Glossar: Materialwissenschaft

Übungsfragen →

Hexagonal dichteste Packung (hdP)

Kristallstruktur (hdP, engl. HCP), in der dichtest gepackte Ebenen in der Folge ABAB… gestapelt sind. Die Koordinationszahl ist 12, das ideale c/a beträgt etwa 1,633. Beispiele sind Mg, Ti und Zn.

Kubisch-flächenzentriertes Gitter (kfz)

Kristallstruktur (kfz, engl. FCC) mit Atomen an den Würfelecken und in der Mitte jeder Würfelfläche. Die Elementarzelle enthält 4 Atome, die Koordinationszahl ist 12 und die Packungsdichte etwa 0,74. Beispiele sind Cu, Al und Ni.

Kubisch-raumzentriertes Gitter (krz)

Kristallstruktur (krz, engl. BCC) mit Atomen an den Würfelecken und in der Würfelmitte. Die Elementarzelle enthält 2 Atome, die Koordinationszahl ist 8 und die Packungsdichte etwa 0,68. Beispiele sind α-Eisen, Cr und W.

Millersche Indizes

Sätze ganzer Zahlen, die Ebenen und Richtungen in einem Kristall bezeichnen. Für eine Ebene werden die Kehrwerte ihrer Achsenabschnitte auf das kleinste ganzzahlige Verhältnis gebracht und als (hkl) geschrieben; eine Richtung wird als [uvw] geschrieben.

Packungsdichte

Anteil des Volumens der Elementarzelle, den die Atome einnehmen, wenn man sie als starre Kugeln betrachtet. Kubisch-primitiv etwa 0,52, krz etwa 0,68, kfz und hdP etwa 0,74.

Übungsfragen →

Burgersvektor

Vektor, der den Schließungsfehler eines Umlaufs um eine Versetzung angibt. Bei einer vollständigen Versetzung im kfz-Gitter ist er (a/2)<110>. Er bestimmt Art und Energie der Versetzung.

Diffusionskoeffizient

Koeffizient D, der angibt, wie leicht Atome diffundieren, in der Einheit m²/s. Seine Temperaturabhängigkeit folgt der Arrhenius-Beziehung D = D₀exp(−Q/RT).

Ficksche Gesetze

Grundgesetze der Diffusion. Das erste Gesetz besagt, dass die Diffusionsstromdichte dem Konzentrationsgradienten proportional ist, J = −D(dC/dx); das zweite beschreibt die zeitliche Änderung der Konzentration, ∂C/∂t = D(∂²C/∂x²).

Leerstelle

Punktdefekt, bei dem an einem Gitterplatz des Kristalls ein Atom fehlt. Die Gleichgewichtskonzentration steigt mit der Temperatur gemäß exp(−Q/kT); Leerstellen ermöglichen die Diffusion von Substitutionsatomen.

Versetzung

Linienförmiger Gitterfehler, entlang dessen die Anordnung der Atome im Kristall gestört ist. Metalle verformen sich plastisch, indem sich Versetzungen auf Gleitebenen bewegen. Man unterscheidet Stufen-, Schrauben- und gemischte Versetzungen.

Übungsfragen →

0,2-%-Dehngrenze (Rp0,2)

Bei Werkstoffen ohne ausgeprägte Streckgrenze die Spannung, nach der bei Entlastung eine bleibende Dehnung von 0,2 % zurückbleibt. Man bestimmt sie als Schnittpunkt der Spannungs-Dehnungs-Kurve mit einer Parallelen zur Hookeschen Geraden, die um 0,2 % Dehnung verschoben ist.

Bruchzähigkeit

Widerstand eines rissbehafteten Werkstoffs gegen Bruch. Sie wird als kritischer Wert K_IC des Spannungsintensitätsfaktors (Einheit MPa·√m) angegeben; ob Bruch eintritt, beurteilt man durch Vergleich mit K = Yσ√(πa).

Dauerfestigkeit

Grenzwert der Spannungsamplitude, unterhalb dessen ein Werkstoff unter Schwingbeanspruchung praktisch nicht mehr bricht. Bei Kohlenstoffstählen tritt sie oft bei etwa 10⁶–10⁷ Schwingspielen auf, bei Aluminiumlegierungen ist sie nicht deutlich ausgeprägt.

Elastizitätsmodul (E-Modul)

Verhältnis von Spannung zu Dehnung im elastischen Bereich, E = σ/ε. Er wird durch die Bindung zwischen den Atomen bestimmt, beträgt für Stahl etwa 200 GPa und für Aluminium etwa 70 GPa und ändert sich durch Wärmebehandlung kaum.

Kriechen

Verformung, die unter konstanter Last mit der Zeit fortschreitet. Sie wird als Richtwert ab etwa dem 0,4-Fachen der Schmelztemperatur (als absolute Temperatur) deutlich und durchläuft bis zum Bruch drei Stadien: Übergangskriechen, stationäres Kriechen und beschleunigtes Kriechen.

Übungsfragen →

Debye-Temperatur

Höchste Frequenz der Gitterschwingungen, über ihre Energie in eine Temperatur umgerechnet. Weit unterhalb davon ist die Gitterwärmekapazität proportional zu T³, bei hohen Temperaturen nähert sie sich etwa 3R.

Dulong-Petit-Gesetz

Gesetz, nach dem die molare Wärmekapazität vieler fester Elemente in der Nähe der Raumtemperatur etwa 3R (etwa 25 J/(mol·K)) beträgt. Es entspricht dem klassischen Grenzfall der Gitterschwingungen bei hohen Temperaturen.

Invar

Fe-Ni-Legierung mit 36 % Ni. Der Magnetovolumeneffekt gleicht die normale Wärmeausdehnung aus, sodass der Längenausdehnungskoeffizient in der Nähe der Raumtemperatur mit etwa 1×10⁻⁶ K⁻¹ sehr klein ist.

Längenausdehnungskoeffizient

Relative Längenänderung bei einer Temperaturerhöhung um 1 K. Er entsteht aus der Anharmonizität des interatomaren Potentials und ist tendenziell bei stark gebundenen Werkstoffen mit hohem Schmelzpunkt kleiner.

Phonon

Teilchenartiges Quant der Gitterschwingungen eines Kristalls. Phononen bestimmen in Isolatoren die Wärmeleitung und die Wärmekapazität und verursachen außerdem die Streuung von Elektronen.

Temperaturleitfähigkeit

Größe α = κ/(ρc), die Wärmeleitfähigkeit geteilt durch die volumenbezogene Wärmekapazität. Sie gibt an, wie schnell sich eine Temperaturänderung im Werkstoff ausbreitet, und hat die Einheit m²/s.

Umklappprozess

Phonon-Phonon-Streuung, bei der sich der Gesamtimpuls um einen reziproken Gittervektor ändert. Sie wirkt dem Wärmestrom entgegen und ist der Hauptgrund dafür, dass die Wärmeleitfähigkeit von Isolatoren bei hohen Temperaturen sinkt.

