WK1 L__B17 - Zustandsdiagramme

Question 1

Wovon hängt der Zustand eines Stoffes i.d.R. ab?

Answer 1

• Druck<div>- Temperatur</div>

Question 2

Wie sieht das Zustandsdiagramm von reinem Eisen aus und welche Besonderheiten kann man ablesen?

Answer 2

“<div>- Man erkennt deutlich den Übergang ins kfz Gitter bei etwa 900° und den Wechsel zurück zu krz bei ca. 1300°</div><div>- Eisen kann auch als hex-Gitter kristallisieren, dies passiert allerdings erst ab absurd hohen Drücken</div><img></img>”

Question 3

Wieso verwendet man im Maschinenbau i.d.R. keine Druck-Temperatur-Diagramme und was für einen Diagrammtyp benutzt man stattdessen?

Answer 3

• Technische Werkstoffe werden i.d.R. in einem kleinen Druckbereich eingesetzt<div>- Viel interessanter ist das Verhalten wenn man eeinen Stoff legiert, d.h. kontrolliert Fremdatome einsetzt</div><div>- Man verwendet daher <b>Temperatur-Zusammensetzungs-Diagramme</b></div>

Question 4

Woraus besteht ein Legierungssystem und welche Vereinfachung wird im Skript getroffen?

Answer 4

• Ein Legierungssystem besteht aus Komponenten, d.h. Elementen oder stöchiometisch zusammengesetzte intermetallischen Phasen (Bsp. Fe-Fe₃C)<br></br><div>- Es werden nur Zweistoffsysteme betrachtet</div><div>- Die Dampfphase wird vernachlässigt, da sie bei technisch uninteressant hohen Temperaturen liegt</div>

Question 5

Welche Angaben sind nötig um eine Phase eindeutig zu definieren?

Answer 5

• Aggregatzustand<div>- Kristallsystem bei Festkörpern (z.B. kfz oder krz)</div>

Question 6

Wodurch zeichnen sich Phasenumwandlungen aus?

Answer 6

• Stets durch experimentell erfassbare Eigenschaftsänderungen messbar

Question 7

Was ist die Differentialthermoanalyse?

Answer 7

”- Messung von Knick- und Haltepunkten von Aufheiz und Abkühlkurven<div>- Bei Phasenumwandlungen kommt es zu Reaktionswärme</div><div>- Reinstoffe liefern Haltepunkte mit konstanter Temperatur beim Aufheizen und Abkühlen</div><div>- Mit zunehmender Legierung ändern sich die Kurven</div><div><br></br></div><div><img></img></div><div><img></img></div>”

Question 8

Was zeichnet Umwandlungen im festen Zustand aus?

Answer 8

”- Es kommt zu massiven Umordnungen des Kristallgitters<div>- Dies verändert die Gitterparameter und die Packungsdichte</div><div>- Beides kann sehr genau vermessen werden:</div><div> - Gitterparameter: Röntenstrahlung</div><div> - Packungsdichte: Wärmeausdehnungskurve</div><div><br></br></div><div>- Umwandlung von krz zu kfz: Elementarzelle wird größer, Packungsdichte steigt d.h. das Volumen sinkt</div><div><br></br></div><div><img></img><img></img></div>”

Question 9

Welche Anforderung muss die Methode zur Aufstellung eines Zustandsdiagramm erfüllen?

Answer 9

• Anwendbarkeit über den gesamten Messbereich<div>- Gute Auflösung auch bei kleinen Änderungen</div><div><br></br></div><div>–> z.B. die Messung der elektrischen Leitfähigkeit</div>

Question 10

Welche Methode gibt es noch neben der experimentellen zur Ermittlung von Zustandsdiagrammen und wann wird diese angewandt?

Answer 10

• Berechnung mittels komplexer thermodynamischer Zusammnhänge<div>- Je komplexer das System, desto mehr Sinn macht eine Berechnung</div><div>- Wird für polystoffliche Systeme verwendet</div>

Question 11

Was für Informationen kann man aus einem Zustandsdiagramm gewinnen?

Answer 11

• Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit der Phasengrenzlinien eines Legierungssystems<div>- Wärmebehandelbarkeit und Temperaturführung im Herstellungsprozess</div><div>- Kristallgitter liefert Hinweise auf Versprödungseffekte unter Betriebsbedingungen</div><div>- Aussage über chem. Zusammensetzung einzelner Phasen und über den Ablauf der Erstarrung aus der Schmelze</div>

Question 12

Welche drei Varianten der Löslichkeit gibt es?

