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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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4. LEGIERUNGSBILDUNG & ZUSTANDSSCHAUBILDER
4.1. EINFHRUNG
4.2. ZUSTANDSSCHAUBILDER
4.3. LEGIERUNGEN
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LERNZIELE
Nach der Vorlesung sind Sie in der Lage......Legierungen nach ihrer Zusammensetzung zu klassifizieren...die wichtigsten Begriffe zu Zustandsschaubildern zu er-lutern...die bedeutenden Methoden zur Erstellung von Zustandsschau-bildern zu beschreiben...die fnf Grundsysteme binrer Zustandsschaubilder wieder-zugeben und sich in ihnen zurechtzufinden...in einem gegebenen Diagramm alle eutektischen, eutektoidenund peritektischen Phasenumwandlungen fr diese beim Aufhei-zen/Abkhlen zu formulieren
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LERNZIELE
...die verschiedenen Legierungsphasen zu benennen und zu be-schreiben
...komplexe Schaubilder mit Verbindungsbildung und Umwand-lungen im festen Zustand zu interpretieren
...die besonderen Eigenschaften einiger Legierungen Form-gedchtnislegierungen, HEUSLERsche Legierungen) zu beschrei-ben
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Einfhrung
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Legierungen sind im technischen Sprachgebrauch Werkstoffe, denen ab-
sichtl ich ein oder mehrere (metallische) Elemente zugesetzt wurden.
Einstellung gewnschterEigenschaften
Beseitigung unerwnschterEigenschaften
Legierungselementebeeinflussen den kristallinen Aufbauder Werkstoffe
und damitsmtlicheEigenschaften!
Legierungen (alloys)
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Zinnbronze (CuSn), Messing (CuZn)
Zweistofflegierungen
Neusilber (CuNiZn), Galinstan (GaInSn, Fp. -19 C)
Dreistofflegierungen
Messerstahl (z.B. X45CrMoV15), WOODsches Metall (BiPbZnCd, Fp. 75 C)
Mehrstofflegierungen
Legierungen
Unlegierter Stahl enthlt immerC (qua definitionem), Mn, Si, P, S u.a. (sogenannteEisenbegleiter Werkstoffe 7).
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Zustands-schaubilder
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Grund-lagen
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Darstellung, in der fr jede mgliche Legierungskombination eines Legie-rungssystems, die sich bei verschiedenen Temperaturen und Massengehalten
ergebenden Phasenablesbar sind
Zustandsschaubilder
Darstellung der Zustandsbereiche(durch Linien abgegrenzt), d.h. die unter diesen Bedin-gungen stabilenPhasen an; im festen Zustand liegen in jedem Phasengebiet charakteri-stische Kristallsorten (z.B. Mischkristalle usw.) vor, die je nach Legierungskonzentration
unterschiedliche Gefgeartenausbilden knnen
Bedeutung fr Werkstoffkunde
Aussagen ber das Verhalten einer Legierung beim Erwrmen oder Abkhlen Aussagenber die Phasen-und damit auch ber die Gefgeumwandlungen
Grund-lagen
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Kenntnis ber das Verhalten von Legierungen bei unterschiedlicher Zusammensetzungund in verschiedenen Temperaturbereichen ist von grundlegender Bedeutung, u.a. fr dasVerstndnis der bei Wrmebehandlungen(z.B. Glhen oder Hrten Werkstoffe 6) ablau-fenden inneren Vorgnge im Werkstoff
Zustandsschaubilder sind Gleichgewichtsschaubilder: unendlich langsame Abkhlung ausder Schmelze bzw. nachtrgliche Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichtsdurch Glhen (schnelle Temperaturnderungen andere Phasen und Umwandlungs-temperaturen mglich Hrten)
langsameTemperaturnderung
Glhen
schnelleTemperaturnderung
Hrten
Grund-lagen
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Teile eines Stoffes mit gleichem Aufbau oder Zustand verschiedenePhasen eines Stoffes unterscheiden sich physikalisch und/oder chemisch
voneinander
Phase
Anordnung der durch Korn- oder Phasengrenzen getrennten Krner und
festen Phasenim Metall (
metallographische Schliffe)
Gefge
Korn als Gefgebestandteil kann aus mehreren Phasenbestehen (z.B. Perlitals Verbund aus Ferrit und Zementit)
Grund-lagen
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N= 1, P= 1, = 2 pund Tvariabel (Phasengebiet)N= 1, P= 2, = 1 poder Tvariabel (Phasengrenzlinie)N= 1, P= 3, = 0 pund Tfestgelegt (Tripelpunkt)
Im thermodynamischen Gleichgewicht knnen nicht beliebigviele Phasen gleichzeitig nebeneinander vorliegen.
GIBBSsche Phasenregel
Fr die Zahl der Freiheitsgrade gilt: = N P 2mitN: Zahl der Komponenten; P: Zahl der Phasen
Grund-lagen
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Erstellung vonZustands-
schaubildern
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experimentelle Methoden zur Erstellung von Zustandsschaubildern beruhen
auf derMessung von Eigenschaften, die sich bei Phasennderungen unstetig
ndern
thermischeAnalyse
Dilatometer-verfahren
andereVerfahren
Einfhrung
Messung der bei einer Phasen-umwandlung bzw. der bei derEntstehung neuer und Aufl-sung bestehender Phasen frei-werdenden oder aufgenom-mene Wrmemenge
Messung der mit einer Pha-senumwandlung einhergehen-den Volumen- bzw. Lngenn-derung
metallographische Analysen
Rntgeninterferenzunter-suchungen
Erstellung vonZustands-
schaubildern
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thermischeAnalyse
Erstellung vonZustands-
schaubildern
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Methodik: Aufzeichnung der Temperatur in Abhngigkeit der Zeit bei Erwr-
mung oder Abkhlung ( Zeit-Temperatur-Diagramme)
Erreichen des Erstarrungspunktes: Tbleibt bis zurkompletten Erstarrung der Schmelze konstant
Haltepunkte A(nach frz. arrt, Halten)
Erwrmung:Ac(frz. chauffage, Erwrmen)
Abkhlung:Ar(frz. refroidissement, Abkhlen)
Haltepunkte treten auch bei Gitterumwandlungenauf
thermischeAnalyse
reine Metalle
Erstellung vonZustands-
schaubildern
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Legierungen erstarren in einem Temperatur-
intervall Knickpunktezu Kristallisationsbe-
ginn (Ar1) bzw. ende (Ar2)
zwischen den Knickpunkten:
Abkhlkurveverluft wegen freiwerdender
Kristallisationswrmeflacher
Anwesenheit zweier Phasen(Schmelze & Kri-
stalle)
Legierungen haben teigige Konsistenz
thermischeAnalyse
Legierungen
Erstellung vonZustands-
schaubildern
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thermische Analysen unterschiedlichen Legie-
rungszusammensetzungen Abkhlungskurven
Bsp.: Kupfer-Nickel-Legierungen
thermischeAnalyse
Legierungen
0% Cu
40% Cu
70% Cu
100% Cu
Erstellung vonZustands-
schaubildern
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experimentelle Bestimmung der Halte- und Knickpunkteder Abkhlkurve
bertragung in ein Konzentrations-Temperatur-Diagramm Verbindung
der Punkte ergibt (hier) Liquidus- und Soliduslinie
thermischeAnalyse
Legierungen
Erstellung vonZustands-
schaubildern
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Dilatometer-verfahren
Erstellung vonZustands-
schaubildern
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Wrmetonung whrend der Phasenumwandlung
kann u.U. sehr gering sein (z.B. bei Ausschei-
dungsvorgngen) (sehr kleine) Lngennde-
rungen knnen als Nachweis dienen (Dilata-tion: Dehnung)
Bsp: -Eisen -Eisen(bei 911 C) krz-Gitter (-Eisen) weniger dichtals kfz-Git-
ter (-Eisen) Lngen- bzw. Volumenabnah-me
Erstellung vonZustands-
schaubildern
Dilatometer-verfahren
