Der Einfluß der Gitterfehler auf die mechanischen ... ?· Der Einfluß der Gitterfehler auf die mechanischen…

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<ul><li><p>Der Einflu der Gitterfehler auf die mechanischen Eigenschaften der Metalle Einfhrung Das gewhlte Thema ist ein gutes Beispiel zur Verdeutlichung dessen, was man unter Werkstoff-wissenschaften (Werkstofftechnik) versteht, nmlich das Zurckfhren der makroskopischen Ei-genschaften eines Werkstoffes auf seine mikroskopische und submikroskopische Struktur. Wenn man diese Zusammenhnge versteht, ist man in der Lage Werkstoffeigenschaften gezielt zu mani-pulieren. Die folgende Betrachtung bezieht sich auf metallische Werkstoffe. Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Metalle hngen im wesentlichen von 3 Merkmalen ihres Aufbaus ab: - der Metallbindung - dem Gitteraufbau - den Gitterfehlern Auf atomarer Ebene ist zunchst die chemische Bindung der Metallatome (besser Ionenrmpfe) zu nennen, die sog. Metallbindung. Bekannterweise sind aus Stabilittsgrnden alle Verbindungsbildungen darauf angelegt, die Edel-gaskonfiguration, d.h. 8 Elektronen auf der Auenschale zu erreichen. Bei 2 der starken Bindungen (Ionen- und Elektronenpaar-Bindung) wird dies durch Zuordnung von Elektronen zu 2 ganz be-stimmten Atomen erreicht, an die die Elektronen dann fest gebunden sind. </p><p>Bei den Metallen ist dies ganz anders. Da alle Metalle Zwischengruppenelemente sind oder in den beiden er-sten Gruppen des PSE stehen (auer Al), haben sie maximal nur 2 Elektronen auf ihrer uersten Schale. Diese werden von den Atomen an die Gesamtheit des Metallgitters abgegeben. Es erfolgt keine feste Zuordnung, so da die Elektronen zwischen den positiven Ionenrmpfen relativ frei beweglich sind; man spricht vom Elektronengas, s. Abb. 1. Abb. 1: Metallbindung (schematische Darstellung) </p><p> Dieses ist als Ursache fr die gute elektrische- und Wrme-Leitfhigkeit der Metalle anzusehen aber auch mit fr den Gitter(Kristall-)aufbau der Metalle und deren Umformbarkeit mitverant-wortlich. Die Ausbildung eines regelmigen Kristallgitters kommt durch die Wechselwirkung der Ionen-rmpfe mit den Elektronen und untereinander zustande. Es wirken anziehende und abstoende Krfte, s. Abb. 2, deren berlagerung einen Nulldurchgang im Abstand a der einzelnen Ionen-rmpfe ergibt. In diesem Abstand spren letztere keine Krfte auf sich einwirken und ordnen sich daher beim Erstarren aus der Schmelze freiwillig zu einem 3-dimensionalen Kristallgitter an, s. Abb. 3. </p></li><li><p> 1: Anziehung: F 1/x6 2: Abstoung: F 1/x12 Abb. 2: Krfte in der metallischen Bindung </p><p>a</p><p>Gitterebenen(Netzebenen)</p><p>EZ</p><p>a = Gitterkonstante </p><p> Abb. 3: Auf-bau eines idealen ein-fachen kubi-schen Raum-gitters </p><p> Die kleinste geometrische Untereinheit wird Elementarzelle (EZ) genannt. Man erkennt auerdem in Abb.3, da sich durch den Gitteraufbau sog. Netzebenen ausbilden. Abgesehen davon, da es eine Reihe unterschiedlicher Elementarzellen gibt (z.B. kubisch flchen-zentriert, kubisch raumzentriert, hexagonal etc.) wre ohne das Vorhandensein von Gitterfehlern an dieser Stelle der Aufbau der Metalle abgeschlossen und damit ihre Eigenschaften festgelegt. In Realkristallen sind jedoch, auer in Sonderfllen, immer eine Reihe von Gitterfehlern prsent, so da eine reale Netzebene so aussehen knnte, wie in Abb. 4 dargestellt. </p><p>L</p><p>L</p><p> Abb. 4: Schematische Darstellung mgli-cher Gitterfehler1) L = Leerstelle B = Zwischengitteratom S = Fremdatom A = Antiphasengrenze Z = Zwillingsgrenze K = Kleinwinkelkorngrenze G = Growinkelkorngrenze P = kohrente Phasengrenze (Entmischung) P = kohrente Phasengrenze (Scherung) = Versetzung </p><p> Diese Gitterfehler stellen die einzige Mglichkeit dar, die Eigenschaften eines metallischen Werk-stoffes zu manipulieren, d.h. sie sind nicht als Fehler, sondern als Instrument fr den Werkstoff-wissenschaftler zu verstehen. </p><p> - 2 - Gitterfehler.doc / He / 2001 </p></li><li><p>Ich mchte im Folgenden auf einige Gitterfehler, ihre Wirkung auf die Festigkeit und ihre Anwen-dung bei technischen Werkstoffen eingehen. Festigkeit kann man definieren als Widerstand gegen plastische Verformung. Trger der plastischen Verformung bei Metallen sind Gitterfehler, die sog. Versetzungen, s.u. Plastische Verformung be-deutet Bewegung (Gleiten) von Versetzungen. Erhhung der Festigkeit ist damit gleichzusetzen mit Blockade der Versetzungen. Bei metallischen Werkstoffen wird die Festigkeit im Temperaturbereich bis ca. 0,4 TS (TS = Schmelztemperatur) mit dem Zugversuch ermittelt. Dabei wird eine genormte Probe in eine Zer-reimaschine gespannt und langsam und stofrei bis zum Bruch gedehnt. Whrend des Versuchs werden die auftretenden Zugkrfte und Verlngerungen aufgezeichnet. Nach Umrechnung (Berck-sichtigung der Probenanmessungen) erhlt man ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm (--Dia-gramm, Abb. 5). </p><p> in %</p><p> in</p><p>N/mm</p><p>Rm</p><p>Rp0,2</p><p>A gA</p><p>Die anfngliche Gerade (Hookesche Gerade) stellt den Bereich der elastischen, nicht blei-benden Dehnung dar. Daran schliet sich der Bereich der plastischen Dehnung an. Der bergang wird in der Technik durch die Streckgrenze markiert. Diese ist i.a. die Spannung bei einer bleibenden Dehnung von 0,2 % (Rp0,2). Festigkeitssteigerung heit demnach Erhhung der Streckgrenze. Abb. 5: --Diagramm </p><p> Als Beispiel fr die enormen aber wenig bekannten Auswirkungen der Gitterfehler auf die Festig-keit sei vorweg die Abb. 6 vorgestellt. </p><p>Sie stellt verschiedene, vllig unter-schiedliche --Kurven dar. Es ist ein harter, sprder Werkstoff erkennbar (Kurve 1), ein relativ weicher und gut verformbarer Werkstoff (Kurve 3) und ein Werkstoff, der eine gute Festigkeit mit einer ausreichenden Verformbarkeit kombiniert (Kurve 2). Abb. 6: --Kurven eines unlegierten C-Stahles </p><p> Diese vllig unterschiedliche Werkstoffverhalten zeigt jedoch ein einziger Werkstoff nach unter-schiedlicher Wrmebehandlung. Kurve 1 zeigt den gehrteten, Kurve 2 den vergteten und Kurve 3 den normalgeglhten Zustand des Stahls C45. Die Festigkeits- und Dehnbarkeitsunterschiede haben ihre Ursache in verschiedenen Gitterfehlern, die in unterschiedlicher Konzentration vorliegen. </p><p> - 3 - Gitterfehler.doc / He / 2001 </p></li><li><p>Man teilt die Gitterfehler blicherweise entsprechend ihrer rumlichen Ausdehnung in 4 Arten ein: - 0-dimensionale (punktfrmige) - 1-dimensionale (linienfrmige) - 2-dimensionale (flchige) - 3-dimensionale (rumliche) Linienfrmige Gitterfehler: Ich mchte mit den eindimensionalen Gitterfehlern beginnen, weil Festigkeitssteigerung, wie bereits erwhnt, eine Blockade dieser Gitterfehler bedeutet. Die einzigen eindimensionalen Gitterfehler sind die sog. Versetzungen. Man versteht darunter eingeschobene Halbebenen, </p><p> Abb. 7: Stufenversetzung mit Gleitebene G </p><p> und Burgersvektor b (ermittelt durch einen Burgersumlauf von A nach E, d. h. um einen Gitterfehler herum) </p><p>s. Abb.7. Nur mit ihrer Hilfe lassen sich Metalle plastisch verformen. Dies geschieht dadurch, dass sich die eingeschobenen Halbebenen unter Wirkung einer Schubspannung auf bestimmten Gleitebenen in bestimmte Richtungen bewegen (abgleiten). Es handelt sich dabei um eine Ver-schiebung von Stoffteilchen im festen Zustand, ohne da der Zusammenhalt