Werkstoffkunde I WS 05 06 Episode 5 ppt

2.7 Phasenlehre Seite 97 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Intermediäre bzw. intermetallische Phasen Bei intermediären Phasen sind neben der metallischen Bindung noch andere Bindungsarten (kovalent, Ionenbindung) wirksam. Die Bindungs- form liegt daher zwischen der reinen metallischen und der chemischen Bindung. Wenn die Verbindungen nur aus Metallen bestehen, dann werden sie auch als intermetallische Phasen bezeichnet. Intermediäre Kristalle übertragen ihre Eigenschaften auf die gesamte Legierung, daher sind i.A. auch nur Gehalte von wenigen Prozent zulässig. 10 1 Kohlen- stoff Eisen Struktur des Zementits (Fe 3 C, ): -Intermediäre Phase mit kompliziertem Aufbau aus zwei Raumgittern Intermediäre Phasen weisen eine Kristallstruktur auf, die sich von denen der beteiligten Komponenten unterscheidet. Intermediäre Phasen weisen eine Kristallstruktur auf, die sich von denen der beteiligten Komponenten unterscheidet. Unterschiedliche Orientierung der Kristallstruktur TEM-Durchstrahlungs- bild eines Ck45 –Stahles (ein Ferritkorn mit Korngrenze zum Perlit) TEM-Durchstrahlungsbild eines Ck45 –Stahles (Vielkristall, durch starke Umformung) TEM-Beugungsbild: Eine Ebenenschar, da nur ein Kristall im Fokus TEM-Beugungsbild: Mehrere Ebenenscharen da viele Kristalle im Fokus (unterschiedliche Orien- tierung der Kristallstruktur) Zementitlamelle des Perlits Ferrit-Kristall 2.7 Phasenlehre Seite 98 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Zusammenfassung Legierungen Der Zustand von Legierungen wird durch folgende Zustandsgrößen eindeutig bestimmt:  Temperatur T  Druck p  Konzentration c Gefügeänderungen wie Erstarren, Lösungs- und Ausscheidungsvorgänge, Umwandlungsvorgänge, Bildung neuer Phasen sind stets mit einer Änderung der Zustandsgrößen Temperatur, Druck (gewöhnlich konstant) und Konzentration verbunden. Eine Legierung besteht aus mindestens zwei verschiedenen Atomsorten, den Komponenten, von denen mindestens eines ein Metall sein muss. Das Gefüge der Legierung ist aus Körnern aufgebaut, die durch Korngrenzen oder Phasengrenzen voneinander getrennt sind. Literatur  Askeland, D. R.: Materialwissenschaften: Grundlagen, Übungen, Lösungen. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, Oxford 1996, ISBN: 3-86025-357-3  Bargel, H. J.; G. Schulze: Werkstoffkunde. VDI-Verlag, Düsseldorf 1988, ISBN: 3-18-401125-9  Schatt, W.: Einführung in die Werkstoffwissenschaft. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1991, 7. überarbeitete Auflage, ISBN: 3-342-00675-7  http://ac16.uni-paderborn.de/lehrveranstaltungen/_aac/vorles/index.html - Vorlesungsskript - Feststoffe  http://www.ww.uni-erlangen.de/ww1/multi/htms/werkstoffkunde1.htm - Übungen  http://www.ifs.ing.tu-bs.de/ - Downloads - Vorlesung WT für Wings  http://www.uni-stuttgart.de/imtk/Studiengang/lattice.htm  http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/intermetallische_0.html 2.8 Grundlagen der Zustandsdiagramme Seite 99 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich Wilhelm Bach Das Phasendiagramm liefert Aussagen über die bei verschiedenen Temperaturen und chemischen Zusammensetzungen vorliegenden Phasen von Legierungen. Man unterscheidet: Einstoff- Zweistoff- Dreistoff- phasendiagramme -phasendiagramme phasendiagramme Zustandsdiagramm/ Phasendiagramm Die Zwei- und Dreistoffgleichgewichtsschaubilder gelten nur für unendlich langsame Abkühlung der Legierungen aus dem Schmelzfluss oder für nachträgliche Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts (durch eine Wärmebehandlung). Die Zwei- und