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binre Zustands-schaubilder
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vollstndige Unlslichkeit im flssigen und festen Zustand
Grundsystem O
vollstndige Lslichkeit im flssigen und festen Zustand
Grundsystem I
vollstndige Lslichkeit im flssigen Zustand, vollstndige Unlslichkeit im festen Zustand
Grundsystem II oder eutektischesSystem
vollstndige Lslichkeit im flssigen Zustand, Mischungslcke im festen Zustand
Grundsystem IIa
wie II bzw. IIa, aber Schmelztemperaturen der Komponenten weit auseinander
Grundsystem III oderperitektischesSystem
Typen binrerZustandsschaubilder
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem 0
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Grundsystem 0
vollkommene gegenseitige Unlslichkeit im flssigen und im festen Zustand
Bedingung
Pb l)Fe l)
bereinanderschichtung der beiden Metalle
spezifisch leichteres Metall schwimmt auf dem schweren
zwischen beiden Komponenten besteht vollkommene Tren-nung (Phasengrenze) im flssigen und im festen Zustand
keine gegenseitige Beeinfluung der Komponenten
Komponente A erstarrt bei TSAvllig unabhngigvon Kon-zentration der Komponente B (und umgekehrt)
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem 0
Abkhlkurve der Legierung als Summe der AbkhlkurvenderLegierungselemente einfaches Zustandsdiagramm
binreZustands-
schaubilder
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Pb l)Fe s)Fe l)
Pb l)Fe l) Fe s)
Pb l)Pb s)b l)Fe s)
Pb s)Fe s)
> 1536 C = 1536 C < 1536 C = 327 C < 327 Cweitere Beispiele: Ag-Ni, Al-Pb
Grundsystem 0binre
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Grundsystem I
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Grundsystem I
vollstndige gegenseitige Lslichkeit im flssigen und im festen Zustand
Bedingung
im festen Zustand: Komponenten A und B bilden ein gemein-sames Kristallgitter (Austauschmischkristalle)
im flssigen Zustand: homogene Schmelze aus den Kompo-
nenten A und B
Abkhlkurven
reine Komponenten: Haltepunktebei den jeweiligenSchmelztemperaturen
Legierungen: Erstarrungsbereich mit jeweils einem Knick-punktbei Kristallisationsbeginn und -ende
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem I
BeispielePt-Au, Ag-Au, Cu-Ni,Cu-Au, Ni-Pt, Cr-Mo,Mo-W
Zustandsdiagramm: Linsendiagramm mit Liquidus-und Soliduslinie
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem II
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Grundsystem II
vollstndige gegenseitige Lslichkeitim flssigen Zustand undvollstndige gegenseitige Unlslichkeitim festen Zustand
Bedingung
im festen Zustand: vollstndig unlslich ineinander
im flssigen Zustand: homogene Schmelze aus den Kompo-nenten A und B
Solidus- und Liquiduslinie schlieen zwei Erstarrungsbereicheein
Schnittpunkt zwischen Solidus- und Liquiduslinie: eutek-tischer Punktmit der dazugehrigen eutektischen Legierung
eutektischesLegierungssystem
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem II
ZustandsdiagrammmitV-frmiger Liquiduslinie und ho-rizontaler Soliduslinie (Eutektikale)
BeispieleBi-Cd, Pb-Sb,
eutektischer Punkt
beidseitig fallende Li-quiduslinie durch wech-selseitige Behinderungder Kristallisation im Er-starrungsbereich durchAtome der jeweils ande-ren Komponente
binreZustands-
schaubilder
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technisch wichtiges Beispiel: Bildung von Ledeburitim EKD
Grundsystem II
bei Erreichen der eutektischen Temperatur TEfindet der isotherme Zerfallder homogenen Schmelze in ein Gemisch aus A- und B-Kristallen statt
eutektische Reaktion
homogeneSchmelze
KristallsorteA
Kristallsorte
B
binreZustands-
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Grundsystem II
TEliegt deutlich unter Erstarrungstemperaturender reinen Komponenten (Legierung L2)
Prinzip der Entstehung von Eutektikum
Bildung zahlreicher Kristallisationskeime(gegenseitige Behinderung)
Bildung eines feinkristallinen, schicht-oder lamellenartiges Kristallgemisches
Eutektikum wird wegen niedriger Schmelztempe-
ratur und guter mechanischer Eigenschaften be-vorzugt eingesetzt (als Gu- und Lotwerkstoff)
binreZustands-
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Grundsystem II
untereutektische Legierungen (L1, c< cEut)
: mit Erreichen der Li-quiduslinie scheidensich A-Kristalle ausder Schmelze aus
: unmittelbar vor Errei-chen der Eutektikalenfinden man A-Kristallin Restschmelze (ent-hlt A und B)
: nach Unterschreitender Eutektikalen er-starrt die Restschmel-ze isotherm zum Eu-tektikum; Gefge be-steht aus A-Kristallen,die in Eutektikum ein-gebettet sind
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem II
eutektische Legierung (L2, c= cEut)
: gesamte Schmelze er-starrt mit Erreichenvon TEzum Eutekti-kum
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem II
bereutektische Legierungen (L3, c> cEut)
: unmittelbar vor Errei-chen der Eutektikalenfinden man B-Kristallin Restschmelze (ent-hlt A und B)
: nach Unterschreitender Eutektikalen er-starrt die Restschmel-ze isotherm zum Eu-tektikum; Gefge be-steht aus B-Kristallen,die in Eutektikum ein-gebettet sind
: mit Erreichen der Li-quiduslinie scheidensich B-Kristalle ausder Schmelze aus
binreZustands-
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Grundsystem IIa
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Grundsystem IIa eutektisches Legierungs-system mit Mischungslcke
vollstndige gegenseitige Lslichkeitim flssigen Zustandund Mischungslckeim festen Zustand
Bedingung
im festen Zustand: begrenzte Lslichkeit ineinander
im flssigen Zustand: homogene Schmelze aus den Kompo-nenten A und B
Mischungslcke: Konzentrationsbereiche, in denen die Legierungs-
komponente A nur eine gewisse Menge der Komponente B lsen kann
(und meist umgekehrt) Bildung von - oder -Mischkristallen
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem IIa
ZustandsdiagrammmitV-frmiger Liquiduslinie, hori-zontaler Soliduslinie (Eutektikale) und Mischungslcke
BeispieleAg-Cu, Al-Cu, Pb-Sn,
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem IIa
Unterschied zwischen Mischkristallen
Unterschreiten der Liquiduslinie: Bildung von -oder -Mischkristallen aus der Schmelze
Grundsystem II: Bildung von reinen A- bzw. B-Kri-stallen
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem IIa
Leg.-konz.: c< c1(L1) bzw. c> c4
: mit Erreichen der Li-quiduslinie scheidensich (bzw. )Misch-kristalle aus derSchmelze aus
: nach Unterschreiten der Soliduslinie be-steht die gesamte Legierung aus homoge-nen Mischkristallen (fr c< c1) bzw. Mischkristallen (frc> c4); die Verhltnissendern sich bei weiterem Abkhlen nichtmehr
binreZustands-
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Grundsystem IIa
Leg.-konz.: c1< c< c2(L2)
: nach Unterschreitender Liquiduslinie
scheiden sich Misch-kristalle aus derSchmelze aus
: nach Unterschreitender Soliduslinie liegenhomogene Mischkri-stalle vor
binreZustands-
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Grundsystem IIa
Leg.-konz.: c3< c< c4(L5)
: nach Unterschreiten der Liqui-duslinie scheiden sich Misch-kristalle aus der Schmelze aus
: nach Unterschreiten der Soli-duslinie liegen homogene Mischkristalle vor
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem IIa
Leg.-konz.: c1< c< c2(L2) bzw. c3< c< c4(L5)
