flugzeugturbinen Gefahr des Kriechens (langsame Verformung, meist ausgehend von den Korngrenzen) 2.9 Grundlagen der Erstarrung Seite 126 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Herstellungsverfahren von Einkristallen Bridgemann- verfahren - Absenkgeschwindigkeit entspricht der Erstarrungs- geschwindigkeit - Kristall wächst aus der Tiegelspitze heraus - z. B. Titanschaufeln Schmelze Kristallisations- spitze Einkristall Ofen Czochralski- verfahren Einkristall Ofen Schmelze - Abzuggeschwindigkeit entspricht der Erstarrungs- geschwindigkeit - z. B. Siliziumeinkristalle für die Halbleitertechnologie Tiegelfreies Zonenziehen polykristallines Rohmaterial Einkristall Hochfrequenz- spulen Umschmelz- zone - Hochfrequenzspulen werden an dem Rohmaterial entlang- gefahren - Bereich der Umschmelzzone erstarrt als Einkristall - Herstellung hochreiner Materialien Erstarrung von Legierungen Die Mechanismen der Erstarrung sind bei Legierungen grundsätzlich dieselben wie bei reinen Metallen (Keimbildung, Keimwachstum). Das sich ausbildende Gefüge ist jedoch geprägt durch die Zusammensetzung der Schmelze und die Abkühlgeschwindigkeit. Die Mechanismen der Erstarrung sind bei Legierungen grundsätzlich dieselben wie bei reinen Metallen (Keimbildung, Keimwachstum). Das sich ausbildende Gefüge ist jedoch geprägt durch die Zusammensetzung der Schmelze und die Abkühlgeschwindigkeit.  Gleichgewichtserstarrung (langsame Abkühlung): Der Erstarrungsverlauf folgt einer senkrechten Linie im Phasendiagramm. Die Verteilung der Legierungselemente ist über den erstarrten Bereich homogen.  Nicht- oder Ungleichgewichtserstarrung (schnelle Abkühlung): Der Erstarrungsverlauf geht mit einer diffusionsbedingten Entmischung einher. Legierungselemente werden durch unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten in der Schmelze (hoch) und dem erstarrten Material (niedrig) vor der Erstarrungsfront angereichert (Erstarrungssegregation). Die Zusammensetzung des erstarrten Materials ist nicht homogen. 2.9 Grundlagen der Erstarrung Seite 127 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Gleichgewichtserstarrung Schmelze S+D S+E S S Masse %  Die Erstarrung beginnt bei Eintritt in das 2-Phasen- gebiet (Erstarrungsintervall) S + D.  Sie ist bei Eintritt in den Mischkristallbereich D abgeschlossen. Ferrit (D-Eisen) Erstarrung von Legierungen Gleichgewichtserstarrung Schmelze S S+D S+E Masse %  Die Erstarrung beginnt bei Eintritt in das 2-Phasengebiet S + D (Erstarrungsintervall).  Sie ist bei Eintritt in den Misch- kristallbereich D abgeschlossen.  Aufgrund der ab- nehmenden Löslichkeit für B nach Erreichen der Phase- grenze DD D E E wird die intermetallische Phase E im Mischkristall D ausgeschieden. MgZn-Ausscheidungen in einer AlMg(Zn)-Legierung Erstarrung von Legierungen 2.9 Grundlagen der Erstarrung Seite 128 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Gleichgewichtserstarrung Schmelze S S+D S+E Masse %  Die Erstarrung beginnt bei Erreichen der Eutektikale im eutektischen Punkt. Die Schmelze erstarrt wie ein reines Metall in einem Punkt.  Die Phasen D und E erstarren zeitgleich nebeneinander. Eutektische Struktur einer AlCu-Legierung Erstarrung von Legierungen  Die Erstarrung beginnt bei Eintritt in das 2-Phasengebiet (Erstarrungsintervall) S + D.  Wachsen der D Bereiche bis die eutektische Temperatur erreicht wird.  