Erstarrung von Metallen at Hochschule Hannover

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Wie ist die Gefügeausbildung bei einem ungerichteten stabilen Wärmefluss? Wo tritt dieser ein?

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Was sind Seigerungen und warum entstehen sie?

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Was ist eine Segregationslinie, Mischungslücke, Eutektikum?

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Wie ist die Gefügeausbildung bei einem gerichteten stabilen Wärmefluss? Wo tritt dieser ein?

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Was ist homogene bzw. heterogene Keimbildung?

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Wie wird die Kristallisationswärme abgeführt? Welche ist Erstarrung ist endogen, welche exogen? Wie ist das Wachstum der Kristalle? 

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Erklären sie die grundlegende Erstarrung von Metallen

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Wie ist die Gefügeausbildung bei niedriger Abkühlgeschwindigkeit?

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Wie entstehen Keime energetisch? 

Was ist der kritische Keimradius?

Was geschieht, wenn er nicht erreicht wird?

Wie wirkt sich die Unterkühlung der Schmelze aus?

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Was ist ein Haltepunkt? Wann wird Energie abgegeben/aufgenommen? Was ist ein Knickpunkt? Was ein Erstarrungsintervall

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Wie ist die Gefügeausbildung bei heterogener Keimbildung mit wenig Fremdkeimen?

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Wie ist die Gefügeausbildung bei einem ungerichteten Wärmefluss mit großer Unterkühlung?

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Erstarrung von Metallen

Wie ist die Gefügeausbildung bei einem ungerichteten stabilen Wärmefluss? Wo tritt dieser ein?

globular z.B. Kokilleninneres

Erstarrung von Metallen

Was sind Seigerungen und warum entstehen sie?

Seigerungen = Entmischungen


reale Abkühlen nicht unendlich lang -> keine Diffusion/kein Konzentrationsausgleich -> Außen erstarrt die Schmelze schneller -> Erstarrungsfront schiebt die Atome vor sich her -> in der Mitte Anreicherung von Legierungselementen -> Entmischungen -> Seigerungen


-> in Zweistoffsystemen

Erstarrung von Metallen

Was ist eine Segregationslinie, Mischungslücke, Eutektikum?

Segregationslinie: Ausscheidung eines festen Bestandteiles aus einem anderen festen Bestandteil

Mischungslücke: Konzentrationsbereich, in dem mehrere Phasen auftreten können

Eutektikum: feines Kristallines Gemische zweier oder mehrerer Kristallarten, das aus einer erstarrten, einheitlichen Schmelze entstanden ist und den niedrigsten möglichen Schmelz- bzw. Erstarrungspunkt zeigt (Phasengleichgewicht)

Erstarrung von Metallen

Wie ist die Gefügeausbildung bei einem gerichteten stabilen Wärmefluss? Wo tritt dieser ein?

stengelförmig z.B. Kokillenwand

Erstarrung von Metallen

Was ist homogene bzw. heterogene Keimbildung?

homogene Keimbildung: erfolgt aus der reinen Schmelze heraus, unter Aufbringung der notwendigen Umwandlungsenergie durch die Unterkühlung -> starke Unterkühlung notwendig


heterogene Keimbildung: erfolgt an vorhandenen festen Partikeln (Fremdkeime) oder Oberflächen -> starke Absenkung der notwendigen Oberflächenenergie, da keine neuen Keime geschaffen werden müssen -> wesentlich kleinere Aktivierungsenergie, da nur die Strecke x überwunden werden muss um r,min zu erreichen -> es ist keine Unterkühlung notwendig

Erstarrung von Metallen

Wie wird die Kristallisationswärme abgeführt? Welche ist Erstarrung ist endogen, welche exogen? Wie ist das Wachstum der Kristalle? 

stabile Kristallisationsfront: Die Kristallisationswärme Q wird über die bereits erstarrten Anteile bzw. über die Wand der Gießform abgeführt; Exogene Erstarrung; planeres Wachstum


instabile Kristallisationsfront: Die Kristallisationswärme Q wird vor allem über die stark unterkühlte flüssige Schmelze abgeführt; endogene Erstarrung; dentritisches Wachstum

Erstarrung von Metallen

Erklären sie die grundlegende Erstarrung von Metallen

1. Keimbildung: es bilden sich erste Elementarstrukturen, die sich auf atomarer Ebene im 3D-Bereich anordnen -> Metallbindung in geordneter Struktur


2. Keimwachstum: Bildung eines stabilen Keims und Vergrößerung zum Kristallit mit der Bildung von Oberflächen zwischen den unterschiedlichen Phasenbereichen (zw. fest und flüssig)


3. Kristallwachstum: wenn kritische Keimgröße überschritten -> Kristallwachstum. Neue Atome lagern sich an die Kristalloberflächen (Einbau in den Atomgitterverband durch Abbau von Oberflächenenergie) welche sich irgendwann berühren -> Korngrenzen


(4. Erstarrung)

Erstarrung von Metallen

Wie ist die Gefügeausbildung bei niedriger Abkühlgeschwindigkeit?

grob

Erstarrung von Metallen

Wie entstehen Keime energetisch? 

Was ist der kritische Keimradius?

Was geschieht, wenn er nicht erreicht wird?

Wie wirkt sich die Unterkühlung der Schmelze aus?

Die Oberflächenenergie steigt bei der Erstarrung -> soll aber gering sein (alle Vorgänge in einem stofflichen System streben ein minimum der freien Energie an) -> frei werdende Energie ansteht aus der Unterkühlung -> Nutzung zur Bildung von Keimoberflächen


Der kritische Keimradius (r,min) ist der für das Keimwachstum notwendige minimale Keimradius


Keimradius (r,k) < kritische Keimradius (r,min) -> Keime werden wieder aufgelöst (unter Verminderung der Enthalpie)

Keimradius (r,k) >  kritische Keimradius (r,min) -> es wird mehr Energie durch die Ausscheidung fester Phasen abgegeben, als zu deren Oberflächenbildung erforderlich ist -> Überschussabgabe in Form von Wärmeenergie


Je größer die Unterkühlung -> mehr Energie wird frei -> kleinerer kritischer Keimradius -> mehr Keime -> mehr Körner -> kornfein -> fester


Erstarrung von Metallen

Was ist ein Haltepunkt? Wann wird Energie abgegeben/aufgenommen? Was ist ein Knickpunkt? Was ein Erstarrungsintervall

Haltepunkt: eine Phasenumwandlung findet statt, nur bei reinen Stoffen.

Energieabgabe: von fest -> flüssig (Abkühlen) -> Erstarrungswärme

Energieaufnahme: von flüssig -> fest (Aufwärmen) -> Schmelzwärme

Knickpunkt: nur ein Teil erstarrt, Restschmelze bleibt -> Erstarrungsintervall

Erstarrung von Metallen

Wie ist die Gefügeausbildung bei heterogener Keimbildung mit wenig Fremdkeimen?

grob

Erstarrung von Metallen

Wie ist die Gefügeausbildung bei einem ungerichteten Wärmefluss mit großer Unterkühlung?

dendritisch

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