WkC a 4 Aufbau Von Metalllegierungen

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W k C a

D e pa r t m e n t M + P

H AW H A M B U R G

Werkstoffkunde und Chemie

Teil a - Kapitel 4

Aufbau von Metalllegierungen

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H AW H A M B U R G Folie 2


Inhalt

• Grundlagen und Zustandsdiagramme

Legierungselemente zeigen völlige

Löslichkeit im flüssigen Zustand und

• Unlöslichkeit im festen Zustand

• Völlige Löslichkeit im festen Zustand

• Begrenzte Löslichkeit im festen Zustand

• Verbindungsbildung im festen Zustand

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Legierungen

Legierungen bestehen aus dem Basismetall technischer Reinheit mit

mindestens einem absichtlich zugegebenen weiteren Element (Metall

oder Nichtmetall). Basismetall und Legierungselemente werden auch

Komponenten einer Legierung genannt.

Zweistoff- (binäre) Legierungen

enthalten neben dem Basismetall ein weiteres Legierungselement. Stahl

bildet eine Ausnahme. Der in Stahl enthaltene Kohlenstoff wird nicht als

Legierungselement, da er früher stets Begleitelement war. So kann einem

als unlegiert bezeichneten Stahl beliebig viel Kohlenstoff zulegiert sein.

Dreistoff- (tertiäre) Legierungen

enthalten neben dem Basismetall zwei weitere Legierungselemente.

Darüber hinaus spricht man von Mehrstoff-Legierungen.

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Erklärung des Begriffs Phase

In einer Phase ist der Aggregatzustand (Aufbau) gleich.

Flüssiges Wasser besteht aus einer Phase. Flüssiges Wasser und festes

Eis hingegen bilden zwei Phasen, bestehen aber aus einem Stoff.

Eine Phase kann entweder aus einem oder mehreren Stoffen bestehen.

Nicht gelöste feste Salzkörner in Wasser bilden zwei Phasen und bestehen

aus zwei Stoffen. Gelöstes Salz in Wasser bildet hingegen nur eine Phase

und besteht dabei aus zwei Stoffen. Auch reine Metallschmelzen (ein Stoff)

sowie Legierungsschmelzen (mehrere Stoffe) bei vollständiger Löslichkeit

bilden eine Phase. Im Falle der Legierungen bildet der Mischkristall eine

Phase, das Basismetall und die Ausscheidung bilden zwei Phasen.

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Halte- und Knickpunkte beim Abkühlen und Aufheizen

In den Abkühl- und Aufheizkurven entstehen charakteristische Unstetigkeiten.

Haltepunkte treten bei reinen Stoffen und eutektischen Zusammensetzungen

auf. An den Haltepunkten ändert der gesamte Stoff seine Phase. Dabei bleibt

die Temperatur für eine gewisse Zeit bis zur vollständigen Phasenumwandlung

konstant. Bei der Abkühlung wird Wärmeenergie freigesetzt, beim Aufheizen

wird Wärmeenergie verbraucht. Beides führt zum Halten der Temperatur.

Knickpunkte treten bei Legierungen auf. An

den Knickpunkten beginnt die Kristallisation

aus der Schmelze bzw. das Auflösen der

Kristalle beim Aufheizen. Auch hier wird

Wärmeenergie freigesetzt (Abkühlung), bzw.

verbraucht (Aufheizen). Die Umwandlungs-

temperaturen für Heizen und Kühlen sind

nur bei langsamer Temperaturänderung

(Thermisches Gleichgewicht) identisch.

Quelle: Bargel, Schulze: Werkstoffkunde

Liquidus-

temperatur

Solidus-

temperatur

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Zustandsdiagramm (Zustandsschaubild)

In einem Zweistoffsystem bilden sich abhängig vom Legierungsgehalt und von der

Temperatur unterschiedliche Phasen aus, welche das Zustandsdiagramm darstel-

len kann. Zur Erstellung von Zustandsdiagrammen werden Halte- und Knickpunkte

der Abkühl- und Aufheizkurven erstarrender Legierungen verwendet. Zustandsdia-

gramme gibt es gibt es für alle praktisch relevanten Legierungssysteme. Sie ermög-

lichen schnelle Aussagen über Phasen und Gefüge in Abhängigkeit der Temperatur.

