werkstoffe 4 - legierungsbildung und zustandsschaubilder

5/24/2018 Werkstoffe 4 - Legierungsbildung und Zustandsschaubilder

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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014


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4. LEGIERUNGSBILDUNG & ZUSTANDSSCHAUBILDER

4.1. EINFHRUNG

4.2. ZUSTANDSSCHAUBILDER

4.3. LEGIERUNGEN


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LERNZIELE

Nach der Vorlesung sind Sie in der Lage......Legierungen nach ihrer Zusammensetzung zu klassifizieren...die wichtigsten Begriffe zu Zustandsschaubildern zu er-lutern...die bedeutenden Methoden zur Erstellung von Zustandsschau-bildern zu beschreiben...die fnf Grundsysteme binrer Zustandsschaubilder wieder-zugeben und sich in ihnen zurechtzufinden...in einem gegebenen Diagramm alle eutektischen, eutektoidenund peritektischen Phasenumwandlungen fr diese beim Aufhei-zen/Abkhlen zu formulieren


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LERNZIELE

...die verschiedenen Legierungsphasen zu benennen und zu be-schreiben

...komplexe Schaubilder mit Verbindungsbildung und Umwand-lungen im festen Zustand zu interpretieren

...die besonderen Eigenschaften einiger Legierungen Form-gedchtnislegierungen, HEUSLERsche Legierungen) zu beschrei-ben


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Einfhrung


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Legierungen sind im technischen Sprachgebrauch Werkstoffe, denen ab-

sichtl ich ein oder mehrere (metallische) Elemente zugesetzt wurden.

Einstellung gewnschterEigenschaften

Beseitigung unerwnschterEigenschaften

Legierungselementebeeinflussen den kristallinen Aufbauder Werkstoffe

und damitsmtlicheEigenschaften!

Legierungen (alloys)


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Zinnbronze (CuSn), Messing (CuZn)

Zweistofflegierungen

Neusilber (CuNiZn), Galinstan (GaInSn, Fp. -19 C)

Dreistofflegierungen

Messerstahl (z.B. X45CrMoV15), WOODsches Metall (BiPbZnCd, Fp. 75 C)

Mehrstofflegierungen

Legierungen

Unlegierter Stahl enthlt immerC (qua definitionem), Mn, Si, P, S u.a. (sogenannteEisenbegleiter Werkstoffe 7).


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Zustands-schaubilder


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Grund-lagen


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Darstellung, in der fr jede mgliche Legierungskombination eines Legie-rungssystems, die sich bei verschiedenen Temperaturen und Massengehalten

ergebenden Phasenablesbar sind

Zustandsschaubilder

Darstellung der Zustandsbereiche(durch Linien abgegrenzt), d.h. die unter diesen Bedin-gungen stabilenPhasen an; im festen Zustand liegen in jedem Phasengebiet charakteri-stische Kristallsorten (z.B. Mischkristalle usw.) vor, die je nach Legierungskonzentration

unterschiedliche Gefgeartenausbilden knnen

Bedeutung fr Werkstoffkunde

Aussagen ber das Verhalten einer Legierung beim Erwrmen oder Abkhlen Aussagenber die Phasen-und damit auch ber die Gefgeumwandlungen

Grund-lagen


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Kenntnis ber das Verhalten von Legierungen bei unterschiedlicher Zusammensetzungund in verschiedenen Temperaturbereichen ist von grundlegender Bedeutung, u.a. fr dasVerstndnis der bei Wrmebehandlungen(z.B. Glhen oder Hrten Werkstoffe 6) ablau-fenden inneren Vorgnge im Werkstoff

Zustandsschaubilder sind Gleichgewichtsschaubilder: unendlich langsame Abkhlung ausder Schmelze bzw. nachtrgliche Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichtsdurch Glhen (schnelle Temperaturnderungen andere Phasen und Umwandlungs-temperaturen mglich Hrten)

langsameTemperaturnderung

Glhen

schnelleTemperaturnderung

Hrten

Grund-lagen


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Teile eines Stoffes mit gleichem Aufbau oder Zustand verschiedenePhasen eines Stoffes unterscheiden sich physikalisch und/oder chemisch

voneinander

Phase

Anordnung der durch Korn- oder Phasengrenzen getrennten Krner und

festen Phasenim Metall (

metallographische Schliffe)

Gefge

Korn als Gefgebestandteil kann aus mehreren Phasenbestehen (z.B. Perlitals Verbund aus Ferrit und Zementit)

Grund-lagen


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N= 1, P= 1, = 2 pund Tvariabel (Phasengebiet)N= 1, P= 2, = 1 poder Tvariabel (Phasengrenzlinie)N= 1, P= 3, = 0 pund Tfestgelegt (Tripelpunkt)

Im thermodynamischen Gleichgewicht knnen nicht beliebigviele Phasen gleichzeitig nebeneinander vorliegen.

GIBBSsche Phasenregel

Fr die Zahl der Freiheitsgrade gilt: = N P 2mitN: Zahl der Komponenten; P: Zahl der Phasen

Grund-lagen


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Erstellung vonZustands-

schaubildern


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experimentelle Methoden zur Erstellung von Zustandsschaubildern beruhen

auf derMessung von Eigenschaften, die sich bei Phasennderungen unstetig

ndern

thermischeAnalyse

Dilatometer-verfahren

andereVerfahren

Einfhrung

Messung der bei einer Phasen-umwandlung bzw. der bei derEntstehung neuer und Aufl-sung bestehender Phasen frei-werdenden oder aufgenom-mene Wrmemenge

Messung der mit einer Pha-senumwandlung einhergehen-den Volumen- bzw. Lngenn-derung

metallographische Analysen

Rntgeninterferenzunter-suchungen


schaubildern


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thermischeAnalyse


schaubildern


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Methodik: Aufzeichnung der Temperatur in Abhngigkeit der Zeit bei Erwr-

mung oder Abkhlung ( Zeit-Temperatur-Diagramme)

Erreichen des Erstarrungspunktes: Tbleibt bis zurkompletten Erstarrung der Schmelze konstant

Haltepunkte A(nach frz. arrt, Halten)

Erwrmung:Ac(frz. chauffage, Erwrmen)

Abkhlung:Ar(frz. refroidissement, Abkhlen)

Haltepunkte treten auch bei Gitterumwandlungenauf

thermischeAnalyse

reine Metalle


schaubildern


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Legierungen erstarren in einem Temperatur-

intervall Knickpunktezu Kristallisationsbe-

ginn (Ar1) bzw. ende (Ar2)

zwischen den Knickpunkten:

Abkhlkurveverluft wegen freiwerdender

Kristallisationswrmeflacher

Anwesenheit zweier Phasen(Schmelze & Kri-

stalle)