Wiedemann-Franzsches Gesetz

Gesetz, nach dem das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit κ eines Metalls zu seiner elektrischen Leitfähigkeit σ proportional zur absoluten Temperatur ist, κ = LσT; L ist die Lorenz-Zahl, etwa 2,44×10⁻⁸ W·Ω/K².

Übungsfragen →

Eutektische Reaktion

Reaktion L → α + β, bei der beim Abkühlen aus der Schmelze gleichzeitig zwei feste Phasen kristallisieren. Im Zweistoffsystem läuft sie bei fester Temperatur und Zusammensetzung ab und erzeugt eutektische Gefüge, etwa lamellare.

Eutektoide Reaktion

Reaktion, bei der beim Abkühlen aus einer festen Phase gleichzeitig zwei feste Phasen entstehen. Im Stahl läuft bei 0,76 Massen-% C und 727 °C γ → α + Fe₃C ab, wobei Perlit entsteht.

Gibbssche Phasenregel

Regel F = C − P + 2, die die Zahl der Freiheitsgrade F im Gleichgewicht aus der Zahl der Komponenten C und der Zahl der Phasen P angibt. Für kondensierte Systeme bei konstantem Druck verwendet man F = C − P + 1.

Hebelgesetz

Regel, mit der im Zweiphasengebiet eines Zustandsdiagramms der Massenanteil jeder Phase aus dem Verhältnis von Strecken auf der Konode bestimmt wird. Der Anteil einer Phase ist proportional zum Abstand von der Legierungszusammensetzung bis zur gegenüberliegenden Phase.

Perlit

Gefüge aus abwechselnden Lamellen von Ferrit und Zementit, das im Stahl durch die eutektoide Reaktion entsteht. Je schneller die Abkühlung, desto feiner der Lamellenabstand und desto härter der Perlit.

Übungsfragen →

Anlassen

Wärmebehandlung, bei der gehärteter Stahl erneut auf eine Temperatur unterhalb der A1-Temperatur (727 °C) erwärmt wird. Dabei nimmt die Härte ab (umso stärker, je höher die Temperatur), dafür wird die Zähigkeit wiederhergestellt, und Eigenspannungen werden abgebaut.

Ausscheidungshärtung

Verfestigung durch fein verteilte Ausscheidungen, die durch Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern entstehen und die Versetzungsbewegung behindern. Sie wird bei Legierungen wie Al-Cu genutzt; zu langes Auslagern führt durch Überalterung zur Entfestigung.

Einhärtbarkeit

Tiefe, bis zu der sich beim Härten Martensit bilden lässt (wie leicht ein Stahl durchhärtet). Sie nimmt zu, wenn Legierungselemente wie Mn, Cr und Mo die Nase im ZTU-Schaubild zu längeren Zeiten verschieben.

Hall-Petch-Beziehung

Beziehung σy = σ₀ + k/√d, nach der die Streckgrenze umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Korngröße d zunimmt. Korngrenzen behindern die Versetzungsbewegung, daher ist ein feinkörniges Gefüge fester.

Martensit

Gefüge, das beim Abschrecken von Austenit durch eine diffusionslose, scherende Umwandlung entsteht. Im Stahl ist es tetragonal-raumzentriert, mit Kohlenstoff übersättigt und sehr hart.

Übungsfragen →

Feinguss

Präzisionsgießverfahren, bei dem ein Wachsmodell mit feuerfestem Material umhüllt und verfestigt und die Schmelze in die Form gegossen wird, die nach dem Ausschmelzen des Wachses zurückbleibt. Auch Wachsausschmelzverfahren genannt; verwendet etwa für Turbinenschaufeln.

Heißisostatisches Pressen

Verfahren, bei dem bei hoher Temperatur ein Inertgas von allen Seiten gleichmäßig einen hohen Druck ausübt, um Pulver zu verdichten oder geschlossene innere Poren in Gussteilen und Sinterkörpern zu beseitigen. Abgekürzt HIP.

Kohlenstoffäquivalent

Summe der Wirkungen der Legierungselemente eines Stahls auf die Härtbarkeit, umgerechnet in einen Kohlenstoffgehalt. Je höher das Ceq, desto stärker härtet die Wärmeeinflusszone der Schweißung auf und desto eher entstehen Kaltrisse.

Lunker

Hohlraum in einem Gussstück an einer Stelle, an der die Erstarrungsschwindung nicht durch Schmelze ausgeglichen werden konnte. Er bildet sich bevorzugt in dickwandigen Bereichen, die zuletzt erstarren, und wird durch die Auslegung der Speiser und der Erstarrungsreihenfolge vermieden.

Rückfederung

Teilweise Rückkehr in die Ausgangsform durch elastische Rückverformung, wenn nach dem Biegen oder einer anderen Umformung die Last entfernt wird. Sie ist umso größer, je höher die Streckgrenze und je niedriger der E-Modul des Werkstoffs ist.

Sensibilisierung

Erscheinung, bei der sich in nichtrostendem Stahl bei Erwärmung auf etwa 500–800 °C Chromcarbide an den Korngrenzen ausscheiden, die Umgebung an Chrom verarmt und der Stahl anfällig für interkristalline Korrosion wird.

Strangpressen

Umformverfahren, bei dem ein Pressbolzen im Blockaufnehmer mit einem Pressstempel durch die Öffnung einer Matrize gedrückt wird, um lange Erzeugnisse mit konstantem Querschnitt herzustellen. Ein typisches Beispiel sind Aluminiumprofile.

Wärmeeinflusszone

Bereich des Grundwerkstoffs, der beim Schweißen nicht geschmolzen ist, dessen Gefüge und Eigenschaften sich aber durch die Schweißwärme verändert haben. Abgekürzt WEZ (engl. HAZ); dort können Aufhärtung, Entfestigung, Grobkornbildung und Sensibilisierung auftreten.

Übungsfragen →

Aktivität

Thermodynamisch wirksame Konzentration einer Komponente in einer Lösung oder einem Mischkristall, die μ = μ° + RT ln a erfüllt. Für den reinen Stoff ist sie 1, in einer idealen Lösung gleich dem Stoffmengenanteil.

Chemisches Potential

Zunahme der Gibbs-Energie eines Systems je Mol einer hinzugefügten Komponente (partielle molare Gibbs-Energie). Im Phasengleichgewicht ist das chemische Potential jeder Komponente in allen Phasen gleich.

Ellingham-Diagramm

Diagramm, in dem die Standard-Gibbs-Energie der Bildung von Oxiden und ähnlichen Verbindungen, bezogen auf 1 mol O₂, über der Temperatur aufgetragen ist. Je tiefer die Linie eines Metalls liegt, desto stabiler ist das Oxid, das es bildet.

