WK1 L__B18 - Phasenumwandlungen und Ausscheidungen Flashcards
Was ist ein Dilatometer?
”- Ein Dilatometer ist ein Messgerät zur Messung der Ausdehnung einer Probe<div>- Eine thermische Dilatometerkurve ist also die Ausdehnung über der Temperatur</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”
Welches Phänomen kann man bei der Umwandlung von Eisen beobachten und wie lässt es sich erklären?
”- Umwandlungen laufen nicht sprunghaft ab, sondern benötigen eine gewisse Zeit<div>- Daraus resultiert ein Temperaturunterschied zwischen Umwandlungsbeginn und -ende</div><div>- Es ergibt sich also immer ein Umwandlungstemperaturintervall</div><div><br></br></div><div>- Phasenumwandlungen benötigen immer eine gewisse Zeit, da sie über <b>Keimbildung</b> und -<b>wachstum</b> ablaufen</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”
Handelt es sich bei der Rekristallisation um eine Phasenumwandlung?
Nein
Was geben Phasengrenzlinien in Zustandsdiagrammen an?
- Geben prinzipiell an, ob eine Reaktion statt finden kann<div>- Geben keine Auskunft über die benötigte Zeit für die Reaktion</div>
Welches Gedankenmodell verwendet man zur Erklärung von Keimbildung in Kristallen?
- Dichte von Schmelzen i.d.R. nur wenige Prozent geringer als die Dichte der kristallinen Phase<div>- Es gibt daher beliebig viele Konfigurationen, in denen ein Atom benachbarte Atome hat, die fast wie in einem Kristall angeordnet sind</div><div>- In der Schmelze hat ein Atom dadurch typischerweise etwa elf nächste Nachbarn</div><div>- Eine geringe lokale Änderung sorgt also für eine kristalline Struktur</div><div>- Diese zufälligen kristallinen Konfigurationen in der Schmelze werden<b>Embryonen</b> genannt</div>
Was passiert energetisch, wenn die Atome in der Schmelze eine kristalline Anordnung in Form von kubischen Embryonen annehmen?
<div>- Sie gehen eine Bindung ein und geben dabei Energie ab</div>
<div>- Die auf das Volumen bezogene Kristallisationwärme ist proportional zu TS- T</div>
<div><br></br></div>
[$$]- \Delta g_v \sim T_S - T[/$$]<div><br></br></div><div>- Bei der Erstarrung zum Kristall kommt es zur Bildung einer Oberfläche gegenüber der Schmelze, hierfür wird die Oberflächenenergie γbenötigt</div><div>- Zur Bildung der Oberfläche müssen Bindungen mit Atomen der Schmelze gebrochen werden, daher wird Energie benötigt</div><div>- Entscheidend für die Überlebensfähigkeit eines Keimes ist die Bilanz aus freiwerdender Kristallisationsenergie und der benötigten Oberflächenenergie</div><div><br></br></div><div>[$$]\Delta G = -V \cdot \Delta g_v + O \cdot \gamma [/$$]</div><div><br></br></div><div>[$$]\Delta G = -D^3 \cdot \Delta g_v + 6 D^2 \cdot \gamma[/$$]</div>
Wie entscheidet sich, ob ein Keim wachstumsfähig ist oder nicht?
“<div>- Entscheidend für die Überlebensfähigkeit eines Keimes ist die Bilanz aus freiwerdender Kristallisationsenergie und der benötigten Oberflächenenergie</div><div>- Für einen würfelförmigen Kristall gilt folgende Bilanz</div><div><br></br></div><div>[$$]\Delta G = -V \cdot \Delta g_v + O \cdot \gamma [/$$]</div><div><br></br></div><div>[$$]\Delta G = -D^3 \cdot \Delta g_v + 6 D^2 \cdot \gamma[/$$]</div><div><br></br></div><div>- Jeder Keim, der eine negative Bilanz aufweist (d.h. insgesamt Energie abgibt) ist grundsätzlich wachstumsfähig</div><div>- Mit der Bedingung</div><div><br></br></div><div>[$$]\frac{d \Delta G}{dD}=0[/$$]</div><div><br></br></div><div>folgt für die <b>kritische</b> oder <b>wachstumsfähige</b> <b>Keimgröße</b> DK</div><div><br></br></div><div>[$$]D_K = \frac{4 \gamma}{\Delta g_v}[/$$]</div><div><img></img></div><div><br></br></div>”
Wie berechnet sich die erforderliche Gesamtenergie zum Keimwachstum?