Legierungen haben teigige Konsistenz

thermischeAnalyse

Legierungen


schaubildern


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thermische Analysen unterschiedlichen Legie-

rungszusammensetzungen Abkhlungskurven

Bsp.: Kupfer-Nickel-Legierungen

thermischeAnalyse

Legierungen

0% Cu

40% Cu

70% Cu

100% Cu


schaubildern


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experimentelle Bestimmung der Halte- und Knickpunkteder Abkhlkurve

bertragung in ein Konzentrations-Temperatur-Diagramm Verbindung

der Punkte ergibt (hier) Liquidus- und Soliduslinie

thermischeAnalyse

Legierungen


schaubildern


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schaubildern


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Wrmetonung whrend der Phasenumwandlung

kann u.U. sehr gering sein (z.B. bei Ausschei-

dungsvorgngen) (sehr kleine) Lngennde-

rungen knnen als Nachweis dienen (Dilata-tion: Dehnung)

Bsp: -Eisen -Eisen(bei 911 C) krz-Gitter (-Eisen) weniger dichtals kfz-Git-

ter (-Eisen) Lngen- bzw. Volumenabnah-me


schaubildern



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binre Zustands-schaubilder


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vollstndige Unlslichkeit im flssigen und festen Zustand

Grundsystem O

vollstndige Lslichkeit im flssigen und festen Zustand

Grundsystem I

vollstndige Lslichkeit im flssigen Zustand, vollstndige Unlslichkeit im festen Zustand

Grundsystem II oder eutektischesSystem

vollstndige Lslichkeit im flssigen Zustand, Mischungslcke im festen Zustand

Grundsystem IIa

wie II bzw. IIa, aber Schmelztemperaturen der Komponenten weit auseinander

Grundsystem III oderperitektischesSystem

Typen binrerZustandsschaubilder

binreZustands-

schaubilder


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Grundsystem 0


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Grundsystem 0

vollkommene gegenseitige Unlslichkeit im flssigen und im festen Zustand

Bedingung

Pb l)Fe l)

bereinanderschichtung der beiden Metalle

spezifisch leichteres Metall schwimmt auf dem schweren

zwischen beiden Komponenten besteht vollkommene Tren-nung (Phasengrenze) im flssigen und im festen Zustand

keine gegenseitige Beeinfluung der Komponenten

Komponente A erstarrt bei TSAvllig unabhngigvon Kon-zentration der Komponente B (und umgekehrt)

binreZustands-

schaubilder


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Grundsystem 0

Abkhlkurve der Legierung als Summe der AbkhlkurvenderLegierungselemente einfaches Zustandsdiagramm

binreZustands-

schaubilder


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Pb l)Fe s)Fe l)

Pb l)Fe l) Fe s)

Pb l)Pb s)b l)Fe s)

Pb s)Fe s)

> 1536 C = 1536 C < 1536 C = 327 C < 327 Cweitere Beispiele: Ag-Ni, Al-Pb

Grundsystem 0binre

Zustands-schaubilder


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Grundsystem I


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Grundsystem I

vollstndige gegenseitige Lslichkeit im flssigen und im festen Zustand

Bedingung

im festen Zustand: Komponenten A und B bilden ein gemein-sames Kristallgitter (Austauschmischkristalle)

im flssigen Zustand: homogene Schmelze aus den Kompo-

nenten A und B

Abkhlkurven

reine Komponenten: Haltepunktebei den jeweiligenSchmelztemperaturen

Legierungen: Erstarrungsbereich mit jeweils einem Knick-punktbei Kristallisationsbeginn und -ende

binreZustands-

schaubilder


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Grundsystem I

BeispielePt-Au, Ag-Au, Cu-Ni,Cu-Au, Ni-Pt, Cr-Mo,Mo-W

Zustandsdiagramm: Linsendiagramm mit Liquidus-und Soliduslinie

binreZustands-

schaubilder


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Grundsystem II

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Grundsystem II

vollstndige gegenseitige Lslichkeitim flssigen Zustand undvollstndige gegenseitige Unlslichkeitim festen Zustand

Bedingung

im festen Zustand: vollstndig unlslich ineinander

im flssigen Zustand: homogene Schmelze aus den Kompo-nenten A und B

Solidus- und Liquiduslinie schlieen zwei Erstarrungsbereicheein

Schnittpunkt zwischen Solidus- und Liquiduslinie: eutek-tischer Punktmit der dazugehrigen eutektischen Legierung

eutektischesLegierungssystem

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem II

ZustandsdiagrammmitV-frmiger Liquiduslinie und ho-rizontaler Soliduslinie (Eutektikale)

BeispieleBi-Cd, Pb-Sb,

eutektischer Punkt

beidseitig fallende Li-quiduslinie durch wech-selseitige Behinderungder Kristallisation im Er-starrungsbereich durchAtome der jeweils ande-ren Komponente

binreZustands-

schaubilder

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technisch wichtiges Beispiel: Bildung von Ledeburitim EKD

Grundsystem II

bei Erreichen der eutektischen Temperatur TEfindet der isotherme Zerfallder homogenen Schmelze in ein Gemisch aus A- und B-Kristallen statt

eutektische Reaktion

homogeneSchmelze

KristallsorteA

Kristallsorte

B

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem II

TEliegt deutlich unter Erstarrungstemperaturender reinen Komponenten (Legierung L2)

Prinzip der Entstehung von Eutektikum

Bildung zahlreicher Kristallisationskeime(gegenseitige Behinderung)

Bildung eines feinkristallinen, schicht-oder lamellenartiges Kristallgemisches

Eutektikum wird wegen niedriger Schmelztempe-

ratur und guter mechanischer Eigenschaften be-vorzugt eingesetzt (als Gu- und Lotwerkstoff)

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem II

untereutektische Legierungen (L1, c< cEut)

: mit Erreichen der Li-quiduslinie scheidensich A-Kristalle ausder Schmelze aus

: unmittelbar vor Errei-chen der Eutektikalenfinden man A-Kristallin Restschmelze (ent-hlt A und B)

: nach Unterschreitender Eutektikalen er-starrt die Restschmel-ze isotherm zum Eu-tektikum; Gefge be-steht aus A-Kristallen,die in Eutektikum ein-gebettet sind

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem II

eutektische Legierung (L2, c= cEut)

: gesamte Schmelze er-starrt mit Erreichenvon TEzum Eutekti-kum

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem II

bereutektische Legierungen (L3, c> cEut)

: unmittelbar vor Errei-chen der Eutektikalenfinden man B-Kristallin Restschmelze (ent-hlt A und B)

: nach Unterschreitender Eutektikalen er-starrt die Restschmel-ze isotherm zum Eu-tektikum; Gefge be-steht aus B-Kristallen,die in Eutektikum ein-gebettet sind

: mit Erreichen der Li-quiduslinie scheidensich B-Kristalle ausder Schmelze aus

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem IIa

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Grundsystem IIa eutektisches Legierungs-system mit Mischungslcke

vollstndige gegenseitige Lslichkeitim flssigen Zustandund Mischungslckeim festen Zustand

Bedingung

im festen Zustand: begrenzte Lslichkeit ineinander


Mischungslcke: Konzentrationsbereiche, in denen die Legierungs-

komponente A nur eine gewisse Menge der Komponente B lsen kann

(und meist umgekehrt) Bildung von - oder -Mischkristallen

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem IIa

ZustandsdiagrammmitV-frmiger Liquiduslinie, hori-zontaler Soliduslinie (Eutektikale) und Mischungslcke

