1 10. Phasendiagramme 10.1 Definition und Konstruktion Konstruktion : 1. G(c), F(c) für feste (S) und flüssige (L) Phase bei Variation der Temperatur 2. Berücksichtigung unterschiedlicher T- Abhängigkeit, z. B. für G S (c) und G L (c) 3. Grenzen der Phasenstabilität festlegen (Tangentenregel) 4. Temperatur-Konzentrations Diagramm für Phasengleichgewichte Definition: Phasendiagramme geben die Existenzbereiche und Grenzen der Gleichgewichts-Phasenstabilität als Funktion der Temperatur T und Konzentration c. G A G B A B T T c L S L A L B S A S B T L (A) T L (B) Dreidimensionale Darstellung der Freie- Enthalpie-Kurven G als Funktion der Temperatur T und der Konzentration c für flüssige (L) und feste (S) Phase einer binären Legierung aus A und B Elementen.
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10. Phasendiagramme...Ersetzen von AB-Bindungen durch AA- und BB-Bindungen erniedrigt Energie Phasenmischung Komponenten der Legierung nur teilweise löslich in der festen Phase keine
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10. Phasendiagramme10.1 Definition und Konstruktion
Konstruktion:1. G(c), F(c) für feste (S) und flüssige (L)
Phase bei Variation der Temperatur2. Berücksichtigung unterschiedlicher T-
Abhängigkeit, z. B. für GS(c) und GL(c)3. Grenzen der Phasenstabilität festlegen
Definition: Phasendiagramme geben die Existenzbereiche und Grenzen der Gleichgewichts-Phasenstabilität als Funktion der Temperatur T und Konzentration c.
GA GB
A B
T Tc
L
S
LA LB
SA SBTL(A) TL(B)
Dreidimensionale Darstellung der Freie-Enthalpie-Kurven G als Funktion derTemperatur T und der Konzentration c fürflüssige (L) und feste (S) Phase einer binärenLegierung aus A und B Elementen.
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10.2 Legierungen mit idealer Mischbarkeit
GT1
c
T2
GG
G
GT3
T5
T4
c
c
c
cc1 c2
T
c1 c2
T1
T2
T3
T4T5
flüssig (L)
fest (S)
L + S
A B A B
A B
A B
A B
A B
Voraussetzung:Vollständiger Konzentrationsausgleichüber Diffusion in flüssiger und festerPhaseBeispiele: Ag-Cu, Cu-Ni, Au-Pt, Co-Pd
T1: nur flüssige Phase stabilT2: Schmelzpunkt der Komponente AT3: Koexistenz beider Phasen imKonzentrationsbereich c1 < c < c2(Doppeltangentenregel)T4: Schmelzpunkt Komponente BT5: fester Zustand stabil für jedes c
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System mit Mischungslücke im Festen: ∆Hmix(S) > 0
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Komplexes System
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10.3 Phasentrennung zwischen Solidus und Liquidus
G
A Bc1 c0 c2
TS < To < TL
L SL + S
GL
GS
Schmelze (L)
Mischkristall (S)
Konode
T
To
A B
L + S
Liquidus
Solidus
c1 co c2
T = To
c1 co c2
f1
f(cL)L
S
00 1
f(cS)
- Freie Enthalpiekurven- Doppeltangente- Phasengleichgewicht- Koexistenz L + S zwischen Liquidus und Solidus im Konzentrationsbereich c1 < co < c2
- Hebelgesetz- Konzentrationen cS und cL
Konode: Thermisches Gleichgewichtslinie im Gebiet der Phasentrennung
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c0: Nominalkonzentration
T1
T2
T3
T4
T5
: S mit c1 L mit c1 ≈ c0
: S mit c2 L mit c2
: S mit c4 L mit c4
: S mit c5≈ c0 L mit c5
: S mit c3 L mit c3
Konzentrationsänderungen in fester und flüssiger Phase im Zweiphasengebiet beiAbkühlung einer Schmelze
TL
S
T1
c4(S)
T2T3T4
c1(L) c3(S)c5(L) c2(S)c4(L) c1(S)c3(L) c5(S)c2(L)
T5
A Bc
c0
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10.4 Eutektische Systeme
Struktur der Komponenten Aund B ist unterschiedlich
2 VAB > VAA + VBB
Ersetzen von AB-Bindungen durch AA- und BB-Bindungen erniedrigt Energie
Phasenmischung
Komponenten der Legierung nur teilweiselöslich in der festen Phasekeine intermetallischen Phasen
G
cA B
α1 α1 + α2 α2
c1 c2
G
cA B
α α + β β
c1 c2
Gα Gβ
Struktur der Komponenten Aund B ist gleich
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T
Te
cA B
ce
α βα + β
L
α + Lβ + L
1
2
3
c1 c220 40 60 800 100
Verschiedene eutektischeGefüge:
lamellar stabförmig
globular azirkular
Gefüge eutektischer Systeme
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10.5 Phasenregel
Anwendung der Gibbs'schen Phasenregel auf den eutektischen Punkt:
f = n - r + 1, n = 2 Komponenten, r = 3 Phasen, α, β. L f = 0!