Answer 12

“1.) Vollständige Löslichkeit, es entsteht eine homogene Lösung (somit 1 Phase)<div><img></img></div><div><br></br></div><div>2.) Begrenzte Löslichkeit, es entsteht eine gesättigte Lösung und eine feste Phase (somit 2 Phasen)</div><div><img></img></div><div>3.) Unlöslichkeit, es entstehen zwei separate Phasen (somit 2 Phasen)</div><div><img></img></div>”

Question 13

Welche Formen der Löslichkeit gibt es bei Metallen?

Answer 13

• Es gibt alle 3 Varianten, d.h. Vollständige Löslichkeit, Begrenzte Löslichkeit und Unlöslichkeit<div>- Diese gibt es sowohl in der Schmelze, als auch im erstarrten Zustand</div><div>- Metalldämpfe sind immer vollständig ineinander löslich</div>

Question 14

Welchen Unterschied gibt es beim Schmelzverhalten von einem Reinmetall und einer Legierung?

Answer 14

”- Reinmetall: Während einer Erstarrung wird die Gitterenergie als Wärme frei, während des Schmelzens wird weitere Energie zur Aufhebung der Gitterenergie benötigt; die Temperatur bleibt konstant und es bildet sich ein Haltepunkt im Temperatur-Zeit-Diagramm aus<div><br></br></div><div><div>- Legierung: Aufgrund der unterschiedlichen Stoffe ergibt sich ein Schmelzen über ein Temperaturintervall, die Schmlezwäre wird proportional zum kristallisierenden Feststoffanteil frei und es ergebn sich zwei mehr oder weniger ausgeprägte Knickpunkte im Temperatur-Zeit-Diagramm</div></div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 15

Was ist die Liquidus- bzw. Soliduslinie?

Answer 15

”- Liquiduslinie: Trennt flüssiges gegenüber fest und fest+flüssig<div>- Soliduslinie: Trennt festes gegenüber flüssig und flüssig+fest</div><div><img></img></div>”

Question 16

Wann nennt man ein System isomorph und welche Systeme neigen zu Isomorphismus?

Answer 16

• Vollständige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand<div>- Tritt auf wenn:</div><div> - Gleicher Gittertyp</div><div> - Neigung zu Verbindungsbildung</div><div> - Atomradiendifferenz < 15 %</div>

Question 17

Was muss während eines Schmelzvorganges immer gelten und welche Rechnung lässt sich dadurch aufstellen?

Answer 17

• Die Massenerhaltung<div><br></br></div><div>[$$]c_0 = x \cdot c_1 + (1-x) \cdot c_2[/$$]</div><div><br></br></div><div>[$$]x=\frac{c_0 - c_2}{c_1 -c_2}[/$$]</div><div><br></br></div><div>- x: Menge Schmelze</div><div>- (1-x): Menge an ausgeschiedenen Kristallen</div><div>- c₁: Konzentration Schmelze</div><div>- c₂: Konzentration Kristalle</div>

Question 18

Was ist ein eutektisches Gefüge?

Answer 18

Ein meist sehr feines Kristallgemisch, das aus mindestens zwei verschiedenen Kristallen aufgebaut ist. Dies können reine A- und B-Kristalle, aber auch Mischkristalle sein

Question 19

Woran erkennt man ein eutektische Systeme?

Answer 19

”- Im Zustandsdiagramm ist ein sog. <b>Eutektikum</b> zu finden<div>- Treffpunkt der unstetigen Liquiduslinie mit der waagerechten Soliduslinie (Eutektikalen) im sog. <b>eutektischen Punkt</b><div>- Eutektikum erstarrt in einem Haltepunkt</div></div><div>- Die eutektische Legierung mit der Konzentration c_Ehat einen besonders niedrigen Schmelzpunkt</div><div><img></img></div>”

Question 20

Was ist untereutektisch, eutektisch und übereutektisch?

