4.Legierungen. 4.Legierungen

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1 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 Beispiel für Unlöslichkeit im festen Zustand Ni-Ag: 30 gew.% Ni 70 gew.% Ag

2 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 m k C C 2 = C 2 C m s Beispiel: Ag-Au Beispiele: Ag-Au, Cu-Ni

3 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. Beispiel eutektischer Mikrostrukturen: RuAl-Ru Hypoeutektische Eutektische Hypereutektische

4 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. β- Mischkristalle (solid solution) a) Eutektische Entmischung: T=konst. eutektische Reaktion: S α + β - Auftreten von neuen Phasenumwandlungskurven im festen Zustand: Löslichkeitsgrenzen der α- und β- Mischkristalle für die jeweils andere Komponente (B bzs. A): Solvus-kurve - Bei absinkender Temp.: Überschreiten der Löslichkeitsgrenze und Ausscheiden in Form von Korngrenzen-Segregation

5 Ausscheidungen Ausscheidungen in hitzebeständigem Stahl (Crom-Nickel-Stahl) (Lichtmikroskop 800x) Sigma-Phase (FeCr) Beispiel: Ag-Cu Beispiele: Ag-Cu, Al-Zn, Pb-Sb

6 Systeme mit Löslichkeit in flüssiger Phase und begrenzter Mischbarkeit im Festen peritektisches System peritektische Reaktion: T=konst. S + β α Beispiel: Pt-Re

7 Beispiel eines wichtigen binären Systems Cu-Zn 4.2. Mischkristalle Substitutionsmischkristall Einlagerungsmischkristall (interstitial) mir regelloser Verteilung geordnete

8 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 4.2. Mischkristalle Einfluss der Atomradienunterschiede Gitterverzerrung Änderung der Gitterparameter (a)

9 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) 4.2. Mischkristalle Einfluss von Lücken auf die Löslichkeitsgrenze (gap size) r C /r Fe = 0,61 γ: kfz r/r A = 0,41 2,08 Gew% α: krz r/r A = 0,154 0,02 Gew%

10 4.2. Mischkristalle Einfluss von Lücken auf die Löslichkeitsgrenze kfz krz (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.

11 Beispiel: nicht stöchiometrische Phasen Al RuAl: Ru Beispiel: stöchiometrische Phasen

12 Die Bindung in intermetallischen Phasen kovalente Bindung Metallische Bindung 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)

13 Wichtiges Beispiel: Ni 3 Al Basis der Ni-Superlegierungen Ni-Superlegierung Gefüge von Ni 3 Al γ Ni3Al γ Ni (kfz)

14 Anwendungen von Ni-Superlegierungen: Turbinenschaufel Anwendungen von Ni-Superlegierungen: Turbinenschaufel

15 Turbinenquerschnitt