WEH Themenübersicht (Metalle)

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1. 1. Grundlagen der Werkstoffkunde

   • 1.1 Werkstoffeigenschaften
     • Physikalisch
     • Technologisch
     • Chemisch
   • 1.2 Werkstoffe
     • Metalle
     • Nichtmetalle
       • Organisch
       • Anorganisch
   • 1.3 Atomaufau
     • Massenzahl A
     • Atom=Atokern+Atomhülle
     • Neutron/Elektron/Proton
     • Ordnungszahl Z (Protonen+Neutronen)
   • 1.4 Größen der Elementarteilchen
     • Masen von P/N und E
     • Atomdurchmesser
       • 50-250pm = 0,5-2,5 A°
       • eines Atomkerns c.a 10^-15m
   • 1.5 Massendefekt/Kernbindungsenergie
     • Massendefekt B
     • Kernbindungsenergie E=m*c^2

2. 2. Atomaufbau (Schalen eines Atoms)

   • 2.1 Bohrsche Postulate
     • 1. e nur auf bestimmten Bahnen
       • En~1/n
     • 2. Postulat
       • Lichtquant: deltaE=Em-En=h*f
   • 2.2 Quantenzahlen
   • 2.3 Pauli-Prinzip
     • jedes e hat eigene Energie
   • 2.4 Max. Schalenbesetzung z
     • Z=2n^2
   • 2.5 Verteilung der e auf Elektronenniveaus
   • 2.6 Das Periodensystem
     • Perioden
       • Alle Elemente einer Periode (horizontal) haben gleiche Hauptquantenzahl n
     • Gruppen
       • Alle Elemente (vertikal) haben ähnliches chemisches Verhalten
       • Zahl der Valenzelektr. ergibt sich aus Nr. Der Gruppe (nur in Hauptgruppe)
   • 2.7 Periodizität (Ionisierungearbeit)
     • W für das Entfernen eines äußeren e
   • 2.8 Einteilung der Elemente auf der Erde
     • 85 Metalle 16 Nichtmetalle 10 Halbleiter
   • 2.9 Daten aus dem Periodensystem
     • Relative Atommasse Ar
       • Ordnungszahl
     • Atommasse mAtom
       • mAtom=u*Ar
     • Avogadrokonstante
       • NA=(12g)/(1u*Ar)= 6,022*10^23 (1/mol)
     • Molmasse m
       • 1 Mol=6,022*10^23 Moleküle Bzw. Atome
     • Atomare Masseneinheit u (Unit)
       • 1u=1,66*10^-24g
   • 2.10 Anwendungen in Halbleitern: Hoch Integrierte Schaltungen
     • Breite des Gates eines Transistors
       • d=22-45 nm
       • Vergleich : dHaar=50m *10^-6
       • Vergleich: dAtom=10^-10 (1Å)
       • Atome im Gate: c.a 200 nebeneinander

3. 3. Strahlungsenission

   • 3.1 Wiederholung: Bohrsche Postulate
     • 1. En~(1/n^2)
     • 2. deltaE=h*f
   • 3.2 Energie-/Termschema eines Wasserstoffatoms
   • 3.3 Anregung von Elektronen und Strahlungsemission
     • Thermische Anregung
     • Fotoanregung
     • Elektrische Anregung
     • Frequenzspektrum
       • Sichtbares Spekteum: c.a 380-750nm
       • Ultraviolett: nicht sichtbar Infrarot: Wärme
   • 3.4. Energiebändermodell
     • Leitungsband LB
     • Valenzband VB
     • Verbotene Zone Wi
     • Bindungsenergie in innerster Schale am stärksten, in äußerster am schwächsten
     • Auffächerung der Energienievaus wegen Wechselwirkung zw. e (Pauli P.)
   • 3.5 Isolatoren, Halbleiter, Leiter
     • Isolator
       • -große Verbotene Zone
     • Halbleiter
       • Kleinere verbotene Zone
     • Leiter
       • Keine verbotene Zone