Gibbs-Energie

Zustandsgröße, definiert durch G = H − TS (auch freie Enthalpie). Bei konstanter Temperatur und konstantem Druck laufen Vorgänge freiwillig in der Richtung ab, in der G abnimmt, und der Zustand mit minimalem G ist das Gleichgewicht.

Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck

Sauerstoffpartialdruck, bei dem ein Metall und sein Oxid im Gleichgewicht nebeneinander vorliegen. Er ergibt sich aus ΔG° = RT ln pO₂; ist der Sauerstoffpartialdruck der Atmosphäre höher, wird das Metall oxidiert, ist er niedriger, wird das Oxid reduziert.

Mischungsentropie

Entropie, die entsteht, weil beim Mischen die Zahl der möglichen Anordnungen der Atome zunimmt. In einer idealen Lösung beträgt sie −R[x ln x + (1 − x) ln(1 − x)] und ist bei x = 0,5 maximal.

Reguläre Lösung

Lösungsmodell, in dem die Mischungsentropie dieselbe ist wie bei einer idealen Lösung und die Mischungsenthalpie Ωx(1 − x) beträgt. Ist Ω positiv, tritt bei tiefen Temperaturen eine Mischungslücke auf.

Spinodale Entmischung

Phasentrennung in zwei Phasen bei Zusammensetzungen, in denen die Kurve der freien Enthalpie negativ gekrümmt ist; Konzentrationsschwankungen wachsen dabei ohne Keimbildungsbarriere an. Durch Bergaufdiffusion entsteht ein periodisches Gefüge.

Übungsfragen →

Perowskitstruktur

Kristallstruktur vom Typ ABO₃, in der das Kation auf dem B-Platz im Zentrum eines Sauerstoffoktaeders sitzt (Koordinationszahl 6) und das Kation auf dem A-Platz in den Lücken zwischen den Oktaedern (Koordinationszahl 12). Ein Beispiel ist BaTiO₃.

Piezoelektrischer Effekt

Erscheinung, dass mechanische Spannung eine Polarisation erzeugt und umgekehrt ein elektrisches Feld eine Verformung bewirkt. Sie tritt in Kristallen ohne Symmetriezentrum auf; Quarz und PZT werden für Sensoren und Resonatoren verwendet.

Sintern

Verfahren, bei dem ein Pulverpressling bei hoher Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts erhitzt wird, sodass sich die Teilchen verbinden und der Körper verdichtet. Die treibende Kraft ist die Verringerung der Oberflächenenergie.

Umwandlungsverstärkung

Mechanismus in teilstabilisiertem Zirkonoxid, bei dem die Spannung an der Rissspitze die tetragonale in die monokline Phase umwandelt; die damit verbundene Volumenzunahme schließt den Riss und erhöht die Zähigkeit.

Weibull-Modul

Parameter m der Weibull-Verteilung, der angibt, wie gering die Streuung der Festigkeit ist. Je größer er ist, desto kleiner die Streuung: bei Keramiken etwa 5–20, bei Metallen einige Dutzend und mehr.

Übungsfragen →

Duroplast

Harz, das durch eine Härtungsreaktion ein dreidimensionales Netzwerk bildet und nach dem Aushärten beim Erwärmen nicht mehr schmilzt. Beispiele sind Epoxid- und Phenolharze.

Glasübergangstemperatur

Temperatur, bei der in einem amorphen Stoff oder in den amorphen Bereichen eines Polymers die Bewegung der Moleküle oder Atome einfriert und der glasartige und der gummielastische Zustand (unterkühlte Flüssigkeit) ineinander übergehen. Formelzeichen Tg.

Kristallinität

Anteil der kristallinen Bereiche in einem teilkristallinen Polymer. Er wird aus der Dichte, der Schmelzwärme in der DSC, mit XRD und anderen Verfahren bestimmt; eine höhere Kristallinität erhöht Dichte und E-Modul, verringert aber die Transparenz.

Mischungsregel

Beziehungen, mit denen die Eigenschaften eines Verbundwerkstoffs aus den Eigenschaften und Volumenanteilen seiner Bestandteile abgeschätzt werden. In Faserrichtung gilt bei gleicher Dehnung E = VfEf + VmEm, senkrecht dazu verwendet man näherungsweise die Beziehung für gleiche Spannung.

Viskoelastizität

Verhalten, das Eigenschaften eines elastischen Festkörpers und einer viskosen Flüssigkeit verbindet. Bei Polymeren zeigt es sich als Spannungsrelaxation und Kriechen und hängt von Zeit und Temperatur ab.

Übungsfragen →

Curie-Temperatur

Temperatur, bei der ein Ferromagnet (oder Ferroelektrikum) seine spontane Magnetisierung (bzw. spontane Polarisation) verliert; oberhalb davon ist der Stoff paramagnetisch. Für Eisen etwa 770 °C, für Nickel etwa 358 °C.

Indirekter Halbleiter

Halbleiter, bei dem das Minimum des Leitungsbands und das Maximum des Valenzbands bei unterschiedlichem Kristallimpuls liegen. Für die strahlende Rekombination ist ein Phonon nötig, daher ist die Effizienz der Lichtemission gering. Beispiele sind Silizium und Germanium.

Koerzitivfeldstärke

Stärke des entgegengesetzten Magnetfelds, die nötig ist, um die Magnetisierung (oder Flussdichte) eines magnetisierten Werkstoffs wieder auf null zu bringen. Werkstoffe mit kleiner Koerzitivfeldstärke sind weichmagnetisch, solche mit großer hartmagnetisch.

Matthiessensche Regel

Erfahrungsregel, nach der sich der spezifische elektrische Widerstand eines Metalls als Summe eines temperaturabhängigen Anteils durch Gitterschwingungen und eines temperaturunabhängigen Anteils durch Fremdatome und Gitterfehler darstellen lässt.

Weichmagnetischer Werkstoff

Magnetwerkstoff mit kleiner Koerzitivfeldstärke und geringen Hystereseverlusten, etwa Elektroblech, Ferrite und amorphe Legierungen; verwendet für die Kerne von Transformatoren und Motoren.

Übungsfragen →

Erholung

Vorgang, bei dem beim Erwärmen eines kaltverformten Metalls noch vor der Rekristallisation Versetzungen ausgelöscht und umgeordnet werden, sodass Eigenspannungen und elektrischer Widerstand abnehmen. Die Härte ändert sich dabei kaum.

Kaltverfestigung

Zunahme der zur Verformung nötigen Spannung, weil sich bei plastischer Verformung die Versetzungen vermehren und miteinander verhaken. Die Festigkeit steigt, die Duktilität sinkt. Auch Verformungsverfestigung genannt.

Messing

Legierung aus Kupfer und Zink. CuZn30 mit etwa 30 % Zn ist einphasig (α) und sehr duktil, CuZn40 mit etwa 40 % Zn enthält die β-Phase und ist fester.

Mischkristallverfestigung

Verfestigungsverfahren, bei dem die Gitterverzerrung durch in der Matrix gelöste Fremdatome die Versetzungsbewegung behindert und so die Festigkeit eines Metalls erhöht. Man unterscheidet Einlagerungs- und Substitutionsmischkristalle.

