Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Struktur und Eigenschaften der Materialien Vorlesung Teil 2:...

Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

Struktur und Eigenschaften der

Materialien

Vorlesung Teil 2: Zweistofflegierungen


Legierungen entstehen durch Zusatz anderer Stoffe zu einem Metall (Legierungskomponenten).Das Mischungsverhältnis ist beliebig. Der metallische Charakter bleibt erhalten.

Ziele höhere Festigkeit bei ausreichender Zähigkeit besseres Verschleißverhalten besseres Korrosionsverhalten Formbarkeit

Legierungen


Legierungsbildung

Unlöslichkeit teilweise vollkommeneLöslichkeit Löslichkeit

physikalischeGemenge

heterogenmehrere Phasen

Mischkristalle

homogeneinphasig


Definition

Phasen sind:

• chemisch homogene

• kristallographisch unterscheidbare

Anteile eines physikalischen Gemenges

Je nach Mischbarkeit können im flüssigen oder festen Zustand eine oder mehrere Phasen vorliegen.


Zweistoffsystem

Legierungen bestehen aus zwei Komponenten

Löslichkeit im festen Zustand: Anzahl der

Phasen:

nicht 2

teilweise 2

vollkommen 1


Zustandsschaubilder

sind die graphische Darstellung der Phasenbe-

ziehungen in Legierungssystemen.

Parameter sind Temperatur und Konzentration.


Zustandsdiagramm

Te

mp

era

tur

T

Konzentration C

Erstarrung von Legierungen:

TS, A

TS, B

- vollständige Löslichkeit- teilweise Löslichkeit- Unlöslichkeit

100 75 50 25 % 00 25 50 75 % 100

Element A Element B

TS - Schmelztemperatur

?


Amorphe vs. kristalline Erstarrung

amorph kristallin

Te

mp

era

tur

T

Abkühlzeit tT

em

per

atu

r T

Abkühlzeit t

flüssig

erstarrt

TS

Beginn der Erstarrung

Ende derErstarrung

Haltelinie - Freiwerdender Kristallisationswärme


Temperatur - Zeit - Kurven vom Erstarrungsprozeß eines

reinen Metalls (Kupfer)

vom Erstarrungsprozeß einer Legierung (Nickel-Kupfer)


Kristalline Erstarrung reiner Stoffe

Te

mp

era

tur

T

Abkühlzeit t

Te

mp

era

tur

T

Abkühlzeit t

TS, A

TS, BKri

sta

lle

S

chm

elze

Kri

sta

lle

S

chm

elzeKristallisation

Kristallisation

Metall A Metall B


Abkühlverlauf bei der ErstarrungT

em

per

atu

r T

Abkühlzeit t

reines Metall + Legierung amorpher Stoffeutektische Legierung

A

B

TS, A

TS, B

Beginn derErstarrung

Ende derErstarrung


Phasenzustände

Schmelzeund Kristalle

KristalleSchmelze

Te

mp

era

tur

T

Abkühlzeit t

TK

TK B

TK E


Phasenregel

F - Anzahl der Freiheitsgrade

Möglichkeit der Änderung von Temperatur oder

Konzentration, ohne dass P sich ändert

K - Anzahl der beteiligten Komponenten

P - Anzahl der Phasen

F = K - P + 1


Phasenregel - Beispiel

Erstarrung einer Zweikomponenten Legierung:

F = 2 - 2 + 1 = 1

1 Freiheitsgrad, d.h. die Temperatur kann sich während

der Erstarrung ändern. Man erhält Knickpunkte bei Kri-

stallisationsbeginn und Kristallisationsende.



Erstarrung eines amorphen Stoffes:

F = 1 - 1 + 1 = 1

1 Freiheitsgrad, d.h. die Temperatur kann sich während

der Erstarrung ändern. Man erhält keine Knick- und

Haltepunkte.



Erstarrung eines reinen Metalls:

F = 1 - 2 + 1 = 0

Die Temperatur muss so lange konstant bleiben, bis die

erste Phase = Schmelze verschwunden ist, d.h. bis das

System einphasig ist. Man erhält einen Haltepunkt.


Vollkommene Unlöslichkeit im festen und flüssigen ZustandT

em

per

atu

r T

Konzentration C

TS, A

TS, B

100 % 100 %

Element A Element B

Liquidus-linie LL

Solidus-linie SL

SA + SB

A + SB

A + B

Abkühlzeit t

TS, A

TS, B

L

60 % A40 % B

L


Vollkommene Unlöslichkeit im festen und flüssigen Zustand am Beispiel Eisen - Blei

