Thermische Analyse im Schülerexperiment

Das vorliegende Kapitel stellt Grundlagen der Metallurgie in verschiedenen Darstellungsformen vor, die von unterschiedlichen Autoren zur Verfügung gestellt wurden. Die Darstellungsformen sind: 

1.) Lehrbuch zur Metallurgie 

2.) PowerPoint Präsentation 

3.) Konzeption für einen Schulworkshop.  

1.) Einführung in die Grundlagen der Metallurgie

Thermische Analyse, Foto: HA
Gymnasiasten vom Formen, Foto: HA

Das Lehrbuch haben Lehrer und Lehrerinnen des Math.-Nat.-Gymnasium in Mönchengladbach in Zusammenarbeit mit der OCC Gesellschaft für physikalische Messtechnik & kybernetische Systeme mbH in Mönchengladbach erstellt. Der Inhalt war Gegenstand eines vorbereitenden Kurses über die physikalischen Grundlagen des Erstarrungsvorganges. An einfachen Beispielen wie Wasser- und Paraffinschmelzen wurden grundlegende Fragen diskutiert.

Der Inhalt lässt sich grob wie folgt beschreiben: Bei der Erzeugung eines Gussstückes passieren zwei Dinge zur gleichen Zeit: a) ein Bauteil wird in seiner Rohform erzeugt und b) der Werkstoff wird in flüssiger Form (als Schmelze) so beeinflusst, dass er nach dem Erstarren die gewünschten physikalischen Eigenschaften besitzt. Bei der Erstarrung wird Wärme frei, die sich über die Aufzeichnung der Temperatur-Zeitkurve detektieren lässt. Die Aufzeichnung und Interpretation dieser Kurve ist als „thermische Analyse“ bekannt. Anhand dieser Kurven - in unserem Fall einer Aluminium-Silizium-Schmelze - sollten von den SchülerInnen einfache Phasendiagramme erstellt werden. Sie erkannten dabei, dass Änderungen in den Materialeigenschaften typische Fingerabdrücke hinterlassen, die ebenfalls in den Kurven der thermischen Analyse sichtbar werden. 

Im Rahmen einer Exkursion haben die Schülerinnen die Technik im Experiment ausprobiert. Beim praktischen Gießen erhielten die SchülerInnen einen Einblick in das industrielle Umfeld und weiteren Kontakt zur Metallkunde. Im Sinne der Berufsorientierung wurde darauf hingewiesen, dass die Vertiefung dieser Thematik in den Studiengängen Werkstoffkunde und Gießereitechnik angeboten wird.

Die Fachpresse berichtete wie folgt über die Generalprobe der thermischen Analyse:

 

120500_Giesserei_Praxis_Generalprobe_in_Ennepetal.pdf

Copyright: Verlag Schiele & Schön GmbH, Berlin

Lehrbuch, Laptop und Software zur Thermischen Analyse

Die OCC Gesellschaft für physikalische Messtechnik & kybernetische Systeme mbH in Mönchengladbach unterstützt die GET-IN-FORM Initiative, indem sie Hardware und Software für die Thermische Analyse interessierten Schulen leihweise zur Verfügung stellt. Darüber hinaus wird die umfangreiche Ausarbeitung des Math.-Nat.- Gymnasium in Mönchengladbach zur Begleitung des Experiments angeboten.

Einfuehrung_in_die_Grundlagen_der_Metallurgie_und_Giessereitechnik.pdf

Copyright: Math-Nat.-Gymn Mönchengladbach, OCC

Ansprechpartner: Herr Wolfgang Baumgart

OCC GmbH

Eickener Str. 111

41063 Mönchengladbach

Tel. 02161 - 948869 - 0 , E-Mail: wolfgang.baumgart@occ-web.com

Link:  http://www.occ-web.com/index.php?id=103

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2.) Präsentation zur Thermischen Analyse


Die Aufbereitung des o. g. Stoffs in der Form einer Präsentation wurde von der Kontaktstelle Schule-Universität der TU Clausthal vorgenommen. Aus derselben Quelle stammen auch die Anregungen für einen Schulworkshops (siehe 3).

Präsentation der TU Clausthal bietet eine lebendige Darstellung der Gießereitechnik. Der Download der 63 MB großen Datei (!) lohnt sich für Interessierte.

Die spannende Welt der Metalle - Eine Einführung (63MB)

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3.) Schulworkshop Gießereitechnik

Foto: Kontaktstelle Schule-Universität der TU Clausthal

Der Schulworkshop Gießereitechnik wurde in dieser Form von der Kontaktstelle Universität der TU Clausthal für naturwissenschaftliche Kurse der Oberstufe an Gymnasien durchgeführt.

In einer Dauer von 90 bis 135 Minuten wird im praktischen Teil das Formgebungsverfahren Handformen im Sandguss vorgeführt oder auch in mehreren Gruppen von den SchülerInnen selbst durchgeführt. Im Mittelpunkt des theoretischen Teils des Gießerei-Workshops steht eine elementare Einführung in die Welt der Phasendiagramme.

