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Metalle in der Medizintechnik > 02 - Aufbau und Eigenschaften von Metallen > Flashcards

02 - Aufbau und Eigenschaften von Metallen Flashcards

1
Q

Grundlegende Eigenschaften Metalle

A
  • 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
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2
Q

Grundlegende Eigenschaften Metalle

Durch metallische Bindung ermöglicht

A
  • 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)
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3
Q

Gitterstrukturen

A
  • 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
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4
Q

Beispiele für Gitterstrukturen

A

HDP: α-Ti, Magnesium, Kobalt

KRZ: α-Fe (Ferrit), β-Ti

KFZ: 𝛄-Fe (Austenit), Aluminium

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5
Q

Mechanischen Eigenschaften von Metallen

Härte

A

Härte = Widerstand den der Werkstoff dem Eindringen eines Körpers entgegensetzt (Bei bestimmten Metallen korreliert Härte und Zugkraft)

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6
Q

Verformung von Metallen:

  1. Spannung-Dehnungs-Diagramm (Zsm)
  2. E-Modul
  3. Poissonzahl
  4. Schubmodul
A
  1. E-Modul = Steigung der Hookschen Gerade
  2. 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.)
  3. Schubmodul
    (Formel in Zsm)
    elastische lineare Verformung eines Bauteils, infolge einer Schubspannung oder Scherkraft
    Für isotrope Metalle: G = 0,4 x E-Modul
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7
Q

E-Moduli im Vergleich:

Metalle:
Stahl, Nickel, Titanium,

A

Stahl: ~ 207.000 MPa

Nickel: ~ 207.000 MPa

Titan: ~ 107.000 MPa

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8
Q

E-Moduli im Vergleich:

Keramik:
Aluminum Oxide (Al2O3), Zirkonia
A

Aluminum Oxide: 393 GPa

Zirkonia: 205 GPa

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9
Q

E-Moduli im Vergleich:

Polymers:

Polyvinyl chloride (PVC), Polymathy methacrylate (PMMA)

A 
Polyvinyl chloride (PVC): 2.41-4.14 GPa
Polymathy methacrylate (PMMA): 2.24 - 3.24 GPa
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10
Q

Yield Strength / Streckgrenze - tensile strength / Zugfestigkeit im Vergleich

Titan, Steel(1020), Nickel

A

Titan: 450 MPa / 520 MPa

Steel (1020): 180 MPa / 380 MPa

Nickel: 138 MPa / 480 MPa

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11
Q

Yield Strength / Streckgrenze - tensile strength / Zugfestigkeit im Vergleich

Zirconia (ZrO2), Aluminium Oxide (Al2O3)

A

Zirconia (ZrO2): – / 800-1500

Aluminium Oxide (Al2O3): – / 275-700

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12
Q

Yield Strength (Streckgrenze) / tensile strength (Zugfestigkeit) im Vergleich

Polyvinyl chloride (PVC), Polymathy methacrylate (PMMA)

A

PVC: 40.7-44.8 MPa / 40.7-51.7 MPa

PMMA: 53.8-73.1 MPa / 48.3-72.4 MPa

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13
Q

Verformung

A

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)

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14
Q

Beanspruchungsregime und Folgen für Implantatwerkstoffe

A

Mechanisch -> Bruch

Chemisch -> Korrosion

Tribologisch -> Verschleiß

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15
Q

Bruchzähigkeit

A

Formel siehe Zsm

  1. Bruchzähigkeit bei Metallen temperaturabhängig
    (T+ -> Bruchz. +)
  2. Probendicke + -> Bruchz. –
3. K(lc)-Faktor beschreibt das Rissauffangverhalten = Bruchzähigkeit
Wenn K(I) > K(Ic) = Riss wächst
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16
Q

Dauerfestigkeit

A

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)

17
Q

Wöhlerkurve

A

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

18
Q

Korrosion

Edle Metalle

A

Edle Metalle -> höhere Elektronenanziehung.

Deren Normalpotential ist positiv gegenüber der Wasserstoffelektrode, sie werden also von verdünnten Säuren nicht angegriffen.

19
Q

Oxidation

Reduktion

A

Oxidation - Elektronenabgabe

Reduktion - Elektronenaufnahme

20
Q

Passivierung -> Oxidschichtbildung

A

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)

21
Q

Diagramm zu Reaktionsfreudigkeit abh. Temperatur

A

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

22
Q

Pilling-Bedworth-Verhältnis:

A

Oxidvolumen pro Metallatom / Metallvomuen pro Metallatom

Formel siehe Skript

23
Q

Interpretation:

P-B < 1

A

P-B < 1 = poröses Oxid (Mg), Volumen von Oxid < Metallvolumen, Zugsapannung in Oxidschicht, Risse in Oxidschicht

24
Q

Interpretation:

P-B = 1-2

A

dichtes Oxid (Al, Ti), Volumen von Oxid gleich bzw. leicht größer als Metallvolumen, leichte Druckspannung in Oxidschicht, Gute Passivierungsschicht

25
Q

Interpretation:

P-B > 2

A

Abplatzung (Fe), Volumen von Oxid»Metallvolumen, hoche Druckspannung in Oxidschicht, Abplatzen der Oxidschicht

26
Q

Wachstumsverhalten Oxidschicht

A

Passivschicht -> logarithmisches Wachstumsverhalten

Nicht passivschicht-korrosion -> lineares Wachstumsverhalten

27
Q

Korrosionsarten (s. Zsm)

gleichmäßige Angriffsform

A

Korrosion unter Wasserstoffentwicklung, Sauerstoffverbrauch

28
Q

Korrosionsarten (s. Zsm)

ungleichmäßige Angriffsform

A
  • Spaltkorrosion
  • Kontaktkorrosion
  • selektive Korrosion
  • Lochfraßkorrosion
  • interkristalline Korrosion
29
Q

Korrosionsarten (s. Zsm)

ungleichmäßige, an mechanische Belastung gebundene Angriffsform

A
  • Spannungsrißkorrosion

- Schwingungsrißkorrosion

30
Q

Tribologie - Gründe

A

Verschleiß

Reibung

Schmierung

31
Q

Tribologische Kenngrößen

A
  • Reibbeiwert µ = F_R / F_N
  • Verschleißrate k = W_v / (F_N * s)

Formeln siehe nochmal Zsm

32
Q

Verschleißmechanismen

A

Oberflächenzerüttung

Abrasion

Adhäsion

Tribochemische Reaktionen

33
Q

! Stribeck Kurve

A

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)

Metalle in der Medizintechnik (7 decks)

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