WK1 L__B11 - Gitterbaufehler, Realkristalle

Question 1

Was ist der Unterschied zwischen Realkristallen und einem idealen Kristall?

Answer 1

Realkristalle weisen Baufehler auf, die die Eigenschaften verändern und somit den Werkstoff für den Maschinenbau nutzbar und interessant machen.

Question 2

Wie ist ein realer Werkstoff mikroskopisch aufgebaut?

Answer 2

• Große Menge an regellos angeordneten und miteinander verwachsenenen winzigen Kristallen<div>- Dichte der Kristalle typischerweise zwischen 10³und 10⁹Kristalle/cm³</div><div>- Typischer metallischer Werkstoff wie Stabstahl hat zwischen 10⁷und 10⁸Kristalle/cm³</div>

Question 3

In welche Kategorien kann man Baufehler einteilen?

Answer 3

Einteilung erfolgt anhand der Ausdehnung im Werkstoff<div>- 0-dimensional bzw. <b>punktförmig</b></div><div>- 1-dimensional bzw. <b>linienförmig</b></div><div>- 2-dimensional bzw. <b>flächig</b></div><div>- 3-dimensional bzw. <b>räumlich</b></div>

Question 4

Wie groß ist die Kantenlänge einer Elementarzelle von α-Eisen?

Answer 4

2,86Å<em>≜ 0,286 nm</em><em>≜ 0,286 * 10^-9m</em>

Question 5

Welche Fehler zählt man zu den punktförmigen Fehlern?

Answer 5

”- Leerstellen<div>- Fremdatome</div><div> - Substitutionsatom</div><div> - interstitiell eingebautes Atom</div><div>- Frenkel-Defekt</div><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div>”

Question 6

Was sind Leerstellen und wie verändern sie die Struktur?

Answer 6

”- Leerstellen sind unbesetzte Stellen in der Gitterstruktur<div>- Brauchen weniger Platz als ein Atom, die Nachbaratome beulen in den freien Raum und verzerren somit das Gitter</div><div><img></img><br></br></div>”

Question 7

Was passiert mit bewusst oder unbewusst eingebrachten Fremdatomen in den Werkstoff?

Answer 7

”- Fremdatome müssen in das Gitter eingebaut werden, dabei gibt es zwei Möglichkeiten:<div> - Fremdatome ersetzen Atome des Wirtskristall, es entsteht ein Austausch- oder <b>Substitutionsmischkristall</b></div><div> - Fremdatome nehmen Plätze zwischen den Atomen des Wirtsgitters ein, es entsteht ein Einlagerungs- oder <b>interstitieller Mischkristall</b></div><div><img></img><b><br></br></b></div>”

Question 8

Welche Bedingung muss erfüllt sein, damit es zur Bildung eines Substitutionsmischkristall kommen kann?

Answer 8

Die Atome dürfen sich nicht zu sehr unterscheiden, Atomradiendifferenzen dürfen höchstens ± 15 % betragen

Question 9

Welche Bedingung müssen Atome erfüllen, damit sie interstitiell eingebaut werden können und welche Elemente erfüllen diese Anforderungen?

Answer 9

• Atome müssen deutlich kleiner als die Atome des Wirtskristall sein<div>- Elemente, die interstitiell verbaut werden können: H-, O-, N-, C- und B-Atome</div>

Question 10

Was ist der sogenannte Frenkel Defekt?

Answer 10

”- Neutronenbeschuss kickt Atome von ihrem Gitterplatz und zwingt sie auf einen benachbarten Zwischengitterplatz<div>- Benötigt sehr viel Energie und sorgt eine große lokale Verzerrung</div><div>- Paarbildung aus Leerstelle und Zwischengitteratom heißt Frenkel Defekt</div><div><img></img><br></br></div>”

Question 11

Was bewirkt der Frenkel Defekt und warum ist er i.d.R. vernachlässigbar?

Answer 11

• Änderung der Gittrstruktur sorgt für eine Versprödung<div>- Neutronenbeschuss kommt sehr selten vor (Atomkraftwerke)</div>

Question 12

Wie heißen linienförmige Defekte und welche 2 Arten kann man unterscheiden?

Answer 12

• Versetzungen<div> - Stufenversetzungen</div><div> - Schraubenversetzung</div>

Question 13

Wie entsteht eine Stufe aufgrund einer Stufenversetzung?

Answer 13

“<div>- Wirkt auf die obere Hälte eine <u>flächige</u> Schubspannung, so wird die relativ lockere metallische Bindung entlang einer Linie unterbrochen</div><div>- Die obere Hälfte wird komprimiert, die untere aufgeweitet</div><div>- Diese Linie gestörter atomarer Bindung wandert aufgrund der anliegenden Schubspannung den Kristall entlang und sorgt beim Austritt an der Kristalloberfläche für eine Stufe</div><div>- Die Linie der Gitterstörung heißt <b>Stufenversetzung</b></div><div>- Die Ebene in der sich die beiden Hälften gegenaneinander verschieben heißt <b>Gleitebene</b></div><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div>”

Question 14

Wie entsteht eine Stufe aufgrund einer Schraubenversetzung?

