Werkstoffe der Elektrotechnik im Studiengang Elektrotechnik

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1 Werkstoffe der Elektrotechnik im Studiengang Elektrotechnik - Stoffgemische - Prof. Dr. Ulrich Hahn WS 2008/2009

2 welche Stoffgemische gibt es? technisch relevante Stoffgemische: Lösung Suspension Legierung Suspension {Verbund- werkstoffe} Mischung der reinen Stoffe (Komponenten) im molekularen Maßstab Tröpfchen /feste Teilchen in Flüssigkeiten Mischung Metallen, Metall Nichtmetall (metallischer Charakter) Mischung fein gemahlener Feststoffe, gepreßt bei hohen Temperaturen (HIP) makroskopisch strukturierte Gemische Eigenschaften stark abhängig von: Zusammensetzung Druck Temperatur Design von Werkstoffen Stoffgemische 2

3 Konzentration Konzentration:= relativer Anteil einer Komponente am Gemisch Konzentration:= relativer Anteil einer Komponente am Gemisch Masseprozent (Gewichtsprozent) C m m A A : = (*100); ma + mb Molprozent C (Atomprozent) m m B m B : = (*100); C + m B = 1 ma + m A C B ν A C ν A : = (*100); ν A + ν B Volumenprozent ν B C ν B : = (*100); ν A + ν B C V : = (*100); C V : = (*100); V A V B A B VA + VB VA + VB Stoffgemische 3

4 Legierungen Stoffgemische, mindestens 1 Metall-Komponente Metall-Eigenschaften Komponente 1 Komponente 2 Komponente 3 Legierung Phase (1) Phase (1) Phase (2) Phase (2) {K 1, K 2} {K 2, K3} Phase: Stoff/ ~gemisch mit gleichen physikalischen Eigenschaften Aggregatzustand Kristallstruktur Magnetisierung thermische Eigenschaften Phasenausbildung abhängig von T, P, C Zustandsdiagramm thermisches Gleichgewicht Stoffgemische 4

5 Gibbssche Phasenregel wieviel Phasen können gleichzeitig in einem Stoffgemisch vorkommen (koexistieren)? J. W. Gibbs: p = k f + 2 P fest (Umgebung) p = k f + 1 Beispiel: p: Zahl der koexistierenden Pasen k: Zahl der Komponenten im Gemisch f: Zahl der frei wählbaren physikalischen Größen, z. B. T, P, C Einphasengebiete Zweiphasengebiete Dreiphasengebiete Stoffgemische 5

6 Zustandsdiagramme: experimentelle Ermittlung Bei welchem T, C, (P) liegen welche Phasen vor? Strukturanalyse Thermoanalyse Abkühlkurven: T(t) Verlauf eines Gemisches Beispiel Wasser (reiner Stoff): T Dampf T 100 C Kondensation f = k p +1 = 0 Wasser T Umw. = const 0 C Erstarrung Eis t Stoffgemische 6 1 C

7 Zustandsdiagramme: experimentelle Ermittlung Beispiel Eisen (reiner Stoff): T 1528 C 1401 C 898 C 768 C Curie-T Schmelze δ - Fe (krz) γ - Fe (kfz) Änderung der Kristallstruktur 28,5 J/g β - Fe (krz) 7,5 J/g α - Fe (krz) Stoffgemische 7 t 270 J/g 10,5 J/g Platzwechsel der Atome Änderung der Packungsdichte Volumenänderung d. Kristalls

8 binäre Legierungen (2 Komponenten) vollständige Löslichkeit im festen Zustand Bildung von (Substitutions-) Mischkristallen beliebiger Konzentration gleiche Kristallstruktur wie die Komponenten Komponenten chemisch ähnlich Elektronengase der Komponenten ähnlich ähnliche Atomgrößen Verzerrung des Gitters: Verteilung der Atome: statistisch geordnet: meist intermetallische Verbindungen Stoffgemische 8

9 Zustandsdiagramm (vollst. Löslichkeit) Abkühlkurve einer Cu Ni Legierung: T 1381 C 1310 C 2 Knickpunkte Beginn der Kristallisation Schmelztemperatur vollständige Erstarrung Schmelz- temperatur- intervall t Lage der Knickpunkte: konzentrationsabhängig ngig zwischen den T schmelz der Komponenten Stoffgemische 9