Im Zustandsdiagramm eines binären

Systems werden auf der Abszisse alle

Prozentgehalte von 0 - 100 %

aufgetragen, die Ordinate enthält die

Temperatur. Die unterschiedlichen

Zustände werden in Feldern dargestellt,

in denen ein gleichartiger Aufbau der

jeweiligen Phase vorliegt. Diese werden

durch Phasengrenzlinien umrandet.

Tertiäre Systeme können vollständig nur

dreidimensional dargestellt werden.

Te

mp

era

tur

[°C

]

Element A

100 %

Element B

0 %

Element A

0 %

Element B

100 %

% A

% B

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Von der Temperatur-Zeit-Kurve zum Zustandsdiagramm

Quelle: www.lernwerkstoffe.de

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Begriffe des Zustandsdiagramms

Liquiduslinie:

Die Liquiduslinie kennzeichnet die Temperatur einer Legierung, unterhalb

derer die Legierung aus einer homogen flüssigen Phase zu erstarren beginnt.

Soliduslinie:

Die Soliduslinie kennzeichnet die Temperatur, unterhalb derer die homogene

Erstarrung erreicht ist. Zwischen Solidus- und Liquiduslinie ist der Zustand

der Legierung breiig, es existieren feste und flüssige Phasen nebeneinander.

Eutektikum:

So nennt man eine Legierung, deren Bestandteile in einem solchen

Verhältnis zueinander stehen, dass sie als Ganzes bei einer bestimmten

Temperatur (Schmelzpunkt) flüssig bzw. fest wird. Der entsprechende Punkt

im Phasendiagramm heißt eutektischer Punkt. Hier schneiden sich Liquidus-

und Soliduslinie.

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Inhalt








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Abkühlung von Legierung 1


Die Schmelze S kühlt bis zur Liquiduslinie ab, es beginnen erste Kristalle aus reinem

Metall A zu erstarren. An der Soliduslinie ist ein Großteil der Schmelze erstarrt. Die

noch verbleibende Schmelze muss alle Fremdatome des Metalls B aufnehmen. Die

Konzentrationszunahme an B verläuft entsprechend der Liquiduslinie.

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Abkühlung von Legierung 1


Die Restschmelze enthält an der Soliduslinie 70 % B. Beim Unterschreiten

der Solidustemperatur erstarrt die restliche Schmelze mit der Zusammen-

setzung von Punkt E. Bei Raumtemperatur besteht das Gefüge aus

einem Kristallgemisch aus Körnern des Metalls A und dem Eutektikum.

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Abkühlung der eutektischen Legierung


Die Schmelze S kühlt ab, bis das Eutektikum E erreicht wird. Es entsteht ein extrem

feinkristallines Gemisch aus Körnern von A und B. Oft wachsen die Kristallite dabei

schichtartig („lamellenförmig“). Das unter dem Mikroskop sehr interessante, oft

schöne, Gefüge hat zu den Namen Eutektikum (griech.: das Schöne) geführt.

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Hebelgesetz


Mit Hilfe des Hebelgesetzes lassen

sich quantitative Angaben über

Gefügeanteile bei jeder gewählten

Temperatur machen. Dazu zieht

man im Zustandsdiagramm bei der

betrachteten Temperatur

waagerechte Linien, die an den

Umwandlungslinien enden. Das

Hebelgesetz lautet dann:

Der Anteil einer Phase (eines

Gefüges) entspricht der Länge des

gegenüberliegenden Hebelarms

geteilt durch die Gesamtlänge.

ba

am

ba

bm SK

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Untereutektische Legierung


%43%57%100m

mmm

%5757,04030

40m

ba

bm

E

1L,ASE

1L,A

1L,A

Das Hebelgesetz ergibt für die

untereutektische Legierung 1:

L1 L2 A B

a b

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Übereutektische Legierung


L2 L3 A B

L3

c3

67 % B

33 % E

L3

67

33

%33%67%100m

mmm

%6767,01020

20m

ba

am

E

3L,BSE

3L,B

3L,B

Das Hebelgesetz ergibt für die

übereutektische Legierung 3:

a b

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Inhalt








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Löslichkeit im flüssigen und im festen Zustand

Quelle: www.lernwerkstoffe.de

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Mischkristalle

Die meisten Metalle können in ihrem Gitter bestimmte Mengen anderer

Legierungselemente aufnehmen. Die Fremdatome werden im (Wirts-)Gitter

gelöst. Die Komponenten sind miteinander mischbar. Derartige aus

mindestens zwei Atomsorten gemischte Kristalle werden Mischkristalle (MK)

genannt. Je nachdem, wie die Legierungsatome im Wirtsgitter verteilt sind,

unterscheidet man die folgenden Mischkristallarten:

• Substitutionsmischkristalle (SMK) oder

Austauchmischkristalle (AMK)

• Einlagerungsmischkristalle (EMK)

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Substitutions- (SMK) oder Austausch- (AMK) Mischkristalle


Im Kristallgitter des Grundmetalls sitzen die Atome des

Legierungselementes als Fremdatome auf Gitterplätzen.