 

Phasendiagramme und Thermische Analyse

Phasendiagramme grenzen in Abhängigkeit von der Temperatur und chemischer Zusammensetzung die Bereiche fester und flüssiger Phase gegeneinander ab und sind die ‚Landkarte’ der Werkstoffeigenschaften des Gießereiingenieurs.1 Alle Experimente dienen dem Ziel, durch Analogiebeispiele den Schülerinnen und Schülern eine qualitative Vorstellung davon zu vermitteln, was der Materialwissenschaftler unter einer Phase versteht und welche Parameter die Phasenübergänge von flüssig nach fest beeinflussen. (1)

Diese Aussage stimmt exakt nur, wenn (mindestens) das ZTU-Diagramm hinzugenommen wird. Durch zeitlich gesteuerte, definierte Wärmezufuhr und Wärmeentzug im festen Zustand können Kristallumwandlungen ausgelöst werden, welche die Eigenschaften maßgeblich verändern. Das ZTU-Diagramm steht senkrecht auf dem, in Abhängigkeit von der Anzahl der Hauptlegierungsbestandteile mehrdimensionalen Phasendiagramm. Der Workshop wählt immer (plakative) Vereinfachungen.

Ist der Ausschnitt des Phasendiagramms, dem eine Schmelze zugeordnet werden kann, im Wesentlichen bekannt, können aus dem Kurvenverlauf der Abkühlung der Schmelze die im Innern der Schmelze ablaufenden Umwandlungsvorgänge aufgrund der freigesetzten Kristallbildungswärme erschlossen werden. Je nach System weist die Abkühlungskurve charakteristische Knick- und Haltepunkte auf. Diese Methode der Untersuchung einer Schmelze wird Thermische Analyse genannt und kann zur Qualitätskontrolle vor einem Abguss eingesetzt werden. Auf deren praktische Vorführung steuert der Workshop hin; sie beschließt den Workshop. Die Vorführung erfolgt anhand einer unter-, einer eutektischen und einer übereutektischen Al-Si-Schmelze.

Die Phasenumwandlung wird von der Aufnahme innerer Energie (Aufschmelzen) oder Freisetzen innerer Energie begleitet. Wird (zeitweilig) keine innere Energie mehr freigesetzt, schreitet die äußere Abkühlung wieder fort. Der ‚Knick- oder Haltepunkt’ ändert seine Verlauf und nähert sich der Newton’schen Abkühlungskurve: Die vormals flüssige Schmelze hat einen Phasenübergang vollzogen. Sofern in der festen Phase keine Kristallumwandlungsprozesse mehr stattfinden, hat das Metall einen neuen thermodynamisch stabilen Bereich erreicht – ein neues Energieminimum. Mit der Thermischen Analyse, der Aufzeichnung der Zeit/Temperaturkurve kann der Gießereiingenieur daher beim Phasenübergang von flüssig nach fest in die Schmelze ‚hineinschauen’.

 

Gleichgewichtspunkte

Um nun bei den Schülerinnen und Schülern eine physikalische Grundvorstellung für die Bedeutung von stabilen und labilen Gleichgewichtspunkten zu vermitteln, wird zunächst die Analogie mit dem tiefsten Punkt einer gebogenen Schale gewählt – eine Kugel sitzt im Potentialminimum der konkaven Halbschale. Das ist ein stabiler Gleichgewichtsbereich. Aus geringsten Störungen treibt das System ins Potenzialminimum zurück – diese Situation entspricht dem weiten Temperaturfenster flüssiger oder fester Phasen. Es kann nur eine Phase stabil vorliegen. 

Säße die Kugel aber auf dem Krümmungsbogen einer konvexen Schale, so würde das System bei kleinsten Störungen aus dem labilen Gleichgewicht umkippen in Richtung neuer, thermodynamisch stabiler Gleichgewichtslagen. Diese Situation entspricht dem Übergang über eine Phasengrenze hinweg – von Flüssig nach Fest oder vice versa.

 

Übergangspunkte

An den Übergangspunkten – oder in den Übergangsbereichen labiler Gleichgewichtslagen2 -  bestehen zwei Phasen gleichzeitig. Was dies bedeutet, soll mit einer Analogie verdeutlicht werden: Unterhalb von minus ein Grad Celsius befindet sich reines, festes Wassereis im thermodynamisch stabilen Zustand. Bei Null Grad Celsius existieren feste und flüssige Phase im labilen Gleichgewicht miteinander. Durch die Zugabe von Salz kann nun die Lage dieses Gleichgewichtspunktes zu tieferen Punkten verschoben werden. Diese Analogie kann mit dem einfachen Experiment von den Schülerinnen und Schülern nachvollzogen werden – Ablesung der Temperatur an einem Thermometer bei mehreren, in ihrem Salzgehalt variierenden Wasser/Eisgemischen. (2)

 

Temperaturfenster bei Mischkristallbildungen, Temperaturpunkte bei reinen Metallen.

