Metalle 1

Dr. F. Wittel; Prof. R. Flatt
IfB, ETHZ
Rechnergestützte Physik der Werkstoffe
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• Verstehen der Metallbindung als Grundlage aller Metalleigenschaften.
• Charakterisierung idealer Raumgitter und Gitterbaufehler in Einkristallen.
• Entstehung von Polykristallen und Baufehlern verstehen.
• Definieren wichtiger Begriffe bei Legierungen wie Komponenten,
Konzentrationen …
• Konstruieren von Phasendiagrammen aus Abkühlkurven.
• Umgang mit Zweistoff-Phasendiagrammen erlernen.
• Erlernen und Zeichnen typischer Gefüge.
1.
Einleitung Metalle
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2.
Strukturen kristalliner Körper – Einkristalle
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3.
Natur der Metalle
Geschichte und Zukunft
Metall als Werkstoff
Bindungen und Koordination
Kristallstruktur der Metalle
Gitterbaufehler
Versetzungswanderungen
Strukturen fester Phasen – Polykristalle
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1
E. Hornbogen, H. Warlimont: Metalle, Springer Verlag, 5. Aufl. 2006
M.F. Ashby, D.R.H. Jones: Werkstoffe 2: Metalle, Keramiken und Gläser,
Kunststoffe und Verbundwerkstoffe, Spektrum Verlag 3. Aufl. 2007
Bargel et al.: Werkstoffkunde, Springer Verlag, 7. Aufl. 2000
online
online
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Einleitung Metalle: Natur der Metalle
Periodensystem der Elemente: 80 % der Elemente sind Metalle.
HALBMETALLE
METALLE
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Einleitung Metalle: Vorkommen in der Natur
Wichtige Metalle:
Gusseisen und Stahl
Aluminium
Kupfer
Zink
Blei
(Fe)
(Al)
(Cu)
(Zn)
(Pb)
Bauxit
7,57% der Erdhülle
Fe-Erz (Roteisenstein)
4.7% der Erdhülle
Zn-Blende / Zn-Spat 0.012% der Erdhülle
Elemente sind in oxidierender
Atmosphäre instabil.
 Vorkommen in Natur als Oxide
Einteilung
nach Dichte:
Schwermetalle - Leichtmetalle
nach Reaktivität:
Edelmetalle - unedle Metalle.
nach Industriezweig:
Eisen – Nichteisenmetalle.
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Cu-Erz
0.01% der Erdhülle
Pb-Erz
0.0018% der Erdhülle
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Einleitung Metalle: Geschichte, Verwendung und Zukunft
Gründe für den Erfolg von Metallen:
• Wandelbarkeit der Eigenschaften durch Legierungsbildung, Wärmebehandlung.
• Alle Verfahren der Formgebung und Verarbeitung.
• Im Verbund z.B. mit Beton.
• Hohe Duktilität, Zug- und Druckfestigkeit.
• 100% Recyclierbar.
Werkstoffproduktion in den USA
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Einleitung Metalle: Geschichte, Verwendung und Zukunft
Herstellungspreisindex
01/2002 =100
 Metalle sind wertvolle Ressourcen, die
intelligent eingesetzt werden sollten.
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Einkristalle – Bindung und Koordination
Eigenschaften:
Primärbindungen:
A Ionenbindung
•Hohe Bindungsenergie.
B Atombindung (kovalente Bindung) •Abgabe oder Aufnahme
von Valenzelektronen.
C Metallbindung
Van-der-Waals`sche Bindung
Sekundärbindungen: Wasserstoffbrücken
…
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Metalle mit
Nichtmetallen
Nichtmetalle mit
Nichtmetallen
•Niedrige
Bindungsenergie.
•Kein Austausch von
Valenzelektronen.
Metalle mit
Metallen
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Einkristalle – Bindung und Koordination - Ionenbindung
Ionenbindung:
• Beruht auf dem Bestreben der Atome, die äussere Elektronenhülle
vollständig mit Elektronen zu besetzen
Realisierung durch Elektronenaustausch
• Vorzugsweise zwischen Atomen mit fast voller und fast leerer
äusserer Elektronenschale (Metalle und Nichtmetalle)
• Negativ und positiv geladene Ionen ziehen sich elektrostatisch an
Ungerichtete Bindungskräfte Radienverhältnisse der Ionen
bestimmt Kristallstruktur
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Bsp. NaCl; jede Ionensorte oktaedrisch von Gegenionen umgeben
Kation Na+; Anion Cl-
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Einkristalle – Bindung und Koordination - Atombindung
Atombindung:
• Tritt hauptsächlich bei Nichtmetallen auf.