Bei regelmäßiger Anordnung der Fremdatome spricht

man von Überstruktur (Bild oben). Meistens ist die

Anordnung jedoch unregelmäßig (Bild unten).

Gute Löslichkeit durch Substitution ist zu erwarten, wenn

• beide Komponenten den gleichen Gittertyp

aufweisen und

• die Atomdurchmesser sich höchstens um 15 %

unterscheiden.

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Einlagerungsmischkristalle (EMK)


Nichtmetallatome, mit einem Durchmesser-

verhältnis f von maximal 0,41 können in die

Zwischengitterplätze eingelagert werden. Da

nur wenige Zwischengitterplätze besetzt

werden können, ist die Löslichkeit in der

Regel sehr viel geringer als ein Prozent.

Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Bor

sind die wichtigsten EMK-bildenden Atome.

Ihre Diffusionsfähigkeit nimmt mit fallender

Temperatur im Allgemeinen sehr stark ab.

Im Kristallgitter des Grundmetalls sitzen die Atome des Legierungselementes

auf Zwischengitterplätzen. Die Einlagerung kann nur dann erfolgen, wenn die

eingelagerten Fremdatome sehr viel kleiner sind als die des Wirtsgitters

(meistens Nichtmetalle).

d

D

41,0D

df

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Abkühlung der Legierung L1


Die Legierung 1 kühlt bis zur Liquiduslinie ab. Dort entstehen erste Mischkristalle.

Die Zusammensetzung der Mischkristalle ergibt sich aus dem Schnittpunkt der

Waagerechten bei Temperatur 1 mit der Soliduslinie. Dieser B-Gehalt (c1 ≈ 8 %) ist

wesentlich geringer, als der B-Gehalt der ursprünglichen Schmelze.

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Bei der Temperatur 2 bilden sich Mischkristalle anderer Zusammensetzung. Deren

B-Gehalt (c2 ≈ 20 %) ergibt sich wiederum aus dem Schnittpunkt der Waagerechten

bei Temperatur 2 mit der Soliduslinie. Diffusionsvorgänge führen dazu, dass während

der gesamten Erstarrung alle bereits ausgeschiedenen Mischkristalle ständig ihre

Zusammen-

setzung gemäß

der Soliduslinie

ändern.

Der B-Gehalt der

Restschmelze

ergibt sich aus

dem Schnittpunkt

mit der Liquidus-

linie (c3 ≈ 61 %).

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Kurz vor der Erstarrung bei Temperatur 3 ist der B-Gehalt der Restschmelze auf

c4 ≈ 77 % angestiegen. Nach Unterschreiten der Soliduslinie ist die Kristallisation

abgeschlossen. Während der gesamten Erstarrung führte der Konzentrations-

ausgleich durch Diffusion im festen Mischkristall zur Eistellung der ursprünglichen

Konzentration

von 60 % A und

40 % B in allen

Mischkristallen.

Dieser Diffusions-

vorgang erfordert

sehr viel Zeit.

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Bildung von a-Mischkristallen


Legierung 1 (60 % A mit 40 % B):

Die Gefüge aller Legierungen

dieses Systems bestehen

bei Raumtemperatur nur aus

einer Phase: a-Mischkristallen.

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Nichtgleichgewichtszustände

Die vorstehend beschriebenen Zustandsdiagramme gelten im Allgemeinen für

den thermodynamischen Gleichgewichtszustand, dieser bildet sich jedoch nur

geringen Abkühlgeschwindigkeiten. In der Praxis werden technische Werkstoffe

aus dem schmelzflüssigen Zustand sehr viel schneller abgekühlt, als es zum

Einstellen des Gleichgewichts nötig wäre. Dies behindert die Diffusionsvorgänge

in der Schmelze und insbesondere die Zustandsänderungen im festen Zustand.

Es kommt zu Entmischungserscheinungen, sogenannten Kristallseigerungen.

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Kristallseigerungen


Die Legierung L scheidet nach Unterschreiten der Liquiduslinie bei T1 Mischkris-

talle a1 aus. Bei T2 kristallisieren Mischkristalle aus der Schmelze, welche die

Zusammensetzung a2 haben. Diese legen sich schichtförmig um den Kern a1.

