2 Gleichgewichtssysteme

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1 Studieneinheit III Gleichgewichtssysteme. Einstoff-Systeme. Binäre (Zweistoff-) Systeme.. Grundlagen.. Systeme mit vollständiger Mischbarkeit.. Systeme mit unvollständiger Mischbarkeit..4 Systeme mit Dreiphasenreaktionen..4. Eutektische Systeme

2 Zweistoffsysteme mit unvollständiger Mischbarkeit Wenn Hume-Rothery-Bedingungen nicht erfüllt sind, kommt es zu Entmischung beim Überschreiten der Löslichkeitsgrenze Z.B. Kupfer-Zink, d.h. Messing: α α+ β

3 Systeme mit Überstrukturbildung Bindung zwischen Komponenten ist stärker als in den Komponenten selbst Binäre, isomorphe Systeme mit Schmelzpunktmaximum, z.b. Pb-Tl-System Bei tiefen Temperaturen Tendenz zur Überstrukturbildung, d.h. Bildung einer Ordnungsphase

4 Systeme mit Mischungslücke Unterschiedlich große Atomradien führen zu Verspannungen im Kristall fi unterschiedliche Atomsorten sind weniger stark aneinander gebunden Binäre, isomorphe Systeme mit Schmelzpunktminimum, z.b. Au-Ni-System Bei tiefen Temperaturen Tendenz zur Entmischung 4

5 Eutektische Systeme Systeme mit einer Dreiphasenreaktion bei der eine flüssige Phase in zwei feste Phasen umwandelt: L α + β Entstehung aus einem binären, isomorphen System mit Schmelzpunktminimum Zunehmend unterschiedlich große Atomradien führen zu Verspannungen im Kristall fi Mischung ist thermodynamisch weniger stabil Bei tiefen Temperaturen zunehmende Tendenz zur Entmischung 5

6 Bezeichnungen in Eutektischen Systemen Liquiduslinien Begrenzen den Phasenraum der Schmelze nach unten Soliduslinien Begrenzen die Phasenräume der festen Phasen nach oben Eutektikale Isotherme der eutektischen Dreiphasenreaktion Eutektischer Punkt: Jede untere Spitze eines Einphasenraumes einer Flüssigkeit, die nicht einen anderen Einphasenraum berührt Solvuslinien Begrenzen die Einphasenräume der festen Phasen 6

7 Raoultsche Regel Die meisten binären Systeme zeigen ein Abfallen der Liquiduslinie vom Rand her zu tieferen Temperaturen D.h. Schmelzpunkt der Komponenten sinkt mit zunehmenden Fremdstoffgehalt Roultsche Regel Die Gefrierpunktserniedrigung verdünnter Lösungen ist proportional dem Stoffmengengehalt des gelösten Stoffes D.h Liquiduslinien sollten linear, d.h. gerade verlaufen Am Rande meist gut erfüllt 7

8 Gefügeentwicklung in Pb-%Sn Blei-Zinn-System ist Basis für viele Lotsysteme Bis ca. % ist Sn vollständig in Pb löslich Beim Erstarren bildet sich eine einphasige feste Lösung α mit fcc Struktur 8

9 Abkühlung ohne eutektischer Reaktion Temperaturbereich Die Legierung ist einphasig flüssig Temperaturbereich Sobald die Liquiduslinie erreicht ist verliert die Schmelze ihre Stabilität Pb reicher α-mischkristall kristallisiert aus Der α-gehalt nimmt fortlaufend zu Temperaturbereich Legierung ist einphasiger α- Mischkristall Temperaturbereich 4 Sobald die Solvuslinie erreicht ist verliert der α-mischkristall seine Stabilität Es scheiden sich Sn reiche β- Mischkristalle aus Konodenabschnitt c 0 -c α wächst viel stärker als c β -c 0, d.h. der β-gehalt nimmt zu 9

10 Auftreten von Phasenreaktionen bei Abkühlung Bei der Abkühlung bewegt sich der Legierungszustandspunkt senkrecht nach unten Die Phasenzustandspunkte bewegen sich simultan zum Legierungszustandspunkt Phasenreaktionen Wenn sich während der Abkühlung die Gehalte der Phasen ändern Abkühlung ohne Phasenreaktion Legierungszustandspunkt läuft durch einen Einphasenraum Legierungszustandspunkt läuft zwischen zwei Zweiphasenräumen dessen Grenzen senkrecht verlaufen Abkühlung mit Zweiphasenreaktion α β Legierungszustandspunkt läuft zwischen zwei Zweiphasenräumen dessen Grenzen nicht senkrecht verlaufen Verhältnis der Hebelarme der Konode ändert sich Reaktion läuft in einem Temperaturintervall ab 0

11 Gefügeentwicklung in Pb-5%Sn Legierungen mit Sn-Gehalten ~-8% erstarren zunächst zu einer einphasigen festen Lösung α mit fcc Struktur Bei weiterer Abkühlung scheidet sich bei Überschreitung der Löslichkeitsgrenze, d.h. der Solvuslinie, in einer Festkörperreaktion die Phase β mit Diamantstruktur von Sn aus

12 Temperaturbereich Abkühlung mit eutektischer Reaktion Die Legierung ist einphasig flüssig Temperaturbereich Pb reicher α-mischkristall kristallisiert aus, Der α-gehalt nimmt fortlaufend zu Temperaturbereich Schmelze kann nicht weiter abgekühlt werden sondern muss vollständig bei der eutektische Reaktion L α + β zerfallen Definition eutektischer Punkt: Jede untere Spitze eines Einphasenraumes einer Flüssigkeit, die nicht einen anderen Einphasenraum berührt Temperaturbereich 4 Nach eutektischer Reaktion nur noch α und β vorhanden Konodenabschnitt c 0 -c α wächst viel stärker als c β -c 0, d.h. der β-gehalt nimmt zu Aufgabe: Abkühlung einer PbSn-Legierung mit 80% Sn?

13 Gefügeentwicklung in untereutektischer Pb-40%Sn Legierung Bei Legierungen mit ~8-6% Sn bilden sich zunächst primäre α-mischkristalle Die Konzentrationen verändern sich entlang der Liquidus- und Soliduslinie Beim Erreichen der Eutektikalen erstarrt die komplette Restschmelze Zwischen den primären α- Kristallen bilden sich alternierende Lamellen aus α- und β-phase

14 Gefügeentwicklung in eutektischer Pb-6%Sn Legierung Legierung mit ~6% Sn erstarrt komplett beim Erreichen der Eutektikalen Kein Erstarrungsintervall L α+ β Häufig Lammellenstruktur innerhalb der Körner 4

15 Typische eutektische Gefüge Pb-Sn, lamellar Al-Si, acicular Cu-Cu O, globular 5

16 Abkühlkurven übereutektischer AlSi-Legierungen Berechnung der Abkühlkurve 6

17 Thermische Analyse eutektischer Systeme 7

18 Ende Studieneinheit III Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 8

19 Atomradiendifferenz: Au-Ni-System mit Schmelzpunktminimum r r Au Ni = o,44 A 6% o,4 A 9

20 Pb-Tl-System mit Schmelzpunktmaximum 0

21

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4. Legierungsbildung Letzte VL: - Phasenumwandlungen im festen Zustand - Erstellung von Zustandsdiagrammen - Zweistoffsysteme - Kristallseigerungen - Hebelgesetz Heutige VL: - Eutektische Entmischung, eutektoider Zerfall,

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