4. 4. Bindungsarten

   • 4.1 Valenztheorie/ Oktetttheorie
     • Bestreben: e-Hülle soll Zustand der geringsten freien Energie haben
       • Metalle: geben e ab Nichtmetalle: nehmen e auf
       • Edelgase: haben Oktett (8 Valenzelektr.)
   • 4.2 Ionenbindung
     • Heteropole Bindung
       • Edelgaskonfiguration durch Aufnahme o. Abgabe von e
     • Positives Ion
       • Kation
     • Negatives Ion
       • Anion
   • 4.3 Coulombsche Kraft
     • Anziehungskraft zw. Anionen und Kationen
     • F=(1/4Pieta)*(Q1*Q2/r^2)
   • 4.4 Elektronenpaarbindung
     • Kovalente o. Homöopolare Bindung
       • Bildung von Oktett durch gemeinsame e-Paare
   • 4.5 Van der Waalsche Bindung
     • Dipolbindung
       • Entsteht zw. 2 Atomen mit permanentem o. Induziertem Dipolmoment
       • Bei Kunststoff oder Wassermolekül
   • 4.6 Metallbindung
     • Atome geben Valenzelektr. ab
       • Leitfähigkeit entsteht durch frei bewegliche e
     • BILD s.4
   • 4.7 Anordnung der e im festen Körper
     • Kristallin
       • Atome sind gesetzmäßig angeordet (Eiskristall, Kristallit)
     • Amorph
       • Atome sind regellos angeordnet (Glas, Kunsstoff)

5. 5. Aufbau fester Körper

   • 5.1 Eigenschften von Werksoffen beruhen auf:
     • chemische Zusammensetzung
     • Bindungsart
     • ihrer Struktur
       • die räumliche Anordnung ihrer Materialteilchen
   • 5.2 Struktur der Werkstoffe
     • amorph
       • BILD S1
       • nur Nahordnung
     • kristallin
       • BILD S1
       • Nah- und Fernordnung
     • Mischform: Polykristallin
       • zb Metalle
   • 5.3 Amorphe Festkörper
     • amorph= gestaltlos
     • Eigenschaften
       • bei Raumtemp.: spröde
       • meist transparent
       • Bruchfläche ist glatt, auch unter Mikroskop keine erkennbare Struktur
       • keinen ausgeprägten Schmelz- oder Erstarrpunkt
       • Bsp: Glas und Kunststoff
       • kein Siedepunkt
     • Makromoleküle (Monomere) bilden Endproduk: Polymere
     • Elektronenpaarbindung
       • Isolatoren
     • Beispiele
       • Thermoplat
         • mittel elastisch
         • BILD S.4
         • lineare Ketten
       • Duroplast
         • fester, stabilder WS
         • BILD S.4
         • räumlich, stark vernetzte Ketten
       • Elastomere
         • elastisch/ gummiartig
         • BILD S.4
         • schwach/ selten vernetze Ketten
   • 5.4 kristalline Festkörper
     • können: Einkristalline,Polychristalline oder Teilkristalline sein
     • Einkristall
       • fester Körper, aus einem Kristall, mit einheitlicher Kristallstruktur
       • Bruchfläche: glatt (strukturlos)
     • Polykristallin
       • besteht aus vielen Kristallen
       • Bruchfläche: körnig
         • Bsp: Metall, Keramik
     • Temperaturverhalten von kristallinen Festkörpern
       • hat im gegensatz zu amorphen Körpern, feste Schhmelz und Siedetemp.
         • Bsp: Eis
       • BILd S.5
   • 5.5 Polykristalline Festkörper
     • die meisten Werkstoffe in der Technik
     • besteht aus vielen kleinen Kristallen
       • Kristallite oder Körner genannt
       • 1mikrom- 1mm
     • Körner sind getrennt durch Korgrezen
     • BILD S.7

