15 & 17 Zustandsdiagramme

ein zustandsdiagramm zeigt im allgemein den temperatur und druckabhängigen zustandsverlauf eines stoffes

welche eigenschaften?

• aufgestellt für atmosphärischen druck

• aufzeigen des zustandsverlaufs für legierungen mit 2 komponenten

• phasen werden abhänhih von druck, temperatur, und konstruktion durch phasengrenzen getrennt

• weglassen der dampfphase, weil unteressant hohe temp

wichtig: zu den verschiedenen phaseneigenschaften gehört neben den aggregatzuständen auch unterschiedliche kristallzustände!

die eigenschaften von phasenumwandlungen kann man experimentell nachweisen

Beispiele:

1. Differentialthermoanalyse (knick und Haltepunkte)

2. messung der elektrischen leitfähigkeit

3. elastische eigenschaftsänderung

4. magnetische verhaltensänderung

Wichtig:

Methode ist empfindlich genug und deckt gewünschten temperaturbereich ab

Alternative:

Berechnung von zustandsdiagrammen mit thermodynamischen daten, gut geeignet für aufwendige systeme

Eine Phase ist die Erscheinungsform in der Legierungs abhängig von der Temperatur, dem Druck und der Legierungskonzentration auftreten

• dazu gehören sowohl aggregatszustände, als auch versch. kristallsysteme in denen ein Festkörper vorkommen kann

• verschiedenen phasen sind durch grenzflächen von einander getrennt

dämpfe sind immer vollständig ineinander löslich, jedoch sind ihre kochpunkte immens hoch, also weg gelassen

Man erhält Aussagen über die Temperatur und Konzentrationsabhängigkeiten der Phasengrenzen in Legierungen

Weitere Rückschlüsse:

• Wärmebehandelbarkeit

• Temperaturführung um Herstellungsprozess der Legierung

• Versprödungseffekte unter Betriebsbedingungen

• Ermittlung der Mengenanteile der Phasen

• Chemische Zusammensetzung

• Ablauf der Erstarrung

Liquiduslinie:

Punkte beginnender erstarrung aus der schmelze (diagramm von oben nach unten abgelesen)

Soliduslinie:

Punkte beginnender Aufschmelzung aus der Starre (diagramm von unten nach pben abgelesen)

1. Vollständige Löslichkeit im flüssigen und festen zustand

2. Erscheinungsbedingungen

   1. Gleicher Gittertyp der Komponenenten

   2. Geringe neigung zur verbindungsbildung

   3. Atomradiendifferenz <15%

   4. nur geringe abweichungen der chemischen wertigkeit

3. Konzentration ergibt sich aus dem GdAH

4. Erstarrung: Schmelzwärme wird proportional zum kristallisierenden & Temperaturabhängigen Feststoffanteil frei

5. Abkühlkurve: zwei Knickpunkte zwischen denen sich die abkühlung verzögert (Kein Haltepunkt!)

• beliebig viele gitterplätze der Komponente A können durch Gitter der Komponente B ersetzt werden ohne eine Änderung des Gittertyps im festen Zustand hervorzurufen

S -> alpha + Beta

1. Vollständige Löslichkeit in der flüssigen phase

2. a) unlöslichlekeit von A in B und B in A (ausnahme)

   b) unlöslichkeit von A in B, Löslichkeit von B in A; Al-Si

   c) beidseitige Löslichkeit (häufig bei metallen); Ag-Cu

3. Eutektikum (reine komponenten, getrennt

Eutektisches Gefüge:

• Feinlamellares Gemisch der beteiligten Kristallarten

Eutektikale:

• Soliduslinie (waagerecht bzw. isotherm)

Eutektische Legierung

• gemeinsamer schnittpunkt der liquiduskurve mit Eutektikalen

1. mit sinkender Temperatur, nimmt auch der einbau von Fremdatomen ab

S + beta -> alpha

• vornehmlich bei Komponente großen Schmelzpunktunterschieden

• Ein großer teil der primär ausgeschiedenen beta-Mischkristalle bleibt wegen der unvollständigen diffusion

  alpha mischkristalle aus der restschmelze bilden säume um die beta mischkristalle (peritektisch=umhüllt)

• Beachten: Jeh geringer die entferung der alpha zu den beta Mischkristallen, desto niedriger die konzentration an A Atomen im alpha mischkristall aufgrund hoher konzentration an B Atomen im beta mischkristall

Kristallseigerungen (entmischungen) bezeichnen chemische inhomogenitäten innerhalb einzelner Kristalle

sie entstehen während der erstarrung aus der schmelze, weil die zuerst erstarrten kristalle eine andere zusammensetzung als die zuletzt erstarrten haben,

bei mangelnder diffusionszeit (zum konzentrationsausgleich) verbleibt somit ein konzentrationsgefälle von innen nach außen

durch eine diffusionsglühung bei hohen temperaturen lassen sich kristallseigerungen homogenisieren

Bei der Blockseigerung geht die erstarrung von form oder kokillwänden aus

Die zuerst erstarrten Kristalle bilden an den Kokillwänden eine zusammenhängende Schicht, wodurch sich in der Restschmelze ein ungleichgewicht der Legierungselemente einstellt.