<div>- Für einen kubischen Keim folgt</div>
<div><br></br></div>
[$$]\Delta G(D_K) = 2 D_K^2 \cdot \gamma[/$$]<div><br></br></div><div>- Bei der Betrachtung sphärischer Keime halbiert sich der Energiebetrag etwa auf</div><div><br></br></div><div>[$$]\Delta G(D_K) = \frac{16 \pi}{3} \frac{\gamma ^3}{\Delta g_v^2}[/$$]</div>
Welche beiden Effekte beeinflussen die Keimbildungsenergie?
- <b>Unterkühlung</b>: Je stärker die Schmelze unterkühlt wird, desto geringer wird der Energiebeitrag zur Keimbildung<div>- <b>Grenzflächenenergieγ</b>: Verunreinigungspartikelchen oder auch Tiegel- und Kokillenwände bieten eine niedrigen Oberflächenenergie zwischen Keim und Fremdkörper und vereinfachen daher die Keimbildung</div>
Welchen Einfluss hat die Unterkühlung auf die Keimbildungsenergie?
- Mit<div><br></br></div><div>[$$]D_K = \frac{4\gamma}{\Delta g_v}[/$$]</div><div><br></br></div><div>[$$]\Delta G(D_K) \sim D_K^2[/$$]</div><div><br></br></div><div>und</div><div><br></br></div><div>[$$]\Delta g_v \sim T_S - T[/$$]</div><div><br></br></div><div>ergibt sich folgende Abhängigkeit</div><div><br></br></div><div>[$$]\Delta G(D_K) \sim \left( \frac{1}{T_S - T} \right)^2[/$$]</div><div><br></br></div><div>- Wie man sieht, würde die Keimbildungsenergie für TS= T gegen unendlich gehen, bei Schmelztemperatur ist also keine Keimbildung möglich</div><div><br></br></div><div>–> Unterkühlung ist zwingend notwendig für die Keimbildung und je größer die Unterkühlung, desto einfacher die Keimbildung</div>
Welchen Einfluss hat die Oberflächenenergie auf die Keimbildungsenergie?
- Es gilt<div><br></br></div><div>[$$]\Delta G(D_K) \sim \frac{\gamma^3}{\Delta g_v^2}[/$$]</div><div><br></br></div><div>- Eine Änderung der Oberflächenenergie ist also besonders wirkungsvoll, dabei sollte die atomare Anordnung der Fremdstoffe eine möglichst geringe Verzerrungsenergie zum Keim aufweisen</div><div>- In jeder Schmelze existieren Verunreinigungspartikel wie Schlacke oder oxidische Einschlüsse, diese können durch erniedrigte Oberflächenenergie die Keimbildungsenergie senken</div><div>- Tiegel-, Form- oder Kokillenwände sind Orte bevorzugter Anlagerung</div>
Was versteht man unter dem Impfen einer Metallschmelze und wieso verwendet man es?
- In der Regel möchte man feinkörnige Werkstoffe, da diese bessere mechanische Eigenschaften aufweisen<div>- Man braucht daher eine große Anzahl an Keimen</div><div>- Man fügt der Schmelze daher Feststoffpartikelchen zu, die sich nicht auflösen und gute Vorraussetzungen zum Ankristallisieren bieten</div>
Welche Impfstoffe für Metallschmelzen werden am häufigsten verwendet?
- Eisenwerkstoffe und Aluminium: Titankarbid<div>- Aluminium: Zirkon und Kupferphosphid</div>
Wie wird die Keimbildung an Fremdkörpern genannt und wo kann sie überall beobachtet werden?