Nichtrostender Stahl

Legierter Stahl mit etwa 11 % Cr oder mehr, der durch eine Passivschicht an der Oberfläche kaum rostet. Nach dem Gefüge unterscheidet man unter anderem austenitische, ferritische und martensitische Stähle.

Rekristallisation

Vorgang, bei dem beim Erwärmen eines Metalls mit gespeicherter Verformungsenergie neue, verzerrungsfreie Körner entstehen und wachsen. Die Festigkeit sinkt, und die Duktilität wird wiederhergestellt.

Stängelkristalle

Langgestreckte Körner, die bei der Erstarrung von Gussstücken innerhalb der feinkörnigen Randzone entgegen der Richtung des Wärmeabflusses wachsen. In der Mitte bilden sich gleichachsige Körner (Globulite).

Titanlegierung

Legierung mit etwa 60 % der Dichte von Stahl, die sich durch hohe spezifische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Nach dem Anteil der hdP-α-Phase und der krz-β-Phase unterscheidet man α-, (α+β)- und β-Legierungen.

Übungsfragen →

Festelektrolyt

Werkstoff, der im festen Zustand Ionen leitet, Elektronen aber kaum. Beispiele sind sulfidische und oxidische Elektrolyte für Festkörperbatterien und stabilisiertes Zirkonoxid für Brennstoffzellen.

Geschichtete Steinsalzstruktur

Struktur, in der sich in einer dichtesten Packung von Sauerstoff Lithium- und Übergangsmetallschichten abwechseln. Kathoden auf Basis von LiCoO₂ und LiNiO₂ haben diese Struktur; Li⁺ bewegt sich zweidimensional zwischen den Schichten.

Olivinstruktur

Struktur des Minerals Olivin, die das Kathodenmaterial LiFePO₄ aufweist. Die starken kovalenten Bindungen im PO₄ machen sie thermisch stabil, doch die Li⁺-Diffusion ist eindimensional und die elektronische Leitfähigkeit gering.

Polymerelektrolytbrennstoffzelle

Brennstoffzelle, deren Elektrolyt eine Polymermembran mit Sulfonsäuregruppen ist, die im feuchten Zustand Protonen leitet. Abgekürzt PEFC; sie wird befeuchtet, damit die Membran nicht austrocknet, und arbeitet bei etwa 80 °C.

Shockley-Queisser-Grenze

Obergrenze des theoretischen Wirkungsgrads einer Solarzelle mit nur einem pn-Übergang. Aus der Abwägung zwischen der Transmission von Licht unterhalb der Bandlücke und den Thermalisierungsverlusten ergibt sich unter terrestrischem Sonnenlicht ein Maximum von etwa 33 % bei etwa 1,34 eV.

Spinellstruktur

Struktur der Zusammensetzung AB₂O₄, in der Kationen Tetraeder- und Oktaederlücken einer kubisch dichtesten Packung von Sauerstoff besetzen. Das Kathodenmaterial LiMn₂O₄ besitzt dreidimensionale Diffusionswege für Li⁺.

Theoretische Kapazität

Höchste Ladungsmenge, die ein Elektrodenmaterial speichern kann, bezogen auf seine Masse. Sie wird mit Q = nF/(3,6M) mAh/g berechnet und beträgt für Graphit 372 mAh/g.

Thermoelektrische Gütezahl

Dimensionslose Größe ZT = S²σT/κ, die die Umwandlungsleistung eines thermoelektrischen Werkstoffs angibt. Sie ist umso größer, je höher Seebeck-Koeffizient und elektrische Leitfähigkeit und je niedriger die Wärmeleitfähigkeit sind.

Übungsfragen →

CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff)

Verbundwerkstoff (engl. CFRP) aus Kohlenstofffasern, die mit Epoxidharz oder einem anderen Harz gebunden sind. Wegen geringer Dichte sowie hohem E-Modul und hoher Festigkeit besitzt er eine hervorragende spezifische Steifigkeit und wird in Flugzeugen, Automobilen und Sportgeräten eingesetzt.

Delamination

Schädigung, bei der das Harz oder die Grenzfläche zwischen den Schichten eines Laminats reißt und sich die Schichten voneinander lösen. Sie entsteht, weil die Festigkeit in Dickenrichtung gering ist, und ist, wenn sie durch einen Schlag im Inneren auftritt, von außen schwer zu erkennen.

GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff)

Verbundwerkstoff (engl. GFRP) aus Glasfasern in einer Harzmatrix. Er ist weniger steif als CFK, aber kostengünstig, elektrisch isolierend und für Funkwellen durchlässig und wird für Bootsrümpfe, Badewannen, Leiterplatten und anderes verwendet.

Keramischer Faserverbundwerkstoff

Verbundwerkstoff (CMC) mit einer Matrix aus einer Keramik wie SiC, verstärkt mit Keramikfasern. Eine schwache Grenzfläche lässt die Fasern herausgleiten, sodass der Werkstoff nicht schlagartig versagt.

Kritische Faserlänge

Länge, die nötig ist, damit die Spannung in der Mitte einer Kurzfaser über die Schubübertragung an der Grenzfläche die Zugfestigkeit der Faser erreicht. Sie ist lc = σf·d/(2τc); kürzere Fasern werden herausgezogen.

Metallmatrix-Verbundwerkstoff

Verbundwerkstoff (MMC) mit einer Matrix aus einem Metall wie Aluminium, verstärkt mit SiC-Partikeln oder -Fasern. Er kann Steifigkeit und Verschleißbeständigkeit erhöhen und die Wärmeausdehnung verringern.

Quasiisotropes Laminat

Laminat wie [0/±45/90]ₛ, das aus Schichten mit in gleichen Winkelabständen verteilten Faserrichtungen aufgebaut ist. Der E-Modul in der Laminatebene ist in allen Richtungen nahezu gleich, in Dickenrichtung bleibt das Laminat jedoch schwach.

Silan-Haftvermittler

Verbindung, die in einem Molekül eine Gruppe besitzt, die an anorganische Stoffe bindet, und eine Gruppe, die mit dem Harz reagiert. Sie dient zur Oberflächenbehandlung von Glasfasern und verbessert die Haftung an der Grenzfläche und die Wasserbeständigkeit.

Übungsfragen →

BET-Methode

Verfahren, bei dem bei tiefer Temperatur ein Gas wie Stickstoff an einem Pulver physisorbiert, die BET-Gleichung an die Adsorptionsisotherme angepasst und aus der Monoschichtkapazität die spezifische Oberfläche bestimmt wird.

Bottom-up-Verfahren

Verfahren zur Herstellung von Nanomaterialien, bei denen Atome und Moleküle durch Keimbildung und Wachstum aufgebaut werden, etwa Reduktion und thermische Zersetzung in der Flüssigphase, das Sol-Gel-Verfahren und CVD. Das Gegenstück sind Top-down-Verfahren, die größere Materialien zerkleinern.