Dreistoffgleichgewichtsschaubilder gelten nur für unendlich langsame Abkühlung der Legierungen aus dem Schmelzfluss oder für nachträgliche Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts (durch eine Wärmebehandlung). Wasser Aluminium - Magnesium Aluminium – Silizium - Kupfer fest flüssig Druck Temperatur T e m p e r a t u r Konzentration K o n z e n t r a t i o n K o n z e n t r a t i o n K o n z e n t r a t i o n gasförmig Das Zweistoffzustandsschaubild (binäre) gibt in Abhängigkeit von der Temperatur und der Konzentration eine Übersicht über alle möglichen Zustandsänderungen der Gefüge aller Legierungen, bestehend aus A und einem von 0% bis 100% ansteigendem B-Gehalt. Das Zweistoffzustandsschaubild (binäre) gibt in Abhängigkeit von der Temperatur und der Konzentration eine Übersicht über alle möglichen Zustandsänderungen der Gefüge aller Legierungen, bestehend aus A und einem von 0% bis 100% ansteigendem B-Gehalt. Zweistoffzustandsdiagramme %100* BA A A mm m c  %100* BA B B mm m c  m A , m B = Masse der Komponenten A u. B Phasengebiet (flüssig) Soliduslinie Liquiduslinie Die Konzentration wird aus den Mischungsverhältnissen der Komponenten berechnet: m% Mg (Massenprozent) fest fest fest fest fest fest 2.8 Grundlagen der Zustandsdiagramme Seite 100 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich Wilhelm Bach Hebelarmgesetz Nähere Betrachtung des Erstarrungsverlaufes zwischen Liquidus- und Soliduslinie: fest flüssig A Solidus- linie D-Misch- kristall Temperatur [°C] T 1 Konzentration B Liquiduslinie c 1 c 0 c 2 Drehpunkt mit Gesamtmenge: m = m s + m k m ba b m k *  m K m S b a m K * a = m S * b Schmelze Hebel (Konode) Hebelarmgesetz Nähere Betrachtung des Erstarrungsverlaufes zwischen Liquidus- und Soliduslinie: 604020 Temperatur [°C] 80 fest D-Mk D - M k + S flüssig AB m% B A B Soliduslinie D-Mischkristall + S chmelze Temperatur [°C] T 1 Konzentration B Liquiduslinie c 1 c 0 c 2 Hebel (Konode) mit Drehpunkt Erstarrung einer Legierung mit der Konzentration c 0 mit Gesamtmenge: m = m s + m k m ba a m k *  m s m k ab m s * a = m k * b 2.8 Grundlagen der Zustandsdiagramme Seite 101 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich Wilhelm Bach Vollständige Unlöslichkeit im flüssigen und festen Zustand Eisen und Blei bilden keine Mischkristalle. 100 m% Eisen 100 m% Blei Schmelze (Eisenschmelze + Bleischmelze) Temperatur [°C] 327 1536 m% Pb Eisenkristalle + Bleikristalle Eisenkristalle + Bleischmelze Eutektisches Zustandsschaubild Zustandsschaubilder mit vollständiger Löslichkeit im flüssigen und vollständige Unlöslichkeit im festen Zustand. 100 m% A 100 m% B Schmelze Schmelze + A-Kristall Temperatur [°C] m% B Liquiduslinie Soliduslinie Schmelze + B -Kristall fest (A + Eutektikum) fest B+ Eutektikum Das Eutektikum (griech.: das Schön- geformte) ist der unmittelbare und voll- ständige Übergang vom schmelz- flüssigen in den festen Zustand. Diese Erstarrung führt zu einem feinkörnigen und gleichmäßigen Gefüge, das aus zwei Kristallarten besteht. S Æ A + B Das Eutektikum (griech.: das Schön- geformte) ist der unmittelbare und voll- ständige Übergang vom schmelz- flüssigen in den festen Zustand. Diese Erstarrung führt zu einem feinkörnigen und gleichmäßigen Gefüge, das aus zwei Kristallarten besteht. S Æ A + B primärer Al-Kristall Eutektikum aus Al- u. Si-Kristallen 2.8 Grundlagen der Zustandsdiagramme Seite 102 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich Wilhelm Bach Koexistenz der flüssigen und festen Phase Zeit Silizium 1400 Eine Legierung erstarrt nicht bei konstanter Temperatur, sondern innerhalb eines Temperaturbereichs. Homogene Schmelze aus