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

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Präsentation zum Thema: "Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Struktur und Eigenschaften der Materialien Vorlesung Teil 2: Zweistofflegierungen."—  Präsentation transkript:

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

3 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst 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

4 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Legierungsbildung Unlöslichkeit teilweise vollkommeneLöslichkeit physikalische Gemenge heterogen mehrere Phasen Mischkristalle homogen einphasig

5 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst 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.

6 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Zweistoffsystem Legierungen bestehen aus zwei Komponenten Löslichkeit im festen Zustand:Anzahl der Phasen: nicht2 teilweise2 vollkommen1

7 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Zustandsschaubilder sind die graphische Darstellung der Phasenbe- ziehungen in Legierungssystemen. Parameter sind Temperatur und Konzentration.

8 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Zustandsdiagramm Temperatur T Konzentration C Erstarrung von Legierungen: T S, A T S, B - vollständige Löslichkeit - teilweise Löslichkeit - Unlöslichkeit % % 100 Element A Element B T S - Schmelztemperatur ?

9 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Amorphe vs. kristalline Erstarrung amorphkristallin Temperatur T Abkühlzeit t Temperatur T Abkühlzeit t flüssig erstarrt TSTS Beginn der Erstarrung Ende der Erstarrung Haltelinie - Freiwerden der Kristallisationswärme

10 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Temperatur - Zeit - Kurven vom Erstarrungsprozeß eines reinen Metalls (Kupfer) vom Erstarrungsprozeß einer Legierung (Nickel-Kupfer)

11 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Kristalline Erstarrung reiner Stoffe Temperatur T Abkühlzeit t Temperatur T Abkühlzeit t T S, A T S, B Kristalle Schmelze Kristallisation Metall A Metall B

12 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Abkühlverlauf bei der Erstarrung Temperatur T Abkühlzeit t reines Metall + Legierung amorpher Stoff eutektische Legierung A B T S, A T S, B Beginn der Erstarrung Ende der Erstarrung

13 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Phasenzustände Schmelze und Kristalle Kristalle Schmelze Temperatur T Abkühlzeit t TKTK TKBTKB TKETKE

14 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst 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

15 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Phasenregel - Beispiel Erstarrung einer Zweikomponenten Legierung: F = = 1 1 Freiheitsgrad, d.h. die Temperatur kann sich während der Erstarrung ändern. Man erhält Knickpunkte bei Kri- stallisationsbeginn und Kristallisationsende.

16 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Phasenregel - Beispiel Erstarrung eines amorphen Stoffes: F = = 1 1 Freiheitsgrad, d.h. die Temperatur kann sich während der Erstarrung ändern. Man erhält keine Knick- und Haltepunkte.

17 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Phasenregel - Beispiel Erstarrung eines reinen Metalls: F = = 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.

18 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Vollkommene Unlöslichkeit im festen und flüssigen Zustand Temperatur T Konzentration C T S, A T S, B 100 % Element A Element B Liquidus- linie LL Solidus- linie SL S A + S B A + S B A + B Abkühlzeit t T S, A T S, B L 60 % A 40 % B L

19 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Vollkommene Unlöslichkeit im festen und flüssigen Zustand am Beispiel Eisen - Blei Temperatur T Konzentration C T S, A T S, B 100 % Element A Element B Liquidus- linie LL Solidus- linie SL S A + S B A + S B A + B Abkühlzeit t T S, A T S, B L 60 % A 40 % B L Eisen - Blei real Fe Gew - % Pb Pb Temperatur in °C S Fe + S Pb 1528° Fe + S Pb 327° Fe + Pb

20 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Vollständige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand Temperatur T Konzentration C 100% A 100% B T S, B T S, A Schmelze S A B Liquiduslinie Soliduslinie Mischkristalle MK MK + S A B L1 Abkühlzeit t T L2 L A L B MK L2 L1 - Knickpunkte L A L B

21 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, Unlöslichkeit im festen Zustand Schmelze S A B S + A S + B Kristalle A + B Soliduslinie - Eutektikale - eutektischer Punkt oder Eutektikum Liquiduslinie Abkühlzeit t T L1 - Knickpunkte L2L3 L AL BL1L2L3 Konzentration C 100% 100% A B T S, B T S, A T Eu. L B L A

22 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Hebelgesetz * Menge der Restschmelze ~ 45% * Menge der bereits gebildeten Mischkristalle ~ 55% L1 T1 T2 T3 ** Schmelze S A B Misch- kristalle MK 100% 100% A B T S, B T S, A b c d e a Konzentration der MK bei T2: 20% B 80% A Konzentration der Restschmelze 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

23 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Untereutektisches Gefüge Eutektikum nichtmetallische Einschlüsse + MK

24 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, Unlöslichkeit im festen Zustand

25 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, Unlöslichkeit im festen Zustand 100% 100% A B Konzentration C L1L2L3 Schmelze S A B S + A S + B Kristalle A + B T S, B T S, A T Eu. E Eutektikum AB E = A + B 100% 0% Gefüge- anteil 100% 0% 65% A 35% E 55% B 45% E

26 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Zustandsdiagramm Blei - Zinn

27 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, teilweise Löslichkeit im festen Zustand V - Diagramm mit Mischungslücke Liquiduslinie Soliduslinie Segregationslinie S A B + - MK - MK MK - + L1 a Schmelze a Schmelze S A B S A B + - MK T S, B T S, A Konzentration C 100% 100% A B Temperatur T b c d e b c d e

28 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, teilweise Löslichkeit im festen Zustand peritektische Reaktion Liquiduslinie Soliduslinie Peritektikale Segregationslinie + S + MK Schmelze S + S + MK + + MK L1 a b c d Schmelze a b cd Konzentration C 100% 100% A B T S, B T S, A

29 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Zustandsdiagramme von Zweistoffsystemen nicht - nicht Fe / Pb Ag / Ni Al / Pb - vollkommen - Linsendiagramm Cu / Ni vollkommen - nicht V-Diagramm eutektisches System Bi / Cd vollkommen - teilweise V-Diagramm eutektisches System mit Mischungslücke Al / Mg vollkommen - teilweise peritektisches System Pt / Ag vollkommen - nicht (- teilweise) Verbindungsbildung mit offenem Maximum Ca / Mg vollkommen - nicht (- teilweise) Verbindungsbildung mit offenem Maximum K / Na Löslichkeit im flüssigen - festen Zustand Löslichkeit im flüssigen - festen Zustand Zustandsdiagramm Beispiele

30 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Einfluß der Legierungszusammensetzung auf Zugfestigkeit und Bruchdehnung

31 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Zustandsübersicht

32 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Abhängigkeit des E-Moduls von der Legierungszusammensetzung

33 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Unterschied zwischen Kristallgemisch und Mischkristall Härte elektr. Widerstand Wärmedehnung

34 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst Kaffeepause !


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