Die Baupläne der Materie: Herleitung von Zustandsdiagrammen in der Werkstoffkunde

Zustandsdiagramme, auch Phasendiagramme genannt, sind grafische Darstellungen, die zeigen, in welchem Zustand (fest, flüssig, gasförmig) sich ein Stoff oder eine Stoffmischung unter verschiedenen Bedingungen von Druck und Temperatur befindet. Sie sind ein unverzichtbares Werkzeug in der Materialwissenschaft, da sie es ermöglichen, das Verhalten von Materialien während der Wärmebehandlung und der Legierungsbildung zu verstehen und vorherzusagen[1][6].

Herleitung von Zustandsdiagrammen

Die Herleitung von Zustandsdiagrammen, insbesondere für Zweistoffsysteme, erfolgt durch die Analyse von Abkühlkurven verschiedener Legierungszusammensetzungen. Für unterschiedliche Legierungen des selben Zweistoffsystems werden die Temperaturen aufgezeichnet, bei denen die Schmelze erstarrt. Diese Punkte, die sogenannten Knickpunkte der Abkühlkurven, werden dann in ein Diagramm übertragen, das die Temperatur gegen die Zusammensetzung der Legierung aufträgt. Die resultierenden Kurven, die sogenannten Liquidus- und Soliduslinien, definieren die Bedingungen, unter denen die Legierung teilweise flüssig und teilweise fest ist[1].

Die Zustandsdiagramme zeigen den Zustand des Systems in Abhängigkeit von der Temperatur und der Konzentration der Komponenten. In den Extrempunkten liegt einmal die Komponente A zu 100% vor, auf der anderen Seite die Komponente B zu 100%. Im Raum dazwischen ergeben sich unterschiedliche Bereiche, in denen die Legierung flüssig, fest oder flüssig+fest sein kann und sich unterschiedliche Mischkristalle bilden[1].

Um die genaue Zusammensetzung und die Phasenanteile einer Legierung bei einer bestimmten Temperatur zu bestimmen, verwendet man das Hebelgesetz. Dieses Gesetz ermöglicht es, das Verhältnis der Mengen der verschiedenen Phasen zu berechnen, die in einem Zweiphasengebiet koexistieren[6][20].

Es ist wichtig zu beachten, dass die Herleitung von Zustandsdiagrammen durch thermische Analyse unterstützt werden muss durch Gefügeuntersuchungen. Dazu werden metallurgische Schliffe von Proben erstellt, deren natürliche Gefügeumwandlung durch Abschrecken unterdrückt wurden[17].

Unterscheidung von Zustandsdiagrammen

Zustandsdiagramme können nach der Löslichkeit der Komponenten im festen Zustand unterschieden werden. Es gibt Diagramme für vollständige Löslichkeit im festen Zustand, begrenzte Löslichkeit und keine Löslichkeit. Jeder dieser Fälle führt zu unterschiedlichen Diagrammtypen mit spezifischen Merkmalen wie Eutektika, Mischungslücken oder Peritektika[6].

Zustandsdiagramme verstehen und lesen

Um ein Zustandsdiagramm zu verstehen und zu lesen, muss man die verschiedenen Bereiche und Linien interpretieren können:

• Liquiduslinie
  Die Linie, die die Bedingungen angibt, unter denen die erste feste Phase zu kristallisieren beginnt.
• Soliduslinie
  Die Linie, die die Bedingungen angibt, unter denen die gesamte Legierung fest wird.
• Eutektische Linie
  Eine horizontale Linie bei einer bestimmten Temperatur, die das eutektische Verhältnis darstellt, bei dem die Legierung eine einheitliche feste Phase bildet.
• Mischungslücke
  Ein Bereich im Diagramm, der angibt, dass zwei feste Phasen nebeneinander existieren[5].

