Materials Science - Cheatsheet.pdf

Grundlegende Klassifizierung von Werkstoffen

Definition:

Grundkategorisierung von Werkstoffen basierend auf ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften.

Details:

• Metalle: Gute elektrische und thermische Leitfähigkeit, Duktilität, z.B. Eisen, Aluminium.
• Keramiken: Hohe Härte, Sprödigkeit, hohe Wärmebeständigkeit, z.B. Siliziumkarbid, Aluminiumoxid.
• Polymere: Geringe Dichte, gute Korrosionsbeständigkeit, thermoplastisch oder duroplastisch, z.B. Polyethylen, Epoxidharze.
• Verbundwerkstoffe: Kombination aus zwei oder mehr Werkstofftypen, um bessere Eigenschaften zu erreichen, z.B. Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK).
• Halbleiter: Spezifische elektrische Eigenschaften, Grundlage der Elektronikindustrie, z.B. Silizium, Germanium.

Phasendiagramme und Phasenübergänge

Definition:

Darstellung von Zuständen eines Materials in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Zusammensetzung; Phasenübergänge: Änderungen im Aggregatzustand/Gitterstruktur.

Details:

• Phasendiagramme: Zustandsfelder mit Phasengrenzlinien (z.B. binäres System, T-x-Diagramm)
• Kritischer Punkt: Ende der Gas-Flüssig-Grenzlinie
• Tripelpunkt: Alle drei Phasen im Gleichgewicht
• Phasenregel (Gibbs): \[ F = K - P + 2 \] dabei ist F die Freiheitgrade, K die Komponenten und P die Phasen

Verformungsmechanismen: elastisch und plastisch

Definition:

Mechanismen der Verformung von Materialien; Unterscheidung zwischen reversibler elastischer und irreversibler plastischer Verformung.

Details:

• Elastische Verformung: Reversible Verformung, Material kehrt in ursprüngliche Form zurück sobald die äußere Kraft entfernt wird.
• Hooke'sches Gesetz: Spannung(Proportionalität zur Dehnung): \( \sigma = E \cdot \epsilon \).
• Plastische Verformung: Irreversible Verformung, Material bleibt verformt nach Entlastung.
• Yield Stress (Streckgrenze): Punkt, wo plastische Verformung beginnt.
• Mechanismen: Versetzungsbewegung und Kristallstrukturänderung.

Freie Energie und Gleichgewichtszustände

Definition:

Freie Energie beschreibt die nutzbare Energie eines Systems. Gleichgewichtszustände treten auf, wenn das System seine freie Energie minimiert hat.

Details:

• Freie Energie (Gibbs-Energie):

Einfluss der Mikrostruktur auf Materialeigenschaften

Definition:

Mikrostruktur beeinflusst mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften von Materialien.

Details:

• Körner und Korngrenzen: Beeinflussen Härte und Duktilität.
• Ausscheidungen: Verstärken Materialien durch Behinderung der Versetzungsbewegung.
• Phasengrenzen: Wirkung auf elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
• Kristalldefekte: Wesentlich für plastische Verformung und Bruchverhalten.
• Formel für Versetzungsdichte: \(\rho = \frac{L}{V}\) wobei \(L\) die Gesamtlänge der Versetzungen und \(V\) das Volumen ist.

Röntgenbeugung und andere Techniken zur Strukturanalyse

Definition:

Methoden zur Untersuchung der atomaren Struktur von Materialien, insbesondere Röntgenbeugung, Elektronenbeugung und Neutronenbeugung.

Details:

• Röntgenbeugung: Bestimmung der Kristallstruktur durch Messung der Intensität gebeugter Röntgenstrahlen.
• Bragg'sches Gesetz: \[n \cdot \lambda = 2 \cdot d \cdot \sin(\theta)\]
• Elektronenbeugung: Höhere Auflösung als Röntgenbeugung, Nutzung von Elektronenwellen zur Strukturaufklärung.
• Neutronenbeugung: Sensitive für leichte Elemente und magnetische Strukturen, nutzt Neutronenstrahlen.
• XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy): Analyse der chemischen Zusammensetzung und Bindungszustände.
• SAXS (Small Angle X-ray Scattering): Untersuchung von Strukturen im Nanometerbereich.
• Vorteile: Hohe Präzision, zerstörungsfrei, geeignet für verschiedene Materialarten.

Materialermüdung und Lebensdauervorhersage

Definition:

Prozess der Schädigung eines Materials unter wiederholter Einwirkung von Lasten, die unterhalb der statischen Festigkeit liegen, bis zum Bruch. Lebensdauer: Zeitraum bis zum Versagen.

Details:

• Materialermüdung: Schädigung durch zyklische Belastung
• Lebensdauer: Anzahl an Lastzyklen bis zum Bruch
• S-N-Kurven: Beschreiben Zusammenhang zwischen Spannungsamplitude und Bruchzyklen
• Paris-Erdogan-Gesetz: \[ \frac{da}{dN} = C ( \Delta K )^m \] beschreibt Risswachstum
• Miner'sche Regel zur Lebensdauervorhersage: \[ D = \sum_{i} \frac{n_i}{N_i} \]
• Einflussfaktoren: Materialeigenschaften, Spannungsverlauf, Umgebungsbedingungen

Nanomaterialien und deren Auswirkungen

Definition:

Nanomaterialien sind Materialien mit Strukturen auf der Nanoskala, oft unter 100 nm, was ihnen einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften verleiht.

Details:

• Extrem hohe Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis
• Quanteneffekte verstärkt
• Erhöhte Reaktivität und spezielle elektronische Eigenschaften
• Anwendungsmöglichkeiten: Medizin (z.B. gezielte Medikamentenfreisetzung), Elektronik (z.B. Nanotransistoren), Werkstoffe (z.B. starke und leichte Materialien)
• Bedenken: Toxizität, Umwelt- und Gesundheitsrisiken, regulatorische Herausforderungen