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Atomanordnung in Legierungen

1910
Ein Metallurg analysiert die atomare Anordnung in Legierungen unter einem Mikroskop im Labor.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Legierungen werden anhand ihrer atomaren Anordnung klassifiziert. In Substitutionslegierungen ersetzen Atome des gelösten Elements Atome des Lösungsmittels im Kristallgitter, was häufig vorkommt, wenn die Atomgrößen ähnlich sind. In interstitiellen Legierungen passen kleinere gelöste Atome, wie Kohlenstoff in Eisen, in die Zwischenräume (Interstitionen) zwischen den größeren Lösungsmittelatomen. Dieser strukturelle Unterschied bestimmt grundlegend die mechanischen Eigenschaften der Legierung.

Die Unterscheidung zwischen substitutions- und interstitiellen festen Lösungen ist für die physikalische Metallurgie und die Legierungsentwicklung von grundlegender Bedeutung. Die Art der sich bildenden festen Lösung wird in erster Linie durch die relativen Größen der gelösten und lösenden Atome bestimmt. Substitutionslegierungen bilden sich in der Regel, wenn die Atomradien der beiden Elemente innerhalb von etwa 15% voneinander liegen, eine Richtlinie, die als Hume-Rothery-Größenfaktorregel bekannt ist. Wenn ein gelöster Atom ein Lösungsmittelatom ersetzt, führt dies zu einer lokalisierten Gitterverformung, die die Versetzungsbewegung behindert und somit die Festigkeit und Härte des Materials erhöht, aber oft auch dessen Duktilität. Beispiele hierfür sind Messing (Zink in Kupfer) und Bronze (Zinn in Kupfer).

Interstitielle Legierungen hingegen entstehen, wenn die gelösten Atome deutlich kleiner sind als die Lösungsmittelatome und so die Zwischengitterplätze im Kristallgitter besetzen können, ohne ein Lösungsmittelatom zu verdrängen. Häufige Zwischengitteratome sind Wasserstoff, Bor, Kohlenstoff und Stickstoff. Das Vorhandensein dieser Atome verursacht eine erhebliche Gitterverzerrung, die Versetzungen sehr effektiv blockiert und so Härte und Festigkeit deutlich erhöht. Das bekannteste Beispiel ist Stahl, bei dem Kohlenstoffatome Zwischengitterplätze im Eisengitter besetzen. Die Menge an Kohlenstoff und seine Position, die durch Wärmebehandlung gesteuert werden können, bestimmen die endgültigen Eigenschaften des Stahls – von duktilem kohlenstoffarmem Stahl bis hin zu hartem, sprödem kohlenstoffreichem Stahl.

UNESCO Nomenclature: 3308
- Metallurgie

Typ

Physikalisches Prinzip

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • John Daltons Atomtheorie
  • discovery of crystal structures through x-ray diffraction by William Henry Bragg and William Lawrence Bragg
  • Grundkonzepte chemischer Mischungen und Lösungen
  • frühe metallographische Untersuchungen von Metallmikrostrukturen

Anwendungen

  • Auslegung hochfester Stähle (interstitieller Kohlenstoff im Eisen)
  • Herstellung von korrosionsbeständigem Messing (Substitution von Zink in Kupfer)
  • Entwicklung von Sterlingsilber für eine längere Haltbarkeit (Ersatz von Kupfer in Silber)
  • Formulierung von Nichrom-Heizelementen (Ersatz von Nickel und Chrom)

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • Gradientenlegierungen mit kontrollierten Interstitial-Substitutions-Verhältnissen über das gesamte Material
  • selbstschmierende Legierungen mit interstitiellen Elementen, die unter Spannung an die Oberfläche diffundieren
  • Legierungen mit einstellbarer Wärmeausdehnung durch Mischen von interstitiellen und substituierten gelösten Stoffen
  • ‘smart’ alloys where interstitial atoms can be moved by an electric field to change properties
  • Hochentropie-Interstitiallegierungen für Anwendungen bei extremen Temperaturen
  • biokompatible Legierungen mit interstitiellen Elementen, die die Knochenintegration fördern
  • Phasenwechsel-Gedächtnislegierungen basierend auf interstitieller Atombewegung
  • Wasserstoffspeichermaterialien unter Verwendung von Metallen mit großen Zwischengitterplätzen
  • catalytic alloys where interstitial atoms modify surface reactivity
  • strahlungsbeständige Legierungen für Kernreaktoren, in denen interstitielle Atome Defekte einfangen
Verwandte Themen: Substitutionslegierung, Interstitiallegierung, Kristallgitter, feste Lösung, gelöster Stoff, Lösungsmittel, Metallurgie, atomare Anordnung, Gitterverspannung, Stahl.

Historischer Kontext

Atomanordnung in Legierungen

1900
1903-05-10
1910
1910
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1910
1920
1900
1903
1906
1910
1910
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1920
1920

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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