Bei Erreichen der Eutektikalen kristallisiert die Restschmelze als eutektisches Gefüge an die D-Kristallite. Mischkristalle und eutektische Strukturen einer AlSi-Legierung Gleichgewichtserstarrung Schmelze S S S+D S+E Masse % Erstarrung von Legierungen 2.9 Grundlagen der Erstarrung Seite 129 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Ungleichgewichtserstarrung Erstarrter Mischkristall Schmelze Legierungs- elemente Fortschritt der Erstarrungsfront Reales Erstarrungsverhalten Reales Erstarrungsverhalten Beim Erstarren von Legierungen erfolgt eine Anreicherung der Legierungselemente in der Restschmelze vor der Erstarrungsfront. Diese Anteile erstarren meist eutektisch zwischen den Mischkristallen. Sie werden als Seigerungen bezeichnet.  Die Zusammensetzung entspricht einer Gleichgewichtserstarrung mit E-Ausscheidungen in der festen Phase.  Die Erstarrung beginnt mit der Kristallisation von D -Mischkristallen.  Die D Bereiche wachsen bis zur eutektischen Temperatur und die Restschmelze wird mit B angereichert.  Bei Erreichen der Eutektikalen kristallisiert die Restschmelze zwischen den D-Kristalliten eutektisch an die D-Kristallite (entartetes Eutektikum). Ungleichgewichtserstarrung entartetes Eutektikum einer MgAl-Legierung Schmelze S S eut S+D S+E Masse % Erstarrung von Legierungen 2.9 Grundlagen der Erstarrung Seite 130 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Erstarrungsfehler reine Metalle und eutektische Legierungen nichteutektische Legierungen T R : Raumtemperatur T S : Solidustemperatur (nach Hasse) T L : Liquidustemperatur T G : Gießtemperatur -6 -5,1 -4,2 -4,1 -3,8 -3,5 -2,8 -2,2 3,3 10 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 A lum i ni u m M ag nesi um Z i nk Kupfer Silber Blei Zinn Eisen Wismut Si li zium Erstarrungsschrumpfung [%] Erstarrungsschrumpfung 2.9 Grundlagen der Erstarrung Seite 131 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Lunker (Makrolunker) Bildung von Erstarrungslunkern Bildung von Erstarrungslunkern  Die Schmelze erstarrt vom Kokillenrand zur Mitte und nicht von unten nach oben.  Durch die Erstarrungs- schrumpfung nimmt das Volumen ab und der Schmelzespiegel sinkt während der Erstarrung.  Nach Abschluss der Erstarrung verbleiben häufig Kopf-, Faden oder Innenlunker  Gegenmaßnahme: geeignete Temperierung der Kokille. Kopflunker Innen- Fadenlunker Kopflunker Innen- Fadenlunker Porosität  In Bauteilen erstarrt die Schmelze bei unterschiedlichen Querschnitten im Bereich von Materialanhäufungen zuletzt.  In dünnwandigen Bereichen mit geringem Querschnitt muss weniger Wärme abgeführt werden. Sie erstarren zuerst.  Die auftretende Erstarrungsschrumpfung kann durch Nachspeisung von Schmelze nicht kompensiert werden.  Somit sind diese Bereiche besonders anfällig für Porositäten.  Je größer das Erstarrungsintervall, desto größer das Risiko von Porositäten.  Gegenmaßnahmen: angepasste Gussteilgeometrie, Gießen mit Nachdruck, optimierte Speisersysteme Material- anhäufung Einguss dünnwandige Bereiche Porositäten Material- anhäufung Einguss dünnwandige Bereiche Porositäten [...]... Zustandes tragen zwei Einflüsse bei: – kinetische Bedingung: eine möglichst geringe Beweglichkeit bzw kurze Zeit bei der Bildung des amorphen Zustands (Abkühlgeschwindigkeit für die amorphe Erstarrung: 1 06 bis 1010 Ks-1) – thermodynamische Bedingung: die Enthalpiedifferenz Gkr zwischen der Schmelze und der im Gleichgewicht primär kristallisierende Phase sollte möglichst gering sein Die Bildung des amorphen... schiedenen Molekülstrukturen Eisenumwandlung Titanumwandlung -Eisen krz -Titan krz 1394°C 882°C -Eisen kfz 912°C -Titan hdp -Eisen krz Rekristallisation Rekristallisation ist eine Kornneubildung im Gefüge Oberhalb einer Rekristallisation ist eine Kornneubildung im Gefüge Oberhalb einer bestimmten Temperatur, der Rekristallisationstemperatur, wird die in den bestimmten Temperatur, der Rekristallisationstemperatur,... Ausscheidungen können in unterschiedlichen makroskopischen Formen, Größen und Verteilungen im Gefüge vorliegen: Verteilungen im Gefüge