4.Legierungen 4.Legierungen
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4.Legierungen 4.1. Konstitutionslehre a) Systeme mit völliger Unlöslichkeit in Schmelze und Festkörper (Unlöslichkeit = Insolubility) - keinerlei Mischung im atomaren Bereich - Monotektisches Zustandsdiagramm - Beispiele: Cu-Pb, Fe-Pb, Cu-W Löslichkeit, Mischbarkeit = Solubility Löslichkeit eher für Flüssigkeiten Mischbarkeit eher für Feststoffe Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.1. Konstitutionslehre Beispiel für Unlöslichkeit im festen Zustand Ni-Ag: 30 gew.% Ni 70 gew.% Ag Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 1 4.Legierungen 4.1. Konstitutionslehre b) Systeme mit völliger Mischbarkeit in fester und flüssiger Phase - atomare Mischung mit statistischer Verteilung der Komponenten • Auftreten von Liquidusund Soliduskurve • Koexistenzbereich von homogener Schmelze und Austauschmischkristallen • Mengenanteile im Zweiphasengebiet werden durch das Hebelgesetz bestimmt mk ms Functional Functional Materials Materials = C – C2“ C2‘ – C Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.1. Konstitutionslehre Beispiel: Ag-Au Beispiele: Ag-Au, Cu-Ni Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 2 4.Legierungen 4.1. Konstitutionslehre c) Systeme mit Löslichkeit in flüssiger Phase und Unmischbarkeit im Festen - Schmelztemperatur der reinen Komponenten erniedrigt sich durch Zulegieren der Zweiten - Schnittpunkt: eutektischer Punkt Gleichgewicht von 3 Phasen: Schmelze, A und B - Auftreten von guten mechanischen Eigenschaften wegen des feinen Gefüges - Beispiele: Zn-Sn; Bi-Cd; Al-Sn. Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.1. Konstitutionslehre Beispiel eutektischer Mikrostrukturen: RuAl-Ru Hypoeutektische Functional Functional Materials Materials Eutektische Hypereutektische Saarland Saarland University University 3 4.Legierungen 4.1. Konstitutionslehre d) Systeme mit Löslichkeit in flüssiger Phase und begrenzter Mischbarkeit im Festen eutektische System Vollständige Mischbarkeit bzw. Unmischbarkeit sind in gewisser Weise Grenzfälle Häufig treten Systeme mit teilweiser Mischbarkeit auf: Mischungslücke (miscibility gaps) Auftreten neuer Phasen α- bzw. βMischkristalle (solid solution) Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.1. Konstitutionslehre a) Eutektische Entmischung: eutektische Reaktion: S T=konst. → α+β - Auftreten von neuen Phasenumwandlungskurven im festen Zustand: Löslichkeitsgrenzen der α- und βMischkristalle für die jeweils andere Komponente (B bzs. A): Solvus-kurve - Bei absinkender Temp.: Überschreiten der Löslichkeitsgrenze und Ausscheiden in Form von Korngrenzen-Segregation Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4 4.Legierungen 4.1. Konstitutionslehre Ausscheidungen Ausscheidungen in hitzebeständigem Stahl (Crom-Nickel-Stahl) (Lichtmikroskop 800x) Sigma-Phase (FeCr) Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.1. Konstitutionslehre Beispiel: Ag-Cu Beispiele: Ag-Cu, Al-Zn, Pb-Sb Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 5 4.Legierungen 4.1. Konstitutionslehre Systeme mit Löslichkeit in flüssiger Phase und begrenzter Mischbarkeit im Festen peritektisches System peritektische Reaktion: S+β T=konst. → α Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.1. Konstitutionslehre Beispiel: Pt-Re Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 6 4.Legierungen 4.1. Konstitutionslehre Beispiel eines wichtigen binären Systems Cu-Zn Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.2. Mischkristalle Substitutionsmischkristall mir regelloser Verteilung Functional Functional Materials Materials Einlagerungsmischkristall (interstitial) geordnete Saarland Saarland University University 7 4.Legierungen 4.2. Mischkristalle Substitutionsmischkristalle zu erwarten wenn (Regeln von Hume-Rothery): 1. gleicher Gittertyp 2. Atomradienunterschied ≤ 10 - 15% 3. ähnliche Elektronenstruktur der Komponenten Bei Verletzung einer dieser Regeln ist die Löslichkeit der Komponente in der Matrix sehr eingeschränkt Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.2. Mischkristalle Einfluss der Atomradienunterschiede Gitterverzerrung Änderung der Gitterparameter (a) Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 8 4.Legierungen 4.2. Mischkristalle Einlagerungsmischkristalle - Packungsdichte < 100% - Freiräume (Gitterlücken), in die kleine Atome eingelagert werden können (in technischen Legierungen vor allem H, B, C und N) - Einlagerung so, dass möglichst geringe Verzerrungen auftreten (größte Gitterlücken bevorzugt) Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.2. Mischkristalle Einfluss von Lücken auf die Löslichkeitsgrenze (gap size) rC/rFe = 0,61 γ: kfz ⇒ r/rA = 0,41 2,08 Gew% α: krz ⇒ r/rA = 0,154 0,02 Gew% Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 9 4.Legierungen 4.2. Mischkristalle Einfluss von Lücken auf die Löslichkeitsgrenze kfz krz Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.3. Intermetallische Phasen (intermetallic compound) Bei der Reaktion von metallischen Elementen können Verbindungen in chem. Sinne entstehen, die - dominierend metallischen Bindungscharakter und - eine von den reinen Elementen abweichende Kristallstruktur aufweisen. Es besteht zwischen ungleichen Elementen eine stärkere Bindung als zwischen gleichartigen Atomen. Jedes Atom ist bestrebt, sich mit möglichst vielen ungleichen Atomen zu umgeben. Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 10 4.Legierungen 4.3. Intermetallische Phasen Beispiel: nicht stöchiometrische Phasen RuAl: Al Ru Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.3. Intermetallische Phasen Beispiel: stöchiometrische Phasen Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 11 4.Legierungen 4.3. Intermetallische Phasen Die Bindung in intermetallischen Phasen kovalente Bindung Metallische Bindung Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.3. Intermetallische Phasen Eigenschaften intermetallischer Phasen 1. hohe Härte (hardness) 2. hoher Schmelzpunkt (melting points) 3. hohe spezifische Festigkeit bei hoher Temperatur (specific strength) 4. hoher spezifischer E-Modul bei hoher Temperatur (Young´s modulus) 5. Beständigkeit gegen Verschleiß (resistance to wear) 6. gute Korrosionsbeständigkeit (corrosion resistance) Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 12 4.Legierungen 4.3. Intermetallische Phasen Wichtiges Beispiel: Ni3Al Basis der Ni-Superlegierungen Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.3. Intermetallische Phasen Ni-Superlegierung Gefüge von Ni3Al γ´ Ni3Al Functional Functional Materials Materials γ Ni (kfz) Saarland Saarland University University 13 4.Legierungen 4.3. Intermetallische Phasen Anwendungen von Ni-Superlegierungen: Turbinenschaufel Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 4.Legierungen 4.3. Intermetallische Phasen Anwendungen von Ni-Superlegierungen: Turbinenschaufel Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 14 4.Legierungen 4.3. Intermetallische Phasen Turbinenquerschnitt Functional Functional Materials Materials Saarland Saarland University University 15