(Kovalente Bindung)
• Bildung von gemeinsamen Elektronenpaaren der Atome
(Durchdringung der Orbitale) halbgefüllte Orbitale
erforderlich.
• Bindungsorbitale sind hochfest und räumlich gerichtet
 Vorzugsrichtung für Kristallstruktur.
• Stoffe sind schwer verformbar und spröd.
• Bsp: Diamant, Silizium, keramische Werkstoffe
s-s- Bindung: Durchdringung von 2 s-Orbitalen
p-p- Bindung: Durchdringung von 2 p-Orbitalen
s-p- Bindung: Durchdringung eines p und s Orbitals
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Diamant (p-p-)
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Einkristalle – Bindung und Koordination - Metallbindung
Metallbindung:
• Metallatome sind über Metallbindungen zu
Molekülen und Metallgittern geordnet .
• Metallgitter aus positiv geladenen
Atomrümpfen, während die Valenzelektronen
über das ganze Gitter verteilt sind.
• Kein Elektron gehört mehr zu einem
bestimmten Kern, Elektronen sind frei
beweglich, also nicht an bestimmte
Energieniveaus (Orbitale) gebunden, sie
befinden sich im „Leitungsband“ und bilden ein
„Elektronengas“.
• Anziehung zwischen Elektronengas und
Atomrümpfen.
• Bindung schwächer als Ionenbindung und nicht
orientiert Bestreben zu dichten Packungen.
• Duktil durch metallische Bindung
• Fremdatome können eingelagert werden.
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Einkristalle – Aufbau und Struktur
• Alle möglichen Raumgitter können durch 7 verschiedene Achsensysteme
(=Kristallsysteme) beschrieben werden.
• Durch die zentrierte Elementarzelle ergeben sich 14 Bravais Gitter (Raumgitter).
• Mit Hilfe der Bravais-Gitter kann jede Kristallstruktur beschrieben werden.
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Einkristalle – Aufbau und Struktur
Wichtige
Gittertypen:
Elementarzellen sind die kleinste räumliche Einheit eines
Raumgitters, aus der durch wiederholtes Aneinanderreihen ein
Raumgitter aufgebaut wird.
Name
Kubisch-raumzentriert KRZ
Kubisch-flächenzentriert KFZ
Hexagonal dichtest
hdP
Raumfüllung
68% (locker gepackt)
74% (dichtest)
74% (dichtest)
Vertreter
-Fe, Na, Ka, Mo, Cr,
-Fe
-Fe, Al, Cu, Pb, Au,
Ag, Ni
-Ti, Zn, Mg, Co
Realmodell der
Elementarzelle
Schwerpunktsmodell der
Elementarzelle
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Einkristalle – Aufbau und Struktur - Gleitebenen
Gitterebenen bzw. –richtungen sind Ebenen bzw. Geraden durch Punkte eines
Raumgitters. Es sind Ebenen zwischen Atomlagen mit dichtester Packung und
grossem Schichtabstand.
Zu jeder Ebene gibt es unendlich viele parallele Ebenen.
Die Kennzeichnung der Ebenen und Richtungen erfolgt mit Hilfe der Millerschen
Indizes (Ebenen (abc); Richtungen [abc]).
Viele Vorgänge z.B. bei plastischer Verformung laufen auf ganz bestimmten
Gitterebenen ab.
Gitterrichtungen und –ebenen:
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Einkristalle – Aufbau und Struktur - Gitterlücken
Gitterlücken sind nicht von Atomen des Grundgitters gefüllter Gitterraum.
Es gibt 2 unterschiedlich grosse Typen von Gitterlücken.
Fremdatome können in Gitterlücken eingelagert werden.
Oktaedrische (l) und vierflächige Löcher (r) relativ zu den Gitteratomen in KFZ.
