Binäre Systeme - TU Bergakademie Freiberg

Institut für Eisen- und Stahl Technologie
Systeme – Fe-C-Diagramm
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Seminar 2 – Binäre
Dipl.-Ing. Ch. Schröder
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Literatur
V. Läpple, Wärmebehandlung des Stahls, 2003, ISBN 3-8085-1308-X
H. Klemm, Die Gefüge des Eisen-Kohlenstoff-Systems, 1974
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H. Schumann, H. Oettel, Metallographie, 2005, ISBN 3-527-30679-X
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1. Legierungen
- Technische Vielfalt der Werkstoffe zur Einstellung der Eigenschaften durch
Zugabe von Legierungselementen (Metalle, Nichtmetalle)
Lösung mehrerer meist metallischer Komponenten
Metallbindung bleibt überwiegend erhalten
Typ. Legierungselemente für Cu-Legierungen
für Fe-Legierungen
Mögliche Ziele:
Zn, Sn, Al, Si,… Messing, Bronze
Cr, Ni, Mo, W, Si,…
- Erhöhung der Festigkeit
- Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit
- Erhöhung des Verschleißwiderstandes
Voraussetzung: Löslichkeit
Legierungselemente beeinflussen den kristallinen Aufbau des metallischen Basiswerkstoffes
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Legierung:
a)
Substitutionsmischkristalle:
Austausch von Atomen
Gitterplätze
b)
Einlagerungsmischkristalle:
interstitielle Atome
Gitterlücken; C, N, B
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Mischkristalle
an Löslichkeitsbedingungen geknüpft: Hume-Rothery-Regeln
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Bedingungen für Substitution
Chemische und geometrische Verträglichkeitsbedingungen – Hume-Rothery-Regeln:
<8 % vollständig löslich
<15 % gute, begrenzte Löslichkeit
2.) Gittertyp
gleich
vollständige Löslichkeit
ähnlich
begrenzte Löslichkeit (z.B. kfz-hdp)
3.) Elektronegativität und
4.) chemische Wertigkeit:
geringe Abweichungen
vollständige Löslichkeit
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1.) Unterschied im Atomdurchmesser
sonst:
metallischer Bindungscharakter nimmt
ab zugunsten ionischer Bindung
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Voraussetzung für Legierungsbildung: Löslichkeit
1.) Unlöslichkeit
Zn
30
2,7
Zn - Pb
Pb
82
3,6
Unterschied 25%
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Ordnungszahl
Atomdurchmesser (10-10 m)
System
40 % Zn und 60 % Pb
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Phasendiagramme
System: Gesamtheit aller eine Legierung aufbauenden Komponenten
in ihrer Wechselwirkung untereinander
Phase:
- Gebiet gleicher Struktur,
- in sich homogen,
- Gebiet gleicher chemischer und physikalischer Eigenschaften,
- durch Phasengrenzen getrennt
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Gefüge: makroskopisches oder mikroskopisches Erscheinungsbild eines
Werkstoffes
a) einphasig:
homogen, Körner getrennt durch Korngrenzen
b) mehrphasig:
heterogen, Körner getrennt durch Phasen- und
Korngrenzen
Phasendiagramme stellen dar, bei welchen Temperaturen und
Zusammensetzungen die Phasen im thermodynamischen Gleichgewicht
auftreten.
