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

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

2 Legierungen 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 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

3 physikalischeGemenge
Legierungsbildung Unlöslichkeit teilweise vollkommene Löslichkeit Löslichkeit physikalischeGemenge heterogen mehrere Phasen Mischkristalle homogen einphasig Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

5 Zweistoffsystem Legierungen bestehen aus zwei Komponenten Löslichkeit im festen Zustand: Anzahl der Phasen: nicht teilweise vollkommen 1 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

7 ? Zustandsdiagramm Erstarrung von Legierungen:
- vollständige Löslichkeit - teilweise Löslichkeit - Unlöslichkeit TS, A TS, B Temperatur T ? TS - Schmelztemperatur % 0 % 100 Element A Element B Konzentration C Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

8 Amorphe vs. kristalline Erstarrung
amorph kristallin Temperatur T Abkühlzeit t flüssig erstarrt Haltelinie - Freiwerden der Kristallisationswärme TS Beginn der Erstarrung Ende der Erstarrung Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

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

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

12 Phasenzustände Temperatur T TK B TK TK E Abkühlzeit t Schmelze
Schmelze und Kristalle Kristalle Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

13 Phasenregel F = K - P + 1 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 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

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

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

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

18 Vollkommene Unlöslichkeit im festen und flüssigen Zustand am Beispiel Eisen - Blei
Eisen - Blei real Fe Gew - % Pb Pb Temperatur in °C 1600 1500 1400 400 300 200  SFe + SPb ° Fe + SPb 327° Fe + Pb Temperatur T Konzentration C TS, A TS, B 100 % % Element A Element B Liquidus- linie LL Solidus- linie SL SA + SB A + SB A + B Abkühlzeit t L 60 % A 40 % B Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

20 Soliduslinie - Eutektikale - eutektischer Punkt oder Eutektikum
Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, Unlöslichkeit im festen Zustand L1 L2 L3 L B L A L A L1 L2 L3 L B Abkühlzeit t T Konzentration C 100% % A B TS, B TS, A TEu. Schmelze SA B S + A S + B Kristalle A + B Liquiduslinie - Knickpunkte Soliduslinie - Eutektikale - eutektischer Punkt oder Eutektikum Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

21 * * * * Hebelgesetz L1 Schmelze SA B TS, A T1 a b T2 c d e T3 TS, B
Menge der Restschmelze ~ 45% L1 Schmelze SA B Misch- kristalle MK 100% % A B TS, B TS, A * Menge der bereits gebildeten Mischkristalle ~ 55% T1 a * b * T2 c d e 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 T3 f g Konzentration der MK bei T2: 20% B 80% A Konzentration der Restschmelze bei T2: ca. 65% B % A Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

23 Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, Unlöslichkeit im festen Zustand
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24 Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, Unlöslichkeit im festen Zustand
100% % A B Konzentration C L1 L2 L3 Schmelze SA B S + A S + B Kristalle A + B TS, B TS, A TEu. E Eutektikum 100% 100% A B E = A + B Gefüge- anteil 55% B 45% E 65% A 35% E 0% 0% Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

25 Zustandsdiagramm Blei - Zinn
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26 Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, teilweise Löslichkeit im festen Zustand
 V - Diagramm mit Mischungslücke Schmelze a L1 TS, B TS, A Konzentration C 100% % A B Temperatur T a b Schmelze SA B b Liquiduslinie c c SA B + -MK SA B + -MK -MK -MK Soliduslinie d d Segregationslinie MK -  +  e e Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

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

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

31 Abhängigkeit des E-Moduls von der Legierungszusammensetzung
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32 Unterschied zwischen Kristallgemisch und Mischkristall
Härte elektr. Widerstand Wärmedehnung Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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