- Heterogene Keimbildung<div>- Tritt bei jeder Art von Keimbildung bei Phasenumwandlungen auf<br></br><div>- Ist ein weit verbreitetes Phänomen im Alltag</div></div><div> - Dampfblasen entstehen immer an den gleichen Stellen im Kochtopf</div><div> - Kohlensäureperlen entstehen immer an den gleichen Stellen in der Flasche bzw. an Schwebstoffen im Getränk</div><div> - Raureif schlägt sich stets auf Gegenständen nieder</div>
Wann kann die spontane oder homogene Keimbildung beobachtet werden?
- Solange Möglichkeiten zur heterogenen Keimbildung gegeben sind, wird i.d.R. keine homogene Keimbildung beobachtet<div>- Phänomen des Polarschnee:</div><div> - Starke Unterkühlung von 15 bis 20 Grad</div><div> - Eiskristalle flocken aus der Luft und fallen zu Boden</div><div> - Funktioniert nur bei sehr sauberer Luft</div>
Wie kann ein künstlicher Regenschauer aus einer vorhandenen Wolke ausgelöst werden?
- Impfstoff in die Wolke einbringen<div>- Nebelpartikelchen wachsen an diesen Impfpartikeln zu regenfähigen Tropfen</div><div>- Bisher hat man keinen nichttoxische Stoff gefunden, der dies ermöglicht</div>
Kann die heterogene Keimbildung unterdrückt werden?
- Ja indem alle Stoffe, die ein Ankristallisieren ermöglichen, von der Schmelze fern gehalten werden<div>- Sehr komplex und teuer, daher nur für Spezialfälle</div>
Wodurch kann die Keimbildung, insbesondere in der Umgebung eutektischer Zusammensetzungen, unterdrückt werden?
“<div>- Embryonen können nur zu einem stabilen Keim werden, wenn genügend Atome herandiffundieren und sich anlagern</div><div>- Diffusionsvorgänge in Schmelzen sind aufgrund fehlender Gitterplätze eigentlich sehr schnell</div><div>- Wird die Schmelze allerdings sehr schnell abgekühlt, so wird die Diffusion unterdrückt und es entsteht eine <b>unterkühlte Flüssigkeit</b></div><div>- Es gibt keine Gitterstruktur, das Metall ist amorph aufgebaut und wird daher auch metallisches Glas genannt</div><div><img></img></div>”
Wie wird metallisches Glas in der Praxis hergestellt und wofür wird es angewandt?
”- Ein dünner, fadenförmiger Schmelzenstrom wird auf einen rotierenden, gekühlten Kupferzylinder gegeben<div>- Nur wenige Anwendungsfälle aufgrund des hohen Preises</div><div><img></img></div>”
Welcher notwendige Vorraussetzung ergibt sich für Umwandlungen?
“Zur Einleitung der Umwandlung muss<div>- bei Abkühlung unterkühlt</div><div>- bei Aufheizen überhitzt</div><div>werden. So erklärt sich die Umwandlungshystere</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”
Wie sieht der schematische zeitliche Verlauf einer diffusionsgesteuerten Umwandlung während einer Abkühlung aus?
”- Bei der UmwandlungstemperaturϑUfindet keine Umwandlung statt, da keine Keimbildung möglich ist<div>- Mit abnehmender Temperatur steigt die Keimbildung, dafür sinkt die Diffusionsgeschwindigkeit</div><div>- Es gibt also ein Optimierungsproblem aus Unterkühlung zwecks Keimbildung und einfrierender Diffusion</div><div>- Da sich Beginn und Ende der Umwandlung oft nicht exakt bestimmen lassen, werden häufig sicher bestimmbare Volumenanteile (meist 1 und 99 % verwendet)</div><div><br></br></div><div>- Hier wurde 10 und 90 % verwendet</div><div>- Aus dem unteren Diagramm, dem sogenannten Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm (ZTU-Diagramm) kann dann bei gegebener Temperatur die benötigte Zeit für die Umwandlung abgelesen werden</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”
Wie sieht das ZTU-Diagramm einer eutektoiden Zerlegung einesβ-Mischkristalls aus?