Tem

per

atu

r T

Konzentration C

TS, A

TS, B

100 % 100 %

Element A Element B

Liquidus-linie LL

Solidus-linie SL

SA + SB

A + SB

A + B

Abkühlzeit t

TS, A

TS, B

L

60 % A40 % B

L

Eisen - Blei real

Fe Gew - % Pb Pb

Tem

per

atu

r in

°C

1600

1500

1400

400

300

2000 20 40 60 80 100

SFe + SPb

1528°

Fe + SPb

327° Fe + Pb


Vollständige Löslichkeit im flüssigen und festen ZustandT

em

per

atu

r T

Konzentration C100% A 100% B

TS, B

TS, A

Schmelze SA B

Liquiduslinie

Soliduslinie

Mischkristalle MK

MK + SA B

L1

Abkühlzeit t

T

L2 L A L B

MKMK MK

MKMKMK

MK

L2L1

- Knickpunkte

L A L B


Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, Unlöslichkeit im festen Zustand

Schmelze SA B

S + AS + B

Kristalle A + B

Soliduslinie - Eutektikale- eutektischer Punkt oder Eutektikum

Liquiduslinie

Abkühlzeit t

T

L1

- Knickpunkte

L2 L3 L A L BL1 L2 L3

Konzentration C100% 100% A B

TS, B

TS, A

TEu.

L B L A


Hebelgesetz

* Menge der Restschmelze~ 45%

* Menge der bereitsgebildeten Mischkristalle~ 55%

L1

T1

T2

T3

* *

Schmelze SA B

Misch-kristalle MK

100% 100% A B

TS, B

TS, A

b

c d e

a

Konzentrationder MK bei T2:20% B80% A

Konzentration derRestschmelze bei T2:ca. 65% B 35% A

f g

Hebelgesetz der abgewandten

Hebelarme: für T2 gilt

c d = Menge der Restschmelze

d e = Menge der bereits gebildeten

Mischkristalle

Hebelgesetz der zugewandten

Hebelarme: für T2 gilt

Konzentration der Restschmelze,

bzw. der Mischkristalle

für T1 und T3 analog verfahren


Untereutektisches Gefüge

Eutektikum

nichtmetallischeEinschlüsse

+ MK



100% 100% A B

Konzentration C

L1 L2 L3

Schmelze SA B

S + AS + B

Kristalle A + B

TS, B

TS, A

TEu.

EEutektikum

A B

E = A + B

100%

0%

Gefüge-anteil

100%

0%

65% A35% E

55% B45% E


Zustandsdiagramm Blei - Zinn


Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, teilweise Löslichkeit im festen Zustand

V - Diagramm mit Mischungslücke

Liquiduslinie

SoliduslinieS

egregationslinieSA B + -MK

-MK

MK - +

L1

aSchmelzea

Schmelze SA B

SA B +

-MK-MK

TS, B

TS, A


Te

mp

era

tur

T

b

c

d

e

b

c

d

e


Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, teilweise Löslichkeit im festen Zustand

peritektische Reaktion

Liquiduslinie

Soliduslinie

Peritektikale

Seg

rega

tions

linie

+ S

+MK

Schmelze S

+ S

+ MK + + MK

L1

a

b

c

d

Schmelzea

b

c

d


TS, B

TS, A


Zustandsdiagramme von Zweistoffsystemen

nicht - nicht

Fe / PbAg / NiAl / Pb

- vollkommen -

Linsendiagramm

Cu / Ni

vollkommen - nicht

V-Diagrammeutektisches System

Bi / Cd

vollkommen - teilweise

V-Diagrammeutektisches Systemmit Mischungslücke

Al / Mg

vollkommen - teilweise

peritektisches System

Pt / Ag

vollkommen - nicht (- teilweise)Verbindungsbildung

mit offenemMaximum

Ca / Mg

vollkommen - nicht (- teilweise)Verbindungsbildung

mit offenemMaximum

K / Na

Löslichkeit imflüssigen - festen

Zustand

Löslichkeit imflüssigen - festen

ZustandZustandsdiagramm ZustandsdiagrammBeispiele Beispiele


Einfluß der Legierungszusammensetzung auf Zugfestigkeit und Bruchdehnung


Zustand eutektisches Systemeutektische Systemmit Mischungslücke

peritektische System

flüssig vollkommene Löslichkeit

festvollkommeneUnlöslichkeit reine Kristalle

begrenzte Löslichkeit MischkristalleEutektikum = Gemischvon Mischkristallen

Bildung von Mischkristallen,kein Eutektikum

flüssig

fest

gemeinsamer Punkt von Liquidus- undSoliduslinie im Eutektikumeutektische Reaktion an der EutektikalenSE Akrit + BKrit SE MK + MK

kein Minimum in derSoliduslinieperitektische Reaktion an derPeritektikalen

MK Schmelze + MK

MK Schmelze + MK

Zustandsübersicht


Abhängigkeit des E-Moduls von der Legierungszusammensetzung


Unterschied zwischen Kristallgemisch und Mischkristall

Härte

elektr. Widerstand

elektr. Widerstand

Wärmedehnung


Kaffeepause !

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