Fragenkatalog Flashcards
Welche nach Werkstoffen benannte Perioden der Menschheitsgeschichte kennen Sie ?
- Steinzeit (2,5 Mio v. Chr.)
- Kupferzeit (4000 bis 2000 v. Chr.)
- Bronzezeit (2000 - 1000 v.Chr.)
- Eisenzeit (1000 - 1 v. Chr.)
- Moderne Werkstoffe
Was versteht man unter einem Werkstoff?
Ein Material wird zum Werkstoff, wenn es technisch verwertbare Eigenschaften besitzt und technologisch und wirtschaftlich herstellbar ist.
Wie sind Werkstoffe aufgebaut? (Jeweilige Hauptgruppe)
—> Antwort nicht ganz sicher
Metalle:
- aus reinen Elementen oder Komb. von metallischen
Elementen(Legierungen)
(- metallische Bindungen )
- kristallin (periodische Anordnung von Fortsetzung von Atomen)
—> atomares Gitter
—> Fernordnung
- die meisten Metalle kristallisieren in 3 Packungsarten: kfz, kurz, hdp
Anorganische-nichtmetallische Werkstoffe (Keramiken):
- Komb. von metallis. und nichtmetallischen Elementen zu Festkörper
- kristallin (periodische Anordnung und Fortsetzung von Atomen)
—> Fernordnung
—> atomares Gitter
- ionisch/kovalente Bindungen
Polymere
- Organische Verbindungen der Elemente: C;H;O;N;F;Si
- kovalente Bindungen (primär)
- Wasserstoffbrücken- und/oder van-der-Waals-Bindungen(sekundär)
- amorpher Aufbau
—>Nahordnung
—>unregelmäßige Wiederh. der Polyeder
Welche Größenskalen werden in der Werkstoffkunde
betrachtet?
—> Antwort nicht sicher(aus Internet)
- Atome (kleiner 10^-9)
- Gitter(defekte) (kleiner 10^-6)
- Gefüge, Mikrostruktur (10^-6 bis 10^-3)
- Proben (10^-3 - …)
- Bauteile
- Blauer Planet (größer als 10^6)
In welche Gruppen können Werkstoffe zweckmäßiger Weise
aufgeteilt werden?
- Metallische Werkstoffe - Metalle
- Anorganische-nichtmetallische Werkstoffe - Keramiken/Gläser
- Organische Werkstoffe - Polymere
- Verbundwerkstoffe
Was sind Werkstoffeigenschaften?
—> Antwort noch nicht perfekt
Nennen Sie einige Beispiele:
Aus IV:
- Eigenschaften des Werkstoffes, bestimmen Eigenschaften des Bauteils
- mit seinen Eigenschaften reagiert ein Werkstoff auf äußere Belastungen
Bespiele:
- mechanische Eigenschaften
—> z.B. Festigkeit, Elastizität und Steifigkeit, Plastizität(Duktilität),
Bruchverhalten, Ermüdung
- elektrische Eigenschaften (leitend, nichtleitend…)
- thermische Eigenschaften
- optische Eigenschaften
- chemische Stabilität
Was sind Werkstoffkenngrößen?
• Nennen Sie typische Beispiele.
—> Antwort nur aus Internet
Eine Werkstoffkenngröße (auch Kenngröße) ist eine quantitativ bestimmbare Eigenschaft eines Werkstoffes.
—> ist entweder direkt messbar (Messgröße) oder kann aus anderen
Messgrößen berechnet werden (abgeleitete Größe)
Beispiele: Zugfestigkeit σm Biegefestigkeit σfm Vickers-Härte HV Kerbschlagzähigkeit acN (siehe: Kerbschlagbiegeversuch) Bruchzähigkeit KIc (siehe: Bruchmechanik) Dichte ρ Wärmeformbeständigkeitstemperatur HDT Interlaminare Scherfestigkeit τ
Wie werden die Elektronen bezeichnet, die für das Bindungsverhalten maßgeblich sind?
Valenzelektronen(Außenelektronen)
Von welchen Kräften hängt die Elastizität eines Werkstoffes ab?
