WEH Themenübersicht (Metalle)

1. Grundlagen der Werkstoffkunde
1. 1.1 Werkstoffeigenschaften
  1. Physikalisch
  2. Technologisch
  3. Chemisch
2. 1.2 Werkstoffe
  1. Metalle
  2. Nichtmetalle
    1. Organisch
    2. Anorganisch
3. 1.3 Atomaufau
  1. Massenzahl A
  2. Atom=Atokern+Atomhülle
  3. Neutron/Elektron/Proton
  4. Ordnungszahl Z (Protonen+Neutronen)
4. 1.4 Größen der Elementarteilchen
  1. Masen von P/N und E
  2. Atomdurchmesser
    1. 50-250pm = 0,5-2,5 A°
    2. eines Atomkerns c.a 10^-15m
5. 1.5 Massendefekt/Kernbindungsenergie
  1. Massendefekt B
  2. Kernbindungsenergie E=m*c^2
2. Atomaufbau (Schalen eines Atoms)
1. 2.1 Bohrsche Postulate
  1. 1. e nur auf bestimmten Bahnen
    1. En~1/n
  2. 2. Postulat
    1. Lichtquant: deltaE=Em-En=h*f
2. 2.2 Quantenzahlen
3. 2.3 Pauli-Prinzip
  1. jedes e hat eigene Energie
4. 2.4 Max. Schalenbesetzung z
  1. Z=2n^2
5. 2.5 Verteilung der e auf Elektronenniveaus
6. 2.6 Das Periodensystem
  1. Perioden
    1. Alle Elemente einer Periode (horizontal) haben gleiche Hauptquantenzahl n
  2. Gruppen
    1. Alle Elemente (vertikal) haben ähnliches chemisches Verhalten
    2. Zahl der Valenzelektr. ergibt sich aus Nr. Der Gruppe (nur in Hauptgruppe)
7. 2.7 Periodizität (Ionisierungearbeit)
  1. W für das Entfernen eines äußeren e
8. 2.8 Einteilung der Elemente auf der Erde
  1. 85 Metalle 16 Nichtmetalle 10 Halbleiter
9. 2.9 Daten aus dem Periodensystem
  1. Relative Atommasse Ar
    1. Ordnungszahl
  2. Atommasse mAtom
    1. mAtom=u*Ar
  3. Avogadrokonstante
    1. NA=(12g)/(1u*Ar)= 6,022*10^23 (1/mol)
  4. Molmasse m
    1. 1 Mol=6,022*10^23 Moleküle Bzw. Atome
  5. Atomare Masseneinheit u (Unit)
    1. 1u=1,66*10^-24g
10. 2.10 Anwendungen in Halbleitern: Hoch Integrierte Schaltungen
  1. Breite des Gates eines Transistors
    1. d=22-45 nm
    2. Vergleich : dHaar=50m *10^-6
    3. Vergleich: dAtom=10^-10 (1Å)
    4. Atome im Gate: c.a 200 nebeneinander
3. Strahlungsenission
1. 3.1 Wiederholung: Bohrsche Postulate
  1. 1. En~(1/n^2)