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Einkristalle – Aufbau und Struktur - Gitterbaufehler
• Reale kristalline Festkörper unterscheiden sich erheblich vom Idealzustand.
• Störungen im Gitter können nach geometrischen Kriterien eingeteilt
werden:
• 0-dimensional:
Punktbaufehler
• 1-dimensional:
Linienbaufehler
• 2-dimensional:
Flächenbaufehler
• 3-dimensional:
Raumbaufehler
• Gitterstörungen beeinflussen die Stoffeigenschaften erheblich
 werden gezielt zur Beeinflussung der Eigenschaften eingesetzt.
• Linienbaufehler sind z.B. Träger der plastischen Verformungen.
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Einkristalle – Gitterbaufehler - Punktbaufehler
• Leerstellen sind stets vorhanden und nehmen mit steigender Temperatur zu.
• Wichtig für atomare Platzwechselvorgänge  Diffusion.
• Fremdatome  Legierungen.
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Einkristalle – Gitterbaufehler - Linienbaufehler
• Linienbaufehler (Versetzungen) sind Träger der plastischen Verformungen.
• Mechanisches Verhalten wird durch Zahl und Bewegungsfähigkeit der
Versetzungen beeinflusst.
• Versetzungen werden behindert durch Punkt-, Linien, Flächen- und
Raumbaufehler.
Stufenversetzung
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Schraubenversetzung
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Einkristalle – Gitterbaufehler - Versetzungswanderung
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Polykristalle – Entstehung des Metallgefüges
•
•
•
•
Beim Erstarren beginnen Kristalle an vielen Stellen gleichzeitig zu wachsen.
Kristalle wachsen, bis sie aneinander stossen.
Kristalle (Körner) sind nun unterschiedlich orientiert.
Korngrenze = Grenzfläche zwischen Kristallen einer Phase oder
unterschiedlicher Phasen.
• Hohe Abkühlgeschwindigkeit  Feinkörniges Gefüge.
• Langsame Abkühlgeschwindigkeit  Grobkörniges Gefüge.
• Korngrösse und Ablagerungen an Korngrenzen
beeinflussen Materialverhalten.
Gefügebild beim Erstarren eines Metalls
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Polykristalle – Entstehung des Metallgefüges
• Körner haben das Bestreben möglichst kleine Oberfläche einzunehmen
(Energieminimierung)  globulare Gestalt
• Typisch für krz-Gitter sind kurvig begrenzte, zwillingsfreie Körner (globulares
Korn (Ferrit) links).
• Typisch für kfz-Gitter sind eckige Körner mit Zwillingen (polyedrisches Korn
(Austenit) mittig).
• Anisotrope Wachstumsgeschwindigkeit führt zu nadel- und plattenförmigen
Kristalliten (lamellares Gefüge).
• Wachsen Kristalle frei in Schmelze, so formen sich Dendriten (REM Aufnahme
rechts).
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Polykristalle – Entstehung des Metallgefüges –
Flächenbaufehler (Korngrenzen)
• Kleinwinkel-Korngrenzen oder Kippgrenzen sind aus einer Reihe von
Stufenversetzungen aufgebaut.
• Grosswinkelgrenzen (allgemeine Korngrenzen) ab >5°.
• An Phasengrenzen ändern sich Kristallstruktur und Bindungsart, es gibt
kohärente, teilkohärente und inkohärente Grenzflächen.
KleinwinkelKorngrenze
Phasengrenzflächen
Grenzflächen
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kohärent
teilkohärent
inkohärent
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Polykristalle – Entstehung des Metallgefüges
Zwilligsbildung innerhalb
eines Kristalls:
Kristalle sind
spiegelsymmetrisch
angeordnet.
verzerrungsfreie
Korngrenze
Raumbaufehler:
Ausscheidungen weisen
Phasengrenzflächen auf.
Mikroriss
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Ausscheidung
Bzw.
Dispersion
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5
4
3
2
1
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• Verstehen der Metallbindung als Grundlage aller Metalleigenschaften.
• Charakterisierung idealer Raumgitter und Gitterbaufehler in Einkristallen.
• Entstehung von Polykristallen und Baufehlern verstehen.