Minimierung der freien Enthalpie
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Voraussetzung für Legierungsbildung: Löslichkeit
Legierung
variable Zusammensetzung
innerhalb eines
Konzentrationsbereiches
z.B: α, γ, δ
Lösung im flüssigen Zustand
keine oder begrenzte Löslichkeit
im festen Zustand
z.B. Ledeburit
= γ+Fe3C ; Perlit + Fe3C
Perlit = α+Fe3C
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Lösung im flüssigen und
festen Zustand,
Kristallgemisch
Mischkristall
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Voraussetzung für Legierungsbildung: Löslichkeit
Legierung
chemische Verbindung
intermetallische Phase
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- stöchometrischen
Zahlenverhältnis
z.B. TiNi3, Fe3C, Ni3Al,
- eigener Gittertyp
- hohe Ts , hart, spröde
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Phasengesetz
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Reine Metall Eisen
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Phasendiagramme
Gibbs´sche Phasenregel:
maximale Anzahl der Phasen eines Systems + Freiheitsgrade
im Gleichgewicht mit Anzahl der Komponenten +2
P+F = K +2
Für konst. Druck:
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Freiheitsgrad: Änderung der Temperatur, des Drucks oder der Konzentrationen
F + P = K +1
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Phasengesetz
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Reine Metall Eisen: K=1
F + P = K +1
Bei Phasenübergang P=2
kein Freiheitsgrad F=0
Haltepunkt
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Binäre Systeme
Komponenten: K = 2
F + P = K +1
1 Phase: 2 Freiheitsgrade (T, Zusammensetzung)
Phasenfeld
2 Phasen: 1 Freiheitsgrad (Knickpunkt)
Erstarrungsintervall
3 Phasen: 0 Freiheitsgrade (Haltepunkt)
Eutektischer, peritektischer Punkt
- Dilatometer:
Längenänderung der Probe
bei Phasenänderung im festen Zustand
- thermische Analyse:
Messung der frei werdenden oder
aufgenommenen Wärmemenge
- Messung der magnetischen oder
elektrischen Eigenschaften
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Experimentelle Bestimmung:
Entwicklung von Zustandsdiagrammen
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Beispiel vollständige Löslichkeit der Komponenten Ni-Cu
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Binäre Systeme - Eutektikum
Eutektische Gleichung: L
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Löslichkeit im flüssigen Zustand
Unlöslichkeit im festen Zustand
Bsp: Sb - Pb
Α+Β
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Binäre Systeme
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Binäres System mit eutektischer Erstarrung
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Eutektisches System mit Mischungslücke
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Löslichkeit im flüssigen Zustand
Teilweise Löslichkeit im festen Zustand
Eutektische Gleichung: L
α+β
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Beispiel: System Ag-Cu
Zeichnen Sie die Abkühlkurven für die Legierungen mit 5, 20 und 28,1 ma.-% Cu!
t
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T
Binäre System Ag-Cu
Zeichnen Sie die Abkühlkurven für die Legierungen mit 5, 20 und 28,1 ma.-% Cu!
L1
L1
L2
L3
t
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T
Binäre Systeme mit Peritektikum
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Peritektisches System mit Mischungslücke:
Löslichkeit im flüssigen Zustand, teilweise Löslichkeit im festen Zustand,
weit auseinander liegende Schmelz- und Erstarrungstemperaturen
Peritektische Gleichung: L+α β
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Phasendiagramme:
- Phasenart
- chemische Zusammensetzung der Phasen
- Mengenanteile der Phasen
Grundsätzlich:
- an ein Einphasenfeld grenzt nie ein zweites Einphasenfeld
es liegt immer ein Zweiphasenfeld dazwischen
- bei Temperatur oberhalb Ts einer Komponente existiert
eine flüssige Phase L
- Die Begrenzungslinien der Einphasenfelder geben die
maximale Konzentration der gelösten Komponente an.
F + P = K +1
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Binäre Systeme
Bestimmung der Phasenanteile
Legierung
ms
mMk+ ms
a
Für T= konst.
Konode
b mMk
B
A
∗
=1 ∗
*b
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T
*b
*b
∗
=
+
=1
=
=
(a+b)
= Gesetz der reziproken Hebelarme
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Binäre Systeme
Berechnen Sie für 200°C und 183°C die Gehalte an α-Mk, Schmelze, Eutektikum und β-Mk!
100°C
a
b
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200°C
TE=183°C
200°C; 30% Sn:
67% α-Mk
33% Schmelze
183°C; 30% Sn:
74% α-Mk +
26% Eutektikum bzw. Schmelze;
Oder :
86% α-Phase + 14% β-Phase
74% α-Mk + Eutektikum mit
(12%α-Mk+14% β-Phase)
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Eisen – Kohlenstoff - Diagramm
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Eisen – Kohlenstoff - Diagramm
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Zeichnen Sie die Liquiduslinie und die Soliduslinie ein!
Beschriften Sie die Phasenfelder im Diagramm!
An welchen Punkten ergeben sich isotherme Phasenumwandlungen, wie
werden die jeweiligen Umwandlungen genannt? Notieren Sie die Reaktionsgleichungen!
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Fe-C-Diagramm
Peritektikum: L+δ
γ
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Eutektikum: L γ+Fe3C
Ledeburit I =
Austenit (γ)+ Zementit
Ledeburit II =
Perlit + Zementit
6,67 %
0,02 %
0,2 %
Eutektoide Reaktion:
γ α+Fe3C (Perlit)
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Fe-C-Diagramm
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Primärer Zementit
sekundärer Zementit
6,67 %
0,02 %
tertiärer Zementit
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Fe-C-Diagramm
Bsp. 0,03% C
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Ferrit
Tertiärzementit in 0,03% C
Ferrit + Perlit
Perlit
Bsp. 0,8% C
Bsp. 0,62 % C
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Fe-C-Diagramm
Bsp. 4,3% C
Bsp. 2,35% C
Austenit
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Ledeburit
Fe-C-Diagramm
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Frage: Wieviel Ferrit und Zementit sind im Perlit enthalten?
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