3. Mikrostruktur und Phasenübergänge

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1 3. Mikrostruktur und Phasenübergänge Definition von Mikrostruktur und Gefüge Gefüge bezeichnet die Beschaffenheit der Gesamtheit jener Teilvolumina eines Werkstoffs, von denen jedes hinsichtlich seiner Zusammensetzung und hinsichtlich der räumlichen Anordnung seiner Bausteine in erster Nährung homogen ist. Mikroskopische Gefügebestandteile: 1 nm L 100 µm 3.1. Gefüge Das Gefüge bestimmt maßgeblich die Eigenschaften von Werkstoffen! Beispiel: Schiene

2 3.1. Gefüge Gefügetypen Duplexgefüge Dualgefüge Netzgefüge Typ Volumenanteile Phasengrenzen Duplex V α V β α - α α - β β - β Dual V α > V β nein Netz V α V β nein domin. mög. Dispersionsgefüge Dispersion Lamellen V α >> V β V α V β selten domin. nein selten Lamellengefüge 3.1. Gefüge Mikrostrukturentwicklung Kristallisation Erstarrung (solidification) Kristallisation aus Lösungen flüssig - fest technisch am wichtigsten! Strangguss Sublimation gasförmig - fest PVD,CVD elektrolytische Abscheidung

3 Zustandsdiagramme (Phase diagrams) Charakterisierung der äußeren Parameter, bei denen ein Werkstoffzustand stabil existieren kann Zustandsgrößen oder Zustandsvariable: 1. Druck p 2. Temperatur T 3. Chemische Zusammensetzung; Konzentration c oder Molenbruch x (Einstoffsysteme, Mehrstoffsysteme) Komponenten: die zum Aufbau des Werkstoffs erforderlichen reinen chemische Elemente Phasen: Bereiche unterschiedlicher Eigenschaften, die durch Grenzflächen voneinander getrennt sind Einkomponentensystem (Beispiel: reines Metall) Aggregatzustand = f (Druck, Temperatur) P p-t-diagramme - Innerhalb eines Phasenfieldes: ein Phase thermodynamisch stabil - Grenzlinie: 2 Phasen im GG - Tripelpunkt: 3 Phasen im GG T

4 Einkomponentensystem (mit mehreren festen Phasen) Einstoffsystem mit 3 festen Phasen α, β and γ sowie Schmelze und Dampfphase P Mehrere Tripelpunkte T Gibbs sche Phasenregel Es gibt eine Zusammenhang zwischen der Anzahl der Komponenten K, der Anzahl der Phasen P und der Zahl der Freiheitsgrade F F = K P + 2 Beipiel (für Einstoffsystem K = 1): - Im Tripelpunkt P = 3, somit F = = 0 P und T sind festgelegt - innerhalb ein Phasenfeldes P = 1 und somit F = = 2 P sowie T können variieren - in einer Grenzlinie P = 2, somit F = = 1 P (bzw. T) kann nur als Funktion von T (bzw. P) variieren

5 Mehrstoffsystem (Binärsystem) Fe-C-Diagramm Mehrstoffsystem Ternäres System Übergang vom binären in ternären System binäre ternäre Phasenräume Phasenflächen Phasenumwandlungskurven Phasenumwandlungsflächen

6 Ternäres System (2) Ternäres System (3)

7 Thermodynamische Aspekte (1) Der Aggregatzustand eines Materials kann durch Zuführen/Entziehen von innerer Energie geändert werden Enthalpie: H = U + p V innerer Energie Verdrängungsenergie (Ausdehnungsarbeit) Enthalpie: Maß für den Energieinhalt eines Systems H = f(t) H m «H v H m : Schmelzenthalpie H v : Verdampfungsenthalpie Thermodynamische Aspekte (2) Entscheidendes Kriterium für Gleichgewicht ist die freie Enthalpie G (Gibbs- Enthalpie) G = H - T S = U + p V -T S Entropie (S): Maß für den Ordnungszustand thermodynamische Systeme bzw. für die Irreversibilität der in ihnen ablaufenden thermod. Prozesse. Bei fester Temperatur und konstantem Druck wird das thermodynamische GG durch das Minimum der freien Enthalpie bestimmt. dg = 0 (T, p = konst.) G GG = G minimum G < 0 für freiwillig ablaufende Prozesse

8 Einfluss der Entropie S bei anwachsender Temperatur auf die freie Enthalpie für die verschiedene Phasen G = H - T S f: flüssig k: kristallin Keimbildung (Nucleation) Wofür wird G gebraucht? Kristallisation verläuft über Keimbildung und wachstum (Keim = Nucleus) Keimbildung ist mit Änderung von G verbunden G = - G volume + G surface G volume G surface (1) G volume bei Phasenübergang frei werdend (2) G surface zum Aufbau der Grenzfläche nötig

9 Verlauf der Funktion G(r) für kugelförmige Keime: Keimbildung (2) (1) r < r c : Keime thermodynamisch instabil, da zum Wachstum ein höher G ist nötig (für kleine Radien ungünstige Verhältnis von Oberfläche zu Volumen) (2) r > r c : stabile Keime Homogene Keimbildung Keimbildung (3) Heterogene Keimbildung Ein Teil der Keimoberfläche kann durch die Wand oder Teilchenoberfläche bereitsgestellt werden H het < H 0 r c het < r c0

10 Keimwachstum durch Anlagerung von Atomen aus der flüssigen Phase dabei Einbau nach Prinzip des höchstmöglichen Energiegewinns G G k G f Keimwachstumsgeschwindigkeit ist von T abhängig: G k < G f T Gk > Gf T S T Keimwachstum (2) Verhältnis von Keimbildungshäufigkeit und Keimwachstumsgeschwindigkeit bestimmt die Art des entstehendes Gefüges

11 Keimwachstum (3) Beispiel: Gefüge eines Gussblockes (cast iron) Schematische Abbildung des Gefüges reale Gefüge Keimwachstum (4) Beispiel: dendritische Wachstum Photomikrograph einer Ni-basis Superlegierung

12 Umwandlungen in feste Zustand Polymorphie = Ausbildung unterschiedlicher Kristallstrukturen in Abhängigkeit von Durck und Temperatur Bei reinen Metallen: Polymorphie wird Allotropie bzw. allotrope Modifikationen genannt. Grund für die Phasenumwandlung: Minimierung der freien Enthalpie G, wobei die Differenzen der freien Enthalpie G für verschiedene Kristallmodifikationen relativ gering sind. Beispiel: Umwandlung von Na von krz in hdp Umwandlungswärme Bindungsenergie / 1000