VL-2 Aufbau der Metalle - Ingenieur-Gemeinschaft Meyer & Horn ...

Inhalt der VL: 

1. Metallbindung 

2. Kristalliner Aufbau 

3. Kristallbaufehler 

4. Schmelzen und Erstarren 

5. Isotropie und Anisotropie 

Ingenieurgemeinschaft 

Meyer & Horn-Samodelkin GbR 

Werkstoffkunde HWK 2013 

VL 2: Aufbau der Werkstoffe 

Metalle 

1


Eisenwerkstoffe 

NE-Metalle 

Stähle 

Eisengusswerkstoffe 

Aluminium und 

-legierungen 

Kupfer und 

-legierungen 

( 

Nickel und 

-legierungen 

Magnesium u. 

-legierungen 






2


Leichtmetalle 

Dichte ρ < 4,5 g/cm 3 

Beispiele: 

Magnesium Mg 1,7 

Aluminium Al 2,7 

Titan Ti 4,5 

Schwermetalle 

Dichte ρ > 4,5 g/cm 3 

Beispiele: 

Eisen Fe 7,6 

Kupfer Cu 8,9 

Blei Pb 11,3 

Wolfram W 19,3 






3


Niedrigschmelzend 

T S 

< 500°C 

T S 

500...2000°C 

Hochschmelzend 

T S 

> 2000°C 

Zink Zn 419°C 

Blei Pb 327°C 

Zinn Sn 232°C 

Chrom Cr 1890°C 

Titan Ti 1730°C 

Nickel Ni 1455°C 

Eisen Fe 1536°C 

Mangan Mn 1245°C 

Kupfer Cu 1083°C 

Aluminium Al 660°C 

Wolfram W 3410°C 

Tantal Ta 3000°C 

Molybdän Mo 2625°C 






4

Eigenschaften von Metallen: 

• metallischer Glanz 

• gute elektrische Leitfähigkeit 

• gute Wärmeleitfähigkeit 

• gute Verformbarkeit und /oder Festigkeit 

• gehen in Form positiv geladener Ionen in Lösung 

Sowohl der Atomaufbau, die Gitterstruktur als auch 

die Fehlordnung beeinflussen diese Eigenschaften! 






5


Aufbau der Atome 

•Atome bestehen aus dem Atomkern (Protonen, Neutronen u.a. Nukleonen) 

und Elektronen 

•Art des Atomkerns bestimmt die Kerneigenschaften, die weitestgehend 

unabhängig von der Bindungsart und der Anordnung der Atome zueinander sind, zu 

den Kerneigenschaften gehören: Spaltbarkeit, Neutronenabsorption, Dichte 

•Elektronenwolke umgibt Atomkern (Anzahl der Elektronen = Anzahl der 

Protonen, Kerndurchmesser ca. 10 x E-5nm, 10 x E –10 % des Atomvolumens enthält 

nahezu gesamte Atommasse) 

•Verhalten der Elektronen, insbes. der äußeren, bestimmt die 

technisch wichtigsten Eigenschaften (Bindungsart, chem. Reaktionsfähigkeit, 

mech. Festigkeit, magnet. Eigenschaften...) 






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Aufbau der Elektronenschale 

• Nur begrenzte Zahl von Energiezuständen (Schalen) in Umgebung 

des Kerns erlaubt 

• mit zunehmendem Abstand vom Kern nimmt e - -Energie zu 

• Besetzung der Schalen von innen nach außen (e - -Anzahl gemäß 2n 2 

(n = Schalen-Nr.), Schalen mit Großbuchstaben bezeichnet: innere Schale 

K ist mit 2 e - besetzt, nächste Schale L mit 8 etc.) 