6. 6. Kristallgitter

   • 6.1 Begriffe
     • Elementarzelle
       • Kleinste representative Struktureinheit
     • Gitterparameter (Gitterkonstate)
       • Kantelängen der Elementarzelle (a,b,c)
     • Gittergerade
       • Gerade im Raumgitter, in regelmäßigen Abständen mit Atomen besetzt
     • Gitterebene (Netzebene)
       • In regelmäßigen Abständen mit Atomen besetze Ebene
     • Bild S1
   • 6.2 Kristallsysteme
     • Insgesamt 7
       • Kubisch
       • Hexagonal
     • Kubisch Raumzentriert (krz)
       • z.B. Eisen
         • Mittelharter Werkstoff
         • mittel verformbar
     • Kubisch flächenzentriert (Kfz)
       • Z.B CU oder AL
         • Weiche Werkstoffe
           • Da Atome dicht gepackt sind und gut aneinander gleiten können
         • leicht verformbar
     • Hexagonal dichteste Packung (hdp)
       • Z.B Mg
         • Harter WS
         • schlecht verformbar
     • Packungsdichte
       • kubisch primitiv
         • 52% belegt
       • krz
         • 68%
       • hdp
         • 74%
       • Je dichter die Atome (kleine Lücken), desto schwerer ist der WS verformbar
   • 6.3 Modifikation (Allotropie)
     • Auftreten eines Stoffes in verschiedenen Strukturen
     • 1. Bsp.: Zinn (Sn):
       • T<13° - tetragonales Gitter
       • T>13° - Umwandlung zum Diamantgitter -> Volumenvergrößerung um 25% ->Pulverisierung (Zinnpest)
     • 2. Bsp.: SiO2
       • Quarz/Einkristall - piezoel. Eigenschaften
       • amorph - Glas
     • 3. Bsp.: Eisen- Allotropie
       • BILD S. 5
     • 4. Bsp.: Kohlenstoff
       • C als Graphit
         • Gleit- und Schmiermittel, wegen Struktur
         • Bild S.5 (nur Strutur)
         • el. Leitfähigkeit horizontal 100x größer als vertikal
           • allg. mittlere Leitfähigkeit
           • große Abstände zw. Atomen
           • verschiedene Eigenschaften, abhängig von der Richtung
         • Elektronenpaarbindung
         • 4tes Valenel. fast frei
       • C als Diamant
         • Isolator
           • da keine freien e
         • 4 e
           • Abstände ALLE gleich
         • sehr hart
           • da kein Gleitsystem
         • BILD s5
   • 6.4 Anisotropie
     • Richtungsabhängigkeit von Eigenschaften
       • z.B.: elektr. Leitfähigkeit, mech. Festigkeit, Glanz o. Ätzbarkeit
     • BILD S.6
     • Isotrop
       • Unordnung wiederholt sich
         • amorphe Kunststoffe, Glas, Keramik
     • Quasiisotrop
       • polychrstallin - besteht aus vielen Körnern die anisotrop sind, zusammen sind sie aber isotrop
         • Metalle
   • 6.5 Analytsche Beschreobung des Raumgitters
     • dasMillersche Indiz (x,y,z)
       • Würfelfläche (100)
       • Diagonalfläche (110)
       • Raumdioagonale (111)
       • Bildung: Schnittpunkte mit den Achsen, davon der Kehrwert
       • BILD S.7 oben
     • das Richtungsindiz
       • z.B [111]
       • BILD S7
     • Beispiele in der E-Technik
       • S.8

7. 7. Reale Kristallstukturen (Gitterbaufehler)

   • 1. Gitter ist in der Natur nie fehlerfrei
     • Immer Gitterbaufehler
       • Leerstellen
       • Versetzungen
       • Fremdeinflüsse
       • Korngrenzen
       • Beeinflussen mech., elektr. und Magnet. Eigenschaften des WS
     • Metalle mit ideale Gitter hätten 100x größere Zugfestigkeit!
   • 2. 0-dimensionaler Fehler (Punktdefekt)