Graphen

Einzelne Atomlage aus Kohlenstoffatomen, die durch sp²-Bindungen in einem Wabengitter angeordnet sind. Die Bandlücke ist praktisch null, die Elektronenbeweglichkeit hoch, und die theoretische spezifische Oberfläche beider Seiten beträgt etwa 2630 m²/g.

Kohlenstoffnanoröhre

Kohlenstoffmaterial aus zu einer Röhre aufgerolltem Graphen mit einem Durchmesser von etwa 1 nm bis zu einigen zehn Nanometern. Je nach Aufrollrichtung (chirale Indizes) ist sie metallisch oder halbleitend, und ihre Festigkeit in Achsrichtung ist außerordentlich hoch.

Quantenpunkt

Halbleiter-Nanokristall von wenigen Nanometern Größe, der Elektronen und Löcher in allen drei Raumrichtungen einschließt. Die Einschlussenergie ist etwa umgekehrt proportional zum Quadrat der Teilchengröße, sodass sich die Emissionswellenlänge über die Größe einstellen lässt.

Schmelzpunkterniedrigung von Nanopartikeln

Absinken des Schmelzpunkts von Nanopartikeln unter den des kompakten Materials durch den Beitrag der Oberflächenenergie. Die Erniedrigung ist etwa umgekehrt proportional zur Teilchengröße und wird bei Teilchen von wenigen Nanometern deutlich.

Spezifische Oberfläche

Oberfläche eines Pulvers oder porösen Körpers je Masseneinheit, in m²/g. Für kugelförmige Teilchen gilt S = 6/(ρd); sie nimmt umgekehrt proportional zur Teilchengröße zu.

Zeta-Potential

Potential an der Scherebene außerhalb der Schicht, die sich mit einem Teilchen in einer Flüssigkeit mitbewegt. Je größer sein Betrag, desto stärker die elektrostatische Abstoßung zwischen den Teilchen und desto stabiler die Dispersion. Am isoelektrischen Punkt ist es nahezu null.

Übungsfragen →

Domänenwand (Bloch-Wand)

Übergangsschicht an der Grenze benachbarter Weiss-Bezirke, in der sich die Richtung der magnetischen Momente allmählich dreht. Ihre Dicke ergibt sich aus dem Gleichgewicht von Austausch- und Anisotropieenergie.

Ferrimagnetismus

Magnetismus, bei dem die magnetischen Momente zweier antiparallel ausgerichteter Untergitter unterschiedlich groß sind, sodass eine spontane Magnetisierung in Höhe der Differenz bleibt. Typische Beispiele sind Ferrite wie Magnetit.

Magnetokristalline Anisotropie

Eigenschaft, dass sich ein Kristall je nach Kristallrichtung unterschiedlich leicht magnetisieren lässt. In Eisen ist <100> die Richtung leichter Magnetisierung. Ist sie groß, steigt die Koerzitivfeldstärke; ist sie klein, steigt die Permeabilität.

Maximales Energieprodukt

Wert (BH)max, bei dem der Betrag des Produkts aus Flussdichte B und Feldstärke H auf der Entmagnetisierungskurve eines Dauermagneten am größten ist. Er wird in kJ/m³ angegeben und ist ein Maß für die Stärke des Magneten.

Sättigungsmagnetisierung

Magnetisierung, wenn ein starkes Feld alle magnetischen Momente in dieselbe Richtung ausrichtet. Für Eisen beträgt sie etwa 1,7×10⁶ A/m (als µ₀Ms etwa 2,2 T) und nimmt mit steigender Temperatur ab.

Superparamagnetismus

Zustand sehr kleiner ferromagnetischer Teilchen, in dem die Energiebarriere KV für die Ummagnetisierung klein gegenüber der thermischen Energie ist, sodass sich die Magnetisierung thermisch umkehrt und die Koerzitivfeldstärke nahezu null ist.

Weiss-Bezirk

Kleiner Bereich in einem Ferro- oder Ferrimagneten, in dem die Magnetisierung einheitlich ausgerichtet ist (magnetische Domäne). Der Werkstoff zerfällt in viele Bezirke, um die magnetostatische Energie der Oberflächenpole zu verringern.

Wirbelstromverluste

Verluste durch die Joulesche Wärme der Wirbelströme, die in einem Magnetwerkstoff induziert werden, wenn sich der Fluss bei Wechselstrom ändert. Sie sind proportional zum Quadrat von Blechdicke und Frequenz und umgekehrt proportional zum spezifischen Widerstand.

Übungsfragen →

Biokompatibilität

Fähigkeit eines Werkstoffs, in einer bestimmten Anwendung die geforderte Funktion bei angemessener Reaktion des Körpers zu erfüllen. Bewertet werden dabei nicht nur der Werkstoff, sondern auch Form, Oberflächenzustand und Einsatzort.

Biologisch abbaubares Polymer

Polymer, das im Körper oder in der Umwelt durch Hydrolyse oder die Tätigkeit von Mikroorganismen abgebaut wird. Polymilchsäure und Polyglycolsäure werden für resorbierbares Nahtmaterial und Knochenfixationsmaterialien verwendet.

Hydroxylapatit

Calciumphosphat der Formel Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Es ähnelt dem mineralischen Bestandteil von Knochen und Zähnen und wird als bioaktive Keramik verwendet, die sich direkt mit dem Knochen verbindet. Das Ca/P-Verhältnis beträgt 1,67.

Knochenzement

Werkstoff, der aus PMMA-Pulver und flüssigem Methylmethacrylat angemischt wird und im Körper polymerisiert, um künstliche Gelenke im Knochen zu verankern. Er hält nicht durch Kleben, sondern indem er Zwischenräume ausfüllt und sich mechanisch verzahnt.

Osseointegration

Zustand, in dem lebender Knochen und die Implantatoberfläche ohne dazwischenliegendes Bindegewebe in direktem Kontakt stehen und Last übertragen können. Er wurde an dentalen Titanimplantaten entdeckt.

Stress Shielding

Erscheinung, bei der ein Implantat, das weit steifer als Knochen ist, den größten Teil der Last trägt, sodass der mechanische Reiz auf den umgebenden Knochen abnimmt und der Knochen resorbiert wird und schwindet. Auch Spannungsabschirmung genannt.

Superelastizität

Eigenschaft, dass oberhalb der Endtemperatur der Rückumwandlung große Dehnungen von einigen Prozent bei Entlastung wieder zurückgehen; sie beruht auf der spannungsinduzierten martensitischen Umwandlung und deren Rückumwandlung. Typisches Beispiel sind Ni-Ti-Legierungen.

β-Titanlegierung

Titanlegierung mit hohen Gehalten an β-stabilisierenden Elementen wie Nb, Ta und Mo, die auch bei Raumtemperatur die krz-β-Phase aufweist. Wegen ihres niedrigen E-Moduls verringert sie bei medizinischen Anwendungen das Stress Shielding.