BeispieleAg-Cu, Al-Cu, Pb-Sn,

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem IIa

Unterschied zwischen Mischkristallen

Unterschreiten der Liquiduslinie: Bildung von -oder -Mischkristallen aus der Schmelze

Grundsystem II: Bildung von reinen A- bzw. B-Kri-stallen

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem IIa

Leg.-konz.: c< c1(L1) bzw. c> c4

: mit Erreichen der Li-quiduslinie scheidensich (bzw. )Misch-kristalle aus derSchmelze aus

: nach Unterschreiten der Soliduslinie be-steht die gesamte Legierung aus homoge-nen Mischkristallen (fr c< c1) bzw. Mischkristallen (frc> c4); die Verhltnissendern sich bei weiterem Abkhlen nichtmehr

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem IIa

Leg.-konz.: c1< c< c2(L2)

: nach Unterschreitender Liquiduslinie

scheiden sich Misch-kristalle aus derSchmelze aus

: nach Unterschreitender Soliduslinie liegenhomogene Mischkri-stalle vor

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem IIa


: nach Unterschreiten der Liqui-duslinie scheiden sich Misch-kristalle aus der Schmelze aus

: nach Unterschreiten der Soli-duslinie liegen homogene Mischkristalle vor

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem IIa

Leg.-konz.: c1< c< c2(L2) bzw. c3< c< c4(L5)

fr T: Lslichkeit der - bzw. Mischkristalle nimmt ab (Ls-lichkeit von B im Mischkristall und umgekehrt) mit Er-reichen der Lslichkeits- oder Segregationslinie () scheidensich aus den bersttigten Mischkristallen Mischkristalle der je-weils anderen Sorte aus

Erklrung: nach Unterschreiten der Lslichkeitslinie diffundie-ren die berschssigen B-Atome, die vom A-Gitter nicht mehrin Lsung gehalten werden knnen, zu bestimmten Stellen imGefge (z.B. zu den Korngrenzen) und verdrngen dort die A-Atome von ihren Gitterpltzen

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem IIa

Leg.-konz.: c1< c< c2(L2) bzw. c3< c< c4(L5)

B-Atome sind an diesen Stellen im berschu

Bildung eines neuen B-Gitters, in das ein Teilder A-Atome eingelagert werden kann ( Bil-dung eines -Mischkristalls)verdrngte A-Atome diffundieren im Austauschan die von den B-Atomen aufgegebenen Pltze

Ausscheidungsvorgnge beobachtet man hufigan Korngrenzen, da dort infolge der erhhtenpotentiellen Energie der Aufbau eines neuenGitters bevorzugt erfolgt

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem IIa


: nach Unterschreiten der Liquiduslinie scheiden sich zunchst - bzw.Mischkristalle aus der Schmelze aus; unmittelbar vor Erreichen derEutektikalen ist noch Restschmelze vorhanden, die in einer eutekti-schen Reaktion in ein Kristallgemisch aus A-reichen Mischkristallenund B-reichen Mischkristallen (Eutektikum) zerfllt: S +

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem IIa


c2< c< cEut: Gefge aus Mischkristallen in Eutektikum

cEut< c< c3: Gefge aus Mischkristallen in Eutektikum

bei weiterer Abkhlung nimmt die Lslichkeit der Mischkristalle fr B-Atome bzw. der Mischkristalle fr A-Atome stetig ab Ausscheidung vonMischkristallen der jeweils anderen Sorte

Ankristallisation dieser Mischkristalle an bereits vorhan-dene artgleiche Mischkristalle

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem IIa

Leg.-konz.: c= cEut(L4)

: eutektische Legierungerstarrt am eutekti-schen Punkt zu rei-nem Eutektikum

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem III

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Grundsystem III

vollstndige gegenseitige Lslichkeitim flssigen Zustandund Mischungslckeim festen Zustand;

Erstarrungstemperaturen der Komponenten liegen weit auseinander

Bedingung

peritektischesLegierungssystem

Erstarrungstemperatur der hher schmelzenden Komponen-te A wird durch die Anwesenheit von B-Atomen erniedrigt,

die Erstarrungstemperatur von B wird jedoch durch dieAnwesenheit von A-Atomen erhht


binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem III

ZustandsdiagrammmitLiquiduslinie ohne Minimum, ho-rizontaler Soliduslinie (Peritektikale) und Mischungslcke

BeispielePt-Ag, Cd-Hg,

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem III

Leg.-konz.: c< c1(L1)

: nach Unterschreiten der Liquiduslinie beginnt dieKristallisation von -Mischkristallen; der Tempera-

tur-Zeit-Verlauf zeigt einen Knickpunkt, weildurch die frei werdende Kristallisationswrme dieTemperatur langsamer sinkt

: Unterschreitender Soliduslinie

Einphasen-gebiet (nur -Mischkristalle)

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem III


: Unterschreiten der Lslichkeitslinie Aus-scheidung von Mischkristallen aus denbersttigten -Mischkristallen (analog zumLegierungssystem mit Mischungslcke)

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem III


: unterhalb der Liqui-duslinie scheiden sichMischkristalle ausder Schmelze aus

mit Erreichen der der horizontalen Phasen-grenze (Peritektikale) reagiert ein Teil der

-Mischkristalle mit noch vorhandener Rest-schmelze unter Bildung von -Mischkristal-len

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem III

bei Erreichen der peritektischen Temperatur TPfindet die inkongruente Phasen-umwandlung vonSchmelze und einer festen Phase in eine zweite feste Phase statt

peritektische Reaktion

feste Phase

feste Phase

Schmelze

Beispiel im EKD: Reaktion von Schmelze und festen Mischkristallen zu -Mischkri-stallen (technisch unbedeutend)

Umwandlung erfolgt an der Grenzflche

zwischen Schmelze und Primrkristallen

Temperatur-Zeit-Verlauf zeigt whrend derperitektischen Reaktion einen Haltepunkt

zu geringe Menge Schmelze keine voll-stndige Umwandlung -Mischkristalle -Mischkristalle nicht mglich Bildung ei-nes Kristallgemisches

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem III


: Lslichkeit von B-Atomen im -Mischkristall (von A-Atomenim -Mischkristall) nimmt ab mit weiterer Abkhlungfindet die Ausscheidung von -Mischkristallen aus den -Mischkristallen, Seg(und umgekehrt Seg) statt

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem III


Ablauf einer peritektischen Reaktion findet durch Diffusion von

B-Atomen in den -Mischkristall und von A-Atomen aus dem -Mischkristall statt vollstndiger Ablauf nur bei sehr langsa-mer Abkhlung

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem III


: nach Unterschreiten der Peri-tektikalen Ausscheidung vonMischkristallen aus den ber-

sttigten -Mischkristallen

: bei weiterer Abkhlung Aus-scheidung von Mischkristallen

aus den bersttigten -Misch-kristallen

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem III

Leg.-konz.: c3< c< c4(L5bzw. L6)

