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>