Bindungskräfte
(- Anziehungs- und Abstoßungskräfte)
- ionische, kovalente, metallische Bindungen
- Van-der-Waals-Bindungen und Wasserstoffbrückenbindung
Skizzieren Sie die Kraft-Atomabstand-Kurven für die
anziehenden und abstoßenden Kräfte sowie die resultierende
Kraft.
—> siehe Folie 9
oben Kraft-Atomabstand-Kurven
Skizzieren Sie die entsprechenden Energie-Atomabstand-
Kurven.
Folie 9 (unten)
Werkstoffe bei Temperaturerhöhung ausdehnen
—> beschrieben anhand Kraft-Atomabstand-Kurve
—> beschrieben anhand Energie-Atomabstand-Kurve
aufgrund der Wärmeschwingung nimmt die Krümmung des
interatomaren Potentialminimums mit steigender Temperatur ab
hieraus folgt: Abnahme der Steigung der Kraft-Atomabstand-Kurve
—> Abnahme der elastischen Konstanten E mit steigender T
bei Energie-Atomabstand-Kurve(eigene Theorie)
—> durch steigende Temp. mehr Energie
—> durch mehr Energie, schwingen Atome mehr
—> dadurch Abstand größter und Ausdehnung
(Nochmal nachfragen)
die Beobachtung, dass für kleine Spannungen ein linearer
Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung besteht.
—> anhand von Kurven (nachfragen)
nachfragen
Welche typischen Eigenschaften sind mit einer metallischen Bindung verbunden?
- Bindungen ungerichtet
—> frei beweglichen Valenzelektronen
(führt zu hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit)
(gute Verformbarkeit (Duktilität), da
- da Atome sich gegeneinander verschieben lassen ohne die
metallische Bindung aufzuheben
—> weil in absolut reinen Metall alle Atomrümpfe gleichwertig,
Platzwechsel einzel. Atomrümpfe bewirkt daher keine
einschneidende Veränderung der elektrostatischen Kräfte zws.
diesen und Elektronengas
- ein metallischer Glanz )
Was zeichnet Ionische Bindungen aus?
- ungerichtet
- Triebkraft der Bindung:
—> elektrostatische Anziehung der entgegengesetzt geladenen
Ionen
Was zeichnet kovalente Bindungen aus ?
- gerichtet
- Bildung eines Elektronenpaars
Welche sekundäre Bindungen kennen Sie ?
- Van-der-Waals-Bindungen
- Wasserstoffbrückenbindung
Was sind Wasserstoffbrückenbindungen?
- polare konvergente Bindung eines Moleküls mit Wasserstoff (H)
Erläutern Sie die Begriffe kristalliner und amorpher Zustand.
- kristalliner Zustand:
—> ist ein stabiler Zustand
—> Fernordnung und Nahordnung
(—> gleichmäßige Bindungen durch regelmäßige Atomabstände)
(—> Auflösung der Bindung erfolgt bei diskreter Temp. Tm:
Schmelztemperatur)
(—> Metalle bilden im festen Zustand Kristalle)
amorpher Zustand:
—> metastabiler oder instabiler Zustand, der in kristallinen
Zustand übergehen kann
—> nur Nahordnung
(—> Bind. unters. Intensität durch unregelmäßige Atomabstände)
(—>Auflösung der Bindung erfolgt im Temperaturbereich (Erweichungsbereich), der bei Glasübergangstemperatur Tg einsetzt)
Was versteht man unter Nahordnung/Fernordnung
Nahordnung:
- strukturelle Ordnung im Bereich der nächsten Nachbaratome
(—> unregelmäßige Wiederholung der Polyeder (amorphe Struktur))
Fernordnung:
- räumlich und über größere Bereiche regelmäßige strukturelle Ordnung
(—>regelmäßige Wiederholung der Koordinationspolyeder)
(—>Periodizität der Atome im Raum, dreidimensionales Punktgitter)
Unter welchen Voraussetzungen nimmt ein Werkstoff
kristalline Struktur an?