fr T: Lslichkeit der - bzw. Mischkristalle nimmt ab (Ls-lichkeit von B im Mischkristall und umgekehrt) mit Er-reichen der Lslichkeits- oder Segregationslinie () scheidensich aus den bersttigten Mischkristallen Mischkristalle der je-weils anderen Sorte aus
Erklrung: nach Unterschreiten der Lslichkeitslinie diffundie-ren die berschssigen B-Atome, die vom A-Gitter nicht mehrin Lsung gehalten werden knnen, zu bestimmten Stellen imGefge (z.B. zu den Korngrenzen) und verdrngen dort die A-Atome von ihren Gitterpltzen
binreZustands-
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Grundsystem IIa
Leg.-konz.: c1< c< c2(L2) bzw. c3< c< c4(L5)
B-Atome sind an diesen Stellen im berschu
Bildung eines neuen B-Gitters, in das ein Teilder A-Atome eingelagert werden kann ( Bil-dung eines -Mischkristalls)verdrngte A-Atome diffundieren im Austauschan die von den B-Atomen aufgegebenen Pltze
Ausscheidungsvorgnge beobachtet man hufigan Korngrenzen, da dort infolge der erhhtenpotentiellen Energie der Aufbau eines neuenGitters bevorzugt erfolgt
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem IIa
Leg.-konz.: c2< c< c3(L3)
: nach Unterschreiten der Liquiduslinie scheiden sich zunchst - bzw.Mischkristalle aus der Schmelze aus; unmittelbar vor Erreichen derEutektikalen ist noch Restschmelze vorhanden, die in einer eutekti-schen Reaktion in ein Kristallgemisch aus A-reichen Mischkristallenund B-reichen Mischkristallen (Eutektikum) zerfllt: S +
binreZustands-
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Grundsystem IIa
Leg.-konz.: c2< c< c3(L3)
c2< c< cEut: Gefge aus Mischkristallen in Eutektikum
cEut< c< c3: Gefge aus Mischkristallen in Eutektikum
bei weiterer Abkhlung nimmt die Lslichkeit der Mischkristalle fr B-Atome bzw. der Mischkristalle fr A-Atome stetig ab Ausscheidung vonMischkristallen der jeweils anderen Sorte
Ankristallisation dieser Mischkristalle an bereits vorhan-dene artgleiche Mischkristalle
binreZustands-
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Grundsystem IIa
Leg.-konz.: c= cEut(L4)
: eutektische Legierungerstarrt am eutekti-schen Punkt zu rei-nem Eutektikum
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Grundsystem III
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Grundsystem III
vollstndige gegenseitige Lslichkeitim flssigen Zustandund Mischungslckeim festen Zustand;
Erstarrungstemperaturen der Komponenten liegen weit auseinander
Bedingung
peritektischesLegierungssystem
Erstarrungstemperatur der hher schmelzenden Komponen-te A wird durch die Anwesenheit von B-Atomen erniedrigt,
die Erstarrungstemperatur von B wird jedoch durch dieAnwesenheit von A-Atomen erhht
im flssigen Zustand: homogene Schmelze aus den Kompo-nenten A und B
binreZustands-
schaubilder
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Grundsystem III
ZustandsdiagrammmitLiquiduslinie ohne Minimum, ho-rizontaler Soliduslinie (Peritektikale) und Mischungslcke
BeispielePt-Ag, Cd-Hg,
binreZustands-
schaubilder
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Grundsystem III
Leg.-konz.: c< c1(L1)
: nach Unterschreiten der Liquiduslinie beginnt dieKristallisation von -Mischkristallen; der Tempera-
tur-Zeit-Verlauf zeigt einen Knickpunkt, weildurch die frei werdende Kristallisationswrme dieTemperatur langsamer sinkt
: Unterschreitender Soliduslinie
Einphasen-gebiet (nur -Mischkristalle)
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem III
Leg.-konz.: c1< c< c2(L2)
: Unterschreiten der Lslichkeitslinie Aus-scheidung von Mischkristallen aus denbersttigten -Mischkristallen (analog zumLegierungssystem mit Mischungslcke)
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem III
Leg.-konz.: c2< c< c3(L3)
: unterhalb der Liqui-duslinie scheiden sichMischkristalle ausder Schmelze aus
mit Erreichen der der horizontalen Phasen-grenze (Peritektikale) reagiert ein Teil der
-Mischkristalle mit noch vorhandener Rest-schmelze unter Bildung von -Mischkristal-len
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem III
bei Erreichen der peritektischen Temperatur TPfindet die inkongruente Phasen-umwandlung vonSchmelze und einer festen Phase in eine zweite feste Phase statt
peritektische Reaktion
feste Phase
feste Phase
Schmelze
Beispiel im EKD: Reaktion von Schmelze und festen Mischkristallen zu -Mischkri-stallen (technisch unbedeutend)
Umwandlung erfolgt an der Grenzflche
zwischen Schmelze und Primrkristallen
Temperatur-Zeit-Verlauf zeigt whrend derperitektischen Reaktion einen Haltepunkt
zu geringe Menge Schmelze keine voll-stndige Umwandlung -Mischkristalle -Mischkristalle nicht mglich Bildung ei-nes Kristallgemisches
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem III
Leg.-konz.: c2< c< c3(L3)
: Lslichkeit von B-Atomen im -Mischkristall (von A-Atomenim -Mischkristall) nimmt ab mit weiterer Abkhlungfindet die Ausscheidung von -Mischkristallen aus den -Mischkristallen, Seg(und umgekehrt Seg) statt
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem III
Leg.-konz.: c2< c< c3(L3)
Ablauf einer peritektischen Reaktion findet durch Diffusion von
B-Atomen in den -Mischkristall und von A-Atomen aus dem -Mischkristall statt vollstndiger Ablauf nur bei sehr langsa-mer Abkhlung
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem III
Leg.-konz.: c3< c< c4(L4)
: nach Unterschreiten der Peri-tektikalen Ausscheidung vonMischkristallen aus den ber-
sttigten -Mischkristallen
: bei weiterer Abkhlung Aus-scheidung von Mischkristallen
aus den bersttigten -Misch-kristallen
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem III
Leg.-konz.: c3< c< c4(L5bzw. L6)
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem III
Leg.-konz.: c3< c< c4(L5bzw. L6)
mit Erreichen der Peritektikalen wirdperitektischeReaktion durchlau-fen: bereits gebildete -Mischkristalle reagieren mit der Restschmelze
unter Bildung von -Mischkristallenausreichend Restschmelze vollstndige Umwandlung -Mischkristalle-MischkristalleRestschmelze wird nicht vollstndig aufgebraucht unterhalb der Peri-tektikalen befinden sich -Mischkristalle und Restschmelze im Gleichge-wicht
: unterhalb der Soliduslinie besteht das Gefge nur noch aus -Misch-kristallen
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem III
Leg.-konz.: c3< c< c4(L5bzw. L6)
von L5: bei weiterer Abkhlung berschreitung der LslichkeitslinieAusscheidung von -Mischkristallen aus den bersttigen -Mischkri-
stallen Kristallgemisch aus beiden Mischkristallen
von L6: wird Lslichkeitslinie nicht geschnitten, besteht das Gefgemit Erreichen von Raumtemperatur ausschlielich aus ungesttigten -Mischkristallen
binreZustands-
schaubilder
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Grundsystem III
Leg.-konz.: c> c4(L7)
Kristallisationsvorgang beginnt nach Unterschreiten der Liquiduslinie mitder Kristallisation von MischkristallenKristallisation ist mit Erreichen der Soliduslinie abgeschlossen Gefgebesteht ausschlielichaus Mischkristallenbei weiterer Abkhlung findet keine Gefgenderung mehr statt
binreZustands-
schaubilder
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Legierungsphasen
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Lsungs-phasen
Verbindungs-phasen
intermetal-lische Phasen
Legierungsphasen
vollstndige Lslichkeitim festen Zustand, d.h.