10 Zustandsdiagramm (vollst. Löslichkeit) T obere Knickpunkte: Liquiduslinie oberhalb: Legierung vollständig flüssig untere Knickpunkte: Soliduslinie unterhalb: Legierung vollständig erstarrt dazwischen: Zweiphasengebiet Linsenform: unterschiedliche Kohäsion der Komponenten in Kristall & Schmelze Stoffgemische 10

11 T binäre Legierung: Zweiphasengebiet Legierung, Zusammensetzung c 0 : Zweiphasengebiet Gibbs: f = k p + 1 = T 1 als freie Größe gewählt: T 1 Konzentrationen der Phasen fest ck c 0 cs c Liquiduslinie: c Schmelze Soliduslinie: c Kristall Nebenbedingung: Gesamtkonz. c 0 Mengen von Schmelze und Kristall Hebelgesetz Hebelgesetz : ( c 0 A c ) m = ( c c ) m K A K S A 0 A S Stoffgemische 11

12 T 1 T 2 3 Konzentrationsverläufe im 2-Phasengebiet T A K c 1 K c 2 c 0 = c 1 K c = 0 c3 S S c 2 S c 3 Legierung mit c 0 : Abkühlen der Schmelze B c Abkühlung auf T 1 Beginn der Erstarrung Kristalle: viel A-Komponente Abkühlung auf T 2 2 Phasengebiet Abkühlung auf T 3 Legierung vollständig erstarrt Schmelze: viel B-Komponente Konzentration c K ändert sich während der Abkühlung von T 1 T 3 Diffusion Gleichgewichtskonzentration langsames Abkühlen homogene Konzentration Stoffgemische 12

13 Konzentrationsverläufe im 2-Phasengebiet schnelles Abkühlen inhomogene Konzentration im Kristall Anwendung: Zonenschmelzen Konzentrationsunterschiede im 2-Phasengebiet ausnutzen zur Reinigung hochschmelzende Komp. Kristall niedrigschmelzende Komp. Schmelze Stoffgemische 13

14 Abweichungen von der Linsenform größerer Unterschied der Komponenten Behinderung der Mischkristallbildung Legierung flüssig auch bei T < T AS, T S B Liquidus- und Soliduslinie: Minima Abkühlkurve: Plateau bei c Minimum azeotropes Gemisch schmelzen ohne Änderung T Minimum Minimum < T AS, T S B Stoffgemische 14

15 keine Löslichkeit im festen Zustand Komponenten: stark unterschiedliche Kristallstrukturen Kristallgemisch Kristallgemisch der Reinkristalle Abkühlen der Schmelze: Ausscheiden von Reinkristallen höherschmelzende Komponente Erstarren der Restschmelze niedrigschmelzende Komponente einheitliche Erstarrungstemperatur Soliduslinie: L - Form Stoffgemische 15

16 keine Löslichkeit im festen Zustand (häufiger) Sonderfall: Reinkristalle gleichartige Nachbarn Kristallbildung behindert niedrigere Erstarrungstemp. Minimum der Liquiduslinie eutektisches System eutektische Temperatur eutektische Konzentration dort gilt: f = = 0 vollst. Erstarrung d. Schmelze Das Eutektikum verhält sich wie ein reiner Stoff Das Eutektikum verhält sich wie ein reiner Stoff T Eutektikum Eutektikum < T AS, T S B Stoffgemische 16

17 eutektisches System: Abkühlkurven Überschreiten der Liquiduslinie: Knickpunkte Überschreiten der Soliduslinie: Plateaus / Haltepunkte Schmelze erstarrt immer bei T eutekt, c eutekt, unabhängig ngig von c 0 eutekt eutekt Stoffgemische 17

18 eutektische Systeme: Kristallgefüge Eutektikum untereutektische Legierung übereutektische Legierung feinverteilte Kristalle der Komponenten große A-Kristalle, Eutektikum große B-Kristalle, Eutektikum Stoffgemische 18

19 begrenzte Löslichkeit im festen Zustand Kristalle der Komponenten können begrenzt Fremdatome aufnehmen Löslichkeitslinie Mischkristall - Kristallgemisch hohe Temperatur größere Löslichkeit Unterschreiten d. Löslichkeit: Ausscheiden der überfl berflüssigen ssigen Fremdatome sekundärer Mischkristall Stoffgemische 19