Nun sollte auf Grund der Diffusion der Kern Atome A abgeben und Atome B

aufnehmen, so dass die Gesamtheit aller bisher ausgeschiedenen Mischkristalle

die Zusammensetzung a2

haben. Durch die rasche

Abkühlung wird aber

diese Diffusion behindert.

Den Konzentrationsunter-

schied im Kristall nennt

man Kristallseigerung.

Die Gesamtheit der

Mischkristalle erreicht in

etwa die Zusammen-

setzung a2‘.

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Solidusverschleppung


Bei der Temperatur T3 haben die Mischkristalle dann in etwa die Zusammensetzung

a3’. Dies bedeutet, dass sie in Summe zu wenig Atome B aufgenommen haben,

welche noch in der Restschmelze vorhanden sind. Diese kann daher noch nicht bei

der Temperatur T3 erstarren und kühlt weiter ab auf Temperaturen unter die Solidus-

temperatur des Gleichgewichtssystems. Diese Erscheinung bezeichnet man als

Solidusverschleppung.

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Zonenmischkristall, Inhomogener Mischkristall


Erst bei einer tieferen Temperatur T4 kristallisieren die letzten Mischkristalle der

Restschmelze mit einer Zusammensetzung a4, deren B-Gehalt höher ist als der der

ursprünglichen Schmelze. Die Gesamtheit aller Mischkristalle nimmt dann die

Zusammensetzung a4‘ an, die der Konzentration der ursprünglichen Legierungs-

schmelze entspricht. Das Ergebnis sind schichtförmig aufgebaute Körner mit vom

Kern zum Rand konti-

nuierlich abnehmendem

A-Gehalt (bzw. zuneh-

mendem B-Gehalt). Das

Bild zeigt schematisch

ein derartig entmischtes

Korn, welches

bezeichnet wird als

Zonenmischkristall

oder als

inhomogener

Mischkristall.

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Einflüsse und Folgen der Kristallseigerung

Die Kristallseigerung ist um so ausgeprägter

• je größer das Erstarrungsintervall ist

• je größer die Abkühlgeschwindigkeit ist

• je kleiner die Diffusionskoeffizienten der

beteiligten Elemente sind

Die Folge der Kristallseigerung sind unerwünschte

Eigenschaftsänderungen. Durch Glühen dicht

unterhalb der Solidustemperatur können die

Zonenmischkristalle homogenisiert werden. Die

erforderlichen Glühzeiten sind allerdings sehr lang.


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Inhalt








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Löslichkeit im flüssigen - Begrenzte Löslichkeit im festen Zustand

Bei der überwiegenden Anzahl aller Legierungssysteme sind deren

Komponenten im festen Zustand weder vollständig ineinander mischbar

noch vollständig unmischbar. Bei ihnen existieren Konzentrationsbereiche,

in denen die Komponente A eine bestimmte Menge B und die Komponente

B eine bestimmte Menge A lösen kann.

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a- und b-Mischkristallgebiet im Zustandsdiagramm


Bei Raumtemperatur

kann in A maximal 3 % B

und in B maximal 20 % A

gelöst werden. Diese

Gefüge sind einphasig.

Sie bestehen aus a- bzw.

b-Mischkristallen. Es gibt

keine reinen Phasen aus

Metall A oder Metall B.

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Gebiet der Mischungslücke

In dem Konzentrationsbereich

zwischen 3 % B und 80 % B

entstehen mehrphasige Gefüge.

Sie bestehen aus a- bzw. b-

Mischkristallen und Eutektikum.

Das Gebiet wird als Mischungs-

lücke bezeichnet.


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Abkühlung der Legierung 4

Die Abkühlung der Legierung 4 unter

Liquidustemperatur führt zu b-Misch-

kristallen, deren A-Gehalt zunächst

überhöht ist. Während der weiteren

Erstarrung diffundiert der erhöhte A-

Gehalt aus dem Kern der Mischkristalle

zum Rand. An der Soliduslinie existiert

ein homogener b-Mischkristall, deren

A-Gehalt der Zusammensetzung der

Legierung entspricht. Dieser bleibt

bestehen bis zur Raumtemperatur.