—>Antwort überprüfen
Um die Kristallisation zu ermöglichen, darf der Zustand der Atome oder Moleküle kein Gleichgewicht sein.
Bei Dampf und Lösungen wird von Übersättigung gesprochen, bei einer Schmelze von Unterkühlung.
Skizziere die krz/kfz/hdp Elementarzelle.
—> in Folien sehen(kontrollieren
—> Folie 42,43,47
.
Geben Sie die Stapelfolge für die kfz und hdp Elementarzelle an.
(Erläutern mit Hilfe einer Skizze)
kfz: ABCABC…
hdp: ABAB…
—> Zeichnungen Folie 36+37
Wie werden Ebenen und Richtungen im kubischen/hexagonalen Gitter indiziert?
—> weiteres siehe andere Fragen oder YouTubeVideo!
Mit Hilfe der Millerschen Indizes bei kubischen.
Mit Hilfe der Bravais-Miller-Indizes
Millersche Indizes
—> Kristallebene
—> Auswahl einer Ebene, die nicht ??
—> weitere Vorgehensweise: ??
—> Schnittpunkte der Ebene mit den Achsen a,b und c
bestimmen, Werte bezüglich a0, b0, c0: 1 unendlich unendlich
(—> aus Bsp. Folie 32 —> schneidet b0 und c0 nicht, darum unendlich)
—> Kehrwert bilden 1/1 1/unendlich 1/unendlich
—> Reziproker Wert also: 1 0 0
—> ganzzahliger Wert notwendig (ggf. Multiplikation)
—> Ebenendarstellung (100)
—> bezeichnet spezifische Ebene oder spezifische Ebebenschar
—> beachte, dass es auch sein kann, dass man eine Ebenendarstellung
bekommt und man muss zurück berechnen wo diese a0, b0,
c0 schneiden!
(Im Video:Miller Indizes Werkstoffkunde StudyHelp auch erklärt)
Millersche Indizes
—> Kristallrichtung
- Läuft durch den ??
- Projektion auf die Achsen ??
- Länge der Projektion: wie?
Weitere Vorgehensweise ?
- läuft durch den Ursprung
- Projektion auf die Achsen a,b,c
- Länge der Projektion bezüglich a0,b0,c0
—> mit Bild auf Folie 30 verständlich ( 1/2 1 0)
—> sprich 1/2 in a Richtung, 1 in b und 0 in c !
—> Millersche Indizes ergeben sich aus den kleinsten ganzzahlige
Vielfachen der reziproken Werte: 1 2 0
—> dann in Vektordarstellung: [1 2 0]
Millersche Indizes
Zeichen Sie eine Ebene / Richtung im kubischen Gitter ein,
deren Indizierung gegeben ist.
—> den Weg genau anders herum gehen
—> siehe zur Not YouTube: Miller Indizes Wk von StudyHelpTV
Erläutere die folgenden kristallgeometrischen Kenngrößen:
- Koordinatenzahl?
- Anzahl der Atome pro Elementarzelle ? (hdp, krz,kfz)
Koordinatenzahl(KZ) = Zahl der nächsten Nachbarn für gerichtete
und ungerichtete Bindungen
Anzahl der Atome pro Elementarzelle:
—> hdp: 6; kfz: 4; krz: 2
Erläutere die folgenden kristallgeometrischen Kenngrößen(2):
- Raumerfüllung(Packungsdichte): hdp,kfz,krz???
- dichtest besetze Ebene/Richtung(hdp,krz,kfz)
Raumerfüllung:
—> hdp: 74%; kfz: 74%; krz: 68%
Dichtest besetzte Ebene/Richtung:
—> krz: 6 dichtest besetzte Ebenen(DBE) mit je 2 dichtest besetzten
Richtungen (DBR)
—> kfz: 4 dichtest besetzte Ebenen(DBE) mit je 3 … Richtungen(DBR)
—> hdp: 1 dichtest besetzte Ebene(DBE) mit je 3 …(DBR)
Stapelfolge krz/kfz/hdp
Hexagonal: ABAB... Kubisch: ABCABC... —> darum kfz ABCABC... —> hdp ABAB... —> krz nicht dicht gepackt!