  2. 2. deltaE=h*f
2. 3.2 Energie-/Termschema eines Wasserstoffatoms
3. 3.3 Anregung von Elektronen und Strahlungsemission
  1. Thermische Anregung
  2. Fotoanregung
  3. Elektrische Anregung
  4. Frequenzspektrum
    1. Sichtbares Spekteum: c.a 380-750nm
    2. Ultraviolett: nicht sichtbar Infrarot: Wärme
4. 3.4. Energiebändermodell
  1. Leitungsband LB
  2. Valenzband VB
  3. Verbotene Zone Wi
  4. Bindungsenergie in innerster Schale am stärksten, in äußerster am schwächsten
  5. Auffächerung der Energienievaus wegen Wechselwirkung zw. e (Pauli P.)
5. 3.5 Isolatoren, Halbleiter, Leiter
  1. Isolator
    1. -große Verbotene Zone
  2. Halbleiter
    1. Kleinere verbotene Zone
  3. Leiter
    1. Keine verbotene Zone
4. Bindungsarten
1. 4.1 Valenztheorie/ Oktetttheorie
  1. Bestreben: e-Hülle soll Zustand der geringsten freien Energie haben
    1. Metalle: geben e ab Nichtmetalle: nehmen e auf
    2. Edelgase: haben Oktett (8 Valenzelektr.)
2. 4.2 Ionenbindung
  1. Heteropole Bindung
    1. Edelgaskonfiguration durch Aufnahme o. Abgabe von e
  2. Positives Ion
    1. Kation
  3. Negatives Ion
    1. Anion
3. 4.3 Coulombsche Kraft
  1. Anziehungskraft zw. Anionen und Kationen
  2. F=(1/4Pieta)*(Q1*Q2/r^2)
4. 4.4 Elektronenpaarbindung
  1. Kovalente o. Homöopolare Bindung
    1. Bildung von Oktett durch gemeinsame e-Paare
5. 4.5 Van der Waalsche Bindung
  1. Dipolbindung
    1. Entsteht zw. 2 Atomen mit permanentem o. Induziertem Dipolmoment
    2. Bei Kunststoff oder Wassermolekül
6. 4.6 Metallbindung
  1. Atome geben Valenzelektr. ab
    1. Leitfähigkeit entsteht durch frei bewegliche e
  2. BILD s.4
7. 4.7 Anordnung der e im festen Körper
  1. Kristallin
    1. Atome sind gesetzmäßig angeordet (Eiskristall, Kristallit)
  2. Amorph
    1. Atome sind regellos angeordnet (Glas, Kunsstoff)
5. Aufbau fester Körper
1. 5.1 Eigenschften von Werksoffen beruhen auf:
  1. chemische Zusammensetzung
  2. Bindungsart
  3. ihrer Struktur
    1. die räumliche Anordnung ihrer Materialteilchen
2. 5.2 Struktur der Werkstoffe
  1. amorph
    1. BILD S1
    2. nur Nahordnung
  2. kristallin
    1. BILD S1
    2. Nah- und Fernordnung
  3. Mischform: Polykristallin
    1. zb Metalle
3. 5.3 Amorphe Festkörper
  1. amorph= gestaltlos
  2. Eigenschaften
    1. bei Raumtemp.: spröde
    2. meist transparent
    3. Bruchfläche ist glatt, auch unter Mikroskop keine erkennbare Struktur
    4. keinen ausgeprägten Schmelz- oder Erstarrpunkt
    5. Bsp: Glas und Kunststoff
    6. kein Siedepunkt
  3. Makromoleküle (Monomere) bilden Endproduk: Polymere
  4. Elektronenpaarbindung
    1. Isolatoren
  5. Beispiele
    1. Thermoplat
      1. mittel elastisch
      2. BILD S.4
      3. lineare Ketten
    2. Duroplast
      1. fester, stabilder WS
      2. BILD S.4
      3. räumlich, stark vernetzte Ketten
    3. Elastomere
      1. elastisch/ gummiartig
      2. BILD S.4
      3. schwach/ selten vernetze Ketten
4. 5.4 kristalline Festkörper
  1. können: Einkristalline,Polychristalline oder Teilkristalline sein
  2. Einkristall
    1. fester Körper, aus einem Kristall, mit einheitlicher Kristallstruktur
    2. Bruchfläche: glatt (strukturlos)
  3. Polykristallin
    1. besteht aus vielen Kristallen
    2. Bruchfläche: körnig
      1. Bsp: Metall, Keramik
  4. Temperaturverhalten von kristallinen Festkörpern
    1. hat im gegensatz zu amorphen Körpern, feste Schhmelz und Siedetemp.