verloren geht. Das funktioniert oft auch bei Raumtemperatur. Die Versetzungen haben eine doppelte Bedeu-tung: Zum einen machen sie die gesamte Um-formtechnik erst mglich, denn ohne sie wre die zum Umformen ntige Spannung je nach Metall 100-1000fach grer als mit ihnen. Dies kommt daher, da beim Umformen nicht eine gesamte Gitterebene auf einmal, sondern die Halbebene schrittweise gleitet. Und zum anderen fhrt eine hohe Versetzungs-dichte zur Verfestigung des Werkstoffes, was als Verfestigungsmechanismus genutzt wird Kaltverfestigung. </p><p>Die Wirkung der 1-dimenmsionalen Gitterfehler (Versetzungen) kann wie folgt beschrieben werden ( pR = Erhhung der Streckgrenze): </p><p> ~ bGR V,p = </p><p>mit = Versetzungsdichte 1/d (d = Abstand der Versetzungen) b = Burgersvektor, s.Abb 7 = Konstante </p><p>Anwendungsbeispiele: </p><p>- Drahtziehen z.B. Klavierdrhte - Tiefziehen z.B. Pkw-Karosserien - Recken und Verdrehen Spannstahl fr Stahlbeton </p><p>In den Abb. 8 ist der Zusammenhang zwischen der Versetzungsdichte und der Erhhung der Festigkeit (hier ausgedrckt durch die Fliespannung ) ersichtlich. </p><p> - 4 - Gitterfehler.doc / He / 2001 </p></li><li><p> Abb. 8: Einflu der Versetzungsdichte auf die Flie-spannung am Beispiel von Kupfer2) </p><p> Punktfrmige Gitterfehler: </p><p> Abb. 9: Substitutionsatom Abb. 10: Zwischengitteratom Wird ein Metall legiert, so mssen die Atome des Legierungselementes im Wirtsgitter gelst wer-den (feste Lsung). Wenn die Atomdurchmesser zwischen Wirts- und Legierungsatomen nicht mehr als 14 % voneinander abweichen, knnen diese Legierungsatome Gitterpltze des Wirtsgit-ters einnehmen. Sind sie kleiner so werden sie im Zwischengitter gelst. Kristalle bei denen eine zweite Atomsorte im Gitter gelst ist, nennt man Mischkristalle. Die Wirkung solcher 0-dimensionaler Gitterfehler auf die Festigkeit (Mischkristallhrtung) kann wie folgt beschrieben werden: </p><p> ccGaR Mkrp ~, = </p><p> mit a = Konstante = f(Atom-) G = Schubmodul c = Konzentration der Fremdatome </p><p> - 5 - Gitterfehler.doc / He / 2001 </p></li><li><p>Anwendungsbeispiele: </p><p>- Legierung von Cu mit Zn oder Sn Messing, Bronze - Legierung von Fe mit Mn S355J2G3 = St 52. Dieser hochfeste Baustahl zeigt dadurch, da seine Festigkeit vorwiegend aus der Mischkristallhrtung stammt und nicht aus einem erhhten C-Gehalt wie bei anderen Bausthlen, ein besseres Schweiverhalten. </p><p>Negativbeispiele fr Substitutionsmischkristalle: N Alterung, H Wasserstoffversprdung </p><p>In den Abb. 11a und b ist der Zusammenhang zwischen dem Gehalt an Legierungselementen und dem Ausma an Streckgrenzenerhhung Rp,Mkr ersichtlich. </p><p> ionKonzentrat </p><p> Legierungsgehalt in % </p><p>Abb. 11a,b: Mischkristallhrtung: Einflu verschiedener Elemente auf die Streckgrenze von Stahl2) Einen weiteren 0-dimensionalen Gitterfehler stellen die Leerstellen dar, s. Abb.12. Dabei sind Gitterpltze z.T. nicht besetzt. Probleme bereiten Leestellen besonders bei Hochtemperaturwerk- </p><p> Abb. 12: Leerstelle </p><p>stoffen. Da bei hohen Temperaturen die Leerstellen-dichte enorm ansteigt, z.B. von 10-12 bei Raumtem-peratur auf 10-4 (1 Leerstelle auf 10000 Atome) kurz vor dem Aufschmelzen, und die Leerstellen gleich-zeitig eine hhere Beweglichkeit erlangen, knnen sie bei hohen Temperaturen wandern und sich auf den Korngrenzen sammeln. Dies fhrt zur Bildung von im Lichtmikroskop sichtbaren Mikroporen. Diese dienen als Ristarter fr Mikro- und Makrorisse, welche dann zur Zerstrung des Bauteils fhren. Das Verfolgen des Porenwachstums ist eine wirksame Methode, die Restlebensdauer von Hochtemperaturbauteilen, z. B. in Kraftwerken zu beurteilen. </p><p> - 6 - Gitterfehler.doc / He / 2001 </p></li><li><p> Abb. 13.: Frenkel-Paar </p><p>Der vierte 0-dimensionalen Gitterfehler sind die Frenkel-Paare, s. Abb.13. Ihre versprdende Wir-kung hat wahrscheinlich zu einer groen Katastro-phe in Mitteleuropa gefhrt, s.u. Der Fehler kommt dadurch zustande, da Atome des Wirtsgitters durch energiereiche Korpuskularstrahlung, z.B. Neutronen, ins Zwischengitter verlagert werden und dabei Leerstellen hinterlassen. Die Folge ist eine Vernderung der mechanischen Eigenschaf-ten, insbesondere eine Versprdung, s. Abb. 14. </p><p>1 Zugfestigkeit 2 Streckgrenze 3 Dehnung = Spannung = Dehnung </p><p>Abb. 14: Folgen des Frenkel-Defektes 3) </p><p> Vor allem die in Kernkraftwerken der Neutronenstrahlung ausgesetzten Bauteile wie Hllenwerk-stoffe oder Reaktorgef zeigen solche Schdigungen. Wenn die Strahlenbelastung nicht zu gro war, d.h. wenn sich noch keine irreversiblen Mikroporen (Volumenvergrerung) gebildet haben, lt sich dieser wie die meisten Gitterfehler durch eine Temperaturerhhung wieder beseitigen. Man vermutet nun, da in Tschernobyl der Versuch dazu unternommen wurde. Dazu wurden die Graphitmoderatoren ausgefahren, so da die Kernreaktion beschleunigt und damit die Temperatur erhht wurde. Da anschlieend Probleme mit dem Wiedereinfahren der Moderatorenstbe auftra-ten, konnte die Kernreaktion nicht mehr unter Kontrolle gebracht werden. </p><p> - 7 - Gitterfehler.doc / He / 2001 </p></li><li><p>Flchige Gitterfehler: </p><p> Abb. 15: Growinkelkorngrenzen(schematisch)4)</p><p>Hier sind primr die Growinkelkorngrenzen zu nennen, die entstehen, wenn beim Erstarren der Schmelze die wachsenden Kristallkeime zu-sammenstoen. Da die Orientierung der einzel-nen Kristalle statistisch verteilt ist, kann die Gitterordnung an den Grenzen nicht bestehen bleiben. Es kommt zu einer Anpassung der Ori-entierungen mit Hilfe von Fehlordnungen, s auch Abb.4, G. Diese Korngrenzen stellen Hindernisse fr die Versetzungen dar und fhren bei Verkleinerung der Krner, d.h. bei einer Verlngerung der Korngrenzen ebenfalls zu ei-ner Erhhung der Streckgrenze. Dieser Mecha-nismus zur Festigkeitssteigerung hat den </p><p>Vorteil, da er nicht zu einer Erniedrigung der Zhigkeit fhrt, was bei anderen Festigkeitsmecha-nismen der Fall ist. </p><p>Die Wirkung der 2-dimenmsionalen Gitterfehler (Korngrenzen) kann wie folgt beschrieben werden: </p><p> d1DkR 2</p><p>1</p><p>KGp~,</p><p>= (Gesetz von Hall und Petch) </p><p> mit d = mittlerer Korndurchmesser k = Konstante </p><p>Anwendungsbeispiel: </p><p>- Feinkornbausthle </p><p>Abb. 16: </p><p>Linearer Zusammen-hang zwischen Streck-grenze und Korngre (Hall-Petch-Beziehung) </p><p>[146] Stahl mit 0,15% C und 1,5% Mn </p><p>[147] Stahl mit 0,17% C und 0,8% Mn </p><p> - 8 - Gitterfehler.doc / He / 2001 </p></li><li><p>Rumliche Gitterfehler: Rumliche Gitterfehler entstehen durch Keimbildungs- und wachstumsvorgnge im festen Werk-stoff aufgrund von Diffusionsvorgngen (Ausscheidung aus einer festen Lsung, dem bersttigten Mischkristall). Die harten Partikel behindern die Versetzungsbewegung. Je nach bereinstimmung des Gitters mit dem Wirtsgitter unterscheidet man kohrente, semikohrente und inkohrente Aus-scheidungen, s.Abb. 17. </p><p>Abb. 17: </p><p>Schematische Darstellung der kohrenten und inkohrenten Ausscheidungen2) </p><p>Die kohrenten Ausscheidungen zeigen die grte Wirksamkeit. Dies liegt daran, da die Gitterpa-rameter der Ausscheidungen nicht wie in Abb. 16 gezeigt, exakt mit dem Wirtsgitter bereinstim-men, sondern eine geringe Fehlpassung zeigen. Dadurch bildet sich um die eigentliche Ausschei-dung ein Sp...</p></li></ul>

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