Silizium u. Silber at% Ag (at := Atomprozent) 70 at% Si, 30 at% Ag Temperatur [°C] 835 30 at% Ag Kristallwachstum (Schmelze verarmt an Si) Zwei Phasen mit ersten Si- Kristallen in Si-Ag-Schmelze Polykristalliner Festkörper mit Si-Kristallen und Ag-Kristallen 700 Vollständige Löslichkeit im Flüssigen und Teillöslichkeit im Festen (einseitig) 100 m% A 100 m% B Schmelze Temperatur [°C] m% B D Eutektikale: Waagerechter Teil der Soliduslinie im Zustandsdiagramm eines eutektischen Systems. Eutektische Kristalle mit D u. B-Phasen D + B 2.8 Grundlagen der Zustandsdiagramme Seite 103 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich Wilhelm Bach Vollständige Löslichkeit im flüssigen und Teillöslichkeit im festen Zustand 100 m% Silber 100 m% Kupfer Schmelze Temperatur [°C] 200 1200 m% Cu E 961° 780° D 1084° 10 95 29 In der Regel wird ein Phasengebiet zwischen zwei bezeichneten Gebieten nicht beschriftet, da hier zwangsläufig beide Phasen koexistieren. Also hier: S + E D + E Vollständige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand Kupfer und Nickel weisen eine vollständige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand auf. 100 at% Cu 100 at% Ni flüssig at% Ni fest Bei Mischkristall- bildung (Erstarrung zwischen Liquidus- und Soliduslinie) gibt es keinen Schmelz- punkt (Haltepunkt), sondern einen Erstarrungsintervall in dem sich die sich Zusammensetzung der Kristalle und die der Schmelze mit der Temperatur ändert. Bei Mischkristall- bildung (Erstarrung zwischen Liquidus- und Soliduslinie) gibt es keinen Schmelz- punkt (Haltepunkt), sondern einen Erstarrungsintervall in dem sich die sich Zusammensetzung der Kristalle und die der Schmelze mit der Temperatur ändert. Temperatur [°C] D-Mk D - M k + S Mk := Mischkristall S:= Schmelze Temperatur [°C] D-Mk (Cu-Ni- Mischkristall) 1085 1455 2.8 Grundlagen der Zustandsdiagramme Seite 104 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich Wilhelm Bach Peritektisches System Am Peritektikum (griech.: das Umgebaute) bilden sich E - Mischkristalle an der Oberfläche von primär erstarrten D - Mischkristallen: S + D Æ E Am Peritektikum (griech.: das Umgebaute) bilden sich E - Mischkristalle an der Oberfläche von primär erstarrten D - Mischkristallen: S + D Æ E 100 m% Platin 100 m% Silber Schmelze Temperatur [°C] 900 1800 m% Ag S + E-Mk 1769 1186° 961° E-Mk D-Mk + E-Mk D-Mk S + D-Mk Schmelze + D-Mk D-Mk + E-Mk S + E-Mk E-Mk 13,6 44,6 68,7 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm C S´ P´ E´ C´ D´ F´ K´ P S M O E J H F D K J-MK +Ledeburit + Sekundärzementit Perlit + Ledeburit + Sekundärzementit 723°C 738°C 1147°C 1320°C Primärzementit + Ledeburit Primärzementit +Ledeburit Schmelze Schmelze + Primärzementit 1153°C J-MK (Austenit) J-MK + Sekundär- zementit Schmelze + J-MK Sek.zementit + Perlit D-MK +Perlit Perlit B (1493°C) A (1536°C) N (1392°C) Temperatur - [°C] Ledeburit Zementit s t abi l m e ta s tab i l G (911°C) 600 800 1000 1200 1600 1400 D-MK (Ferrit) D-MK + J-MK % Kohlenstoff01234566,67 20 40 60 80 % Zementit0 100 769°C Schmelze + G-MK G-MK JG-MK 2.8 Grundlagen der Zustandsdiagramme Seite 105 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich Wilhelm Bach Regeln zum Lesen und interpretieren der Zustandschaubilder Abkühlen/ Erwärmen einer Legierung im einphasigen Bereich, d.h. in einem Einphasenfeld (homogene Schmelze, Mischkristall, intermediäre Verbindung) ändert nicht Art, Menge und Zusammensetzung der Phase. Erreicht man nach Überschreiten einer Phasengrenze ein Zweiphasengebiet, d.h. es geht z.B. Schmelze S in Schmelze und Mischkristall S + D über, dann kann Art, Menge und