      1. Bsp: Eis
    2. BILd S.5
5. 5.5 Polykristalline Festkörper
  1. die meisten Werkstoffe in der Technik
  2. besteht aus vielen kleinen Kristallen
    1. Kristallite oder Körner genannt
    2. 1mikrom- 1mm
  3. Körner sind getrennt durch Korgrezen
  4. BILD S.7
6. Kristallgitter
1. 6.1 Begriffe
  1. Elementarzelle
    1. Kleinste representative Struktureinheit
  2. Gitterparameter (Gitterkonstate)
    1. Kantelängen der Elementarzelle (a,b,c)
  3. Gittergerade
    1. Gerade im Raumgitter, in regelmäßigen Abständen mit Atomen besetzt
  4. Gitterebene (Netzebene)
    1. In regelmäßigen Abständen mit Atomen besetze Ebene
  5. Bild S1
2. 6.2 Kristallsysteme
  1. Insgesamt 7
    1. Kubisch
    2. Hexagonal
  2. Kubisch Raumzentriert (krz)
    1. z.B. Eisen
      1. Mittelharter Werkstoff
      2. mittel verformbar
  3. Kubisch flächenzentriert (Kfz)
    1. Z.B CU oder AL
      1. Weiche Werkstoffe
        Da Atome dicht gepackt sind und gut aneinander gleiten können
      2. leicht verformbar
  4. Hexagonal dichteste Packung (hdp)
    1. Z.B Mg
      1. Harter WS
      2. schlecht verformbar
  5. Packungsdichte
    1. kubisch primitiv
      1. 52% belegt
    2. krz
      1. 68%
    3. hdp
      1. 74%
    4. Je dichter die Atome (kleine Lücken), desto schwerer ist der WS verformbar
3. 6.3 Modifikation (Allotropie)
  1. Auftreten eines Stoffes in verschiedenen Strukturen
  2. 1. Bsp.: Zinn (Sn):
    1. T<13° - tetragonales Gitter
    2. T>13° - Umwandlung zum Diamantgitter -> Volumenvergrößerung um 25% ->Pulverisierung (Zinnpest)
  3. 2. Bsp.: SiO2
    1. Quarz/Einkristall - piezoel. Eigenschaften
    2. amorph - Glas
  4. 3. Bsp.: Eisen- Allotropie
    1. BILD S. 5
  5. 4. Bsp.: Kohlenstoff
    1. C als Graphit
      1. Gleit- und Schmiermittel, wegen Struktur
      2. Bild S.5 (nur Strutur)
      3. el. Leitfähigkeit horizontal 100x größer als vertikal
        allg. mittlere Leitfähigkeit
        große Abstände zw. Atomen
        verschiedene Eigenschaften, abhängig von der Richtung
      4. Elektronenpaarbindung
      5. 4tes Valenel. fast frei
    2. C als Diamant
      1. Isolator
        da keine freien e
      2. 4 e
        Abstände ALLE gleich
      3. sehr hart
        da kein Gleitsystem
      4. BILD s5
4. 6.4 Anisotropie
  1. Richtungsabhängigkeit von Eigenschaften
    1. z.B.: elektr. Leitfähigkeit, mech. Festigkeit, Glanz o. Ätzbarkeit
  2. BILD S.6
  3. Isotrop
    1. Unordnung wiederholt sich
      1. amorphe Kunststoffe, Glas, Keramik
  4. Quasiisotrop
    1. polychrstallin - besteht aus vielen Körnern die anisotrop sind, zusammen sind sie aber isotrop
      1. Metalle
5. 6.5 Analytsche Beschreobung des Raumgitters
  1. dasMillersche Indiz (x,y,z)
    1. Würfelfläche (100)
    2. Diagonalfläche (110)
    3. Raumdioagonale (111)
    4. Bildung: Schnittpunkte mit den Achsen, davon der Kehrwert
    5. BILD S.7 oben
  2. das Richtungsindiz
    1. z.B [111]
    2. BILD S7
  3. Beispiele in der E-Technik
    1. S.8
7. Reale Kristallstukturen (Gitterbaufehler)
1. 1. Gitter ist in der Natur nie fehlerfrei
  1. Immer Gitterbaufehler
    1. Leerstellen
    2. Versetzungen
    3. Fremdeinflüsse
    4. Korngrenzen
    5. Beeinflussen mech., elektr. und Magnet. Eigenschaften des WS
  2. Metalle mit ideale Gitter hätten 100x größere Zugfestigkeit!
2. 2. 0-dimensionaler Fehler (Punktdefekt)

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