Um die Zusammensetzung und die Phasenanteile einer Legierung bei einer bestimmten Temperatur zu bestimmen, verwendet man das Hebelgesetz. Dieses Gesetz ermöglicht es, das Verhältnis der Mengen der verschiedenen Phasen zu berechnen, die in einem Zweiphasengebiet koexistieren[5].

Die Liquidus- und Soliduslinien verstehen

Die Liquidus- und Soliduslinien sind wichtige Bestandteile eines Zustandsdiagramms und geben Auskunft über den Zustand einer Legierung bei verschiedenen Temperaturen und Zusammensetzungen.

Die Liquiduslinie trennt den Bereich, in dem die Legierung ausschließlich flüssig ist, vom Bereich, in dem sowohl feste als auch flüssige Phasen koexistieren. Sie repräsentiert die Temperaturen, bei denen eine Schmelze mit einer bestimmten Legierungszusammensetzung bei langsamer Abkühlung zu erstarren beginnt oder bei langsamer Erwärmung vollständig geschmolzen ist[22][24].

Die Soliduslinie hingegen trennt den Bereich, in dem die Legierung ausschließlich fest ist, vom Bereich, in dem sowohl feste als auch flüssige Phasen koexistieren. Sie repräsentiert die Temperaturen, bei denen eine Schmelze mit einer bestimmten Legierungszusammensetzung bei langsamer Abkühlung vollständig erstarrt oder bei langsamer Erwärmung zu schmelzen beginnt[21][23].

Bei reinen Metallen oder Eutektika fallen die Liquidus- und Solidustemperaturen zusammen, und der Schmelzbereich geht in einen Schmelzpunkt über. In diesem Fall bilden die Liquidus- und Soliduslinie einen Schnittpunkt[21][22][23][24].

Die Kenntnis der Liquidus- und Soliduslinien ist entscheidend für die Vorhersage des Verhaltens von Legierungen während der Wärmebehandlung und ermöglicht es, Prozesse wie das Erstarren von Schmelzen oder die Bildung von Mischkristallen zu verstehen.

Anwendung von Zustandsdiagrammen

Zustandsdiagramme sind in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik von großer Bedeutung. Sie werden verwendet, um die Wärmebehandlung von Legierungen zu planen, die Mikrostruktur und die Eigenschaften von Werkstoffen zu kontrollieren und um die Entstehung von Defekten während der Herstellung von Legierungen zu vermeiden[1][6].

Schnittpunkte der Liquidus- und Soliduslinien

Die Schnittpunkte der Liquidus- und Soliduslinien in einem Zustandsdiagramm haben eine besondere Bedeutung. Sie repräsentieren die Bedingungen, unter denen eine Legierung von einem rein flüssigen zu einem rein festen Zustand übergeht, ohne dass eine Mischphase aus festen und flüssigen Bestandteilen auftritt. Bei reinen Metallen oder Eutektika fallen die Liquidus- und Solidustemperaturen zusammen, und der Schmelzbereich geht in einen Schmelzpunkt über[21][22][23][24].

Ein besonderer Fall ist der eutektische Punkt, der durch den Schnittpunkt der Liquidus- und Soliduslinie in einem Eutektikum definiert wird. Ein Eutektikum ist eine spezielle Legierungszusammensetzung, bei der die Komponenten im flüssigen Zustand vollständig mischbar, im festen Zustand aber völlig unlöslich sind. Der eutektische Punkt kennzeichnet die Temperatur und Zusammensetzung, bei der die Legierung direkt von einem flüssigen zu einem festen Zustand übergeht, ohne dass eine Mischphase auftritt. Dies führt zu einem feinkristallinen Gefüge, das für Eutektika charakteristisch ist[25].

Die Kenntnis dieser Schnittpunkte ist entscheidend für das Verständnis des Verhaltens von Legierungen während der Wärmebehandlung und ermöglicht es, Prozesse wie das Erstarren von Schmelzen oder die Bildung von Mischkristallen zu verstehen.