Dieses wird mit fortlaufender erstarrung immer größer

Bsp. Strand guss block (49 m/o Ni)

Durch Blockseigerung erhölt das zuletzt erstarrte Zentrum nur noch 23 m/0 Ni

BS lassen sich durch Homogenisierungsglühung nur abmildern da sich die inhomogenitäten über mehrere 100mm erstrecken können (technisch vertretbar diffusionswege im mm bereich)

isomorphe binäre zustandsdiagramme haben folgende eigenschafeten:

• ähnlich große Atomradien der Komponenten

• geringe neigung zu chemischer wechselwirkung

trotz ähnlich großer Radien bilden sich bei zunehmender abstoßender Wechselwirkung der Komponenten eutektische Zustandsdiagramme

eine häufig vorkommende reaktion ist bildung intermetallischer (intermediärer) Phasen.

Dabei werden zur Komponente A immer “anziehendere” Komponenten zulegiert.

Bei geringer Anziehung existieren im festen Zustand Gebiete in denen die Gitterbausteine periodisch angeordnet sind, statt regellos verteilt zu sein.

Das Kristallgitter ändert sich dabei nicht, daher heißt der geordnete Zustand alpha-MK

Die Liquidus und Soliduslinie besitzen ein gemeinsames macimum oberhalb der Schmelzpunkte der Komponenten

Bei weitere Zunahme der Affinität bildet sich ein Beta-MK der seitlich von peritektischen oder eutektischen systemen umgeben sind

bei hoher affinität gehen Randlöslichkeiten teilweise oder vollständig verloren, es existieren keine Mischkristalle mehr

Systeme wie zB. Mg-Ca könnten getrennt gezeichnet werden, aber man bleibt für gewöhnlich bei der Darstellung die von zwei Elementen abgeschlossen wird, da manchmal intermediäre Phasen peritektisch aufschmelzen und es keinen Schmelzpunkt, sondern einen

Schmelzbereich gibt. (Siehe B. 16-27)

Es gibt sehr viele intermediäre Phasen (binär: mehrere Tausend). Die meisten sind technisch kaum nutzbar, wegen fehlender Löslichkeiten für andere Stoffe und spröder Eigenschaften.

In manchen Sytseme existiert die Unlöslichkeit zweier Schmelzen.

Im flüssigen Zustand liegen die Schmelzen dann im Zweiphasengebiet vor. (Siehe B. 16-28)

Ferrit: Krz-alpha-Mischkristall

Austenit: Kfz-y-Mischkristall

delta-Ferrit: Ktz-delta-Mischkristall

Zementit: Fe4C

Primärphasen:

feste Phasen, die zuerst aus der Schmelze ausgeschieden werden

Primärzementit:

Zementit, welcher sich aus dem Feld CDF aus der Schmelze bildet. Recht grob da gute Diffusuinsmöglichkeiten herrschen

Sekundärzementit:

Zementit welches sich unterhalb der Eutektikalen aus dem gamma-MK ausscheidet. Wegen geringer Diffusionsmöglichkeit sehr viel feinere Ausscheindungen

Tertiärzementit:

der alpha-MK hat mit sinkender Temp. eine geringere C-Löslichkeit, was zu noch geringerer Zementitausscheidung führt.

(jedoch nicht leicht nachzuweisen, daher für die meisten techn. anwendungen uninteressant)

Als kleines Autom ist Kohlenstoff auf Zwischengitterplätzen im eisen gelöst. Gewöhnlich wird dabei die Oktaederlücke besetzt

in einem kzz gitter entsteht durch das c Atom eine relativ große verzerrung mit dementsorechend hoher verzerrungsenergie.

deswegen ergibt sich auch die geringe maximale Löslichkeit von 0.022% im alpha-Mischkristall

Das kfz Gitter hat dagegen eine größere oktaederlücke mit viel geringerer verzerrung hineingepasst.

daher ergibt sich die wesentlich größere maximale Löslichkeit von 2.1% im gamma-MK (mischkristall)

Die durchgezogenen Linien im eisen-kohlenstoff-diagramm repräsentieren den metastabilen zustand (eisen-zementit-ggw) die für die wärmebehandlung von kohlenstoffhaltigem eisen maßgeblich ist und damit eine enorme technische bedeutung hat

der stabile zustand (eisen graphit ggw) wird im eisen-kohlenstoff-diagramm durch eine gestrichelte linie daargestellt. dieser stellt sich jedoch erst nach sehr langen gllühungen ein und hat deshalb technisch nur für die herstellung von eisenguss eine bedeutung