Answer 14

”- Auf die obere Kristallhälfte wirkt eine linienförmige Schubspannung, die von der rechten Kante zur linken Kante wandert<div>- Die senkrechte Linie, die zum jeweiligen Zeitpunkt nach hinten verschoben wird, heißt <b>Störungslinie</b></div><div>- Nachdem die Schubspannung über die gesamte Kristallhälfte gewander ist, hat sich auch hier eine vollständige Stufe auf der Kristalloberfläche gebildet</div><div><img></img><br></br></div>”

Question 15

Wie kann man allgemeine Versetzungen beschreiben?

Answer 15

”- Sie sind gekrümmt und weisen Schrauben- und Stufencharakter unterschiedlichen Ausmaßes auf<div><br></br></div><div><img></img><br></br></div>”

Question 16

Wie bewegt sich eine Versetzung und was ist ein Gleitsystem?

Answer 16

• Versetzungen bewegen sich immer in den dichtest gepackten Ebenen in Richtung der dichtetst gepackten Richtung<div>- Die Kombination aus dichtest gepackter Richtung in einer dichtest gepackten Ebene definiert dann ein Gleitsystem</div>

Question 17

Welche Fehler zählt man allgemein zu den flächigen Gitterstörungen?

Answer 17

Alle Grenzen eines Kristalls, also auch die Kristalloberflächen.

Question 18

Was ist der einfachste flächige Gitterfehler?

Answer 18

Die Außenoberflächen eines Kristalles, da hier der Kristall in seiner Struktur vollständig unterbrochen wird.

Question 19

Was ist eine Phase in einem Kristall und was sind Phasengrenzflächen?

Answer 19

”- Kristalle bestehen i.d.R. aus verschiedenen Kristallarten bzw. Raumgittern<div>- Die unterschiedlichen Kristallsorten nennt man daher <b>Phase</b></div><div> (Anm. des Chronisten: Eine Phase ist physikalisch ein räumlicher Bereich, bei dem die bestimmenden physikalischen Parameter homogen sind)</div><div>- <b>Phasengrenzflächen</b> sind entsprechend die Grenzen zwischen verschiedenen Phasen</div><div><img></img><br></br></div>”

Question 20

Was ist ein Stapelfehler?

Answer 20

”- Das kfz (hier fcc: face centered cubic) Gitter benötigt zum fehlerfreien Aufbau die Stapelfolge ABCABC<div>- Hierbei kann es zu Fehlern kommen und die Stapelfolge ändert sich (hier im unteren Teil sichtbar)</div><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div>”

Question 21

Was versteht man unter einer Korngrenze?

Answer 21

”- Eine Korngrenze ist der Übergang zweier Kristallite gleichen Gitters, aber unterschiedlicher Ausrichtung<div><img></img><br></br></div>”

Question 22

Was versteht man unter einer Zwillingsgrenze?

Answer 22

”- Eine Zwillingsgrenze ist eine besondere Form der Korngrenze<div>- Sie dient dabei als Spiegelebene, von dieser Grenze ausgehend sind die Gitter exakt spiegelverkehrt</div><div>- Von dieser Grenze aus können zwei gleiche Kristalle (also Zwillinge) wachsen</div><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div>”

Question 23

Was ist die Stapelfehlerenergie?

Answer 23

• Jeder Kristallbaufehler benötigt eine gewisse Energie um in die regelmäßige Struktur eingebaut zu werden<div>- Die Stapelfehlerenergie ist eine <b>werkstoffspezifische Größe</b> und gibt die Energie an, die man zum Einbringen eines Fehlers aufwenden muss</div>

Question 24

In welchen Werkstoffen treten Zwillingsgrenzen bevorzugt auf?

Answer 24

In Werkstoffen, deren Stapelfehlerenergie sehr niedrig ist z.B. Kupfer

Question 25

Was sind die Stapelfehlerenergien von Aluminium und Kupfer?

Answer 25

“<img></img>”

Question 26

Was ist eine Antiphasengrenze?

Answer 26

”- Aneinander grenzende Kristallbereiche sind bei gleicher Orientierung gegeneinander verschoben<div>- Sie entstehen wenn zwei wachsende Keime aufeinander treffen</div><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div><div><br></br></div>”

Question 27

Welche räumlichen Gitterbaufehler gibt es?

Answer 27

”- Ausscheidungen<div>- Einschlüsse<br></br><div>- Mikrorisse</div><div>- Mikroporen</div></div><div>- allg. Einschlüsse von z.B. Schlacke, Formsand, Karbide</div><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div>”

Question 28

Was versteht man unter dem Begriff der Festigkeit?

Answer 28

Der Werkstoffwiderstand gegen plastische Verformung.

Question 29

Wie kann man die Festigkeit eines idealen, fehlerfreien Kristalls erhöhen?

Answer 29

“Durch die gezielt Einbringung von Gitterbaufehler, entsprechend den Dimensionen ergeben sich daher 4 Verfestigungsmechanismen<div><img></img><br></br></div>”