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WEH Themenübersicht (Metalle)
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Mindmap auf WEH Themenübersicht (Metalle), erstellt von Sina S auf 14/12/2017.
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Mind Map by
Sina S
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Sina S
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WEH Themenübersicht (Metalle)
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. 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. 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. 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. 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. 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. 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)
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