Zusammensetzung der beiden Phasen bestimmt werden. Die Schnittpunkte der horizontalen Isothermen (Konode) mit den dieses Feld begrenzenden Phasengrenzen geben die Zusammensetzung an: - der Schnittpunkt mit der Soliduslinie die des erstarrten Mischkristalls - der Schnittpunkt mit der Liquiduslinie die der restlichen Schmelze Die wichtigsten Reaktionen im binären Zustandsdiagramm E S D+S D+E D E L+E D+E D J D+E E J D+E Eutektisch S Æ D + E Peritektisch D + S Æ E Eutektoid J Æ D + E Peritektoid D + E Æ J 2.8 Grundlagen der Zustandsdiagramme Seite 106 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich Wilhelm Bach stabil metastabil instabil dem thermodynamischen Gleich- gewicht analoge Arten des mechanischen Gleichgewichtes stabil metastabil instabil dem thermodynamischen Gleich- gewicht analoge Arten des mechanischen Gleichgewichtes Thermodynamisches Gleichgewicht Die Zustandsdiagramme lassen sich thermodynamisch herleiten und deuten. Bei fester Temperatur und konstantem Druck wird das thermodynamische Gleichgewicht durch ein Minimum der freien Enthalpie G bzw. freien Energie F bestimmt: Das thermodynamische Gleichgewicht ist die Summe des  mechanischen  chemischen und  thermischen Gleichgewichts. Das thermodynamische Gleichgewicht ist die Summe des  mechanischen  chemischen und  thermischen Gleichgewichts. F = U – T * S F = F min (T,V = const.) G = freie Enthalpie F = freie Energie U = innere Energie H = Enthalpie T = Temperatur S = Entropie G = H – T * S G = G min (T,p = const.) Enthalpie und Entropie Entropie Die kalorische Zustandsgröße Entropie S ist das Maß für die Unordnung der Teilchen in einem Stoffsystem. Entropie Die kalorische Zustandsgröße Entropie S ist das Maß für die Unordnung der Teilchen in einem Stoffsystem. Enthalpie Wird einem Stoff eine Wärmemenge dQ bei konstantem Druck zugeführt, so erhöht sich seine innere Energie U, und gleichzeitig wird Volumenarbeit ge- leistet. Die Enthalpie ist gleichbedeutend mit dem Wärmeinhalt des Systems. Enthalpie Wird einem Stoff eine Wärmemenge dQ bei konstantem Druck zugeführt, so erhöht sich seine innere Energie U, und gleichzeitig wird Volumenarbeit ge- leistet. Die Enthalpie ist gleichbedeutend mit dem Wärmeinhalt des Systems. Phasenreaktionen laufen ab unter: - Energieabnahme (Zustand stabiler Teilchenbindungen) - Entropiezunahme (Zustand größerer Unordnung, Durchmischung) Phasenreaktionen laufen ab unter: - Energieabnahme (Zustand stabiler Teilchenbindungen) - Entropiezunahme (Zustand größerer Unordnung, Durchmischung) [...]... an Diese werden in das Kristallgitter eingebaut Hierbei wird die Kristallisationswärme Q frei Dadurch kommt es im Temperaturverlauf zu einem Haltepunkt oder einem Wiederanstieg Kristallwachstum stabil/instabil Für den weiteren Fortgang der Kristallisation muss die Kristallisationswärme Für den weiteren Fortgang der Kristallisation muss die Kristallisationswärme aus dem System abgeführt werden Dies... LiquidusLiquidusschaubild: schaubild: Liquidusflächen Projektion der Projektion der Liquidusflächen in Liquidusflächen in die Horizontale die Horizontale IsothermenIsothermenschaubild: schaubild: horizontaler Schnitt horizontaler Schnitt Gehaltschnitt: Gehaltschnitt: vertikaler Schnitt vertikaler Schnitt E´ Quelle: IFS, TU Braunschweig Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich Wilhelm Bach 2.8... Dreiecks gewählt, über dem sich die Temperatur in die dritte Dimension erhebt die dritte Dimension erhebt Chrom nF e tio n tio tra nz en r Ko tra nz en Ko i nC nS tio tio tra tra en nz en nz Eisen Konzentration Al Ko Ko Cu Es werden zwei Darstellungsformen verwendet: Liquidusschaubild