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  Chemie - Metalle 4



Nicht immer reicht die Darstellung der Struktur der Metalle, wie sie im Kapitel Metalle 3 zu sehen ist. Ein regelrechtes Gitter wird daraus erst, wenn man die Mitten der einzelnen Teilchen durch Linien verbindet. Dabei kommen bei Metallen Abstände von 0,25 - 0,5 nm (0,000 000 000 25 - 0,000 000 000 5 m) heraus.

Neben den schon erwähnten verschiedenen Kristallisationskernen gibt es in der Realstruktur eine Fülle von Abweichungen bzw. Fehlordnungen, die auch noch mit der Temperatur oder z.B. mit plastischer Verformung zunehmen. Man teilt sie auf in nicht bzw. durch fremde Atome besetzte oder zusätzlich geschaffene Gitterplätze.

Wir wollen uns aber nicht zu lange mit der Strukturanalyse von Gittern beschäftigen, sondern jetzt einmal in Ruhe den normalen Abkühlvorgang von Eisen (Fe) und die dabei auftretenden Gitter einfach nur anschauen. Wir tun das hier zunächst noch ohne den oft damit verbundenen Kohlenstoff. Schauen wir also auf die Abkühlung ab 1.536°C (δ-Fe).


Hier beginnt sich das Fe in Form von Kristallen mit kubisch-raumzentrierten Gittern zu organisieren. Ab 1.401°C entsteht eine größere Dichte durch kubisch-flächenzentrierte Anordnung (γ-Fe). Ab 911°C wandelt es sich dann in kubisch-raumzentrierter Form um (α-Fe). Zwischen 1.401°C und 911°C wird δ-Fe zu γ-Fe und ab 911°C γ-Fe zu α-Fe.

Der Mittenabstand der Atome wird aber von δ- zu γ-Fe größer und zum α-Fe noch kleiner als beim γ-Fe, d.h. insgesamt kann also durch einen geringen Mittenabstand die geringere Packungsdichte mehr als ausgeglichen werden. Ab 911°C ist die Umwandlung auf α-Fe gerichtet, dessen Anteil wächst.

Die sogenannte Curie-Temperatur von 769°C haben wir hier ausgespart, weil sie sich zwar auf die magnetischen Eigenschaften des Eisens, nicht aber auf dessen Kristallbildung auswirkt, wie man allerdings erst später herausfand. Für diese Temperatur bis 911°C war ursprünglich die Bezeichnung β-Fe gedacht.

Wir befassen uns etwas genauer mit dem γ-Fe (Austenit) und α-Fe (Ferrit). Ersteres hat günstige Eigenschaften zum Warmumformen, z.B. Schmieden. Hier allerdings verlassen wir das reine Eisen und beschäftigen uns mit dem Kohlenstoff und dessen möglichen Einlagerungen in das Eisen-Kristallgitter.


Wie man an dem Bild oben sieht, ist in dem kubisch-flächenzentrierten Gitter von γ-Fe (Austenit) rechts mehr Platz zwischen den Eisen-Atomen als im kubisch-raumzentrierten Gitter von α-Fe (Ferrit). Die Temperatur über 911°C begünstigt also die Einlagerung von Kohlenstoff-Atomen.







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