Nennen sie jeweils einen typischen Vertreter von Metallen mit krz/kfz/ hdp.
hdp: Mg
kfz: Al, Cu
krz: Cr, alpha-Fe(Ferrit)
Warum zeigen Elementarzellen anisotropes Verhalten?
—> das warum nicht wirklich beantwortet
Anisotropes Verhalten: Abhängigkeit bestimmter physikalischer Eigenschaften von der Raumrichtung.
Bei Kristallen durch Struktur bedingt und äußert sich zum Beispiel in der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, Härte, thermische Ausdehnung…
Endotherme und exotherme Reaktionen?
Exotherme Reaktion:
Reaktion bei der Wärme an Umgebung abgegeben wird
Endotherme Reaktion:
Reaktion bei der Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird
Wonach lassen sich verschiedenste Gitterfehler kategorisieren ?
Nenne alle Arten von Gitterfehler(+jeweils Beispiele)
Einteilung der Gitterfehler nach geometrischer Ausbildung
—> nach Dimension = Anzahl der Raumrichtungen in denen der
Fehler atomare Abmessungen (>10^-10m) überschreitet
Gitterfehler:
- nulldimensionale = punktförmige Gitterfehler
—> Leerstellen, Zwischengitter-,Interstitions-, Substitutionsatom
- eindimensionale = linienförmige Gitterfehler
—> Versetzungen (Stufen- und Schraubenversetzungen) - zweidimensionale = flächenförmige Gitterfehler
—> Korn-, Zwillings-,Phasen-,Antiphasengrenzen, Stapelfehler - dreidimensionale = räumliche Gitterfehler
—> Mikrorisse, Ausscheidungen, Dispersionen, Poren, Lunker
Wie verändern punktförmige Gitterfehler die elastischen Eigenschaften?
- Veränderungen des elastischen und plastischen Verhaltens
- Grund: lokale Änderung der Bindungskräfte
- Schubmodul G und Elastizitätsmodul E ändern sich
—> MODULEFFEKT
—> richtig???
Was sind die Folgen von Substitutionsatom- und Interstitionsatomen?
- Verspannungen
—>können Eigenspannungen und Eigendeformationen auftreten
—> GRÖßENEFFEKT - Veränderungen des elastischen und plastischen Verhaltens
- Grund: lokale Änderung der Bindungskräfte
- Schubmodul G und Elastizitätsmodul E ändern sich
—> MODULEFFEKT
Was versteht man unter einer Versetzung?
= Linienförmige Störung im Kristallaufbau
— >durch eindimensionale Gitterfehler(linienförmige)
Erläutern Sie die plastische Verformung eines Metalls durch Versetzungsbewegung an Hand einer Skizze.
Siehe IV ab Folie 24
Was ist eine Stufen-, Schrauben- und gemischte Versetzung ?
Bei Stufenversetzung (Burgersvektor b zu Linienvektor S) —>Winkel = 90 Grad (senkrecht)
Bei Schraubenversetzung(S,b) —> Winkel (S,b) = 0 Grad (parallel)
Gemischte Versetzungen:
—> teils Stufen- und teils Schraubenversetzungen
—> überwiegend gemischte Versetzungen kommen vor
Was versteht man unter einer Phase?
Bereich, der sich hinsichtlich Zusammensetzung und/oder kristallographischer Struktur vom Nachbarbereich unterscheidet.
Wie wirken sich unterschiedliche Phasen auf die elastischen Kenngrößen eines Werkstoffs aus?
Nachfragen!
Plastizität kann durch Umformung und Wärmebehandlung manipuliert werden
—> Elastizität nicht!!
Welche Versetzungsreaktionen kennen Sie?
Aus Internet, NACHFRAGEN.