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem III


mit Erreichen der Peritektikalen wirdperitektischeReaktion durchlau-fen: bereits gebildete -Mischkristalle reagieren mit der Restschmelze

unter Bildung von -Mischkristallenausreichend Restschmelze vollstndige Umwandlung -Mischkristalle-MischkristalleRestschmelze wird nicht vollstndig aufgebraucht unterhalb der Peri-tektikalen befinden sich -Mischkristalle und Restschmelze im Gleichge-wicht

: unterhalb der Soliduslinie besteht das Gefge nur noch aus -Misch-kristallen

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem III


von L5: bei weiterer Abkhlung berschreitung der LslichkeitslinieAusscheidung von -Mischkristallen aus den bersttigen -Mischkri-

stallen Kristallgemisch aus beiden Mischkristallen

von L6: wird Lslichkeitslinie nicht geschnitten, besteht das Gefgemit Erreichen von Raumtemperatur ausschlielich aus ungesttigten -Mischkristallen

binreZustands-

schaubilder

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Grundsystem III

Leg.-konz.: c> c4(L7)

Kristallisationsvorgang beginnt nach Unterschreiten der Liquiduslinie mitder Kristallisation von MischkristallenKristallisation ist mit Erreichen der Soliduslinie abgeschlossen Gefgebesteht ausschlielichaus Mischkristallenbei weiterer Abkhlung findet keine Gefgenderung mehr statt

binreZustands-

schaubilder

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Legierungsphasen

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Lsungs-phasen

Verbindungs-phasen

intermetal-lische Phasen

Legierungsphasen

vollstndige Lslichkeitim festen Zustand, d.h.

statistische Verteilung derAtome

Mischkristalle bzw.

solid solutionsAufnahme von Fremd-atomen in den Gitter-

verband

stchiometrischeZusammensetzung (z.B.

Fe3C, Zementit)

stchiometrischeintermetallische Phasen

Strukturen mit metal-lischen und nichtmetal-lischen Bindungsanteilen

Einlagerungsphasen,LAVES-Phasen,

HUME-ROTHERY-Phasen

Grenzflle

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Ausbildung einer Lsungs-, Verbindungs-oder intermetallischenPhasehngt

im festen Zustand ab von:

Legierungsphasen

Temperatur

chemische Eigenschaftender Bindungspartner

geometrischeEigenschaften

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Lsungsphasen

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Lsungs-phasen

Aufnahme von Fremdatomen in den Gitterverband (Matrix) Gitterverzer-

rungen(aufgrund unterschiedlicher Atomradien) Hrte (sog.Mischkri-stallverfestigung)

Substitutions-mischkristalle Einlagerungs-

mischkristalle

Mischkristalltypen

Lsungsphasen

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Atome des Legierungselements (LE) ersetzen Atome des Basismetalls (BM)

auf regulren Gitterpltzen:

statistische Verteilung

einphasiges SystemBedingungen:

gleiche Kristallgitter

hnliche Atomradien

gleiche Wertigkeiten hnliche Elektronegativitten

Cave: Eigenschaften der Mischkristalle Summe der Eigenschaften von LE+BM!

Kupfer Nickel

Atomradius 128 pm 124 pm

Kristallgitter kfz kfz

Wertigkeit 2 2EN 1,8 1,8

Substitutionsmischkristalle

Lsungs-phasen

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LE-Atome besetzen Zwischengitterpltze (interstitium, lat.: Zwischenraum

interstitielle Lsung) des BM-Kristallgitters:

statistische Verteilung

einphasiges System LE: meist Nichtmetalle(B, C, N, O, H) oder kleine Metallatome

Lslichkeit meist < 1%

Bedingungen:

Basisgitter aus bergangsmetallatomen Radienverhltnis: (PYTHAGORAS)

Einlagerungsmischkristalle

Lsungs-phasen

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Beispiele:

Lsung von Wasserstoff in V, Nb, Taohne nderung des krz-Gitters:

VH0,05, NbH0,11, TaH0,22

Einlagerungsmischkristalle

Lsungs-phasen

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Verbindungs-

phasen

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Verbindungsphasen haben im Gegensatz zu Lsungsphasen ein bestimmtes,

festes Zahlenverhltnis der Bindungspartner (stchiometrischeZusammen-

setzung)

auch: stchiometrische intermetallische Phasen

Verbindungphasen besitzen im Normalfall eigene, charakteristische Kristall-

gitter

bekanntestes Bespiel: Zementit, Fe3C, in metastabilen Eisen-Kohlenstoff-Le-

gierungen (Stahl/Gueisen)

Verbindungsphasen

Verbindungs-phasen

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intermetallische

Phasen

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auch:Metallideoder intermedire Phasen

bergangszustandzwischen den Grenzfllen von Lsungs- und Verbindungs-

phasen Merkmale beider Phasenartenin unterschiedlichem Mae

Auftreten:

Legieren ber die Lslichkeitsgrenze hinaus(in Phasensystemen mit be-

grenzter Lslichkeit)

Entmischunginfolge Abkhlung unter die Lslichkeitsgrenze

gleichzeitiges Auftreten von Mischkristallen, Verbindungs-und interme-tallischenPhasenin einem Legierungssystem mglich

intermetallische Phasen


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intermetallische Phasen


intermetallische Phasen (wie auch Verbindungsphasen!) kristallisieren nicht

im Gittertyp einer der Komponenten, sondern bilden eigenes, hufig hoch-

komplexes Kristallgitter

vorherrschender Bindungstyp: metallische Bindungmit Anteilen von kova-lenter Bindung/Ionenbindung

Angabe der Zusammensetzung durch Formeln, z.B. Fe2W, Al2Cu usw.

Formeln besitzen lediglich statistischen Charakter Mittelwerte, Anteile

der einzelnen Komponenten variieren innerhalb eines bestimmten Homoge-

nittsbereichs

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Eigenschaften:

komplizierter Gitteraufbau

Versetzungsbewegungen nicht mglich

sehr hart, sprde meist schon in sehr geringenGehalten (< 0,1%) Anteil in plastisch zu verformenden WS gering zu halten

Teilchenverfestigungbei feindisperser Verteilung in weicheren Mischkristall-

phasen:

Verschleibestndigkeit

technische Nutzung: Sekundrhrtung einiger Werkzeugstahlsorten

intermetal-lische Phasenintermetallische Phasen

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Metalle mit Nichtmetallen mit kleinem Atom-durchmesser

Einlagerungsphasen

echte intermetallische Phasen

LAVES-Phasen

echte intermetallische Phasen

HUME-ROTHERY-Phasen

intermetal-lische Phasenintermetallische Phasen

Kristallstrukturen = (Durchmesser &Bindung der beteiligten Atome)

vielfltige Bindungsmglichkeiten/

Atomgren

> 5000 binre inter-metallische Phasen!

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81/158


Einlagerungs-

phasen

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auch: Einlagerungsstrukturen oder interstitielle Phasen

Bindungspartner:

Metalle M undNichtmetalle Xmit kleinemAtomdurchmesser dX(H, B, C, N

und P)

besondere Rolle: Carbide, Nitrideund Carbonitrideder bergangsmetalle

Fe, Cr, Mo, V, Nb, Ta, W, Ti, Zn und Hf Bestandteile technisch wichtiger

Legierungen

metallische Bindung mit ionischen/kovalenten Bindungsanteilen typische

metallische Eigenschaften (Glanz, elektrische Leitfhigkeit)

Einlagerungsphasen

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Einlagerung der X-Atome in Gitterlcken:

nderungdes Matrixgitters (Gegensatz zu Einlagerungsmischkristallen!)