• Definieren wichtiger Begriffe bei Legierungen wie Komponenten,
Konzentrationen …
• Konstruieren von Phasendiagrammen aus Abkühlkurven.
• Umgang mit Zweistoff-Phasendiagrammen erlernen.
• Erlernen und Zeichnen typischer Gefüge.
4.
Legierungen metallischer Werkstoffe
•
•
•
Phasengleichgewichte
Zweistofflegierungen
Wichtige Zustandsdiagramme
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Legierungen – Wichtige Begriffe
• Legierung: Mischung eines Metalls mit einem oder mehreren anderen Metallen /
Nichtmetallen.
• Komponenten: Chemische Bestandteile der Legierung (A, B, C, Cu, Si, Fe).
• Konzentration: Anteil der Komponenten in Masse-%.
• Massengehalt wA einer Komponente A:
wA=ma/m=Masse der Komponente A /Gesamtmasse der Legierung.
• Stoffmengengehalt oder Komponentengehalt einer Komponente A:
xA=na/n=Stoffmenge A in Mol/Gesamtstoffmenge in Mol.
• System: Gesamtheit aller Legierungen, welche die Komponenten bilden können.
• Phase: Zusammenfassung aller Bereiche eines Systems mit räumlich
konstanten physikalischen und chemischen Eigenschaften (, Al2O3…).
• Homogen: 1 Phase; Heterogen: 2 oder mehr Phasen.
• Zustand einer Legierung: Bestimmt über Phasen,
Phasengehalte, Komponentengehalte.
• Zustandsvariablen: Temperatur T, Druck p, Gehalte xA, xB.
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Legierungen – Wichtige Begriffe
Gleichgewicht: Eine Legierung kann sich in 3 verschiedenen Zuständen befinden:
Labilem Zustand
Metastabilem Zustand
Stabilem Zustand
•Labiler Zustand  stabilen oder metastabilen Zustand (Bsp.
Unterkühltes Wasser wird schlagartig zu Eis).
•Metastabiler Zustand ist ein Ungleichgewichtszustand, die
Umwandlung in einen stabilen Zustand kann länger dauern (Bsp.:
Diamant (metastabil) in Graphit (stabil)).
•Stabiler Zustand ist ein Gleichgewichtszustand, der Zustand ändert
sich also nicht mehr.
Mischbarkeit:
flüssig
fest
Ja
Ja
Ja
Nein
Ja
Teilweise
Energiezustände
einer Probe
E
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labil
stabil
metastabil
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Legierungen metallischer Werkstoffe – Zweistoffgemische
Löslichkeit im
festen Zustand
Erstarrungsvorgang
Vollständig löslich
Homogene Schmelze aus A-und B-Atomen
Homogene Schmelze aus A- und B-Atomen
Kristalle aus
A-Atomen (○)
(A + B)-Mischkristalle (MK), eine Kristallart
mit zwei Komponenten, feste Lösung!
Kristallstruktur
SubstitutionsMischkristall
EinlagerungsMischkristall
Voraussetzungen
Unterschiedlicher
Atomradius < 15%
•Gleicher Gittertyp
•Atomradius sehr
unterschiedlich
Anzahl Phasen
1 Phase = homogen
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Beispiele
unlöslich
CuNi
Kristalle aus
B-Atomen (●)
Legierung ist heterogenes Gemisch aus zwei
Kristallarten
Kristallgemisch
Gemisch aus
Mischkristallen
homogen
2 Phasen =
heterogen
Min. 2 Phasen
C-Atome in Fe
PbSn
AlCu
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x
Legierungen – Zweistoffgemische mit voller Löslichkeit
•
•
•
•
Grundlage sind Eigenschaftsmessungen beim Abkühlen von Schmelzen.
Halte- oder Knickpunkte werden (Beginn und Ende der Erstarrung) ermittelt.
Zustandsdiagramm stellt eine „Landkarte“ für Zweistoffsysteme dar.
Es ist eingetragen, welcher Zustand bei gegebener Zusammensetzung und
Temperatur stabil, also im Gleichgewicht ist.