• Atome mit voll besetzten Schalen sind sehr stabil, geringe 

Wechselwirkung zu anderen Atomen 

• quantenmechanisch sind nur jeweils 2 e - mit gleichem 

Energiezustand, aber unterschiedlichem Drehsinn (Spin) zulässig 

(e - mit geringster Energie einer Schale = s-Zustand


Aufbau der Elektronenschale 

aus /3/ 






8


Bindungsmodell 

Metallatome geben Elektronen von 

unvollständig besetzter äußerer 

Schale (Valenzelektronen) ab 

• diese Elektronen bleiben ungebunden 

• sie sind frei beweglich zwischen den positiv geladenen 

Atomrümpfen und bilden eine Elektronenwolke (Elektronengas) 

• negative Raumladung führt zu einer Kraft, die größer ist als die 

abstoßende Kraft der Atomrümpfe 






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Zusammenfassung 

• die frei beweglichen Elektronen sind die Ursache für die gute 

elektrische und Wärmeleitfähigkeit der Metalle 

• in einem absolut reinen Metall sind alle Atomrümpfe einander 

vollkommen gleichwertig 

• zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen und den negativ 

geladenen, frei beweglichen Elektronen wirken elektrostatische 

Kräfte, die für den Zusammenhalt des Gitters verantwortlich sind 

• die Kräfte zwischen den Atomrümpfen und den Elektronen wirken 

in alle Richtungen (sind ungerichtet !) und bestimmen den Abstand 

der Atome zueinander 

• dadurch entsteht ein regelmäßiger Aufbau ⇓ 

Kristallgitter 






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Zusammenfassung 

a) Ionenbindung (NaCl, 

MgO) 

b) Kovalente Bindung 

(Diamant, C 2 

, Si, Ge, 

GaAs, SiO 2 

) 

c) Met. Bindung (Fe, Al, 

Legierungen) 

d) Van der Waals-Bindung 

e) Mischtypen (Asbest – 

kov. und Ionenbindung, 

Graphit – kov.Bindung, 

van der Waals-Bindung) 


aus /3/ 





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Definition: Kristall und Elementarzelle (EZ) 

Ein Metallkristall ist aus Atomen aufgebaut, die ein 

homogenes, periodisches, dreidimensionales 

Discontinuum bilden. 

Die EZ ist die kleinste Einheit eines Kristallgitters, die alle 

Kristalleigenschaften beschreibt! 

Die EZ ist durch Abstände der Atome, Winkel zwischen den 

Atomebenen und spez. Atomlagen gekennzeichnet. 

D. h. es existiert eine Fernordnung, bei der die Bausteine (EZ) endlos 

geordnet sind (Kristallstruktur). 






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Definition: Kristall undKristallit 

Natürliche Kristalle 

Sind feste, regelmäßig geformte, von ebenen Flächen begrenzte Körper. 

Technische Kristalle bestehen aus Kristalliten, die 

keine deutlich ausgeprägten Oberflächenformen (regellos begrenzter 

Vielflächner) besitzen, weil sie nicht frei wachsen konnten. 

In technischen Metallen spricht man von Kristalliten oder Körnern, weil durch die 

Bildung vieler „Körner“ bei der Erstarrung einer Metallschmelze eine 

Wachstumsbehinderung stattfindet. 

Derartige Metalle sind polykristallin aufgebaut. 






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Definition: amorphe Anordnung 

Das Gegenteil zur Fernordnung ist die Nahordnung. Hier sind 

die Elementarbausteine (Atome) nur in kleinen Bereichen ( in 

Nahbereichen) geordnet. Diese Ordnungsbereiche wiederholen 

sich nicht. Man bezeichnet den Zustand als “amorph” oder 

“regellos”/”ungeordnet”. 

Amorphe Werkstoffe sind: Gläser, z.T. Kunststoffe 

Im flüssigen Zustand sind alle Werkstoffe amorph. 

Deshalb bezeichnet man den amorphen Zustand bei Festkörpern 

auch als “Zustand der unterkühlten Schmelze” 






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2. Kristalliner Aufbau: 

wichtige Kristallgittertypen bei Metallen 






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•kubisch raumzentriertes Gitter (krz) 

a = b = c 

α = β = γ = 90° 

a, b, c - Atomabstände 

(Gitterkonstanten 0,25...0,5 nm) 

α, β, γ - Winkel zwischen den Achsen 

Packungsdichte: 68 % 

•kubisch flächenzentriertes Gitter (kfz) 

a = b = c 

α = β = γ = 90° 







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• hexagonal dichtgepacktes Gitter (hdg) 

α = β = 90° 

γ = 120° 

a = b ≠ c 


Im Raumgitter von 0,1 mm Kantenlänge sind ca. 10 8 Atome angeordnet! 