Übungsfragen →

Amorphes Silizium

Silizium ohne Fernordnung. a-Si:H, dessen offene Bindungen mit Wasserstoff abgesättigt sind, wird in Dünnschichttransistoren und Dünnschichtsolarzellen eingesetzt.

Chemisch vorgespanntes Glas

Glas, dessen Festigkeit erhöht wird, indem in einer Salzschmelze Na⁺ in der Oberflächenschicht gegen größere K⁺ ausgetauscht wird, wodurch hohe Druckspannungen in der Oberflächenschicht entstehen. Es eignet sich auch für dünne Scheiben.

Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG)

Glas, dessen Festigkeit erhöht wird, indem eine erhitzte Glasscheibe mit Luft abgeschreckt wird, sodass an der Oberfläche Druck- und im Inneren Zugspannungen zurückbleiben. Beim Bruch zerfällt es in kleine Krümel.

Metallisches Glas

Amorphe Legierung, die aus einer Metallschmelze ohne Kristallisation erstarrt ist. Da sie keine Versetzungen enthält, hat sie eine hohe Festigkeit und eine große elastische Grenzdehnung. Dicke Stücke heißen massive metallische Gläser.

Netzwerkbildner

Oxid wie SiO₂, B₂O₃ oder P₂O₅, dessen Kationen Sauerstoffpolyeder bilden, die über Ecken verknüpft sind, und das schon allein ein Glasnetzwerk aufbaut.

Netzwerkwandler

Oxid wie Na₂O, K₂O oder CaO, das Brücken im Glasnetzwerk aufbricht und dabei nichtbrückende Sauerstoffatome erzeugt, wobei seine Kationen Lücken im Netzwerk besetzen. Es senkt die Viskosität.

Nichtbrückender Sauerstoff

Sauerstoffatom in einem Glasnetzwerk, das nur an ein netzwerkbildendes Kation gebunden und nicht mit einem benachbarten Polyeder verknüpft ist. Ihr Anteil nimmt zu, wenn Netzwerkwandler zugegeben werden.

Reduzierte Glasübergangstemperatur

Glasübergangstemperatur Tg geteilt durch die Liquidustemperatur Tl, Trg = Tg/Tl. Je größer sie ist, desto leichter bildet eine Schmelze ein Glas; als Richtwert gelten etwa 2/3 oder mehr.

Übungsfragen →

Kritischer Keimradius

Keimradius bei der Keimbildung, oberhalb dessen das Wachstum des Keims der stabilere Weg ist. Für einen kugelförmigen Keim gilt r* = −2γ/ΔGv; er wird mit zunehmender Unterkühlung kleiner.

Ostwald-Reifung

Vergröberung, bei der sich kleine Teilchen auflösen und verschwinden, während große Teilchen wachsen. Die treibende Kraft ist der krümmungsabhängige Unterschied der Löslichkeit (Gibbs-Thomson-Effekt).

Quantengrößeneffekt

Effekt, durch den die Energieniveaus diskret werden und die Bandlücke größer wird, wenn Teilchen oder Schichten so klein werden wie die räumliche Ausdehnung der Elektronenwellen. Er bestimmt die Emissionsfarbe von Quantenpunkten.

Stranski-Krastanov-Wachstum

Wachstumsmodus dünner Schichten, bei dem nach lagenweisem Wachstum einiger Atomlagen dreidimensionale Inseln wachsen, die die Verspannung durch Gitterfehlanpassung abbauen. Er wird zur Herstellung von Quantenpunkten genutzt.

Wärmespannung

Spannung, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnung entsteht. Für eine dünne Schicht auf einem Substrat wird sie mit σ = EΔαΔT/(1 − ν) abgeschätzt; ist der Ausdehnungskoeffizient der Schicht größer, steht die Schicht nach dem Abkühlen unter Zug.

Übungsfragen →

Auslöschungsregeln

Regeln, nach denen sich die gebeugten Wellen bestimmter Indizes wegen der Anordnung der Atome gegenseitig auslöschen. Im krz-Gitter treten nur Reflexe mit geradem h + k + l auf, im kfz-Gitter nur Reflexe, bei denen h, k und l alle gerade oder alle ungerade sind.

Bragg-Gleichung

Bedingung 2d sinθ = nλ, unter der sich die an Netzebenen mit dem Abstand d gebeugten Wellen verstärken. Sie ist die Grundgleichung, mit der aus den Winkellagen der XRD-Peaks die Netzebenenabstände bestimmt werden.

EDX (energiedispersive Röntgenspektroskopie)

Verfahren der Elementanalyse (auch EDS), bei dem die Energie der durch einen Elektronenstrahl angeregten charakteristischen Röntgenstrahlung mit einem Halbleiterdetektor gemessen wird. Alle Elemente werden gleichzeitig in kurzer Zeit erfasst, die Auflösung ist aber geringer als bei der WDX.

REM (Rasterelektronenmikroskop)

Mikroskop (engl. SEM), das die Probenoberfläche mit einem fein fokussierten Elektronenstrahl abrastert und die austretenden Sekundär- und Rückstreuelektronen detektiert, um die Oberflächengestalt und Unterschiede in der Zusammensetzung abzubilden.

Scherrer-Gleichung

Gleichung D = Kλ/(β cosθ), mit der die Kristallitgröße aus der Verbreiterung der XRD-Peaks abgeschätzt wird; β ist die Halbwertsbreite im Bogenmaß und K etwa 0,9.

SIMS (Sekundärionen-Massenspektrometrie)

Verfahren, bei dem die Probe mit Primärionen abgetragen wird und die dabei austretenden Sekundärionen massenspektrometrisch analysiert werden. Damit lassen sich Tiefenprofile von Spurenelementen wie Dotierstoffen mit einer Empfindlichkeit im ppm- bis ppb-Bereich messen.

XPS (Röntgen-Photoelektronenspektroskopie)

Analyseverfahren, das aus den Bindungsenergien der durch Röntgenstrahlung ausgelösten Photoelektronen die Elemente in den obersten wenigen Nanometern einer Oberfläche und ihren chemischen Bindungszustand (Oxidationsstufe usw.) bestimmt.

XRD (Röntgenbeugung)

Analyseverfahren, bei dem ein Kristall mit Röntgenstrahlung bestrahlt wird und aus Winkel und Intensität der gebeugten Strahlung Kristallphasen, Gitterkonstanten, Kristallitgröße, Gitterverzerrungen, Textur und anderes bestimmt werden.

Übungsfragen →

Faradaysches Gesetz

Gesetz, nach dem die Stoffmenge, die bei einer Elektrodenreaktion umgesetzt wird, der durchgeflossenen Ladung proportional ist. Die aufgelöste oder abgeschiedene Masse ergibt sich aus m = ItM/(nF).

