Kursangebot | Werkstofftechnik 1 | Grundlagen

Werkstofftechnik 1

Grundlagen

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Befindet sich ein Werkstoff wie beispielsweise Stahl in einem flüssigen Zustand, so besitzen die Atome einen nur sehr geringen Ordnungsgrad. Es lässt sich keine wiederkehrende Struktur erkennen. Geht ein Werkstoff anschließend durch Abkühlung in den festen Aggregatzustand über, so können drei Zustände eintreten. Man unterscheidet diese Zustände an Hand der Anordnung der Atome:

  • Amorph [griechisch: Gestaltlos]: In diesem Zustand ist in der Regel die "Unordnung" der Atome erhalten geblieben. Sie sind weiterhin regellos angeordnet. Ordnungen lassen sich lediglich im submikroskopischen Bereich ausmachen. Ein typischer Vertreter von amorphen Strukturen ist Glas.
  • Kristallin [griechisch: Eis]: In diesem Zustand ist die Anordnung der Atome gesetzmäßig. Das gilt sowohl für den makroskopischen Bereich [regelmäßige Flächen von Bergkristallen, Kandiszucker] als auch den mikroskopischen Bereich. Die Struktur der Atome kennzeichnet sich durch eine periodische, wiederkehrende Aneinanderreihung mit Symmetrieverhalten. Alle Metalle erfüllen die Eigenschaft der kristallinen Struktur.
  • Teilkristallin: Hier liegen sowohl amorphe, als auch kristalline Bereiche im Werkstoff vor. Es werden beide Eigenschaften erfüllt. Werkstoffe die teilkristalline Strukturen besitzen sind Thermoplasten. 

Der Übergang vom schmelzflüssigen Zustand zum Kristall

Kristallwachstum
Kristallwachstum

Zu Beginn des Prozesses liegt eine sehr heiße und flüssige Schmelze vor. Sobald die Temperatur verringert wird beginnt das Kristallwachstum. Der Ursprung diese Wachstumsprozesses liegt in den Kristallisationskeimen/-kernen. Diese Keime können in reinen oder "verschmutzten" Schmelzen entstehen.

Reine und "schmutzige" Schmelzen

Bei reinen Schmelzen erliegt die Bewegungsgeschwindigkeit der Atome mit dem Überschreiten des Erstarrungspunktes. Dadurch erreicht die Möglichkeit, dass Atome in einer Lage verharren und zu einem Kristallkeim zusammenwachsen ihr Maximum. Jedoch muss vorausgesetzt sein, dass ein Temperaturgefälle besteht, so dass die Energie in Form von Kristallisationswärme von einer kälteren Umgebung aufgenommen werden kann. 

Bei "schmutzigen" Schmelzen werden der Schmelze entweder Fremdatome absichtlich durch Impfen zugeführt oder die Fremdatome sind bereits ungewollt in der Schmelze enthalten. Diese setzen die Keimbildung und das anschließende Kristallwachstum in Gang. Der weitere Ablauf entspricht hingegen wieder dem der reinen Schmelzen. 

Elementarzelle

Als kleinste bestehende Struktureinheit in einem Kristall findet sich die Elementarzelle. Die Elementarzelle ermöglicht eine genaue Charakterisierung der Kristalle. Sie ist ein Raumelement, durch dessen wiederholte Verschiebung um die eigenen Kantenlänge in alle drei Raumrichtung sich gesamte Raumgitter konstruieren lassen. 

Elementarzelle (einfachste und komplizierteste Ausprägung)
Elementarzelle (einfachste und komplizierteste Ausprägung)

Elementarzelle

Video: Grundlagen

 

Kristallsysteme

Im Rahmen, der oben schon angeführten Kristallisation entstehen sieben Kristallsysteme aus denen sich 230 Raumgruppenkombinationen bilden lassen. Man unterscheidet:

KristallsystemAussehen der Elementarzelle
triklinEin in alle Richtungen schiefer Ziegelstein
monoklinEin in nur eine Richtung schiefer Ziegelstein
orthorhombischNormaler Ziegelstein
hexagonalSechseckige Säule
tetragonalEin in eine Richtung gestreckter Würfel
trigonal/rhomboedrischentweder orthorhombische oder hexagonale Erscheinung
kubischNormaler Würfel

Hinweis

Hier klicken zum Ausklappen In den nachfolgenden Abschnitten wird auf jeden Gittertyp eingegangen. Den Anfang machen kubische Gitter, da diese in den meisten Metallen vorkommen. Zudem erfolgt eine Betrachtung von Störungen und Fehlern, die in diesen Gittern auftreten können.