Zusammensetzungen: MX, M2X oder M4X mit kfz- oder hexagonalem Kristall-

gitter

Besetzung aller Gitterlcken keine Aufnahme weiterer Atome mglich

(scharfe obere Lslichkeitsgrenze)

Einlagerungsphasen

dX/dM< 0,59 HGG-Phasen

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intermetal-lische PhasenEinlagerungsphasen

dX/dM< 0,59

Besetzung der Wrfelmittenim kfz-Gittermit Nichtmetall-

atomen (z.B. Fe4N)

M4X-Typ

Besetzung der Oktaederlcken

im kfz-Gittermit Nichtmetall-atomen NaCl-Gitter(z.B. TiC, TaC, TiN usw.)

MX-Typ

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Eigenschaften:

chemisch, thermisch und mechanisch sehr stabil

hohe bis sehr hohe Schmelzpunkte

Tantalcarbid, TaC, besitzt aufgrund seiner Gitterstruk-tur einen der hchsten Schmelzpunkteunter allen be-kannten Festkrpern: 3880 C (!)

Tantalhafniumcarbid, Ta4HfC5schmilzt bei 4215 C

teilweise gute Korrosionsbestndigkeit

Einlagerungsphasen

dX/dM< 0,59

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technische Bedeutung:

Beschichtungswerkstoffefr Werkzeugsthle (z.B. TiC oder

TiN)

Hartstoffphasein Hartmetallen und Cer-

mets (z.B. WC, TiC, TaC, TiN)

Fe4N, das beim Nitrieren von Sthlen ei-ne Rolle spielt, gehrt ebenfalls zu den

Einlagerungsphasen

Einlagerungsphasen

dX/dM< 0,59

TiC-Beschichtung TiN-Beschichtung

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Einlagerung in kleinereGitterlcken (Tetraederlcken?) keine Aufnahme

von Fremdatomen ber die Mischkristallslichkeit hinaus

Verbindungen (z.B. Carbide von Fe, Cr, Cu, Mn und Ni) bilden komplexe

Kristallgitter, weisen jedoch geringere chemische und thermische Stabilitt

auf

Einlagerungsphasen

dX/dM> 0,59

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LAVES-Phasen

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89/158



zahlenmig strkste Gruppeder klassischen intermetallischen Phasen (ei-

nige hundert Vertreter)

Zusammensetzung: grere KomponenteAund kleinere Komponente B

Verhltnis der Atomdurchmesser: 1,2 < dA/dB< 1,3

Idealwert grter Packungsdichten starrer Kugeln: dA/dB= 1,225

LAVES-Phasen sind Gitterstrukturen hoher Packungsdichte

allgemeine Formel:AB2mit drei miteinander verwandten, sich jedoch in der

Stapelfolge unterscheidenden Strukturtypen:MgZn2,MgCu2undMgNi2

LAVES-Phasen

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MgCu2: Mg-Atome im Diamantgitter, Cu-

Atome belegen als Tetraeder die groen

Lcken des Gitters

Eigenschaften:

bei Raumtemperatur nicht plastisch

verformbar

hohe elektrische Leitfhigkeit(mit Me-

tallen vergleichbar)

LAVES-Phasen

MgCu2

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HUME-ROTHERY-

Phasen

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ebenfalls Vielzahl von Vertretern

Existenz dieser Phasen ist an ein bestimmtes Zahlenverhltnis von Valenz-

elektronen e zu Atomen ain der Elementarzelle gekoppelt

magische Zahlenverhltnisse e/a: 21/14 (=3/2), 21/13, 21/12 (7/4)

jedes Zahlenverhltnis besitzt eine eigene typische Gitterstruktur

Beispiele:

-Messing, CuZn (e/a= 3/2)

-Messing, Cu5Zn8(e/a= 21/13)

-Messing, CuZn3(e/a= 7/4)

HUME-ROTHERY-Phasen

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Elementarzelle von Cu5Zn8

HUME-ROTHERY-Phasen

-Messing, Cu5Zn8

Elementarzelle mit 52 Atomen!

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Zustandsdiagramme mit

Verbindungsbildung

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Zustandsdiagramme mit verdecktem Schmelzpunktmaximum(Legierungssysteme mit einer inkongruent schmelzenden Verbindung)

Zustandsdiagramme mit offenem Schmelzpunktmaximum(Legierungssysteme mit einer kongruentschmelzenden Verbindung)

bisher: Legierungssysteme mit reinen Metallen oder ihren Mischkristallen

keine Mglichkeit, da Komponenten eine Verbindungeingehen knnen,

d.h. intermetallische Phase oder Verbindungsphase V

Existenz einer Verbindung Vmit der allgemeinen ZusammensetzungAmBn

Unterscheidung von zwei Grundtypen, abhngig vom Schmelz-bzw. Er-

starrungsverhaltender Verbindung

Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung Einfhrung

Typ A

Typ B

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Zustandsdiagramme mit offenem Schmelzpunktmaximum

(Legierungssysteme mit einer kongruentschmelzenden Verbindung)

Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung

Typ A

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Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung Typ A

Zustandsdiagramme mit offenem Schmelzpunktmaximum(Legierungssysteme mit einer kongruentschmelzenden Verbindung)

offenes Schmelz-

punktmaximum

kongruentschmelzend

Zustandsdiagramm weist bei der Zusammensetzung von Vbezogen

auf die benachbarten Legierungenein Schmelzpunktmaximumauf

Verbindung Vist bis zu ihrem Schmelzpunkt bestndig,zersetzt sich also nicht vorher

Vverhlt sich wie ein reines Metall, d.h. Abkhlkurve zeigtbei der Zusammensetzung der Verbindung einen typischen

Haltepunkt bei der Schmelztemperatur von V(TSV)

entstehendes Gefge ist einphasig und bestehtnur aus Kristallen der Verbindung

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V mit genau

stchiometrischerZusammensetzung

vollkommeneUnlslichkeitfr A und B

Zustandsdiagramm ist Kombination auszwei eutektischen Teilsystemen (GS II)

Diagramm A-V Diagramm V-BBsp.: Fe3CimSystem Fe-C

Typ A

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Zustandsdiagrammmitkongruent schmelzender Verbin-dung und vlliger Unlslichkeitim festen Zustand

Beispiele:

Mg-Mg2Sn/Mg2Sn-Sn,

Typ A

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Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung Typ A

Zustandsdiagramm ist Kombinationaus zwei eutektischen Teilsystemen

mit Mischungslcke (GS IIa)

Diagramm - Diagramm -

V nichtaufstchiometrischeZusammensetzung

beschrnkt

teilweise gegen-seitige Lslichkeit

von A und B( Mischkristalle)

