02 - Aufbau und Eigenschaften von Metallen Flashcards
Grundlegende Eigenschaften Metalle
- Hohe Festigkeit und Duktilität
(Duktilität trotz Verformung noch ausreichende Rest-festigkeit) - Großes Absorptions- und Reflexionsvermögen (von Strahlung)
- Gute elektrische und thermische Leitfähigkeit
- Besonderheit Metalle: Plastische Verformung
Grundlegende Eigenschaften Metalle
Durch metallische Bindung ermöglicht
- Vollständige Delokalisation der Valenzelektronen
- Metallgitter besteht aus positiven Atomrümpfen
- Im Feld der Gitterionen können sich die Valenzelektronen „quasifrei“ bewegen - (Quantentheorie liefert die Erklärung für die metallische Bindung)
Gitterstrukturen
- Kubisch-Flächenzentriert = KFZ (=FCC) -> im Vgl. am leichtesten verformbar z.B. γ-Fe (Austenit)
- Kubisch-Raumzentriert = KRZ (=BCC) -> im Vgl. mittel verformbar z.B. α-Fe (Ferrit)
- Hexagonal-dichteste-Packung = HDP (=HCP) -> im Vgl. am schwersten verformbar z.B. Titan
Beispiele für Gitterstrukturen
HDP: α-Ti, Magnesium, Kobalt
KRZ: α-Fe (Ferrit), β-Ti
KFZ: 𝛄-Fe (Austenit), Aluminium
Mechanischen Eigenschaften von Metallen
Härte
Härte = Widerstand den der Werkstoff dem Eindringen eines Körpers entgegensetzt (Bei bestimmten Metallen korreliert Härte und Zugkraft)
Verformung von Metallen:
- Spannung-Dehnungs-Diagramm (Zsm)
- E-Modul
- Poissonzahl
- Schubmodul
- E-Modul = Steigung der Hookschen Gerade
- Poissonzahl ν: (=Querkontraktionszahl)
(Formel in Zsm)
Beschreibt Verjüngung unter Zug bei ν=0,5 bleibt Vol. gleich bei ν<0,5 nimmt Vol. zu
Metalle: ν ~ 0,25-0,35 (0,25 theor.) - Schubmodul
(Formel in Zsm)
elastische lineare Verformung eines Bauteils, infolge einer Schubspannung oder Scherkraft
Für isotrope Metalle: G = 0,4 x E-Modul
E-Moduli im Vergleich:
Metalle:
Stahl, Nickel, Titanium,
Stahl: ~ 207.000 MPa
Nickel: ~ 207.000 MPa
Titan: ~ 107.000 MPa
E-Moduli im Vergleich:
Keramik: Aluminum Oxide (Al2O3), Zirkonia
Aluminum Oxide: 393 GPa
Zirkonia: 205 GPa
E-Moduli im Vergleich:
Polymers:
Polyvinyl chloride (PVC), Polymathy methacrylate (PMMA)
Polyvinyl chloride (PVC): 2.41-4.14 GPa Polymathy methacrylate (PMMA): 2.24 - 3.24 GPa
Yield Strength / Streckgrenze - tensile strength / Zugfestigkeit im Vergleich
Titan, Steel(1020), Nickel
Titan: 450 MPa / 520 MPa
Steel (1020): 180 MPa / 380 MPa
Nickel: 138 MPa / 480 MPa
Yield Strength / Streckgrenze - tensile strength / Zugfestigkeit im Vergleich
Zirconia (ZrO2), Aluminium Oxide (Al2O3)
Zirconia (ZrO2): – / 800-1500
Aluminium Oxide (Al2O3): – / 275-700
Yield Strength (Streckgrenze) / tensile strength (Zugfestigkeit) im Vergleich
Polyvinyl chloride (PVC), Polymathy methacrylate (PMMA)
PVC: 40.7-44.8 MPa / 40.7-51.7 MPa
PMMA: 53.8-73.1 MPa / 48.3-72.4 MPa
Verformung
Plastizität durch Versetzungsbewegung (Burgersvektor)
Versetzung läuft durch Kristallgitter
-> Es muss immer nur eine Verbindung(-srichtung) gleichzeitig gelöst werden
Wenn Versetzung durchgelaufen -> plastische Verformung
(bei Keramiken keine plastische Verformung)
(Grafik s. Zsm)
Beanspruchungsregime und Folgen für Implantatwerkstoffe
Mechanisch -> Bruch
Chemisch -> Korrosion
Tribologisch -> Verschleiß
Bruchzähigkeit
Formel siehe Zsm
- Bruchzähigkeit bei Metallen temperaturabhängig
(T+ -> Bruchz. +) - Probendicke + -> Bruchz. –
3. K(lc)-Faktor beschreibt das Rissauffangverhalten = Bruchzähigkeit Wenn K(I) > K(Ic) = Riss wächst
Dauerfestigkeit
Dauerfestigkeitstest = 10^7 Schwingspiele
Ermittlung der Spannung/Dehnungsamplitude, die bei periodischer Ausprägung zum Bruch führt Druck/Wechsel/Zugbelastung
σo = Oberspannung σu = Unterspannung σm = Mittelspannung σa = Spannungsamplitude R = Spannungsverhältnis, R = σu / σo
(Grafik s. Zsm)
Wöhlerkurve
Beschreibung: Üblicherweise wird im Wöhlerdiagramm die Nennspannungsamplitude Sa linear oder logarithmisch über der logarithmisch dargestellten, ertragbaren Schwingspielzahl aufgetragen. Den sich ergebenden Kurvenzug nennt man die Wöhlerkurve oder auch Wöhlerlinie. In der nebenstehenden Wöhlerkurve sind die drei Bereiche K, Z und D eingetragen: Kurzzeitfestigkeit, Zeitfestigkeit und Dauerfestigkeit.