statistische Verteilung derAtome
Mischkristalle bzw.
solid solutionsAufnahme von Fremd-atomen in den Gitter-
verband
stchiometrischeZusammensetzung (z.B.
Fe3C, Zementit)
stchiometrischeintermetallische Phasen
Strukturen mit metal-lischen und nichtmetal-lischen Bindungsanteilen
Einlagerungsphasen,LAVES-Phasen,
HUME-ROTHERY-Phasen
Grenzflle
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Ausbildung einer Lsungs-, Verbindungs-oder intermetallischenPhasehngt
im festen Zustand ab von:
Legierungsphasen
Temperatur
chemische Eigenschaftender Bindungspartner
geometrischeEigenschaften
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Lsungsphasen
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Lsungs-phasen
Aufnahme von Fremdatomen in den Gitterverband (Matrix) Gitterverzer-
rungen(aufgrund unterschiedlicher Atomradien) Hrte (sog.Mischkri-stallverfestigung)
Substitutions-mischkristalle Einlagerungs-
mischkristalle
Mischkristalltypen
Lsungsphasen
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Atome des Legierungselements (LE) ersetzen Atome des Basismetalls (BM)
auf regulren Gitterpltzen:
statistische Verteilung
einphasiges SystemBedingungen:
gleiche Kristallgitter
hnliche Atomradien
gleiche Wertigkeiten hnliche Elektronegativitten
Cave: Eigenschaften der Mischkristalle Summe der Eigenschaften von LE+BM!
Kupfer Nickel
Atomradius 128 pm 124 pm
Kristallgitter kfz kfz
Wertigkeit 2 2EN 1,8 1,8
Substitutionsmischkristalle
Lsungs-phasen
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LE-Atome besetzen Zwischengitterpltze (interstitium, lat.: Zwischenraum
interstitielle Lsung) des BM-Kristallgitters:
statistische Verteilung
einphasiges System LE: meist Nichtmetalle(B, C, N, O, H) oder kleine Metallatome
Lslichkeit meist < 1%
Bedingungen:
Basisgitter aus bergangsmetallatomen Radienverhltnis: (PYTHAGORAS)
Einlagerungsmischkristalle
Lsungs-phasen
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Beispiele:
Lsung von Wasserstoff in V, Nb, Taohne nderung des krz-Gitters:
VH0,05, NbH0,11, TaH0,22
Einlagerungsmischkristalle
Lsungs-phasen
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Verbindungs-
phasen
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Verbindungsphasen haben im Gegensatz zu Lsungsphasen ein bestimmtes,
festes Zahlenverhltnis der Bindungspartner (stchiometrischeZusammen-
setzung)
auch: stchiometrische intermetallische Phasen
Verbindungphasen besitzen im Normalfall eigene, charakteristische Kristall-
gitter
bekanntestes Bespiel: Zementit, Fe3C, in metastabilen Eisen-Kohlenstoff-Le-
gierungen (Stahl/Gueisen)
Verbindungsphasen
Verbindungs-phasen
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intermetallische
Phasen
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auch:Metallideoder intermedire Phasen
bergangszustandzwischen den Grenzfllen von Lsungs- und Verbindungs-
phasen Merkmale beider Phasenartenin unterschiedlichem Mae
Auftreten:
Legieren ber die Lslichkeitsgrenze hinaus(in Phasensystemen mit be-
grenzter Lslichkeit)
Entmischunginfolge Abkhlung unter die Lslichkeitsgrenze
gleichzeitiges Auftreten von Mischkristallen, Verbindungs-und interme-tallischenPhasenin einem Legierungssystem mglich
intermetallische Phasen
intermetal-lische Phasen
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intermetallische Phasen
intermetal-lische Phasen
intermetallische Phasen (wie auch Verbindungsphasen!) kristallisieren nicht
im Gittertyp einer der Komponenten, sondern bilden eigenes, hufig hoch-
komplexes Kristallgitter
vorherrschender Bindungstyp: metallische Bindungmit Anteilen von kova-lenter Bindung/Ionenbindung
Angabe der Zusammensetzung durch Formeln, z.B. Fe2W, Al2Cu usw.
Formeln besitzen lediglich statistischen Charakter Mittelwerte, Anteile
der einzelnen Komponenten variieren innerhalb eines bestimmten Homoge-
nittsbereichs
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Eigenschaften:
komplizierter Gitteraufbau
Versetzungsbewegungen nicht mglich
sehr hart, sprde meist schon in sehr geringenGehalten (< 0,1%) Anteil in plastisch zu verformenden WS gering zu halten
Teilchenverfestigungbei feindisperser Verteilung in weicheren Mischkristall-
phasen:
Verschleibestndigkeit
technische Nutzung: Sekundrhrtung einiger Werkzeugstahlsorten
intermetal-lische Phasenintermetallische Phasen
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Metalle mit Nichtmetallen mit kleinem Atom-durchmesser
Einlagerungsphasen
echte intermetallische Phasen
LAVES-Phasen
echte intermetallische Phasen
HUME-ROTHERY-Phasen
intermetal-lische Phasenintermetallische Phasen
Kristallstrukturen = (Durchmesser &Bindung der beteiligten Atome)
vielfltige Bindungsmglichkeiten/
Atomgren
> 5000 binre inter-metallische Phasen!
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Einlagerungs-
phasen
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intermetal-lische Phasen
auch: Einlagerungsstrukturen oder interstitielle Phasen
Bindungspartner:
Metalle M undNichtmetalle Xmit kleinemAtomdurchmesser dX(H, B, C, N
und P)
besondere Rolle: Carbide, Nitrideund Carbonitrideder bergangsmetalle
Fe, Cr, Mo, V, Nb, Ta, W, Ti, Zn und Hf Bestandteile technisch wichtiger
Legierungen
metallische Bindung mit ionischen/kovalenten Bindungsanteilen typische
metallische Eigenschaften (Glanz, elektrische Leitfhigkeit)
Einlagerungsphasen
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intermetal-lische Phasen
Einlagerung der X-Atome in Gitterlcken:
nderungdes Matrixgitters (Gegensatz zu Einlagerungsmischkristallen!)