20 T S Peritektische Systeme unterhalb einer Grenztemperatur: Zerfall einer Phase in 2 andere Umwandlung einer Phase in eine andere T T P S + α S + β β α α + β A c c1 c P 2 Grenztemperatur: Grenzkonzentration: peritektische B c t peritektische Temperatur peritektische Konzentration T > T P : α T = T P, c > c P : β und α koexistieren Stoffgemische 20

21 intermetallische Verbindungen chemische Verbindung der Komponenten geeignete Kristallstruktur A n B m AuSn 2 AuSn 4 Mg 2 Pb stabiler als Legierungen anderer Konzentrationen höherschmelzend herschmelzend Liquidus-, Soliduslinien: Maximum Stoffgemische 21

22 intermetallische Verbindungen kongruent schmelzende Verbindung: T Schmelze Verbindung 1 Phase 1 Phase Abkühlkurve reiner Stoff Plateau Stoffgemische 22

23 intermetallische Verbindungen inkongruent schmelzende Verbindung: Schmelze und Mischkristall Verbindung 2 Phasen 1 Phase peritektische Temperatur Stoffgemische 23

24 intermetallische Verbindungen Kristalle der Verbindungen können Fremdatome aufnehmen: Homogenitätsbereiche tsbereiche kongruent schmelzende Verbindung γ inkongruent schmelzende Verbindung γ Stoffgemische 24

25 Technisch relevante Legierungen Fe - C Pb - Sn Ag - Cu Cu - Zn Cu - Sn Al - Cu Fe - Ni Stahl, magnetische Werkstoffe Weichlot Hartlot Messing Bronze Duraluminium weichmagnetische Werkstoffe Stoffgemische 25

26 Gemisch aus 3 Komponenten Ternäre Legierungen Phasendiagramm dreidimensional Grundfläche: Konzentration gleichseitiges Dreieck Seiten: bilaterale Konzentrationen Beispiel: 50% A, 20% B, 30% C Beachten: c A + c B + c C = 1 Höhe: Temperatur Zweidimensionale Schnitte bei bestimmten Temperaturen Stoffgemische 26

27 Stoffgemische 27 Ternäre Legierungen

28 Ternäre Legierungen Stoffgemische 28

29 Einfluß auf die mechanischen Eigenschafen Härten: Behinderung von plastischer Deformation Behinderung der Bewegung von Versetzungen Kaltverformung: Fehlstellen, Versetzungen erzeugen Mischkristallhärtung: von Fremdatomen an Versetzungen Deformation der Kristallstruktur, Anreicherung Disperionshärtung: Teilchen im statistisches Verteilen kleiner Gefüge Ausscheidung: sekundäre Mischkristalle Reaktion: Gase (O 2 ) harte Oxide hochwarmfest Umwandlung: Änderung der Kristallstruktur Martensit Memorymetalle Homogenisieren, Erweichen: Ausheilen von Kristallfehlern Lösen dispergierter Teilchen Glühen Stoffgemische 29

30 Stahlhärten durch Abschrecken Martensitumwandlung hohe Temperatur: Austenit (kfz) C als Zwischengitteratome in der Würfelmitte Abschrecken: Unterdrücken der Perlitbildung aber: Entstehung von Ferrit (krz) C auf den Würfelkanten Zwischengitteratome dehnen das Gitter Bildung von Martensitplatten Martensitumwandlung: diffusionslose Phasenumwandlung im Festen Martensitumwandlung: diffusionslose Phasenumwandlung im Festen Stoffgemische 30

31 Formgedächtnislegierungen Reversible Martensitumwandlung bei NE-Metallen Verformung in der Martensitphase Erwärmung in die Austenitphase Zustand vor der Verformung Stoffgemische 31

32 Phasendiagramm Fe - C Stoffgemische 32

33 Phasendiagramm Pb - Sn Stoffgemische 33

34 Phasendiagramm Al -Cu Stoffgemische 34

35 Phasendiagramm Cu - Zn Stoffgemische 35

36 Phasendiagramm Cu - Sn Stoffgemische 36