Exkursion: Eutektikum

Eutektikum – Definition und Entstehung

Ein Eutektikum ist ein spezielles Phasengleichgewicht in einem Mehrstoffsystem, das sich dadurch auszeichnet, dass eine Legierung aus zwei oder mehr Komponenten bei einer bestimmten Temperatur und Zusammensetzung gleichzeitig von einem flüssigen in einen festen Zustand übergeht[26][27]. Dieser Übergang erfolgt ohne das Vorhandensein einer Mischphase aus festen und flüssigen Bestandteilen, was bedeutet, dass die Legierung einen eindeutig bestimmbaren Schmelzpunkt hat, ähnlich wie ein reiner Stoff[26][27][28].

Entstehung eines Eutektikums

Die Entstehung eines Eutektikums kann im Rahmen eines Phasendiagramms verstanden werden, das die Beziehung zwischen Temperatur und Konzentration der Komponenten in einem Zweistoffsystem darstellt. Im Phasendiagramm sind die Liquidus- und Soliduslinien von zentraler Bedeutung. Die **Liquiduslinie** gibt an, bei welcher Temperatur die Schmelze zu kristallisieren beginnt, während die **Soliduslinie** angibt, bei welcher Temperatur die gesamte Legierung fest wird[26][27].

Das Eutektikum ist durch den Schnittpunkt der Liquidus- und Soliduslinien gekennzeichnet, der als eutektischer Punkt bezeichnet wird. An diesem Punkt sind drei Phasen des Systems im Gleichgewicht: die Schmelze und zwei feste Phasen, die jeweils aus den reinen Komponenten A und B bestehen[27]. Die eutektische Zusammensetzung ist diejenige, bei der die Legierung den niedrigsten Schmelzpunkt aller Mischungen aus denselben Bestandteilen aufweist[26][27].

Eigenschaften eines Eutektikums

Eutektische Legierungen haben charakteristische Eigenschaften:

• Einheitlicher Schmelzpunkt: Eutektische Legierungen schmelzen und erstarren bei einer bestimmten Temperatur, ähnlich wie reine Stoffe[26][27].
• Feinkristallines Gefüge: Aufgrund der gleichzeitigen Erstarrung aller Bestandteile bei der eutektischen Temperatur, die in der Regel niedriger ist als die Schmelzpunkte der reinen Komponenten, entsteht ein feines und gleichmäßiges Gefüge, das oft eine lamellare Struktur aufweist[26][29].
• Niedrige Schmelztemperatur: Eutektische Legierungen haben die niedrigste Schmelztemperatur aller Mischungen aus denselben Bestandteilen[26][28].

Anwendung von Eutektika

Eutektische Legierungen finden in verschiedenen technischen Anwendungen Verwendung, beispielsweise als Lötlegierungen, in Scherzartikeln oder in quecksilberfreien Fieberthermometern[28]. Ein technisch häufig genutztes Eutektikum ist beispielsweise der Ledeburit des Fe-C-Systems[26].

Das Verständnis von Eutektika ist für die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik von großer Bedeutung, da es die gezielte Herstellung von Legierungen mit bestimmten Schmelzpunkten und mechanischen Eigenschaften ermöglicht. Eutektische Legierungen bieten Vorteile in der Verarbeitung und Anwendung, insbesondere wenn einheitliche Schmelzpunkte und feinkristalline Gefüge erwünscht sind.

Fazit

Zustandsdiagramme sind ein wesentliches Instrument in der Materialwissenschaft, das tiefgreifende Einblicke in das Verhalten von Materialien unter verschiedenen Bedingungen bietet. Durch das Verständnis von Zustandsdiagrammen können Ingenieure und Wissenschaftler die Eigenschaften von Materialien gezielt beeinflussen und optimieren. Die Fähigkeit, Zustandsdiagramme zu lesen und zu interpretieren, ist daher eine grundlegende Fertigkeit für jeden Materialwissenschaftler und Ingenieur.

 

Quellen