Zusammensetzungen: MX, M2X oder M4X mit kfz- oder hexagonalem Kristall-
gitter
Besetzung aller Gitterlcken keine Aufnahme weiterer Atome mglich
(scharfe obere Lslichkeitsgrenze)
Einlagerungsphasen
dX/dM< 0,59 HGG-Phasen
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intermetal-lische PhasenEinlagerungsphasen
dX/dM< 0,59
Besetzung der Wrfelmittenim kfz-Gittermit Nichtmetall-
atomen (z.B. Fe4N)
M4X-Typ
Besetzung der Oktaederlcken
im kfz-Gittermit Nichtmetall-atomen NaCl-Gitter(z.B. TiC, TaC, TiN usw.)
MX-Typ
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intermetal-lische Phasen
Eigenschaften:
chemisch, thermisch und mechanisch sehr stabil
hohe bis sehr hohe Schmelzpunkte
Tantalcarbid, TaC, besitzt aufgrund seiner Gitterstruk-tur einen der hchsten Schmelzpunkteunter allen be-kannten Festkrpern: 3880 C (!)
Tantalhafniumcarbid, Ta4HfC5schmilzt bei 4215 C
teilweise gute Korrosionsbestndigkeit
Einlagerungsphasen
dX/dM< 0,59
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intermetal-lische Phasen
technische Bedeutung:
Beschichtungswerkstoffefr Werkzeugsthle (z.B. TiC oder
TiN)
Hartstoffphasein Hartmetallen und Cer-
mets (z.B. WC, TiC, TaC, TiN)
Fe4N, das beim Nitrieren von Sthlen ei-ne Rolle spielt, gehrt ebenfalls zu den
Einlagerungsphasen
Einlagerungsphasen
dX/dM< 0,59
TiC-Beschichtung TiN-Beschichtung
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intermetal-lische Phasen
Einlagerung in kleinereGitterlcken (Tetraederlcken?) keine Aufnahme
von Fremdatomen ber die Mischkristallslichkeit hinaus
Verbindungen (z.B. Carbide von Fe, Cr, Cu, Mn und Ni) bilden komplexe
Kristallgitter, weisen jedoch geringere chemische und thermische Stabilitt
auf
Einlagerungsphasen
dX/dM> 0,59
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LAVES-Phasen
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intermetal-lische Phasen
zahlenmig strkste Gruppeder klassischen intermetallischen Phasen (ei-
nige hundert Vertreter)
Zusammensetzung: grere KomponenteAund kleinere Komponente B
Verhltnis der Atomdurchmesser: 1,2 < dA/dB< 1,3
Idealwert grter Packungsdichten starrer Kugeln: dA/dB= 1,225
LAVES-Phasen sind Gitterstrukturen hoher Packungsdichte
allgemeine Formel:AB2mit drei miteinander verwandten, sich jedoch in der
Stapelfolge unterscheidenden Strukturtypen:MgZn2,MgCu2undMgNi2
LAVES-Phasen
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intermetal-lische Phasen
MgCu2: Mg-Atome im Diamantgitter, Cu-
Atome belegen als Tetraeder die groen
Lcken des Gitters
Eigenschaften:
bei Raumtemperatur nicht plastisch
verformbar
hohe elektrische Leitfhigkeit(mit Me-
tallen vergleichbar)
LAVES-Phasen
MgCu2
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HUME-ROTHERY-
Phasen
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intermetal-lische Phasen
ebenfalls Vielzahl von Vertretern
Existenz dieser Phasen ist an ein bestimmtes Zahlenverhltnis von Valenz-
elektronen e zu Atomen ain der Elementarzelle gekoppelt
magische Zahlenverhltnisse e/a: 21/14 (=3/2), 21/13, 21/12 (7/4)
jedes Zahlenverhltnis besitzt eine eigene typische Gitterstruktur
Beispiele:
-Messing, CuZn (e/a= 3/2)
-Messing, Cu5Zn8(e/a= 21/13)
-Messing, CuZn3(e/a= 7/4)
HUME-ROTHERY-Phasen
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intermetal-lische Phasen
Elementarzelle von Cu5Zn8
HUME-ROTHERY-Phasen
-Messing, Cu5Zn8
Elementarzelle mit 52 Atomen!
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Zustandsdiagramme mit
Verbindungsbildung
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Zustandsdiagramme mit verdecktem Schmelzpunktmaximum(Legierungssysteme mit einer inkongruent schmelzenden Verbindung)
Zustandsdiagramme mit offenem Schmelzpunktmaximum(Legierungssysteme mit einer kongruentschmelzenden Verbindung)
bisher: Legierungssysteme mit reinen Metallen oder ihren Mischkristallen
keine Mglichkeit, da Komponenten eine Verbindungeingehen knnen,
d.h. intermetallische Phase oder Verbindungsphase V
Existenz einer Verbindung Vmit der allgemeinen ZusammensetzungAmBn
Unterscheidung von zwei Grundtypen, abhngig vom Schmelz-bzw. Er-
starrungsverhaltender Verbindung
Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung Einfhrung
Typ A
Typ B
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Zustandsdiagramme mit offenem Schmelzpunktmaximum
(Legierungssysteme mit einer kongruentschmelzenden Verbindung)
Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung
Typ A
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Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung Typ A
Zustandsdiagramme mit offenem Schmelzpunktmaximum(Legierungssysteme mit einer kongruentschmelzenden Verbindung)
offenes Schmelz-
punktmaximum
kongruentschmelzend
Zustandsdiagramm weist bei der Zusammensetzung von Vbezogen
auf die benachbarten Legierungenein Schmelzpunktmaximumauf
Verbindung Vist bis zu ihrem Schmelzpunkt bestndig,zersetzt sich also nicht vorher
Vverhlt sich wie ein reines Metall, d.h. Abkhlkurve zeigtbei der Zusammensetzung der Verbindung einen typischen
Haltepunkt bei der Schmelztemperatur von V(TSV)
entstehendes Gefge ist einphasig und bestehtnur aus Kristallen der Verbindung
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Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung
V mit genau
stchiometrischerZusammensetzung
vollkommeneUnlslichkeitfr A und B
Zustandsdiagramm ist Kombination auszwei eutektischen Teilsystemen (GS II)
Diagramm A-V Diagramm V-BBsp.: Fe3CimSystem Fe-C
Typ A
99
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Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung
Zustandsdiagrammmitkongruent schmelzender Verbin-dung und vlliger Unlslichkeitim festen Zustand
Beispiele:
Mg-Mg2Sn/Mg2Sn-Sn,
Typ A
100
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Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung Typ A
Zustandsdiagramm ist Kombinationaus zwei eutektischen Teilsystemen
mit Mischungslcke (GS IIa)
Diagramm - Diagramm -
V nichtaufstchiometrischeZusammensetzung
beschrnkt
teilweise gegen-seitige Lslichkeit
von A und B( Mischkristalle)
Existenz von
-Mischkristallen
101
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Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung
Zustandsdiagrammmitkongruent schmelzender Verbin-dung und begrenzter Lslichkeit im festen Zustand
Beispiele
Hf-V,
Typ A
102
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Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung
Typ B
Zustandsdiagramme mit verdecktem Schmelzpunktmaximum
(Legierungssysteme mit einer inkongruent schmelzenden Verbindung)
103
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103/158
WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung Typ B
Zustandsdiagramme mit verdecktem Schmelzpunktmaximum(Legierungssysteme mit einer inkongruentschmelzenden Verbindung)
verdecktes Schmelz-
punktmaximum
inkongruentschmelzend