vorliegen: globulitisch klein globulitisch groß freie Form eckig, spitz freie Form rundlich nadelförmig Eine optimale Eigenschaftsverbesserung wird mit: zahlreichen, kleinen, runden, homogen verteilten Ausscheidungen erzielt Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde. .. weichmagnetisches Verhalten weichmagnetisches Verhalten geringe Energieverluste beim Ummagnetisieren hohe Korrosionsbeständigkeit hohe Korrosionsbeständigkeit Es bildet sich eine sehr dicke, defektarme, korrosionshemmende Passivschicht mit erheblich größeren Schutzwirkung als auf kristallinen Metallen hohe Elastizität und mechanische Härte hohe Elastizität und mechanische Härte hohe Wärmeleitfähigkeit... ein Ausschnitt aus dem Zweistoffsystems Fe-C es umfasst den Bereich von 0% C (links) bis zum Eisenkarbid Fe3C (Zementit) bei 6, 67% C Temperaturen unterhalb 500 °C sind nicht dargestellt ( ab 723°C keine Umwandlungen mehr) Doppelschaubild es handelt sich um ein Doppelschaubild (metastabiles und stabiles System sind gleichzeitig in einem Diagramm dargestellt) im stabilen System (gestrichelte Linie) ist... Kornvergröberung Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 2.9 Grundlagen der Erstarrung Seite 135 Rekristallisationskorngröße Rekristallisationsdiagramm von Aluminium Einflussfaktoren Korngröße Temperaturhöhe hoch Temperatureinflussdauer hoch Verformungsgrad hoch niedrig niedrig niedrig Einflussgrößen auf die Rekristallisationskorngröße (nach Gottstein) Rekristallisationskorngröße Umformgrad... ohne dass die bestehende Phase vollständig aufgebraucht wird Grundmechanismus der Ausscheidung: Schmelze Löslichkeit für B in A nimmt mit sinkender Temperatur im festen Zustand ab Bei Unterschreiten der Segregationslinie wird im -Mischkristall gebildet (ausgeschieden) S+ unterscheidet sich sowohl in der chemischen Zusammensetzung als auch in der Gitterstruktur von Die gleichmäßige Ausscheidung aus dem... Werkstoffwissenschaften, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 19 96 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 2.9 Glasmetalle / Amorphe Metalle Seite 140 Definition In herkömmlichen Metallen sind die Atome streng regelmäßig angeordnet Die Atome amorpher Werkstoffe sind dagegen ungeordnet, ähnlich wie in einer Flüssigkeit oder Schmelze Es ist keine Fernordnung... B, Si, P und C; – Zusätzen für: – die thermische Stabilität – Mo oder Nb; – die genaue Einstellung magnetischer Eigenschaften – Mn Typische weichmagnetische, amorphe Legierungen sind: Fe78Si9B13 , Co68Fe4Mo1Si16B9 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 2.9 Glasmetalle / Amorphe Metalle Seite 144 Herstellung Laser-Abschreckverfahren Mit einem Laserpuls wird... kurzzeitig aufgeschmolzen und erstarrt anschließend schnell Amorphisierung durch Interdiffusion Bei manchen Metallen diffundieren mehrere dünne Schichten ineinander, bilden aber nicht sofort die stabile intermetallische Phase aus Die entstehende Legierung kann amorph sein Weitere Verfahren beruhen darauf, das vorhandene Kristallgitter zu zerstören – durch Bestrahlung mit energiereichen Teilchen (Ionen, . Abzuggeschwindigkeit entspricht der Erstarrungs- geschwindigkeit - z. B. Siliziumeinkristalle für die Halbleitertechnologie Tiegelfreies Zonenziehen polykristallines Rohmaterial Einkristall Hochfrequenz- spulen Umschmelz- zone -. besitzen die einzelnen Kristallite eine kristallographische Orientierung (in Richtung der Wärmeabfuhr). Aus dieser Orientierung resultiert eine bevorzugte Wachstumsrichtung bei der Kristallisation krz Rekristallisation Rekristallisation ist eine Kornneubildung im Gefüge. Oberhalb einer bestimmten Temperatur, der Rekristallisationstemperatur, wird die in den Versetzungen gespeicherte Energie