Masseinheit: Angström: 0,1 nm = 1 Å, z.B. hat Si einen Atomabstand von 0,24nm 






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Packungsdichte 

Berechnung der 

Packungsdichte einer krz. EZ 

Formeln: 

- V einer Kugel 

- Satz des Pythagoras 






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Kristallstrukturen der wichtigsten Metalle 

krz -Gitter kfz-Gitter hdg-Gitter 

α-Fe bei RT 

Al Zn 

bis 911°C Cu Mg 

Cr Ni Cd 

Mo Pb Be 

V 

W 

γ-Eisen (Austenit) 

911°C-1392°C 

Au 

Ag 






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Definition: Idealkristall / Realkristall 

Technische Werkstoffe sind Realkristalle, sie sind i.d.R. vielkristallin. 

Das bisher Besprochene gilt für Idealkristalle. 

•Der Idealkristall stellt ein idealisiertes Modell dar, das 

mathematisch beschreibbar ist, jedoch in Wirklichkeit nicht 

existiert. 

•Der Realkristall ist ein gestörter Kristall (Kristall mit Fehlern). 

Die Abweichungen (Gitterfehler oder Defekte) vom idealen 

Aufbau werden berücksichtigt. Das Kristallwachstum aus der 

Schmelze ist unregelmäßig erfolgt, zudem handelt es sich meist 

um unreine Kristallsubstanzen. 






20


Gitterbaufehler 

Man unterscheidet: 

0-dimensionale Gitterbaufehler = Punktfehler (Leerstellen, Fremdatome) 

1-dimensionale Gitterbaufehler = linienf. Fehler (Versetzungen) 

2-dimensionale Gitterbaufehler = flächenförmige Fehler (Zwillinge, 

Korngrenzen) 

3-dimensionale Gitterbaufehler´= räumliche Fehler (Fremdeinschlüsse, Poren, 

Lunker) 






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0-dim Gitterbaufehler 

Leerstelle Zwischengitteratom 






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Austauschatom 

Atomart B 

Einlagerungsatom 

Atomart B 






23



Versetzung 






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Versetzungen sind die 

Grundvoraussetzung für 

die plastische Verformung 

von Metallen! 

Durchschnittlich sind 10 7 

cm/cm 3 Versetzungen in 

technischen Werkstoffen 

vorhanden! 

Stufenversetzung 






25


aus /3/ 






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Kleinwinkelkorngrenze Korngrenzen (0,5 nm) 

(im Innern des mittleren Korns 

Kleinwinkelkorngrenzen) 






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Korngrenzen 


• gestörte geometrische Anordnung der Atome (kein regelmäßiges 

Kristallgitter mehr) 

• Verunreinigungen werden bei der Erstarrung vor der Erstarrungsfront 

hergeschoben und liegen an den Korngrenzen vor, dadurch 

Schwächung der Korngrenzen 

• bevorzugter Ort für Ausscheidungen, schwächen die Korngrenzen und 

damit das Gefüge (häufig Brüche entlang der KG = interkristallin) 

• viele Körner = große Korngrenzfläche, auf denen sich 

Verunreinigungen und Ausscheidungen verteilen können 

• geringe Anzahl an Körnern = wenig Korngrenzfläche und damit 

stärkere Belegung der Korngrenzen mit Verunreinigungen und 

Ausscheidungen 






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Zwillingsbildung durch 

plastische Verformung 

Zwillinge in geglühter 

Zinnbronze 






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Mikrolunker im Innern einer 

Lagerschale aus Rotguss 

Mikrolunker im Innern einer 

Lagerschale aus Stahlguss 






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Realgefüge eines 

metallischen Werkstoffes 






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4. Schmelzen und Erstarren von Metallen 

Schmelze: 

Schmelze 

Keimbildung 

Kristallwachstum 

Atome sind regellos verteilt; befinden sich in einem ungeordneten Zustand 

und sind in ständiger Bewegung (thermische Aktivierung) - 

wird der Schmelzpunkt bei der Abkühlung (Wärmeentzug) erreicht, beginnt 

die Kristallisation. Sie läuft bei einer const. T unter Wärmeabgabe 

(Kristallisationswärme) und ist i.a. (Si, Ge = Ausnahme) durch eine V- 

Abnahme gekennzeichnet. 