• 3 Zustandsfelder: Schmelze=flüssig (1 Phase),
Schmelze+Mischkristall=fest+flüssig (2 Phasen)
Mischkristalle=fest (1Phase)
Temperatur-ZeitKurve 
Zustandsdiagramm
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Legierungen – Zweistoffgemische mit voller Löslichkeit
Abkühlung:
40% B in A
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Legierungen – Zweistoffgemische mit voller Löslichkeit
Abkühlung:
Während der Erstarrung ändert sich die
Zusammensetzung der Schmelze (S)
und der Mischkristalle (MK) ständig.
100% S
100% MK
l
lS
lMK
40% B in A
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Legierungen – Zweistoffgemische mit voller Löslichkeit
Bsp. Abkühlung Cu-Ni Legierung (Konzentration fest):
Kupfer und Nickel:
• Gleiche Kristallstruktur
(Cu=kfz, Ni=kfz)
• Annähernd gleiche Grösse
(atomare Ordnungszahl
Cu=29, Ni=28)
• Verträgliche Ladungen
• Annähernd gleiche Anzahl
Valenzelektronen
(Cu=1;Ni=2)
Voraussetzungen für
Löslichkeit erfüllt:
Substitutionsmischkristalle
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Phasendiagramm Cu-Ni
Konstantan
(Cu55Ni45)
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Legierungen – Zweistoffgemische mit voller Löslichkeit
Bsp. Anwendung von Cu-Ni Zustandsdiagramm:
1. Temperatur bei
Beginn und Ende von
Phasenumwandlunge
n bei Konzentration C.
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Legierungen – Zweistoffgemische mit voller Löslichkeit
Bsp. Anwendung von Cu-Ni Zustandsdiagramm:
2. Zusammensetzung der
Phasen in Abhängigkeit
der Temperatur bei
Konzentration C:
C0 Legierung
CL Schmelze (L=liquidus)
CS Kristalle (S=solidus)
Bsp.:
Ausgeschiedenen Kristalle
bei T0 hat 58% Ni und
42% Cu
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T0
CL
C0
CS
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Legierungen – Zweistoffgemische mit voller Löslichkeit
Bsp. Anwendung von Cu-Ni Zustandsdiagramm:
3. Mengenverhältnisse der
Phasen bei bestimmter
Temperatur
(Hebelgesetze)
Bekannt: C0, Cs, CL
Gesucht: Teilmenge von
S,L bei T
(ms, mL)
Mengenbilanz:
mLCL+mSCS=mC0
mL+mS=m
mS=m(C0-CL)/(CS-CL);
mL=m(C0-CS)/(CS-CL)
1. Hebelgesetz: mS/mL = lL/lS
2. Hebelgesetz: mS=m·lL/l=0.25;
m =m·lS/l=0.75
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L
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Legierungen – Zweistoffgemische mit voller Löslichkeit
Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit:
Langsame Abkühlung:
Konzentrationsausgleich
zwischen Kristallen durch
Diffusionsvorgänge.
Schnelle Abkühlung:
nicht im thermodynamischen
Gleichgewicht.
• Ungleichmässige
Konzentration in den
Körnern (Kornseigerung).
• Schichtförmig aufgebaute
Körner mit zum Rand
zunehmendem B-Gehalt.
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Legierungen – Zweistoffgemische mit keiner Löslichkeit
Abkühlungskurven
Zustandsdiagramm
Eutektischer
Punkt
Eutektische
Temperatur
S
(A+B)
}
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Eutektische
Reaktion
Eutektikum
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Zweistoffgemische mit keiner Löslichkeit - Eutektikum
• Gr. eu=gut tekt=bauen ~ das gut gebaute.
• Eutektische Legierungen haben nur einen Schmelzpunkt und keinen Schmelzund Erstarrungsbereich (Soliduslinie = Liquiduslinie).
• Beim Erstarren scheiden sich gleichzeitig alle Bestandteile in sehr feinen
Kristallen ab  gleichmässiges, feines Kristallgefüge, weist eine
charakteristische lamellare Struktur auf und es treten beim Erstarren keine
Entmischungen auf.
• Hat eine ganz bestimmte Zusammensetzung.
• Hat eine bestimmte Erstarrungs- bzw. Schmelztemperatur (Eutektische
Temperatur), die zugleich die niedrigste der ganzen Legierungsreihe ist
(Lötzinn, Schmelzsicherungen, Sprinkleranlagen).