Existenz von

-Mischkristallen

101


101/158



Zustandsdiagrammmitkongruent schmelzender Verbin-dung und begrenzter Lslichkeit im festen Zustand

Beispiele

Hf-V,

Typ A

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Typ B

Zustandsdiagramme mit verdecktem Schmelzpunktmaximum

(Legierungssysteme mit einer inkongruent schmelzenden Verbindung)

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Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung Typ B

Zustandsdiagramme mit verdecktem Schmelzpunktmaximum(Legierungssysteme mit einer inkongruentschmelzenden Verbindung)

verdecktes Schmelz-

punktmaximum

inkongruentschmelzend

Schmelzpunktmaximum wird durch Liquiduslinie verdeckt, weil fr

T

entstehende B-Kristalle von der Schmelze gelst werden

Verbindung Vist nichtbis zu ihrem Schmelzpunkt bestndig,zersetzt sich also vorher

peritektische Reaktion bei Abkhlung : Schmelze S und bereitsvorhandene Phase B bilden eine neue Phase V: S + B V

Erwrmung: kein Schmelzen von V, sondern die Umkehrung derperitektischen Reaktion: VS + B

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Zustandsdiagramm ist Kombinationaus einem eutektischen und

einem peritektischen Teilsystem

Diagramm A-V Diagramm V-B

V mit genau

stchiometrischerZusammensetzung

vollkommeneUnlslichkeitfr A und B

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Zustandsdiagrammmitinkongruent schmelzender Ver-bindung und vollkommener Unlslichkeit im festen Zustand

Beispiele

Sb-Fe,

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Zustandsdiagramm ist Kombinationaus einem eutektischen Teilsystem

mit Mischungslcke und einemperitektischen Teilsystem

Diagramm - Diagramm -

V nichtaufstchiometrischeZusammensetzung

beschrnkt

teilweise gegen-seitige Lslichkeit

von A und B( Mischkristalle)

Existenz von-Mischkristallen

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107/158



Zustandsdiagrammmitinkongruent schmelzender Ver-bindung und begrenzter Lslichkeit im festen Zustand

Beispiele

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Legierungssysteme mitUmwandlungen im

festen Zustand

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109/158


Legierungssysteme mit Umwandlungen im festen Zustand

Legierung

Abkh

lung

Umwandlungen/Ausscheidungen imfesten Zustand

Legierungssysteme

Komponenten mit allotropen Modifikationen

Mischkristalle mit eutektoidem Zerfall

Mischkristalle mit berstrukturbildung (einphasige Entmischung)

Mischkristalle mit Zerfall in zwei andere Mischkristalle (Entmischung

eines Mischkristalls)

Mischkristalle mit Ausscheidung einer intermetallischen Phase

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110/158


mit Komponenten mit allotropen Modifikationen

Polymorphie vieler wichtiger Gebrauchsmetalle: Fe, Ti, Co

Kristallisation in unterschiedlichen Kristallgittern, abhngig von der Tempe-

ratur (z.B. -, - und Eisen)

Vorhandensein polymorpher Komponenten hat groen Einflu auf Legie-

rungsbildungund das Zustandsschaubilddes Legierungssystems

LegierenErweiterung desExistenzgebiets

derjenigenModifikation, die das

gleiche Gitter wiedas LE besitzt

Einengung desExistenzgebiets

derjenigen Modifi-kation, die in einemvom LE abweichen-

den Gitterkristallisiert

Aufweitung derUmwandlungspunkte

der polymorphenKomponenten zuUmwandlungs-

intervallen

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Fe ist polymorph (: krz, : kfz), Cr kristallisiert imkrz-Gitter

fr steigendenCr-Gehalt:

Existenzbereich der kfz-Modifikation des Fe (-Misch-

kristalle) wird immer mehr eingeschrnkt (abge-

schnrt)

Umwandlungsgebiet, in dem die krz- (-Mischkristalle)

und die kfz- Komponente (-Mischkristalle) stabil ne-beneinander vorliegen

mit Komponenten mit allotropen Modifikationen Legierungssystem Fe-Cr

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Fe ist polymorph (: krz, : kfz), Ni kristallisiert im kfz-Gitter

fr steigendenNi-Gehalt:

Existenzbereich der kfz-Modifikation des Fe (-Misch-

kristalle) wird immer mehr erweitert

Umwandlungsgebiet, in dem die krz- (-Mischkristalle)

und die kfz-Komponente (-Mischkristalle) stabil neben-

einander vorliegen

Werkstoffe 7 Einflu der Legierungselemente

mit Komponenten mit allotropen Modifikationen Legierungssystem Fe-Ni

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113/158


mit eutektoidem Zerfall der Mischkristalle

Mischkristalle knnen nur bei hohen Temperaturen bestndigsein

bei Abkhlung: isothermer Zerfall in zwei andere Mischkristallebei einer

bestimmten Temperatur TE, z.B.: + hnlichkeit zur eutektischen Reaktion: eutektoide Reaktion

entstehendes Gefge aus (hier) - und -Mischkristallen: Eutektoid

an die Stelle der Schmelze bei der eutektischen Reaktion tritt der -Misch-

kristall

eutektoide Umwandlung der Mischkristalle macht sich im Zustandsdia-

gramm in einer horizontalen Phasengrenzlinie, der Eutektoiden, bemerkbar

114


114/158


mit eutektoidem Zerfall der Mischkristalle

technisch wichtigstes Eutektoid: Perlit in Sthlen Entstehung durch eutektoiden Zerfall des Austenits (-Mischkristall) bei 723 C in Ferrit(-Mischkristall) und Zementit

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115/158


reale

Zustandsdiagramme

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116/158


Idealitt setzt unendlich langsame Abkhlungvoraus vollstndigerAblauf

aller erforderlichen Diffusionsvorgnge

Zustandsschaubilder beschreiben thermodynamisches Gleichgewicht

in der Praxis lassen sich die Bedingungen nur schwer realisieren, da die Ab-

khlung in einem endlichen Zeitraumstattfinden mu (technische Abkh-

lung)

Folge: signifikante Vernderungenim Gefge/Zustandsdiagramm:

Auftreten von Kristallseigerungenmit Ausbildung von Zonenmischkristallen

(Wrmebehandlungen)

reale Zustandsdiagramme

117


117/158


Verschiebung von Phasengrenzen und Zustandsbereichenoder sogarAusbil-

dung neuer Phasen bzw. Gefgeformen

Bildung von entartetem Eutektikum:

bei geringem Anteil eutektischer

Schmelze und bereits primr ausge-schiedenen Kristallen (A oder ) er-starrt bei erhhter Abkhlgeschwin-

digkeit die Restschmelze nicht zu Eu-tektikum, sondern A- oder -Phase

kristallisiert an die bereits vorhan-denen gleichartigen Kristallean


118


118/158


Eutektikum besteht dann nur nochaus erstarrten B- oder -Kristallen(entartetes Eutektikum) mit anderen Eigenschaften


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119/158


Zustandsdiagramme

von Dreistoffsystemen

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120/158


Dreistoffsysteme

ternre Zustandsschaubilder: Legierungszusammensetzung wird in einem

Konzentrationsdreieck( Grundflche des Zustandsdiagramms) angegeben,Temperatur senkrecht dazu (Zustandsprisma)

121


121/158


Dreistoffsysteme

Unterschiede:

flchenhafteBegrenzungen: Liquidus- bzw. Solidusflchen

zustzlich zu eutektischen Punkten treten eutektische Rinnenauf

neben Ein- und Zweiphasengebieten existieren Dreiphasengebieterelativ schwierige Darstellung, Handhabung erfordert groe Erfahrung

122


122/158


Legierungen

123


123/158


einfache Legierungen

124


124/158


Legierungen (alloys) natrliche Legierungen

Legierung aus Gold und Silber(Spuren von Cu)

lteste Mnzen aus dem 7. Jhdv.u.Z.