Answer 20

”- Untereutektisch: Es ist mehr A vorhanden, deswegen scheiden sich zuerst große A- oder Mischkristalle aus, bevor der Rest isotherm zu einem eutektischen Gemenge erstarrt (a)<div>- Der eutektische Punkt wird getroffen, sämtliche Schmelze erstarrt in einem Haltepunkt (b)</div><div>- Übereutektisch:Es ist mehr B vorhanden, deswegen scheiden sich zuerst große B- oder Mischkristalle aus, bevor der Rest isotherm zu einem eutektischen Gemenge erstarrt (c)</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 21

Wie sieht ein Zustandsdiagramm von zwei Stoffen aus, die begrenzt ineinander löslich sind?

Answer 21

”- Links und rechts entstehen Mischkristalle, sog. Randlöslichkeiten<div>- Mit abnehmender Temperatur sinkt i.d.R. auch die Fähigkeit Fremdatome ins Gitter einzubauen</div><div>- Hier erkennt man ebenfalls den eutektischen Punkt</div><div><img></img></div>”

Question 22

Was ist die sog. peritektische Reaktion?

Answer 22

”- Schmelze und Mischkristall reagieren beim Abkühlen zu einem anderen Mischkristall<div>- Erkenntlich am sog. peritektischen Punkt, hier Punkt 2</div><div>- Die waagerechte Linie wird auch Peritektikale genannt</div><div><img></img></div><div><br></br></div>”

Question 23

Welche Stoffkombinationen neigen verstärkt zu peritektischen Reaktionen?

Answer 23

Kombinationen mit großen Schmelztemperaturunterschieden

Question 24

Was ist der Unterschied zwischen Eutektikum und Peritektikum?

Answer 24

• Eutektische Erstarrung: Schmelze zerfällt in verschiedene Mischkristallarten<div><br></br></div><div>[$$]S \Rightarrow \alpha + \beta[/$$]</div><div><br></br><div>- Peritektische Reaktion: Schmelze und Mischkristall reagieren zu einem anderen Mischkristall</div></div><div><br></br></div><div>[$$]S + \beta \Rightarrow \alpha[/$$]</div>

Question 25

Was ist das Gesetz der abgewandten Hebelarme?

Answer 25

“<div>Dient zur Bestimmung von Konzentrationen oder Anteilen in Zweiphasengebieten</div><div><br></br></div>[$$]x = \frac{c_0 - c_2}{c_1 - c_2}[/$$]<div><br></br></div><div>bzw.</div><div><br></br></div><div>$$ = \frac{c_0 - c_1}{c_2 - c_1}[/$$]<br></br><div><br></br></div><div><img></img></div></div>”

Question 26

“Was passiert während der peritektischen Reaktion an Punkt 2 in technischen Erstarrungsvorgängen?<div><img></img></div>”

Answer 26

”- Kurz über der Peritektalen liegt Schmelze undβ-Mischkristalle vor<div>- Direkt unter der Peritektalen liegen nurα-Mischkristalle vor</div><div>- Dieβ-Mischkristalle müssten sich völlig auflösen und atomar umordnen</div><div>- In technischen Erstarrungen wird jedoch meistens so schnell abgekühlt, dass dafür keine Zeit bleibt</div><div>- Daher bilden sich Säume ausα-Mischkristallen um dieβ-Mischkristalle</div><div>- Dieα-Mischkristalle sind dabei deutlich reicher an A-Atomen, da die B-Atome ja in denβ-Mischkristallen gebunden sind</div><div><img></img></div>”

Question 27

Was bedeutet peritektisch wortgemäß?

Answer 27

• Umhüllen<div>- Stammt von denα-Mischkristallen, die sich um dieβ-Mischkristalle anordnen</div>

Question 28

Welche 4 Reaktionen bzw. Umwandlungen kann man unterscheiden?

Answer 28

• <b>Eutektisch</b>: Schmelze zerfällt in zwei verschiedene Mischkristalle<br></br><div>- <b>Eutektoid</b>: Eine feste Phase bildet zwei fein ineinander verteilte Phasen</div><div><br></br></div><div>-<b>Peritektisch</b>: Schmelze + Mischkristall reagiert zu anderem Mischkristall</div><div>- <b>Peritektoid</b>: Zwei feste Phasen reagien zu einer neuen Phase</div>

Question 29

Welche 3 Grundtypen von Zustandsdiagrammen sollte man kennen?