Typ I meist sehr harte Stähle (krz)
Typ II meist kfz Stähle
Korrosion
Edle Metalle
Edle Metalle -> höhere Elektronenanziehung.
Deren Normalpotential ist positiv gegenüber der Wasserstoffelektrode, sie werden also von verdünnten Säuren nicht angegriffen.
Oxidation
Reduktion
Oxidation - Elektronenabgabe
Reduktion - Elektronenaufnahme
Passivierung -> Oxidschichtbildung
Bsp.: Titan
Auf Titan bildet sich Titan-Oxid-Schicht: TiO2 (-> Passivierungsschicht)
weitere Oxidation wird durch Passivierungsschicht verhindert
Rein-Titan sehr unedel durch Passivierung wird es „edel“
(Graphik s. Zsm)
Diagramm zu Reaktionsfreudigkeit abh. Temperatur
Reaktion Temp. Abhängig
Negative Werte -> Energie wird frei!
Je negativer die Energie desto stabiler die Oxid-Verbindung
Je höher die Temp. Desto instabiler die Oxid-Verbindung
Ab ca. 1000 °C ist CO2 stabiler als Fe-Oxid
- > Eisen gibt O2 ab
- > reines Eisen entsteht
-> einfach herstellbar
Pilling-Bedworth-Verhältnis:
Oxidvolumen pro Metallatom / Metallvomuen pro Metallatom
Formel siehe Skript
Interpretation:
P-B < 1
P-B < 1 = poröses Oxid (Mg), Volumen von Oxid < Metallvolumen, Zugsapannung in Oxidschicht, Risse in Oxidschicht
Interpretation:
P-B = 1-2
dichtes Oxid (Al, Ti), Volumen von Oxid gleich bzw. leicht größer als Metallvolumen, leichte Druckspannung in Oxidschicht, Gute Passivierungsschicht
Interpretation:
P-B > 2
Abplatzung (Fe), Volumen von Oxid»Metallvolumen, hoche Druckspannung in Oxidschicht, Abplatzen der Oxidschicht
Wachstumsverhalten Oxidschicht
Passivschicht -> logarithmisches Wachstumsverhalten
Nicht passivschicht-korrosion -> lineares Wachstumsverhalten
Korrosionsarten (s. Zsm)
gleichmäßige Angriffsform
Korrosion unter Wasserstoffentwicklung, Sauerstoffverbrauch
Korrosionsarten (s. Zsm)
ungleichmäßige Angriffsform
- Spaltkorrosion
- Kontaktkorrosion
- selektive Korrosion
- Lochfraßkorrosion
- interkristalline Korrosion
Korrosionsarten (s. Zsm)
ungleichmäßige, an mechanische Belastung gebundene Angriffsform
- Spannungsrißkorrosion
- Schwingungsrißkorrosion
Tribologie - Gründe
Verschleiß
Reibung
Schmierung
Tribologische Kenngrößen
- Reibbeiwert µ = F_R / F_N
- Verschleißrate k = W_v / (F_N * s)
Formeln siehe nochmal Zsm
Verschleißmechanismen
Oberflächenzerüttung
Abrasion
Adhäsion
Tribochemische Reaktionen
! Stribeck Kurve
Diagramm s. Zsm
III = Festkörperreibung (bei niedriger Viskosität und Geschwindigkeit) -> hoher Reibwert
II = Mischreibung
I = Flüssigkeitsreibung
(Durch arbeit gegen Schmiermittel steigt µ bei steigender Geschwindigkeit wieder an)