Schmelzpunktmaximum wird durch Liquiduslinie verdeckt, weil fr
T
entstehende B-Kristalle von der Schmelze gelst werden
Verbindung Vist nichtbis zu ihrem Schmelzpunkt bestndig,zersetzt sich also vorher
peritektische Reaktion bei Abkhlung : Schmelze S und bereitsvorhandene Phase B bilden eine neue Phase V: S + B V
Erwrmung: kein Schmelzen von V, sondern die Umkehrung derperitektischen Reaktion: VS + B
104
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Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung Typ B
Zustandsdiagramm ist Kombinationaus einem eutektischen und
einem peritektischen Teilsystem
Diagramm A-V Diagramm V-B
V mit genau
stchiometrischerZusammensetzung
vollkommeneUnlslichkeitfr A und B
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung Typ B
Zustandsdiagrammmitinkongruent schmelzender Ver-bindung und vollkommener Unlslichkeit im festen Zustand
Beispiele
Sb-Fe,
106
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung Typ B
Zustandsdiagramm ist Kombinationaus einem eutektischen Teilsystem
mit Mischungslcke und einemperitektischen Teilsystem
Diagramm - Diagramm -
V nichtaufstchiometrischeZusammensetzung
beschrnkt
teilweise gegen-seitige Lslichkeit
von A und B( Mischkristalle)
Existenz von-Mischkristallen
107
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Zustandsdiagramme mit Verbindungsbildung Typ B
Zustandsdiagrammmitinkongruent schmelzender Ver-bindung und begrenzter Lslichkeit im festen Zustand
Beispiele
108
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungssysteme mitUmwandlungen im
festen Zustand
109
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungssysteme mit Umwandlungen im festen Zustand
Legierung
Abkh
lung
Umwandlungen/Ausscheidungen imfesten Zustand
Legierungssysteme
Komponenten mit allotropen Modifikationen
Mischkristalle mit eutektoidem Zerfall
Mischkristalle mit berstrukturbildung (einphasige Entmischung)
Mischkristalle mit Zerfall in zwei andere Mischkristalle (Entmischung
eines Mischkristalls)
Mischkristalle mit Ausscheidung einer intermetallischen Phase
110
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
mit Komponenten mit allotropen Modifikationen
Polymorphie vieler wichtiger Gebrauchsmetalle: Fe, Ti, Co
Kristallisation in unterschiedlichen Kristallgittern, abhngig von der Tempe-
ratur (z.B. -, - und Eisen)
Vorhandensein polymorpher Komponenten hat groen Einflu auf Legie-
rungsbildungund das Zustandsschaubilddes Legierungssystems
LegierenErweiterung desExistenzgebiets
derjenigenModifikation, die das
gleiche Gitter wiedas LE besitzt
Einengung desExistenzgebiets
derjenigen Modifi-kation, die in einemvom LE abweichen-
den Gitterkristallisiert
Aufweitung derUmwandlungspunkte
der polymorphenKomponenten zuUmwandlungs-
intervallen
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Fe ist polymorph (: krz, : kfz), Cr kristallisiert imkrz-Gitter
fr steigendenCr-Gehalt:
Existenzbereich der kfz-Modifikation des Fe (-Misch-
kristalle) wird immer mehr eingeschrnkt (abge-
schnrt)
Umwandlungsgebiet, in dem die krz- (-Mischkristalle)
und die kfz- Komponente (-Mischkristalle) stabil ne-beneinander vorliegen
mit Komponenten mit allotropen Modifikationen Legierungssystem Fe-Cr
112
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Fe ist polymorph (: krz, : kfz), Ni kristallisiert im kfz-Gitter
fr steigendenNi-Gehalt:
Existenzbereich der kfz-Modifikation des Fe (-Misch-
kristalle) wird immer mehr erweitert
Umwandlungsgebiet, in dem die krz- (-Mischkristalle)
und die kfz-Komponente (-Mischkristalle) stabil neben-
einander vorliegen
Werkstoffe 7 Einflu der Legierungselemente
mit Komponenten mit allotropen Modifikationen Legierungssystem Fe-Ni
113
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
mit eutektoidem Zerfall der Mischkristalle
Mischkristalle knnen nur bei hohen Temperaturen bestndigsein
bei Abkhlung: isothermer Zerfall in zwei andere Mischkristallebei einer
bestimmten Temperatur TE, z.B.: + hnlichkeit zur eutektischen Reaktion: eutektoide Reaktion
entstehendes Gefge aus (hier) - und -Mischkristallen: Eutektoid
an die Stelle der Schmelze bei der eutektischen Reaktion tritt der -Misch-
kristall
eutektoide Umwandlung der Mischkristalle macht sich im Zustandsdia-
gramm in einer horizontalen Phasengrenzlinie, der Eutektoiden, bemerkbar
114
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
mit eutektoidem Zerfall der Mischkristalle
technisch wichtigstes Eutektoid: Perlit in Sthlen Entstehung durch eutektoiden Zerfall des Austenits (-Mischkristall) bei 723 C in Ferrit(-Mischkristall) und Zementit
115
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
reale
Zustandsdiagramme
116
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Idealitt setzt unendlich langsame Abkhlungvoraus vollstndigerAblauf
aller erforderlichen Diffusionsvorgnge
Zustandsschaubilder beschreiben thermodynamisches Gleichgewicht
in der Praxis lassen sich die Bedingungen nur schwer realisieren, da die Ab-
khlung in einem endlichen Zeitraumstattfinden mu (technische Abkh-
lung)
Folge: signifikante Vernderungenim Gefge/Zustandsdiagramm:
Auftreten von Kristallseigerungenmit Ausbildung von Zonenmischkristallen
(Wrmebehandlungen)
reale Zustandsdiagramme
117
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Verschiebung von Phasengrenzen und Zustandsbereichenoder sogarAusbil-
dung neuer Phasen bzw. Gefgeformen
Bildung von entartetem Eutektikum:
bei geringem Anteil eutektischer
Schmelze und bereits primr ausge-schiedenen Kristallen (A oder ) er-starrt bei erhhter Abkhlgeschwin-
digkeit die Restschmelze nicht zu Eu-tektikum, sondern A- oder -Phase
kristallisiert an die bereits vorhan-denen gleichartigen Kristallean
reale Zustandsdiagramme
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Eutektikum besteht dann nur nochaus erstarrten B- oder -Kristallen(entartetes Eutektikum) mit anderen Eigenschaften
reale Zustandsdiagramme
119
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Zustandsdiagramme
von Dreistoffsystemen
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Dreistoffsysteme
ternre Zustandsschaubilder: Legierungszusammensetzung wird in einem
Konzentrationsdreieck( Grundflche des Zustandsdiagramms) angegeben,Temperatur senkrecht dazu (Zustandsprisma)
121
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Dreistoffsysteme
Unterschiede:
flchenhafteBegrenzungen: Liquidus- bzw. Solidusflchen
zustzlich zu eutektischen Punkten treten eutektische Rinnenauf
neben Ein- und Zweiphasengebieten existieren Dreiphasengebieterelativ schwierige Darstellung, Handhabung erfordert groe Erfahrung
122
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen
123
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
einfache Legierungen
124
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys) natrliche Legierungen
Legierung aus Gold und Silber(Spuren von Cu)
lteste Mnzen aus dem 7. Jhdv.u.Z.
