Grundlagen der Werkstoffkunde und Kristallographie

Chemische Bindungsarten

Ionenbindung: Besteht zwischen Metallen und Nichtmetallen. Sie entsteht durch die elektrostatische Anziehung zwischen Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen.

Kovalente Bindung: Besteht zwischen Nichtmetallen. Es gibt Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen.

Eigenschaften von Verbindungen

Ionenverbindungen: Hart, hohe Schmelz- und Siedepunkte, polar, leitfähig in gelöstem oder geschmolzenem Zustand, zerbrechlich.

Metallische Verbindungen: Schmelz- und Siedepunkte variieren, sehr gut löslich in anderen Metallen im festen Zustand, geschmeidig und formbar.

Kovalente Verbindungen:

• Molekular: Niedrige Schmelz- und Siedepunkte, löslich in polaren oder unpolaren Lösungsmitteln.
• Atomar: Hohe Schmelz- und Siedepunkte, nicht leitfähig.

Kristallographie und Gitterfehler

Kristallisation: Übergang zwischen der festen und der flüssigen Phase.

Perfekte Kristalle: Alle Atome befinden sich in Ruhe. In der Realität existiert kein perfekter Kristall.

Fehlgeordnete Kristalle: Kristalle mit Mängeln. Die Fehler beeinflussen die mechanischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften.

Arten von Gitterfehlern

Mängel sind Variationen in der regelmäßigen Anordnung von Atomen oder Molekülen in einem Kristall:

• 0-dimensional: Punktfehler (nm)
• 1-dimensional: Linienfehler (µm)
• 2-dimensional: Flächenfehler (mm)
• 3-dimensional: Volumenfehler (cm)

Stöchiometrische und nicht-stöchiometrische Fehler

• Stöchiometrisch: Verursachen keine Veränderung in der Zusammensetzung des Gitters.
• Nicht-stöchiometrisch: Verursachen eine Veränderung in der Zusammensetzung des Gitters.
• Schottky-Defekt: In einer ionischen Verbindung (M_aX_b) die Existenz von kationischen und anionischen Leerstellen.
• Frenkel-Defekt: Ein Ion befindet sich auf einer normalerweise leeren Zwischengitterposition, wodurch seine normale Position frei wird.

Löslichkeit: Abhängig vom Atomdurchmesser (Differenz < 15%), ähnlicher Kristallstruktur und ähnlicher Elektronegativität.

Leerstellen: Fehlende Atome, die während der Kristallisation oder durch Mobilität entstehen. Atome können auch Zwischengitterplätze einnehmen, was natürlich oder durch Strahlung induziert vorkommen kann.

Burgers-Vektor: Vektor im Gitter, der Richtung und Ausmaß der Verschiebung von Atomen bei einer Störung angibt.

Versetzungen

Lineare Defekte erzeugen plastische Verformung in kristallinen Materialien:

• Stufenversetzung: Versetzungslinie senkrecht zum Burgers-Vektor, Bewegung parallel zum Burgers-Vektor.
• Schraubenversetzung: Versetzungslinie parallel zum Burgers-Vektor.
• Gemischte Versetzung.

Interstition: Zwischengitterplätze, an denen sich Fremdatome einlagern können.

Legierungen und Phasensysteme

Legierung: Mischung aus einem Metall mit anderen Metallen oder Nichtmetallen, beschrieben durch Komponenten und deren Gewichts- oder Atomprozent.

Komponenten: Chemische Elemente, die die Legierung bilden.

Binäre Systeme

• Löslich in flüssigem und festem Zustand.
• Löslich in flüssigem, unlöslich in festem Zustand.
• Löslich in flüssigem, teilweise löslich in festem Zustand.
• Systeme, die intermetallische Verbindungen bilden.

Thermodynamik und Phasen

Gibbs-Phasenregel: Zur Berechnung der Freiheitsgrade im Gleichgewicht: P + F = C + 2 (P=Phasen, F=Freiheitsgrade, C=Komponenten).

Phasenbegriffe:

1. Homogene Phase: Teil eines Systems mit identischen makroskopischen Eigenschaften an jedem Punkt.
2. Homogenes System: Besteht aus einer Phase.
3. Heterogenes System: Besteht aus mehr als einer Phase.
4. Phasenumwandlung: Umwandlung von einer Phase in eine andere.
5. Plasma: Phase zwischen Flüssigkeit und Gas, kann Elektronen abgeben.
6. Kondensat: Phase unterhalb der festen Zone.
7. Feste Phase: Uniforme Zusammensetzung und Eigenschaften durch Kombination von Elementen.
8. Sintern: Verdichtung eines Materials durch Erhitzen unterhalb des Schmelzpunktes unter Druck.
9. Gibbs-Energie: G = H - TS. Zustandsgröße zur Vorhersage spontaner Reaktionen.
10. Gibbs-Phasenregel (Anwendung): Bestimmt die Anzahl der Freiheitsgrade zur Angabe von Temperatur und Zusammensetzung.

Zusammenfassung Legierungen

1. Legierung: Mischung aus Metallen oder Nichtmetallen.
2. Komponenten: Chemische Elemente der Legierung.
3. Binäre Legierung: Besteht aus zwei Komponenten.
4. Eigenschaften binärer Systeme: Löslichkeitsverhalten und intermetallische Verbindungen.
5. Abkühlkurve: Beobachtung der Kornbildung und Anreicherung (Alpha/Beta).
6. Eutektische/Eutektoide Reaktionen: Übergang von flüssig zu fest bzw. innerhalb fester Phasen.