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Abkühlung der Legierung 1


die Solidustemperatur führt zu

homogenen a-Mischkristallen, deren

Zusammensetzung sich bis Punkt 7

nicht ändert. Bei weiterer Abkühlung

unter die Löslichkeitslinie, kann der

a-Mischkristall nicht mehr die gesamte

Menge B (c2) lösen. Daher scheiden

sich B-reiche b-Mischkristalle in der

Zusammensetzung c8 aus. Diese Aus-

scheidungen nennt man Segregate

oder Sekundärkristalle.


%13cc

ccm

%19cc

ccm

09

59max,Seg

09

04max,Seg

a

b

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Abkühlung der Legierung 3 bis Te


die Liquidustemperatur führt zu b-

Mischkristallen die in der Schmelze

wachsen. Bei der Temperatur Te haben

die b-Mischkristalle einen A-Gehalt von

c5 ≈ 30 %. Abkühlung unter Te führt

dann zu einem Kristallgemisch aus

Eutektikum und b-Mischkristallen. Die

Gefügeanteile lassen sich nach dem

Hebelgesetz berechnen.


%70cc

ccm

%30cc

ccm

e5

e3

e5

35E

b

c3

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Abkühlung der Legierung 3 bis RT

Weitere Abkühlung der Legierung 3 von

der Soliduslinie auf Raumtemperatur

führt zur Ausscheidung von a-Segre-

gaten (a-Sekundärkristallen) entlang

der Löslichkeitslinie aus den b-Misch-

kristallen. Der Anteil der a-Segregate

am Gesamtgefüge berechnet sich wie

folgt zu 9 %.


c3

%9%70%13

mmm max,SegSeg

baa

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Abkühlung der eutektischen Legierung

Die Abkühlung der eutektischen Legie-

rung unter die Temperatur Te führt zu

einem feinkörnigem Gemenge aus a-

Mischkristallen (c4 ≈ 18 % B) und b-

Mischkristallen (c5 ≈ 30 % A). Die

Schnittpunkte der Waagerechten bei

der Temperatur Te mit den Umwand-

lungslinien führen zu den Punkten 4

und 5. Daher ergeben sich mit dem

Hebelgesetz folgende Mengen der

beiden eutektischen Bestandteile.


%38cc

ccm

%62cc

ccm

45

4e

45

e5

b

a

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Inhalt








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Löslichkeit im flüssigen - Verbindungsbildung im festen Zustand

Bei den bisher betrachteten Systemen blieb der Fall unberücksichtigt,

dass zwei Legierungskomponenten eine Verbindung miteinander bilden.

Dies ist jedoch in der Technik häufig der Fall. Hierbei finden während der

Abkühlung Platzwechselvorgänge (Phasenänderungen) statt.

Metall /Metall Metall / Nichtmetall

Intermediäre Kristalle

(Chemische Verbindung)

Intermetallische

Phase

Intermetallische (chemische)

Verbindung

Metallische Bindung

Bildung über

einen größeren

Konzentrationsbereich

Metallische Bindung

Bildung bei bestimmtem

feststehenden

(stöchiometrischen)

Gewichtsverhältnis

Kovalente Bindung

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Kristallaufbau der Verbindungen

Die Komponenten der Legierung bilden einen gemeinsamen Kristall, der weder

dem Kristallsystem des Basismetall noch denen der Legierungselemente ähnelt.

Es entsteht ein eigenes Kristallsystem, das im Gegensatz zu denen von reinen

Metallen sehr kompliziert aufgebaut sein kann.

Dieser Kristallaufbau der Verbindungen beeinflusst

die mechanischen Eigenschaften der Legierung in

großem Maße (große Härte, Sprödigkeit, Festigkeit).

Beispiele für intermediäre Kristallisation sind:

Karbide Fe3C (Eisenkarbid, Zementit)

WC (Wolframkarbid)

Nitride TiN (Titannitrid)

Beispiele für intermetallische Phasen sind:

Cu5Zn8 (g-Messing)

CuZn3 (e-Messing) Kristallgitter des Zementits (vereinfacht)

Quelle: Läpple et al.: Werkstofftechnik Maschinenbau

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Zustandsdiagramme der Verbindungen

Im Zustandsdiagramm zeigen sich die

gebildeten Verbindungen als senkrechte

Linien bei der entsprechenden Zusam-

mensetzung (V = AmBn). Sie teilen das

Zustandsdiagramm in zwei Teile, jeder

Teil für sich bildet sozusagen ein

eigenes Diagramm.

Beispieldiagramm zeigt Verbindungs-

bildung mit vollkommener Unlöslichkeit

im festen Zustand.


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