Zusammensetzung: 20-90% Au,10-80% Ag
Elektrum/Elektron Legierung aus Eisen und Nickel ca. 5-20% Ni lteste Funde etwa 5000 Jahre
alt
Meteoreisen
Legierung aus Arsen und Anti-mon
erster Fund: 1941, Varutrsk,Schweden
Stibarsen
125
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Kupfer-Zinn-Legierungen
Sn: Schmelzpunkt , Festigkeit , Hrte , Ver-schleiwiderstand kulturhistorische Bedeutung: Bronzezeit Herstellung
von Waffen, Werkzeugen und Kunstgegenstnden
Zweistoffsystem Cu-Sn sehr komplex ( WS 9 Nichteisen-metalle)
Legierungen (alloys) Bronzen
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http://www.kupferinstitut.de/front_frame/frameset.php3?client=1&lang=1&idcat=347&parent=135/24/2018 Werkstoffe 4 - Legierungsbildung und Zustandsschaubilder
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
MessingeLegierungen (alloys)
Kupfer-Zink-Legierungen
Messing ist hrter als Kupfer, aber weniger hart als
Bronze
Eigenschaften:
sehr zug- und verschleifest & korrosionsbestn-
dig, gute Polierbarkeit
Verarbeitung zu Feinmechanikteilen, korrosions-
bestndigen Schrauben & Federn sowie Armatu-ren & Kleingerteteilen
Zweistoffsystem Cu-Zn sehr komplex ( WS 9)
127
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys) Nordisches Gold
Messing-Legierung aus 89% Cu, 5% Al, 5% Zn, 1% Sn
Mnzmetallzur Herstellung von 50-, 20- und 10-Eurocent-Mnzen
128
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys) Invar
Legierungen (u.a. FeNi36) mit sehr geringen Wrmeaus-dehnungskoeffizienten(um 2 ppm pro Kelvin) Invarianz
der Dehnung bezglich einer Temperaturnderung
Entdeckung des Effekts 1896
durch CHARLESGUILLAUME(Nobel-
preis fr Physik 1920)
Arcelor Mittal, Luxemburg
129
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Hintergrund des Invar-Effekts: negative Volumenmagnetostriktion
Abstoung der magnetischen Momenteder einzelnen Atome der Legierung
Aufblhen des Gitters
Magnetostriktion fr T
Volumenausdehnung fr T
Verwendung fr Produkte mit hoher Lngenstabilitt bei Temperatur-
schwankungen
Kompensationbeider Effekte berbestimmte Temperaturbereiche; keineeffektive nderungder Atomabstnde
130
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys) Konstantan
Legierung (55% Cu, 44% Ni, 1% Mn) mit konstantem spezifi-schem elektrischem Widerstandber weite Temperaturbe-
reiche
physikalischer Hintergrund: hohe Strstel-
lendichte, Strstellendichte fr T , mitgroem Einflu der Elektronenstreuungen
Verwendung fr Przisionswiderstnde
hnliche Eigenschaften: Manganin, Cu86Mn12Ni2
ThyssenKrupp VDM, Essen
131
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Formgedchtnis-
legierungen
132
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
FGL sind metallische Werkstoffe, die die Fhigkeit besitzen,
nach einer starken Verformung ihre ursprngliche Gestalt wie-
der einzunehmen(sich an diese Form zu erinnern) - auch
Memorymetallegenannt (engl. shape-memory alloys, SMA)
technische Relevanz weisen Legierungen auf Nickel-Titan-Basis(NiTi, Ni-
tinol) auf
Einsatz alsAktorund Sensorin Regelkreisen
bertragung von Krften ohne auffallende Ermdung aber: bei Erwrmung
ber eine bestimmte Temperatur hinaus Amnesie mglich
FormgedchtnislegierungenLegierungen (alloys)
Einfhrung
133
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
temperaturabhngige allotrope Festkrperpha-
senumwandlung zweier verschiedener Kristall-
struktureneines Werkstoffs
Formwandlung
Hochtemperaturform(Austenit)
Niedrigtemperaturform(Martensit)
Gleichwertigkeit von Temperaturund mechanische Spannung:
Umwandlung kann nicht nurthermisch, sondern auch
spannungsinduzierterfolgen
gleichberechtigte Schersystemeinjedem Kristallsystem, die sich ausder Raumsymmetrie der Elemen-
tarzelle ergeben
Gleichverteilung derSchersysteme
Bevorzugung einigerSchersysteme
keine uerenFormnderungen
Formnderungen
134
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Umwandlungszyklus:
Anregung auch auf magnetischem
Wege mglich (ferromagnetische
Formgedchtnislegierungenmit
Lngennderungen bis 10%)
Formwandlung
135
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Umwandlungszyklus:
Ms/Mf: Martensite starting/finishing temperature
As/Af:Austenite starting/finishing temperature
Formwandlung
parent phase daughter phase
136
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Unterschreiten von Mf: verschiedene Martensitbereiche (durch Zwillingsbil-
dung entstanden) sind statistisch verteilt
Einwirken einer mechanischen Spannung (uere Kraft) pseudoplasti-
sche Verformungdes Werkstoffs
gnstiger orientierte Martensitbereiche wachsen auf Kosten von ungnstiger
orientierten deutliche Verformung, die auch nach Wegfall der Spannung
erhalten bleibt
plastische Verformung beruht also nicht auf Versetzungsbewegungen, son-
dern auf Umorientierung des Gitters
Einwegeffekt
137
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Erwrmung Rckumwandlungzum Austenit mit ursprnglicher Gestalt
(ohne Einwirken uerer Krfte)
Einwegeffekt
T1= 25 C, beliebige Verformung im mar-
tensitischen Zustand
Erwrmung bis auf T5 60 C, beginnen-de Rckwandlung
T6= 100 C, vollstndige Rckwandlungund Wiederherstellung der Form
Legierungszusammensetzung: 52,2% Mol-% Ni, 47,8 Mol-% TiMs: 62 C,Mf: 50 C;As: 52 C,Af: 68 C
1
2-5
6
138
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Anwendungen:
chirurgische Klammern, die beim Sterilisieren wieder die alte Gestalt an-
nehmen
Stellglieder in temperaturgesteuerten Regeleinrichtungen(Aktorik):
Verformung des Martensits durch Federspannung
Temperaturerhhung Formnderung des Austenits berwindet Feder-kraft
Abkhlung: Verformung des Martensits durch die Feder
Einwegeffekt
139
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Erinnerung an Hoch- undNiedrigtemperaturform
WS zeigt in einem bestimmten Temperaturbereich (< 100 C) eine Formn-
derung
im fest eingespannten System (= 0): Ausben einer Kraft mglich
Abkhlen: Formnderung geht auf gleichem Wege zurck
Verwendung zum ffnen und Schlieen von Ventilen
Zweiwegeffekt
140
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Training: thermomechanische Behandlungszyklen Ausbildung von Span-
nungsfeldern Frderung der Bildung bestimmter Martensit-Varianten
beim Abkhlen
Umwandlung findet nur statt, wenn keine ueren Krftewirken
Zweiwegeffekt
141
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Effekte
Einwegeffekt Zweiwegeffekt
142