”- Wie man sieht ist die UmwandlungstemperaturϑUdie obere Grenze<div>- Die kürzesten Umwandlungsproben treten bei ca. 100° weniger als Umwandlungstemperatur auf</div><div>- Solche Differenzen sind für Festkörperreaktionen nicht unüblich</div><div><div><br></br></div><div><img></img></div></div>”
Was passiert atomar, wenn die Abkühlung über eine Phasengrenze sehr schnell passiert?
”- Die Phasenumwandlung kann unterdrückt werden<div>- Die Hochtemperaturphase, die nur oberhalb der Umwandlungstemperatur satbil ist, ist dann in einem metastabilen Zustand eingefroren</div><div>- Bei Erwärmung auf eine Temperatur unter der Umwandlungstemperatur wird die Umwandlung nachgeholt</div><div><br></br></div><div>- Beispiel</div><div> - Bei sehr langsamen Übergang vomβ- ins (α+β)-Gebiet würde sich derα-Kristall aus demβ-Kristall ausscheiden</div><div> - Passiert die Abkühlung sehr schnell, so bleibt derβ-Kristall bestehen, wobei eine Menge A-Atome ins B-Gitter zwangseingebunden sind</div><div> - Hält man den Werkstoff eiune gewisse Zeit beiϑA, so kommt es zur Ausscheidung vonα-Kristallen</div><div> - Als Störstellen und damit als Keimbildner dienen Korngrenzen, Einschlüsse und Gitterverzerrungen um Stufenversetzungen</div><div> - Je niedriger die Temperatur der Auslagerung, desto feiner bleiben die Ausscheidungen, weil die Keime nicht so schnell wachsen können und aufgrund des geringen Energiebeitrags zur Keimbildung werden auch mehr Keime gebildet</div><div> - Dies sorgt für eine Festigkeitssteigerung des Werkstoffes</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”
Was ist die sogenannte Ausscheidungshärtung?
<div>- Ein Stoff wird eine Zeit lang bei einer Temperatur geglüht und anschließend über eine Phasengrenzen abgeschreckt</div>
<div>- Der Zustand der Hochtemperaturphase wird durch die schnelle Abkühlung eingefroren, die Phasenumwandlung kann nicht ablaufen</div>
<div>- Der Werkstoff wird anschließend bei einer niedrigen Temperatur ausgelagert</div>
<div>- Es kommt zur Keimbildung an Korngrenzen, Einschlüssen und Stufenversetzungen</div>
<div>- Die Phasenumwandlung wird so langsam nachgeholt, aufgrund der niedrigen Temperatur bilden sich sehr viele kleine Ausscheidungen</div>
<div>- Diese behindern Versetzungen in ihrer Bewegung</div>
<div>- Bei Beanspruchungen im hohen Temperaturbereich wachsen die Ausscheidungen und verlieren ihre Wirksamkeit</div>
Welche ZTU-Diagramme sind am besten dokumentiert?
γ-α-Umwandlungen kohlenstoffreicher Stähle
“Welche Informationen können aus diesem ZTU-Diagramm von Fe mit 3,17 a/oP ausgelesen werden, bei denen die ersten messbaren Keime von Fe3P aufgetragen sind?<div><img></img></div>”
- Die Keimbildung beginnt an den Korngrenzen, weil die Diffusion an Grenzflächen besonders schnell abläuft<div>- Solange sich noch zwangsgelöste P-Atome im Gitter befinden, kann es auch an anderen Stellen zur Keimbildung kommen</div><div>- Nach etwa der 10-fachen Zeit kommt es zur Keimbildung an Versetzungen</div><div>- Sollten sich immer noch zwangsgelöste P-Atome im Gitter befinden, so kommt es erneut nach etwa der 10-fachen Zeit zur Keimbildung im Korninneren d.h. in der Matrix</div><div><br></br></div><div>–> Korngrenzen und Stufenversetzungen sind in der Keimbildung bevorzugt, da hier die Diffusion deutlich schneller ablaufen kann</div>
Was ist der entscheidende Faktor dafür, dass es zur Matrixkeimbildung kommt?