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untereutektisch
S
A+S
Eutektische
Reaktion
A + (A+B)
Erstarrung wird unabhängig von der Legierungskonzentration
mit eutektischer Reaktion (SA+B) abgeschlossen.
übereutektisch
S
B+S
Eutektische
Reaktion
B + (A+B)
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| 39
|
| 40
0°C
Zweistoffgemische mit keiner Löslichkeit - BiCd
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Legierungen – Zweistoffgemische mit begrenzter Mischbarkeit
Eutektische
Legierung:
- Jetzt MK
mit
veränderlicher
Konzentration
S
T=cont
E
Untereutektische
Legierung:
- Keine
Ausscheidung

S
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| 41
Legierungen – Zweistoffgemische mit begrenzter Mischbarkeit
S
+S

 + Segregat
Segregat
(segregare=ausscheiden)
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Zusammensetzung des Gefüges bei 200°C?
1.
2.
mSeg=(10-7)/(78-7)=0.04
m= (78-10)/(78-7)=0.96
|
|
Legierungen – Zweistoffgemische mit begrenzter Mischbarkeit
• Vollständige und keine Löslichkeit sind Grenzfälle, teilweise Mischbarkeit, bei
der Komponenten mehr oder weniger ineinander gelöst werden, die Regel.
 Kristalle der reinen Komponenten sind also nicht mehr vorhanden.
• Sind in Grundgitter der Komponente A Atome der Komponente B eingebaut,
spricht man von einem -Mischkristall (MK).
• ACDB=Soliduslinie; AEB=Liquiduslinie; Löslichkeitslinien B in A und A in B.
• Unterhalb der Löslichkeitslinie erfolgt bei Abkühlung Segregation an den
Korngrenzen (Segregat = Ausscheidung eines festen Bestandteils aus einem
anderen festen Bestandteil).
• Der Bereich, bei dem es zur Eutektikumsbildung kommt wird als
Mischungslücke bezeichnet.
• Durch schnelle Abkühlung wird Segregation verhindert und es gibt übersättigte
Mischkristalle mit stark verzerrtem Gitter.
 härter und spröder als homogene MK (Ausscheidungshärtung).
• Wird auch eutektisches System genannt, Bsp. Für binäre Eutektika: Ag-Si; PbSn.
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Legierungen – Zweistoffgemische mit begrenzter Mischbarkeit
Untereutektische
Legierung:
S
S
T=cont
E
Seg E
Eutektische Reaktion (S) schliesst die Erstarrungsvorgänge
für alle Legierungen mit Cmax< C < Cmax ab.
Übereutektische
Legierung:
S
S
T=cont
E
Seg E
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| 44
0°C
Legierungen – Zweistoffgemische mit begrenzter Mischbarkeit
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Zweistoffgemische mit begrenzter Löslichkeit – Beispiel:
Frage: Zusammensetzung des Gefüges?
1.
E: mE/m=1-(cL-ce)/(c3-ce)=1-(60-40)/(70-40)=1/3
2.
mSeg.max : mmax/m=(c4-c3)/(c4-c0)=20/80=1/4
3.
mSeg: mSeg/m= mmax(cL-ce)/(c3-ce)=1/4·2/3=1/6
4.
m: m/m=1-mE/m- mSeg/m=1-1/3-1/6=1/2
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Zweistoffgemische mit begrenzter Löslichkeit
– Beispiel PbSn (Lötzinn):
Pb80Sn20
Pb40Sn60
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Kompliziertere Phasendiagramme:
Co-Ti System
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Ternäre Phasendiagramme:
Bi-Zn-Sn System
5
4
3
2
1
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• Verstehen der Metallbindung als Grundlage aller Metalleigenschaften.
• Charakterisierung idealer Raumgitter und Gitterbaufehler in Einkristallen.
• Entstehung von Polykristallen und Baufehlern verstehen.
• Definieren wichtiger Begriffe bei Legierungen wie Komponenten,
Konzentrationen …
• Konstruieren von Phasendiagrammen aus Abkühlkurven.
• Umgang mit Zweistoff-Phasendiagrammen erlernen.
• Erlernen und Zeichnen typischer Gefüge.
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