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Aktorik: Teilgebiet der Antriebstechnik Erzeugen einer Bewegung oder Ver-
formung
Aktoren (Wandler) setzen elektronische Signale in mechanische Bewegung
oder andere physikalische Gren um und greifen aktiv in das Regelungs-
system ein und/oder geben Sollgren vor
FGL als Aktoren:
Substitution bestehender technischer Systeme(z.B. Piezoaktoren, Hubmag-
neten oder Stellmotoren)
Einsatz von FGL energieeffizienter und wirtschaftlicherer Betrieb
Anwendungen Aktoren
143
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Bauformen und Kenndaten von FGL-Aktoren:
Anwendungen Aktoren
144
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Vorteilevon FGL-Aktoren gegenber
Anwendungen Aktoren
145
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
bersicht Aktorwerkstoffe
146
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/superelasticity/index.php5/24/2018 Werkstoffe 4 - Legierungsbildung und Zustandsschaubilder
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
pseudoelastisches Verhalten: reversibleFormnde-
rung(zustzlich zur normalen elastischen Verfor-
mung) elastische Verformung 20fach grer
als bei konventionellen Metallen (E-Modul nur 1/20)
Ursache: diffusionslose Phasenumwandlung inner-
halb des Werkstoffs
Spannungs-Dehnungs-Hysterese gute Dmpfungs-
eigenschaften & Einsatz als Implantat
Superelastizitt
Hochtemperaturform(Austenit)
Niedrigtemperaturform(Martensit)
Entlastunguere
Spannung
147
L i ( ll )
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/superelasticity/index.php5/24/2018 Werkstoffe 4 - Legierungsbildung und Zustandsschaubilder
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Spannungs-Verformungs-Temperaturdiagramm
normales Verhalten Einwegeffekt
148
L i ( ll )
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Spannungs-Verformungs-Temperaturdiagramm
Zweiwegeffekt Superelastizitt
149
L i ( ll )
5/24/2018 Werkstoffe 4 - Legierungsbildung und Zustandsschaubilder
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
Medizintechnik: Stents(Gefsttzen), Einsatz als Draht in
festsitzenden Zahnspangen (Brackets)
Weltraumtechnik: Entfalten von Sonnensegelnu.. (Nutzen
des Einwegeffekts)
Fototechnik:Autofokus & optische Bildstabilisierungin Ka-
meras von Mobiltelefonen
Wrmekraftmaschinen, flexible Brillengestelleu.v.a.m.
Anwendungen
150
L gi g ( ll )
http://www.cambridgemechatronics.com/cameras.shtml?tab=15/24/2018 Werkstoffe 4 - Legierungsbildung und Zustandsschaubilder
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
NiTi-Legierung mit Formgedchtnis-
Eigenschaften (Zssg.: ca. 55% Ni, 45% Ti)
Zusammensetzung hat Einflu auf Ms
bekanntester Vertreter der Formgedchtnislegierun-
gen
bis 650 C verwendbar, korrosionsbestndig und
hochfest, bis ca. 8% pseudoplastisch verformbarkostenintensiv (Herstellung im Vakuum, hohe An-
forderungen an Reinheit)
Nitinol
151
Legierungen (alloys)
http://www.nitinol.com/5/24/2018 Werkstoffe 4 - Legierungsbildung und Zustandsschaubilder
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Legierungen (alloys)
kalorimetrische Analyse der Umwandlungstemperaturen:
Nitinol
152
5/24/2018 Werkstoffe 4 - Legierungsbildung und Zustandsschaubilder
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
HEUSLERsche
Legierungen
153
HEUSLERsche LegierungenLegierungen (alloys)
5/24/2018 Werkstoffe 4 - Legierungsbildung und Zustandsschaubilder
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
HEUSLERsche LegierungenLegierungen (alloys)
Legierungen, die als wesentlichen Bestandteil eine HEUSLER-Phaseenthalten HEUSLER-Phasen: intermetallische Phasen mitferromagnetischen Eigen-
schaften, ohne ferromagnetische Legierungselemente zu enthalten
Zusammensetzungen:
XYZ (halbe HEUSLER-Legierungen) X2YZ (vollstndige HEUSLER-Legierungen)
X, Y: bergangsmetalle, Z: Element der III.-V. Hauptgruppe
Beispiele:
Cu2MnAl, Cu2MnIn, Cu2MnSn,
Pd2MnAl, Pd2MnIn, Pd2MnSn, Pd2MnSb,
Manganionen spielen offensichtlich eine wichtige Rolle!
154
HEUSLERsche LegierungenLegierungen (alloys)
http://www.uni-marburg.de/aktuelles/unijournal/9/Physikgeschichte5/24/2018 Werkstoffe 4 - Legierungsbildung und Zustandsschaubilder
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
HEUSLERsche LegierungenLegierungen (alloys)
physikalischer Hintergrund: Halbmetall-Ferromagnetismus
Mechanismus nicht vollstndig geklrt
LE bilden Ordnungsphasen, so da die Kristallstruktur aus vier ineinan-der
geschachtelten kfz-Teilgitternbesteht
WW zwischen Atomen der Teilgitter bewirken nahezu vollstndige
Ausrichtung der magnetischen Momenteder Elektronen aus metallischen
Atomen
Elektronen aus nichtmetallischen Atomen sind falsch polarisiertbei hinreichend tiefen Temperaturen: Ferromagnetismus
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Flssigmetalle
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FlssigmetalleLegierungen (alloys)
5/24/2018 Werkstoffe 4 - Legierungsbildung und Zustandsschaubilder
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Flssigmetalle Legierungen (alloys)
niedrigschmelzende Legierungen Fp. < 25 C bei Raumtemperatur im flssigen Zustand
Fp. < 100 C Schmelze durch kochendes Wasser
Galinstan
Legierungen aus Gallium, Indium und Zinn ( Name!)eutektische Zusammensetzung:
68-69% Ga, 21-22% In, 9,5-10,5% Sn Fp. = -19,5 C (Herstellerangabe) 59,6% Ga, 26% In, 14,4% Sn Fp. = 11 C (Fachliteratur)
Verwendung:
Hg-freie Thermometer (Beschichtung des Glases
mit Ga2O3ntig)
Wrmeleitpaste fr Khlkrper (= 16 W/(mK))
Geratherm Medical AG, Geschwenda
157
FlssigmetalleLegierungen (alloys)
5/24/2018 Werkstoffe 4 - Legierungsbildung und Zustandsschaubilder
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WERKSTOFFE 4 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
Flssigmetalle Legierungen (alloys)
Eutektikum: 22% Na, 78% K Fp.: -11 C Verwendung: Khlmittel in Kern-
reaktoren (= 23 W/(mK))
NaK
Eutektikum: 50% Bi, 25% Pb,12,5% Cd, 12,5% Sn
Fp.: 60 C
WOODsches Metall
Eutektikum: 50% Bi, 25% Pb,25% Sn
Fp.: 94 C
ROSEs Metall
Eutektikum: 51% In, 32,5% Bi,16% Sn
Fp.: 62 C
FIELDsches Metall
Verwendung: Lote, Schmelzsicherungen, Heiz-/Khlflssigkeiten (sogenannte Metallbder)
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5/24/2018 Werkstoffe 4 - Legierungsbildung und Zustandsschaubilder
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