- Die Menge der zwangsgelösten Fremdatome<div>- Erst wenn so viele Atome gelöst sind, dass sie durch Korngrenzen- und Versetzungskeimbildung nicht ausfallen können, kommt es zur Matrixkeimbildung</div>
Was versucht man bei technischen Ausscheidebehandlungen meistens zu erreichen?
- Möglichst viele und dafür kleine Ausscheidungen<div>- Wirken festigkeitssteigernd, siehe Ausscheidungshärtung</div>
Welche Legierungselemente verwendet man für ausscheidungshärtbare Werkstoffe?
- Legierungselemente, die beim Ausscheiden intermetallische Phasen bilden
Was sind Karbide und Carbonnitride?
- Karbide sind binäre chemische Verbindungen aus einem Metall und Kohlenstoff mit der Formel MXCY<div>- Carbonnitride sind chemische Verbindungen eines Metalls mit Kohlenstoff- oder Sauerstoff mit der Formel M2X, wobei es Molybdän zur Bildung bedarf</div>
Was ist die Ferritbildung?
Die Umwandlung von kfzγ-Eisen (Austenit) zukrzα-Eisen (Ferrit)
Warum sind Karbidausscheidungen auf Korngrenzen bei rost- und säurebeständigen Chrom-Nickel-Stählen gefürchtet?
- Die Korrosionsbeständigkeit kann in der Umgebung von Ausscheidungen stark beeinträchtigt sein
Was ist die Austenisierung?
Die Umwandlung des krzα-Eisen (Ferrit) in das kfzγ-Eisen (Austenit)
Was stellen ZTA Diagramme dar?
- Zeit-Temperatur-Austenisierung Diagramme<div>- Geben Zeit-Temperatur-Kombinationen, die man benötigt, um bei isothermer Glühung Ausscheidungen aus lösungsgeglühten Mischkristallen keimen und wachsen zu lassen</div><div>- Temperatur kurz unter Umwandlungstemperatur: Wenig Keime aufgrund niedriger Unterkühlung, hohe Diffusionsgeschwindigkeit, von daher große Ausscheidungen (sog. diskontinuierliche Ausscheidung)</div><div>- Niedrige Temperatur: Viele Keime aufgrund hoher Unterkühlung, geringe Diffusionsgeschwindigkeit, von daher kleine Ausscheidungen auch im Korninneren (kontinuierliche Ausscheidung)</div>
Was sind der Unterschied zwischen diskontinuierlichem und kontinuierlichem Ausscheidungsvorgang?
”- Diskontinuierlich:Temperatur kurz unter Umwandlungstemperatur, wenig Keime aufgrund niedriger Unterkühlung, hohe Diffusionsgeschwindigkeit, von daher große Ausscheidungen an den Korngrenzen<div><br></br></div><div>- Kontinuierlich: Niedrige Temperatur, viele Keime aufgrund hoher Unterkühlung, geringe Diffusionsgeschwindigkeit, von daher kleine Ausscheidungen auch im Korninneren</div><div> - Wirtsgitter- und Ausscheidungsatome behalten ihre lokalen Bindungen anfangs bei, sie sind kohärent (Kohärenz im Sinne von ineinander passend)</div><div><img></img></div><div>- Mit zunehmender Ausscheidungsgröße werden die Fehlpassungen zunehmend größer, es kommt zu lokalen Bindungsverlusten und Ausgleichen durch Versetzungen und anschließend zum völligen Verlust der Kohärenz</div><div><img></img></div>”
Was für Folgen haben kohärente Ausscheidungen?
- Kohärente Ausscheidungen in großer Zahl und gleichmäßiger Verteilung dienen als Hindernis für Versetzungen und sind damit festigkeitsfördernd (siehe Karte zu Ausscheidungshärtung)<div>- Inkohärente Ausscheidungen sind dagegen deutlich größer und deshalb in wesentlich geringer Zahl vorhanden, diese wirken nicht so effektiv, weil sie die von Versetzungen durchschert werden können</div>