Eutektischer Punkt ist invariant! Eutektische Legierungen schmelzen kongruent!
Eutektische Legierungen sind von praktischer Bedeutung:
Gußeisen: Fe + 4% C: Te = 1403 KLötzinn: Sn + 40%Pb: Te = 850 K; Pb + 33% Sn: TL = 510 KKokillenguss: Al + 12% Si: Te = 850 KWood’s Metall: 50% Bi, 27% Pb, 13% Sn, 10% Cd: Te = 340 K
Niedrige Schmelztemperaturen von eutektischen Legierungen verursachen auchSchwierigkeiten:
• wenn durch (lokale) Kontamination eines Metalls dessen Schmelzpunkt abgesenkt wird Beispiel: Schwefel-Verunreinigungen in Stählen, Bildung von eutektischen Fe-Sulfiden in Korngrenzen Brechen der Werkstücke beim Walzen oder Schmieden
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10.6 Eutektikum mit Retrograde und Fe-C
A B
TSchmelze (L)p
q
r
s
c1
α1
α2
L + α1 L + α2
α1 + α2
Tp
Tq
TrTs
c
Tp
Tq
Tr
Tr<T<Ts
Beginn des Erstarrens
Koexistenz L + S(α1)
Ausschließlich S
teilweises Wieder-aufschmelzen
Koexistenz L + S(α1)
Ausschließlich S, α1 + α2Te=Ts
Tp<T<Tq 400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 1 2 3 4 5
Ferrit (α)Ferrit + Zementit
Austenit + Zementit
Austenit (γ.)
Austenit + Schmelze
Schmelze +Zementit
Schmelze
δ + Schmelzeδ
δ + γ .
Tem
pera
tur °
C
C-Konzentration Gew.%
Fe3C: Zementit
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Erstarrung einer eutektischen Legierung mit nicht-eutektischer Konzentration
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10.7 Peritektika
Peritektika enstehen ähnlich wie die Eutektika, aber in Legierungen, derenKomponenten A und B ganz unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen.
Reaktion:L + α β
Diffusion in fester Phase a notwendig sehr träge Reaktion
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Peritektische Legierung mit metastabiler Michungslücke
.
1600
1400
600
1200
800
1000
10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
1768 K
Cu
Co
Magnetische Transformation 1323 K
Co CuCu-Konzentration
1385 K
1358 K
Tem
pera
tur [
K]
1800 Binodale:
Bei Unterschreitender Binodale entmiscvhtie homogene Schmelze in eine Co-reiche Schmelze L1und in eine Cu-reicheSchmelze L2
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10.8 Systeme mit intermetallischen Phasen
Intermetallische Phasen tretenbesonders in Legierungen auf,in denen mindestens eine derLegierungskomponenten gerichteteBindungsanteile (z.B. kovalente)aufweist.
Legierungen, in denen die Komponenten stark ausgeprägtes Ordnungsverhaltenzur Ausbildung atomarer, stöchiometrischer Verbindungen AxBy aufweisen, bildenintermetallische Phasen
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10.9 Thermoanalyse
dHf = TmdSf
dH = CpdT
∆Hf: Kristallisationswärme
H
HL
HS
∆Hf = HL - HS
Cp(L)
Cp(S)
TTm
Enthalpie: H = U - PV dH = dU - PdV - VdP
dP=0: dH = dU - PdV = dQ
T = Tm: dG = 0dG = dH - TdS
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x-t Schreiber
Haltepunkt bei T = TmKongruent schmelzende Metalle- reine Metalle- eutektische Legierungen- intermetallische Phasen
•
••
Regeleinheit
Ofen
Thermoelement T
t
Probe
Tm
Voraussetzung:- langsames Abkühlen- keine Unterkühlung- quasistationäre Bedingungen (Gleichgewicht)
Temperatur-Zeit Kurven:
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LegierungReines Metall
Tem
pera
tur
Zeit
Tm = 1356 K
Cu
Cu-SchmelzeKristallite inder Schmelze
Kristall Tem
pera
tur
Zeit
TL = 1589K
TS = 1522 K
Ni50Cu50
Erstarrungs-intervall
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• •
+ +
B A
Th2 Th1
∆U(∆T)
MH
∆U:
∆T:
Th:
M:
H:
A:
B:
Differenz-Thermospannung
Differenz-Temperatur
Thermoelement
Massiver Metallblock
Elektrische Widerstandsheizung
Probentiegel
Referenztiegel mitinerter Substanz
D: Wärmedämmschicht
D
Differenz-Thermo-Analyse (DTA): Messung an Probentiegel und Referenztiegel
AB∆T
Tmτ
τ
Tm
A, B: T-t Profile von Referenz- und ProbentiegelTm: kongruenter Schmelzpunkt
ZeitZeit
Tem
pera
tur
Dif
fere
nz-T
emp.
Wichtig:- Homogene Temperaturverteilung- konstante Heiz- und Kühlraten- guter Wärmekontakt zwischen Probe und Tiegel- keine Umwandlungen in der Referenzprobe