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

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

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

Zweistoffsystem Legierungen bestehen aus zwei Komponenten Löslichkeit im festen Zustand: Anzahl der Phasen: nicht 2 teilweise 2 vollkommen 1 Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

? Zustandsdiagramm Erstarrung von Legierungen: - vollständige Löslichkeit - teilweise Löslichkeit - Unlöslichkeit TS, A TS, B Temperatur T ? TS - Schmelztemperatur 100 75 50 25 % 0 0 25 50 75 % 100 Element A Element B Konzentration C Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

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

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

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

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

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

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

Phasenregel - Beispiel 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. Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

Phasenregel - Beispiel 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. Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

Vollkommene Unlöslichkeit im festen und flüssigen Zustand Temperatur T Konzentration C TS, A TS, B 100 % 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

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 0 20 40 60 80 100  SFe + SPb 1528° Fe + SPb 327° Fe + Pb Temperatur 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 L 60 % A 40 % B Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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 100% B TS, B TS, A Liquiduslinie MK + SA B Soliduslinie Mischkristalle MK MK - Knickpunkte Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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% 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

* * * * 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% 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 35% A Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

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

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

Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, Unlöslichkeit im festen Zustand 100% 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

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

Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, teilweise Löslichkeit im festen Zustand  V - Diagramm mit Mischungslücke Schmelze a L1 TS, B TS, A Konzentration C 100% 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

 + S  + MK  + S  +  + MK  + MK Vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand, teilweise Löslichkeit im festen Zustand  peritektische Reaktion Schmelze a L1 Konzentration C 100% 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

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

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

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

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

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

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