Zusammensetzung: 20-90% Au,10-80% Ag

Elektrum/Elektron Legierung aus Eisen und Nickel ca. 5-20% Ni lteste Funde etwa 5000 Jahre

alt

Meteoreisen

Legierung aus Arsen und Anti-mon

erster Fund: 1941, Varutrsk,Schweden

Stibarsen

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Kupfer-Zinn-Legierungen

Sn: Schmelzpunkt , Festigkeit , Hrte , Ver-schleiwiderstand kulturhistorische Bedeutung: Bronzezeit Herstellung

von Waffen, Werkzeugen und Kunstgegenstnden

Zweistoffsystem Cu-Sn sehr komplex ( WS 9 Nichteisen-metalle)

Legierungen (alloys) Bronzen

126
http://www.kupferinstitut.de/front_frame/frameset.php3?client=1&lang=1&idcat=347&parent=13


126/158


MessingeLegierungen (alloys)

Kupfer-Zink-Legierungen

Messing ist hrter als Kupfer, aber weniger hart als

Bronze

Eigenschaften:

sehr zug- und verschleifest & korrosionsbestn-

dig, gute Polierbarkeit

Verarbeitung zu Feinmechanikteilen, korrosions-

bestndigen Schrauben & Federn sowie Armatu-ren & Kleingerteteilen

Zweistoffsystem Cu-Zn sehr komplex ( WS 9)

127


127/158


Legierungen (alloys) Nordisches Gold

Messing-Legierung aus 89% Cu, 5% Al, 5% Zn, 1% Sn

Mnzmetallzur Herstellung von 50-, 20- und 10-Eurocent-Mnzen

128


128/158


Legierungen (alloys) Invar

Legierungen (u.a. FeNi36) mit sehr geringen Wrmeaus-dehnungskoeffizienten(um 2 ppm pro Kelvin) Invarianz

der Dehnung bezglich einer Temperaturnderung

Entdeckung des Effekts 1896

durch CHARLESGUILLAUME(Nobel-

preis fr Physik 1920)

Arcelor Mittal, Luxemburg

129


129/158



Hintergrund des Invar-Effekts: negative Volumenmagnetostriktion

Abstoung der magnetischen Momenteder einzelnen Atome der Legierung

Aufblhen des Gitters

Magnetostriktion fr T

Volumenausdehnung fr T

Verwendung fr Produkte mit hoher Lngenstabilitt bei Temperatur-

schwankungen

Kompensationbeider Effekte berbestimmte Temperaturbereiche; keineeffektive nderungder Atomabstnde

130


130/158


Legierungen (alloys) Konstantan

Legierung (55% Cu, 44% Ni, 1% Mn) mit konstantem spezifi-schem elektrischem Widerstandber weite Temperaturbe-

reiche

physikalischer Hintergrund: hohe Strstel-

lendichte, Strstellendichte fr T , mitgroem Einflu der Elektronenstreuungen

Verwendung fr Przisionswiderstnde

hnliche Eigenschaften: Manganin, Cu86Mn12Ni2

ThyssenKrupp VDM, Essen

131


131/158


Formgedchtnis-

legierungen

132


132/158


FGL sind metallische Werkstoffe, die die Fhigkeit besitzen,

nach einer starken Verformung ihre ursprngliche Gestalt wie-

der einzunehmen(sich an diese Form zu erinnern) - auch

Memorymetallegenannt (engl. shape-memory alloys, SMA)

technische Relevanz weisen Legierungen auf Nickel-Titan-Basis(NiTi, Ni-

tinol) auf

Einsatz alsAktorund Sensorin Regelkreisen

bertragung von Krften ohne auffallende Ermdung aber: bei Erwrmung

ber eine bestimmte Temperatur hinaus Amnesie mglich

FormgedchtnislegierungenLegierungen (alloys)

Einfhrung

133


133/158



temperaturabhngige allotrope Festkrperpha-

senumwandlung zweier verschiedener Kristall-

struktureneines Werkstoffs

Formwandlung

Hochtemperaturform(Austenit)

Niedrigtemperaturform(Martensit)

Gleichwertigkeit von Temperaturund mechanische Spannung:

Umwandlung kann nicht nurthermisch, sondern auch

spannungsinduzierterfolgen

gleichberechtigte Schersystemeinjedem Kristallsystem, die sich ausder Raumsymmetrie der Elemen-

tarzelle ergeben

Gleichverteilung derSchersysteme

Bevorzugung einigerSchersysteme

keine uerenFormnderungen

Formnderungen

134


134/158



Umwandlungszyklus:

Anregung auch auf magnetischem

Wege mglich (ferromagnetische

Formgedchtnislegierungenmit

Lngennderungen bis 10%)

Formwandlung

135


135/158



Umwandlungszyklus:

Ms/Mf: Martensite starting/finishing temperature

As/Af:Austenite starting/finishing temperature

Formwandlung

parent phase daughter phase

136


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Unterschreiten von Mf: verschiedene Martensitbereiche (durch Zwillingsbil-

dung entstanden) sind statistisch verteilt

Einwirken einer mechanischen Spannung (uere Kraft) pseudoplasti-

sche Verformungdes Werkstoffs

gnstiger orientierte Martensitbereiche wachsen auf Kosten von ungnstiger

orientierten deutliche Verformung, die auch nach Wegfall der Spannung

erhalten bleibt

plastische Verformung beruht also nicht auf Versetzungsbewegungen, son-

dern auf Umorientierung des Gitters

Einwegeffekt

137


137/158



Erwrmung Rckumwandlungzum Austenit mit ursprnglicher Gestalt

(ohne Einwirken uerer Krfte)

Einwegeffekt

T1= 25 C, beliebige Verformung im mar-

tensitischen Zustand

Erwrmung bis auf T5 60 C, beginnen-de Rckwandlung

T6= 100 C, vollstndige Rckwandlungund Wiederherstellung der Form

Legierungszusammensetzung: 52,2% Mol-% Ni, 47,8 Mol-% TiMs: 62 C,Mf: 50 C;As: 52 C,Af: 68 C

1

2-5

6

138


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Anwendungen:

chirurgische Klammern, die beim Sterilisieren wieder die alte Gestalt an-

nehmen

Stellglieder in temperaturgesteuerten Regeleinrichtungen(Aktorik):