Kontaktkorrosion

Beschleunigte Korrosion des unedleren Metalls, das als Anode wirkt, wenn Metalle mit unterschiedlichem Potential in einem Elektrolyten miteinander in Kontakt stehen. Auch galvanische Korrosion oder Bimetallkorrosion genannt.

Lochkorrosion

Örtliche Korrosion, bei der Chloridionen oder ähnliche Spezies die Passivschicht lokal durchbrechen und kleine Löcher immer tiefer in den Werkstoff getrieben werden. Sie ist ein Problem bei nichtrostenden Stählen und Aluminium.

Lokalelement

Korrosionselement auf der Oberfläche eines einzigen Metalls, bei dem durch Einschlüsse, Verformung, Unterschiede der Sauerstoffkonzentration und Ähnliches anodische und kathodische Bereiche entstehen, über die die Korrosion wie in einer Batterie abläuft.

Opferanode

Anode aus Zink, einer Aluminiumlegierung, Magnesium oder einem anderen Metall, das unedler ist als das zu schützende Metall. Sie wird elektrisch mit diesem verbunden, löst sich zuerst auf und schützt das Metall, das dabei zur Kathode wird.

Passivität

Zustand, in dem sich auf einer Metalloberfläche eine dichte, nur wenige Nanometer dicke Oxidschicht bildet und die Auflösung eines Metalls, das sich thermodynamisch auflösen müsste, nahezu zum Stillstand kommt.

Spannungsrisskorrosion

Rissfortschritt bei Spannungen unterhalb der Streckgrenze, wenn ein anfälliger Werkstoff unter Zugspannung einem bestimmten korrosiven Medium ausgesetzt ist.

Standardelektrodenpotential

Gleichgewichtspotential einer Elektrodenreaktion, etwa zwischen einem Metall und seinen Ionen, unter Standardbedingungen, bezogen auf die Standard-Wasserstoffelektrode mit 0 V. Je negativer es ist, desto leichter wird das Metall oxidiert.

Übungsfragen →

Fließen vor Bruch

Zustand, in dem trotz eines vorhandenen Risses zuerst das ganze Bauteil fließt, sodass kein plötzlicher Sprödbruch auftritt. Die zulässige Rissgröße ist proportional zu (K_IC/σy)², daher dient K_IC/σy als Materialindex.

Materialindex (Leistungsindex)

Kombination von Werkstoffeigenschaften, die bei der Werkstoffauswahl maximiert werden soll: E/ρ für einen steifigkeitsbestimmten Zugstab, √E/ρ für einen Balken, ∛E/ρ für eine Platte und σf/ρ für einen festigkeitsbestimmten Zugstab.

Ökobilanz

Methode (engl. LCA, Life Cycle Assessment) zur quantitativen Bewertung von Energieverbrauch und Umweltbelastung in jeder Phase: Werkstoffherstellung, Produktherstellung, Nutzung sowie Entsorgung oder Recycling.

Pareto-Optimum

Zustand, in dem jede Verbesserung eines von mehreren Zielen zwangsläufig ein anderes verschlechtert. Bei konkurrierenden Zielen wählt man die Kandidaten auf der Pareto-Front mithilfe einer Austauschkonstante aus.

Spezifische Steifigkeit

Elastizitätsmodul geteilt durch die Dichte, E/ρ, auch spezifischer E-Modul genannt. Stahl, Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen liegen alle bei etwa 25 GPa/(g/cm³) und damit nahezu gleichauf.

Tramp-Elemente

Elemente wie Kupfer und Zinn, die mit Stahlschrott eingetragen werden, sich bei der Raffination kaum entfernen lassen und sich mit jedem Recyclingdurchgang im Stahl anreichern. Sie verursachen Qualitätsprobleme wie Oberflächenrisse beim Warmumformen.

Werkstoffschaubild (Ashby-Diagramm)

Diagramm, in dem zwei Eigenschaften wie E-Modul und Dichte auf doppeltlogarithmischen Achsen aufgetragen und die Bereiche der einzelnen Werkstoffklassen eingezeichnet sind. Linien mit konstantem Materialindex sind Geraden; das Diagramm dient zum Vergleich von Kandidaten.

Übungsfragen →

Energiefreisetzungsrate

Elastische Energie, die frei wird, wenn ein Riss um eine Flächeneinheit fortschreitet. Sie wird mit G bezeichnet, ist im ebenen Spannungszustand G = K²/E, und der Riss wächst, wenn sie den kritischen Wert G_c erreicht.

Griffith-Theorie

Theorie, nach der Bruch fortschreitet, wenn die beim Risswachstum freigesetzte elastische Energie die Energie der neu entstehenden Oberflächen übersteigt. Die Bruchspannung ist √(2Eγs/(πa)).

Kerbformzahl (Formzahl)

Zahl Kt (auch αk), die angibt, das Wievielfache der mittleren Spannung die Höchstspannung am Grund einer Bohrung oder Kerbe beträgt. Für ein elliptisches Loch ist sie 1 + 2√(a/ρ), für ein kreisrundes Loch 3.

Miner-Regel

Regel, die die Schädigung bei verschiedenen Spannungsamplituden als Summe der Verhältnisse n/N von aufgebrachten Schwingspielen zur Lebensdauer addiert und einen Ermüdungsbruch annimmt, wenn die Summe 1 erreicht.

Modifiziertes Goodman-Diagramm

Diagramm, das den Einfluss der Mittelspannung darstellt. Es verbindet die Wechselfestigkeit und die Zugfestigkeit durch eine Gerade und nimmt σa = σw(1 − σm/σB) als Richtwert für die zulässige Spannungsamplitude.

Paris-Gesetz

Erfahrungsgesetz da/dN = C(ΔK)ᵐ, nach dem die Rissfortschrittsrate bei Ermüdung proportional zu einer Potenz der Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors ist. Es dient zur Abschätzung der Lebensdauer bis zum Bruch durch Rissfortschritt.

Schwingstreifen

Feine Streifen auf einer Bruchfläche, über die ein Ermüdungsriss fortgeschritten ist. Ihr Abstand entspricht etwa dem Rissfortschritt je Schwingspiel; man beobachtet sie im Elektronenmikroskop.

Spannungsintensitätsfaktor

Größe, die die Stärke des Spannungsfelds an einer Rissspitze angibt. Mit K = Yσ√(πa) hängt er sowohl von der Spannung als auch von der Risslänge ab; erreicht er einen kritischen Wert, breitet sich der Riss instabil aus.

Übungsfragen →

Abrasiver Verschleiß

Verschleiß, bei dem harte Teilchen oder harte Rauheitsspitzen des Gegenkörpers eine weichere Oberfläche ritzen und Werkstoff abtragen. Er nimmt stark ab, wenn die Oberfläche härter als die Teilchen gemacht wird.