Isothermenschaubild Konzentration Ni wt % Ni Nickel Liquidusschaubild Ko Beispiel: Al-Si-Cr en nz tra nS Cu tio Das Liquidusschaubild... geschieht in Richtung des aus dem System abgeführt werden Dies geschieht in Richtung des Temperaturgradienten, d h von der Kristallisationsfront in Richtung der Temperaturgradienten, d h von der Kristallisationsfront in Richtung der niedrigeren Temperatur niedrigeren Temperatur Stabile Kristallisationsfront: Die Kristallisationswärme Q wird über die bereits erstarrten Anteile bzw über die Wand der Gießform... man eine sinnvolle Darstellung dadurch, dass man die binäre Legierung als Randeine sinnvolle Darstellung dadurch, dass man die binäre Legierung als Randsystem wählt Der Zusammensetzungsbereich wird damit zweidimensional und system wählt Der Zusammensetzungsbereich wird damit zweidimensional und in Form eines gleichseitigen Dreiecks gewählt, über dem sich die Temperatur in in Form eines gleichseitigen... notwendige minimale Keimradius rrmin und desto größer ist die Anzahl der notwendige minimale Keimradius min und desto größer ist die Anzahl der gebildeten Keime gebildeten Keime rK rmin Keimauflösung Tmin Keimwachstum Unterkühlung T (nach Bergmann) Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 2.9 Grundlagen der Erstarrung Seite 120 Homogene/Heterogene Keimbildung... Abhängigkeit der Zusammensetzung Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich Wilhelm Bach 2.8 Grundlagen der Zustandsdiagramme Seite 111 Isothermenschaubild Chrom 20 Cr+ FeNi % Fe % m m 70 30 80 Cr Das Isothermenschaubild gibt Das Isothermenschaubild gibt die Phasen bei einer definierten die Phasen bei einer definierten Temperatur wieder Temperatur wieder 90 10 Beispiel: Fe-Ni-Cr... Ni 10 90 Cr + FeNi Eisen Ni 10 20 30 40 18 m% 8 m% 74 m% 20 80 + FeNi 30 70 Cr Fe Isothermenschaubild (Raumtemperatur): Bspw nichtrostender Stahl mit: 80 90 Chrom Nickel Eisen Cr Nickel m % Ni Das Isothermenschaubild bietet die Möglichkeit die Identität, die Anteile und die Zusammensetzung der Phasen zu ermitteln Dreistoffsysteme: Räumliches Zustandsschaubild LiquidusLiquidusschaubild: schaubild: Liquidusflächen... Erstarrungspunkt) ist die freie Energie der kristallinen Phase gleich der freien Energie der flüssigen Phase Gkristallin = Gflüssig Gkristallin = Gflüssig Hkristallin – TS Skristallin = Hflüssig – TS Sflüssig H –T S =H –T S kristallin S kristallin flüssig S flüssig Es wird deutlich, dass die Änderung der freien Energie (z B durch Temperaturänderung) den Schmelz- bzw Erstarrungsvorgang einleitet Gkr./fl... gleichmäßig in alle Richtungen abgeführt Instabile Kristallisationsfront: Die Kristallisationswärme Q wird sowohl über die festen Bestandteile als auch über die stark unterkühlte flüssigen Schmelze abgeführt Kristalle können in alle Richtungen wachsen, da gegenüber der Kristallisationsfront in jede Richtung eine niedrigere Temperatur herrscht (endogene Erstarrung) Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde . Zusammensetzungsbereich wird damit zweidimensional und in Form eines gleichseitigen Dreiecks gewählt, über dem sich die Temperatur in die dritte Dimension erhebt. Die grundsätzlichen Überlegungen für Zweistoffsysteme. Liquidus- schaubild: Projektion der Liquidusflächen in die Horizontale Isothermen- schaubild: horizontaler Schnitt Gehaltschnitt: vertikaler Schnitt Liquidus- schaubild: Projektion der Liquidusflächen. 40 Cr+J FeNi Cr J FeNi V Cr Ni Fe Das Isothermenschaubild gibt die Phasen bei einer definierten Temperatur wieder. Das Isothermenschaubild gibt die Phasen bei einer definierten Temperatur wieder. C r + J F e N i Das