Verformung des Martensits durch Federspannung

Temperaturerhhung Formnderung des Austenits berwindet Feder-kraft

Abkhlung: Verformung des Martensits durch die Feder

Einwegeffekt

139


139/158



Erinnerung an Hoch- undNiedrigtemperaturform

WS zeigt in einem bestimmten Temperaturbereich (< 100 C) eine Formn-

derung

im fest eingespannten System (= 0): Ausben einer Kraft mglich

Abkhlen: Formnderung geht auf gleichem Wege zurck

Verwendung zum ffnen und Schlieen von Ventilen

Zweiwegeffekt

140


140/158



Training: thermomechanische Behandlungszyklen Ausbildung von Span-

nungsfeldern Frderung der Bildung bestimmter Martensit-Varianten

beim Abkhlen

Umwandlung findet nur statt, wenn keine ueren Krftewirken

Zweiwegeffekt

141


141/158



Effekte

Einwegeffekt Zweiwegeffekt

142


142/158



Aktorik: Teilgebiet der Antriebstechnik Erzeugen einer Bewegung oder Ver-

formung

Aktoren (Wandler) setzen elektronische Signale in mechanische Bewegung

oder andere physikalische Gren um und greifen aktiv in das Regelungs-

system ein und/oder geben Sollgren vor

FGL als Aktoren:

Substitution bestehender technischer Systeme(z.B. Piezoaktoren, Hubmag-

neten oder Stellmotoren)

Einsatz von FGL energieeffizienter und wirtschaftlicherer Betrieb

Anwendungen Aktoren

143


143/158



Bauformen und Kenndaten von FGL-Aktoren:

Anwendungen Aktoren

144


144/158



Vorteilevon FGL-Aktoren gegenber

Anwendungen Aktoren

145


145/158



bersicht Aktorwerkstoffe

146
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/superelasticity/index.php


146/158



pseudoelastisches Verhalten: reversibleFormnde-

rung(zustzlich zur normalen elastischen Verfor-

mung) elastische Verformung 20fach grer

als bei konventionellen Metallen (E-Modul nur 1/20)

Ursache: diffusionslose Phasenumwandlung inner-

halb des Werkstoffs

Spannungs-Dehnungs-Hysterese gute Dmpfungs-

eigenschaften & Einsatz als Implantat

Superelastizitt

Hochtemperaturform(Austenit)

Niedrigtemperaturform(Martensit)

Entlastunguere

Spannung

147

L i ( ll )
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/superelasticity/index.php


147/158



Spannungs-Verformungs-Temperaturdiagramm

normales Verhalten Einwegeffekt

148

L i ( ll )


148/158



Spannungs-Verformungs-Temperaturdiagramm

Zweiwegeffekt Superelastizitt

149

L i ( ll )


149/158



Medizintechnik: Stents(Gefsttzen), Einsatz als Draht in

festsitzenden Zahnspangen (Brackets)

Weltraumtechnik: Entfalten von Sonnensegelnu.. (Nutzen

des Einwegeffekts)

Fototechnik:Autofokus & optische Bildstabilisierungin Ka-

meras von Mobiltelefonen

Wrmekraftmaschinen, flexible Brillengestelleu.v.a.m.

Anwendungen

150

L gi g ( ll )
http://www.cambridgemechatronics.com/cameras.shtml?tab=1


150/158



NiTi-Legierung mit Formgedchtnis-

Eigenschaften (Zssg.: ca. 55% Ni, 45% Ti)

Zusammensetzung hat Einflu auf Ms

bekanntester Vertreter der Formgedchtnislegierun-

gen

bis 650 C verwendbar, korrosionsbestndig und

hochfest, bis ca. 8% pseudoplastisch verformbarkostenintensiv (Herstellung im Vakuum, hohe An-

forderungen an Reinheit)

Nitinol

151

http://www.nitinol.com/


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kalorimetrische Analyse der Umwandlungstemperaturen:

Nitinol

152


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HEUSLERsche

Legierungen

153

HEUSLERsche LegierungenLegierungen (alloys)


153/158



Legierungen, die als wesentlichen Bestandteil eine HEUSLER-Phaseenthalten HEUSLER-Phasen: intermetallische Phasen mitferromagnetischen Eigen-

schaften, ohne ferromagnetische Legierungselemente zu enthalten

Zusammensetzungen:

XYZ (halbe HEUSLER-Legierungen) X2YZ (vollstndige HEUSLER-Legierungen)

X, Y: bergangsmetalle, Z: Element der III.-V. Hauptgruppe

Beispiele:

Cu2MnAl, Cu2MnIn, Cu2MnSn,

Pd2MnAl, Pd2MnIn, Pd2MnSn, Pd2MnSb,

Manganionen spielen offensichtlich eine wichtige Rolle!

154

http://www.uni-marburg.de/aktuelles/unijournal/9/Physikgeschichte


154/158



physikalischer Hintergrund: Halbmetall-Ferromagnetismus

Mechanismus nicht vollstndig geklrt

LE bilden Ordnungsphasen, so da die Kristallstruktur aus vier ineinan-der

geschachtelten kfz-Teilgitternbesteht

WW zwischen Atomen der Teilgitter bewirken nahezu vollstndige

Ausrichtung der magnetischen Momenteder Elektronen aus metallischen

Atomen

Elektronen aus nichtmetallischen Atomen sind falsch polarisiertbei hinreichend tiefen Temperaturen: Ferromagnetismus

155


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Flssigmetalle

156

FlssigmetalleLegierungen (alloys)


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Flssigmetalle Legierungen (alloys)

niedrigschmelzende Legierungen Fp. < 25 C bei Raumtemperatur im flssigen Zustand

Fp. < 100 C Schmelze durch kochendes Wasser

Galinstan

Legierungen aus Gallium, Indium und Zinn ( Name!)eutektische Zusammensetzung:

68-69% Ga, 21-22% In, 9,5-10,5% Sn Fp. = -19,5 C (Herstellerangabe) 59,6% Ga, 26% In, 14,4% Sn Fp. = 11 C (Fachliteratur)

Verwendung:

Hg-freie Thermometer (Beschichtung des Glases

mit Ga2O3ntig)

Wrmeleitpaste fr Khlkrper (= 16 W/(mK))

Geratherm Medical AG, Geschwenda

157

FlssigmetalleLegierungen (alloys)


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Flssigmetalle Legierungen (alloys)

Eutektikum: 22% Na, 78% K Fp.: -11 C Verwendung: Khlmittel in Kern-

reaktoren (= 23 W/(mK))

NaK

Eutektikum: 50% Bi, 25% Pb,12,5% Cd, 12,5% Sn

Fp.: 60 C

WOODsches Metall

Eutektikum: 50% Bi, 25% Pb,25% Sn

Fp.: 94 C

ROSEs Metall

Eutektikum: 51% In, 32,5% Bi,16% Sn

Fp.: 62 C

FIELDsches Metall

Verwendung: Lote, Schmelzsicherungen, Heiz-/Khlflssigkeiten (sogenannte Metallbder)

158


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Vielen Dank fr IhreAufmerksamkeit

werkstoffe 4 - legierungsbildung und zustandsschaubilder

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