Adhäsiver Verschleiß

Verschleiß, bei dem Metalle an den wahren Kontaktstellen miteinander verschweißen und die Haftstellen beim Gleiten abgeschert werden, sodass Werkstoff auf den Gegenkörper übertragen wird oder sich ablöst. Er führt zum Fressen.

Archard-Gleichung

Gleichung V = KWL/H, nach der das Verschleißvolumen V proportional zur Normalkraft W und zum Gleitweg L und umgekehrt proportional zur Härte H ist. K ist der Verschleißkoeffizient, der stark vom Verschleißmechanismus abhängt.

Aufkohlen

Behandlung, bei der ein kohlenstoffarmer Stahl im Austenitgebiet in einer kohlenstoffabgebenden Atmosphäre gehalten wird, um den Kohlenstoffgehalt der Randschicht zu erhöhen. Durch anschließendes Härten wird die Randschicht zu hartem Martensit.

Außenstromlose Vernickelung

Beschichtung, bei der Nickel ohne äußere Stromquelle autokatalytisch durch ein Reduktionsmittel abgeschieden wird. Die Schicht enthält Phosphor und wächst auch auf Bauteilen komplexer Form gleichmäßig dick auf.

Nitrieren

Behandlung, bei der Stahl unterhalb der A₁-Temperatur in einer stickstoffabgebenden Atmosphäre gehalten wird, sodass sich in der Randschicht harte Nitride bilden. Ein Härten ist nicht nötig, und der Verzug ist gering.

Stribeck-Kurve

Kurve, die die Reibungszahl eines Gleitlagers oder eines ähnlichen Kontakts über der Lagerkennzahl (Viskosität × Geschwindigkeit ÷ Flächenpressung) darstellt. Sie zeigt die Übergänge zwischen Grenzreibung, Mischreibung und Flüssigkeitsreibung.

Wahre Kontaktfläche

Fläche, in der sich die Rauheitsspitzen zweier Oberflächen tatsächlich berühren. Verformen sich die Rauheitsspitzen plastisch, ist sie gleich der Last geteilt durch die Härte und weit kleiner als die scheinbare Kontaktfläche.

Übungsfragen →

Diffusionskriechen

Kriechen, das fortschreitet, indem sich die Körner durch Diffusion von Atomen strecken; die Kriechrate ist proportional zur Spannung. Man unterscheidet Nabarro-Herring-Kriechen durch Volumendiffusion und Coble-Kriechen durch Korngrenzendiffusion.

Larson-Miller-Parameter

Größe P = T(C + log₁₀t_r), die Temperatur und Zeit bis zum Kriechbruch zusammenfasst. Bei gegebener Spannung wird sie als konstant angenommen und dient dazu, aus Kurzzeitversuchen lange Standzeiten abzuschätzen.

Nickelbasis-Superlegierung

Warmfeste Legierung, in deren kfz-Nickelmatrix ein großer Anteil der geordneten L1₂-Phase γ' (Ni₃Al) kohärent ausgeschieden ist. Sie wird für Turbinenschaufeln verwendet und behält ihre Festigkeit bis nahe an den Schmelzpunkt.

Parabolisches Zeitgesetz

Beziehung x² = k_p t, nach der das Quadrat der Dicke der Oxidschicht proportional zur Zeit zunimmt. Sie gilt, wenn die Diffusion von Ionen durch eine dichte Oxidschicht die Wachstumsgeschwindigkeit bestimmt.

Pilling-Bedworth-Verhältnis

Verhältnis des Volumens eines Oxids zum Volumen des zu seiner Bildung verbrauchten Metalls. Als Richtwert gilt: Werte unter 1 führen leicht zu rissigen Oxidschichten, Werte von etwa 1 bis 2 eher zu schützenden.

Potenzgesetz-Kriechen

Kriechen, bei dem die stationäre Kriechrate proportional zur n-ten Potenz der Spannung ist (n etwa 3 bis 8). Es beruht auf dem Gleiten von Versetzungen in Verbindung mit Erholung durch Klettern und überwiegt bei hohen Spannungen.

Verformungsmechanismuskarte

Karte mit normierter Spannung und homologer Temperatur als Achsen, die die Bereiche des jeweils am schnellsten verformenden Mechanismus zeigt, etwa Versetzungsgleiten, Potenzgesetz-Kriechen und Diffusionskriechen.

Wärmedämmschicht

Keramische Schicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit auf der Oberfläche von Hochtemperaturbauteilen. Sie besteht aus einer Deckschicht aus Zirkonoxid und einer Haftvermittlerschicht und senkt die Temperatur des Metalls erheblich.

Übungsfragen →

CALPHAD-Methode

Verfahren, das die Gibbs-Energie jeder Phase als Funktion von Temperatur und Zusammensetzung modelliert und aus einer an Messwerte und andere Daten angepassten Datenbank Zustandsdiagramme und Phasenanteile von Mehrstoffsystemen berechnet.

Dichtefunktionaltheorie

Theorie, die nutzt, dass die Grundzustandsenergie durch die Elektronendichte bestimmt ist, und durch Lösen der Kohn-Sham-Gleichungen die elektronischen Zustände und die Energie eines Stoffs ermittelt. Sie ist der Kern der Ab-initio-Rechnungen.

Finite-Elemente-Methode (FEM)

Numerisches Verfahren, das einen Körper in kleine Elemente unterteilt und ein Gleichungssystem mit den Knotenverschiebungen oder ähnlichen Größen als Unbekannten löst, um Spannungs- oder Temperaturverteilungen näherungsweise zu bestimmen.

Interatomares Potential

Funktion, die aus der Anordnung der Atome Energie und Kräfte liefert. Dazu gehören Potentiale vom Lennard-Jones-Typ, die Embedded-Atom-Methode für Metalle, Potentiale für kovalente Bindungen und Machine-Learning-Potentiale.

Materialinformatik

Ansatz, der Werkstoffdaten mit maschinellem Lernen und anderen Methoden auswertet, um Eigenschaften vorherzusagen und die als Nächstes zu untersuchenden Werkstoffe auszuwählen. In Verbindung mit Simulation und Experiment beschleunigt er die Werkstoffentwicklung.

Molekulardynamik

Verfahren, das die Newtonschen Bewegungsgleichungen vieler Atome mit Kräften aus interatomaren Potentialen numerisch integriert und so die Bewegung der Atome im zeitlichen Verlauf berechnet.

Monte-Carlo-Methode

Verfahren, das Lösungen durch wiederholte stochastische Versuche mit Zufallszahlen ermittelt. In der Werkstoffwissenschaft gehören dazu Gleichgewichtsberechnungen mit dem Metropolis-Algorithmus und die kinetische Monte-Carlo-Methode zur Verfolgung der Diffusion.

Phasenfeldmethode

Verfahren, das die zeitliche Entwicklung des Gefüges in Richtung abnehmender freier Energie berechnet, wobei sich ein Ordnungsparameter für Phase oder Kristallorientierung an Grenzflächen stetig ändert. Es wird für Erstarrung und Ausscheidung eingesetzt.