Beim Zusammentreffen zweier Versetzungen mit Burgersvektoren b1 und b2 kann sich eine
Versetzung mit dem Burgersvektor b! = b! + b! bilden. Das passiert allerdings nur dann, wenn 312
dies energetisch vorteilhaft ist, d.h. wenn b 2 < b 2 + b 2 . (Vergleiche mit der Linienspannung, 312 !!!
d.h. Energie pro Länge). Umgekehrt kann eine Versetzung mit dem Burgersvektor b3 = b1 + b2 in zwei Versetzungen zerfallen. Dafür muss die Bedingung b 2 > b 2 + b 2 erfüllt sein.
—> Solche Umwandlungen nennt man Versetzungsreaktionen
Auslöschung, Dipolbildung, Abstoßung von Versetzungen ?
Auslöschung:
- Beliebige Versetzungen mit gleichem b auf einer Gleitebene stoßen
sich im Allgemeinen ab
Versetzungsdichte wird erniedrigt
—> Versetzungen ungleichen Vorzeichens löschen sich aus
Dipolbildung:
- Versetzungen gleichen Vorzeichens ordnen sich in
Kleinwinkelkorngrenzen (Polygonisation)
- Stufenversetzungen mit gleichen Burgersvektoren auf
benachbarten Gleitebene ziehen sich an und stoßen sich ab
Abstoßung:
- beliebige Versetzungen mit gleichem b auf einer Gleitebene stoßen
sich im Allgemeinen ab
b = Burgersvektor
mehr interessante Infos:
https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/def_ge/kap_5/backbone/r5_2_5.html
Skizzieren Sie eine Stufenversetzung in einem kubisch
primitiven Gitter und kennzeichnen Sie den Linienvektor, den
Burgersvektor und die Bewegungsrichtung der Versetzung bei
Anliegen einer Schubspannung
Siehe IV oder Lektion2
Was ist eine Korngrenze ?
—> Entstehung bei der Kristallisation
Korngrenzen sind flächenförmige (zweidimensionale Fehler).
—> 2-3 Atomlagen dicken, ungeordneten Grenzbereich
—> Orientierungsunterschied wird damit überbrückt, falls keine
Ausrichtung der Keime vorliegt
(Original in Folie: Falls keine Ausrichtung der Keime vorliegt
- Orientierungen der Keimgitter und damit der späteren Körner statisch verteilt
- verschieden orientierte Kristallite stoßen bei weiterem Wachstum zsm.:
—> Orientierungsunterschied wird durch 2-3 Atomlagen dicken, ungeordneten Grenzbereich (inkohärent) überbrückt (sog. Korngrenzen)
)
Was sind Zwillingsgrenzen?
Entstehung: ??
Flächenförmige(zweidimensionale) Fehler
—> sind eine Sonderform der Korngrenze, da sich hier zwei Kristalle
(das Zwillingspaar) eine Atomreihe als Grenze teilen.
Entstehung:
—> beim Wachstum von Kristallen oder
—> in Folge mechanischer Beanspruchung
Was versteht man unter einem Einkristall?
Ein Kristall, dessen Bausteine ein einheitliches, homogenes Kristallgitter bilden
Was ist ein Vielkristall?
Wie wird er auch genannt?
(auch Polykristall genannt)
ein kristalliner Festkörper, der aus vielen kleinen Einzelkristallen (Kristalliten) besteht
—> durch Korngrenzen voneinander getrennt werden
(—> einzelnen Kristallite können sehr unterschiedliche Größen habe)
Textur: ??
Isotropie: ??
Textur:
- Vorzugsorientierung der Kristalle in einem Vielkristall
Isotropie:
- fehlende Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften
—> (bei Gasen, Flüssigkeiten, amorphen Festkörpern)
Anisotropie: ??
Quasiisotropie: ??
Anisotropie:
- Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften in einem Kristall
Quasiisotropie:
- scheinbar richtungsabhängiges Verhalten in einem Vielkristall mit statischer Orientierung der Kristalle
—> siehe Anisotroper Einkristall, Quasiisotroper Vielkristall, Anisotroper Vielkristall mit Textur (Folie 47)
Welche Bedeutung hat die Anisotropie der elastischen Eigenschaften in einer Elementarzelle für einen Vielkristall ?
Nachsehen