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4. Erstarren von Metallen 

2 Teilvorgänge: Keimbildung und Kristallwachstum: 

Keime sind feste kleine Partikel, Kristallisationszentren (Abgabe von kin. Energie, 

Haltepunkt) 

- Fremdkeime (schon vorgebildete Keime, z.B. Karbide, Oxide, Nitride 

oder andere feste Verbindungen – höherschmelzend!) 

- Eigenkeime (werden aus der Schmelze gebildet (Unterkühlung) oder ihr 

zugegeben, arteigen) 

Bei der Erstarrung beginnen die Keime zu wachsen. Das Wachstum schreitet voran, 

bis die Körner aneinander stoßen. Nach der Erstarrung liegt ein Gefüge (aufgebaut 

aus Körnern) vor. 






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4. Erstarrung von Metallen 

fester, kristalliner Zustand 

Gefüge: 

Das Gefüge ist die mikroskopisch sichtbare Kornstruktur eines 

Werkstoffes. Die Körner (Kristallite) sind von Korngrenzen (2-dim. GBF) 

umgeben und enthalten weitere Fehler. 

Das Gefüge eines Werkstoffes kann durch metallographische Präparation 

sichtbar gemacht werden. 

Ein Gefüge kann verschiedenartig ausgebildet sein: 

- feinkörnig oder grobkörnig 

- globular, polyedrisch oder dendritisch 

- lamellar 






34


Kristallisation 






35








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Die Anzahl der Keime bestimmt, ob das Gefüge grobkörnig oder feinkörnig 

ausgebildet wird. 

Bei einigen Werkstoffen kann durch eine geeignete Wärmebehandlung ein 

grobkörniges in ein feinkörniges Gefüge im festen Zustand überführt werden. 






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Einfluss der Korngröße auf die Eigenschaften eines Metalls 

feinkörniges Gefüge: 

Anteil an Korngrenzen im Gefüge sehr hoch, 

hohe Festigkeit, hohe Dehnung und hohe Zähigkeit, 

Richtungsunabhängigkeit der Eigenschaften 

= i.a. angestrebter technischer Zustand 

grobkörniges Gefüge: 

nur wenige Korngrenzen vorhanden, 

spröde und wenig verformungsfähig, Richtungsabhängigkeit der 

Eigenschaften 






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Wärmeableitung und Kornform 

Querschnitt durch ein 

Gußgefüge, 

auch Gusstextur genannt 

Zone I: feinkörnige Randzone 

Zone II: Stengelkristallzone 

Zone III: polygonale Kernzone 






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Wärmeableitung und Kornform 

Durch die Art der Wärmeableitung und die Unterkühlung der Schmelze lässt sich 

auch die Morphologie des Gefüges beeinflussen. Technisch genutzt wird dies bei 

Turbinenschaufeln! 

Wärmeabfluss be- 

bevorzugt in eine 

Richtung: 

Stengelkristalle 

Wärmeabfluss annähernd 

gleichmäßig in alle 

Richtungen: 

globulare Körner 






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5. Isotropie, Anisotropie 

Definitionen 

Chemische und physikalische Eigenschaften eines metallischen 

Werkstoffes sind unter gewissen Voraussetzungen von der Richtung 

abhängig, in der sie gemessen werden bzw. der Werkstoff 

beansprucht wird. 

anisotrop = richtungsabhängige Eigenschaften, z.B. ungestörter 

Kristall 

isotrop = richtungsunabhängige Eigenschaften, z.B. im 

amorphen Werkstoff 

quasiisotrop = nahezu richtungsunabhängige Eigenschaften, 

Mehrzahl aller Werkstoffe (polykristalline Struktur) 

Textur = Vorzugsorientierung, Ausgerichtetsein von Kristalliten im 

Vielkristall 






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aus /3/ 






43


Verformungstextur 

aus /3/ 






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Verwendete Literatur: 

1. Seidel „Werkstofftechnik“, Hanser-Verlag 

2. Bargel / Schulze „Werkstoffkunde“, VDI-Verlag 

3. Taschen- und Tabellenbuch Metall 

4. Schumann, „Metallographie“, Dtsch. Verlag für 

Grundstoffindustrie 

5. Lehrgangsunterlagen der GSI zum SFI 






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