 

Analogien

  • Verbunden mit der praktischen Erfahrung der bekannten herzförmigen Taschenwärmer – beim Übergang von Flüssig nach Fest wird Kristalllisationswärme freigesetzt - ist, qualitativ das Verständnis geweckt für die prinzipielle Vorgehensweise der ‚Thermischen Analyse’:  Dem Salzgehalt beim Wasser ‚entspricht’ bei der metallischen Schmelze die Art und Menge der zugegebenen Legierungsbestandteile.

  • Im einfachen Zweistoffsystem Aluminium/Silizium kann die chemische Zusammensetzung  einer Schmelze einer spezifischen Umwandlungstemperatur von Flüssig nach Fest zugeordnet werden. 

  • Aus der Aufzeichnung vieler Abkühlungskurven kann mithilfe der gewonnen Knick- und Haltepunkte ein Phasendiagramm erstellt werden. Den einzelnen Phasenbereichen können sodann durch weitere materialkundliche Untersuchungen die legierungsspezifischen Werkstoffeigenschaften zugeordnet werden. So wird die ‚Landkarte’ der Gusswerkstoffe vermessen, bzw. in Neuland systematisch vorgestoßen. Und im Umkehrschluss kann -  bei bekanntem System – die Qualität einer Schmelze überprüft werden.

  • Dass in einem flüssigen Gemisch verschiedener Elemente diese einzeln, sofern sie nicht gemeinsame Mischkristallreihen bilden, wiederum unterschiedliche Übergangstemperaturen für die Umwandlung von Flüssig nach Fest aufweisen, lässt sich am Analogiebeispiel von Zucker, gelöst in heißem Wasser, und der allmählichen Ausscheidung des festen Zuckers bei Temperaturabsenkung in das umgebende, noch flüssige Wasser illustrieren, bis auch dieses, bei noch weiterer Temperaturabsenkung, fest wird und gefriert.3)

Die reine ‚Zuckerphase wäre dann von reinem Wassereis umgeben. Die Dichteanomalie des Wassers aufgrund seiner besonderen Kristallstrukturen findet bei den Metallen natürlich nicht statt, ist aber auch für das hier verlangte Grundverständnis – was kennzeichnet eine Phasenumwandlung? - irrelevant.

 

Phasenabfolge

Nimmt man nun noch die phänomenologisch überraschende Umkehrung der Phasenabfolge von Fest nach Flüssig zu Gasförmig bei Wasser durch die Druckabsenkung über einer Wasseroberfläche hinzu - das Wasser siedet und gefriert sofort danach, dann hat der Vortragende alle Einflussgrößen der Aggregatszustandsänderungen Druck, Temperatur, Zusammensetzung an anschaulichen Beispielen vorgeführt:

  • Verschiebung des Phasengleichgewichts von Wasser und Eis durch Zugabe von Salz/ in erster Näherung einer Analogie zur Veränderung der Kristallisationstemperaturen verschiedener Legierungen

  • Einführung der Latentwärme/Schmelzenergie am Beispiel des Phasenwechselmediums Taschenwärmer und

  • den Umgebungsdruck.

 

Materialeigenchaften

Die Korrelation zwischen der aus dem ‚Chaos’ einer flüssigen Schmelze (alle Atome weisen nur eine Nahordnung auf) zur entstandenen, weitgehend regelmäßigen, sich räumlichen wiederholenden Kristallstruktur und den Materialeigenschaften kann in einigen Fällen auch anschaulich plausibel gemacht, wie im Falle des duktilen kubisch flächenzentrierten reinen Eisens oder dem hexagonal erstarrenden, nahezu nicht kalt umformbaren Magnesium. Die vorhandenen oder fehlenden Gleitebenen können an Modellkristallgittern vor Augen geführt werden.

Wie weit die Palette möglicher Materialeigenschaften reicht, wird in dem Workshop exemplarisch an zwei Sondermetallen vorgeführt - einer Feder aus einer Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung und der Clausthaler Entwicklung einer hoch dämpfenden Legierung, welche die Schallenergie durch das ‚Umklappen’ zweier Kristallgitterzustände in innere Reibung verzehrt (Maxidamp).

In einem Ausblick kann die Einstellung der Werkstoffeigenschaften durch Abschätzung der Phasenanteile nach dem Hebelgesetz erläutert werden.

Ansprechpartner:

Herr J. Brinkmann M.A.

TU Clausthal, Kontaktstelle Schule-Universität 

Adolph-Roemer Straße 2a

38678 Clausthal-Zellerfeld

 Tel. 05323 72-7755, jochen.brinkmann@tu-clausthal.de

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