Answer 29

• Vollständige Löslichkeit<div>- Eutektikum</div><div>- Peritektikum</div>

Question 30

Was sind Seigerungen und warum entstehen diese?

Answer 30

”- Seigerungen sind <b>chemische Inhomogenitäten</b><div>- Unter technischen Abkühlbedingungen kann die Diffusion dem Kristallwachstum häufig nicht schnell genug folgen</div><div>- Beispiel:</div><div> - Bei 1270° beginnt die Erstarrung, die Kristalle enthalten 49 ^m/_o Ni</div><div> - Bei 1215° endet das Erstarrungsintervall, die Restschmelze enthält zu dem Zeitpunkt 23^m/_oNi und erstarrt dann vollständig</div><div> - Es ergibt sich somit ein kontinuierliches Konzentrationsgefälle von innen nach außen</div><div><br></br></div><div><br></br></div><div><img></img></div><div><img></img></div><div><br></br></div><div><br></br></div>”

Question 31

Was sind Kristallseigerungen?

Answer 31

Seigerungen innerhalb einzelner Kristalle

Question 32

Wie kann man Seigerungen beheben?

Answer 32

Durch Diffusionsglühung kann ein Konzentrationsausgleich erreicht werden

Question 33

Warum wird häufig auf eine Diffusionsglühung verzichtet?

Answer 33

• Die meisten Gusswerkstoffe werden mittels Warmumformung weiterverarbeitet<div>- Dabei ergibt sich eine Zeit-Temperatur-Kombination, die die Seigerungen automatisch auf ein nicht mehr störendes Maß reduzieren</div>

Question 34

Warum kann die Kristallseigerung in manchen Fällen störend bei der Warmumformung sein?

Answer 34

Aufgrund der unterschiedlichen Konzentrationen kann es passieren, dass die äußeren Schichten der Seigerung bei einer deutlich geringeren Temperatur aufschmelzen

Question 35

Für welche Werkstoffe sind Homogenisierungsglühungen unverzichtbar?

Answer 35

• Aluminiumindustrie<div>- Teilweise mehrere Tage, dadurch sehr hohe Kosten</div>

Question 36

Wie läuft die reale Erstarrung ab und was ergibt sich daraus für die Bildung von Seigerungen?

Answer 36

”- Reale Erstarrung geht von Form- oder Kokillenwänden aus<div>- Die zuerst erstarrten Kristalle bilden eine zusammenhängende Schicht</div><div>- Es kommt zu sehr großen Seigerungen, sog. Blockseigerungen</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 37

Was ist das besondere an Blockseigerungen?

Answer 37

”- Sind aufgrund ihrer Größe durch Homogenisierungsglühungen nicht aufzulösen<div>- Diffusion geht höchstens über wenige mm, Blockseigerungen sind teilweise im 10²mm Bereich</div><div>- Können daher höchstens abgemildert werden</div><div><img></img></div>”

Question 38

Wie verändert sich das Zustandsdiagramm wenn man Komponenten mit zunehmender abstoßender Wechselwirkung verwendet?

Answer 38

”- Es bilden sich allmählich eutektische Systeme<div>- Mit zunehmender Abstoßung verändert sich der Mischkristall bis er irgendwann in die zwei Mischkristallsystemeα undβ zerfällt<br></br><div><br></br></div><div><img></img></div></div>”

Question 39

Was ist eine intermetallische Phase?

Answer 39

Die beteiligten Elemente bilden einen gemeinsamen Kristall, dessen Struktur ähnelt jedoch keinem Kristallsystem der Basiselemente

Question 40

Wie verändert sich das Zustandsdiagramm wenn der Komponente A Stoffe zulegiert werden, die zunehmend die Bildung intermetallischer Phasen mit der Komponente A haben?

Answer 40

“<div>- Bei mäßiger Affinität kommt es zum periodischen und nicht mehr regellosen Einbau der Gitterbausteine in den Mischkristall,α’ genannt</div><div>- Es kommt zunehmend zur Entstehung eines eigenständigen Kristalls β, der eine eigene Struktur aufweist und seitlich von eutektischen und peritektischen Systemen begleitet wird</div><div>- Bei sehr ausgeprägter Affinität gehen die Randlöslichkeiten teilweise oder vollständig verloren, aus der Schmelze kristallisieren nur reine Komponenten aus</div><div><br></br></div><img></img>”

Question 41

“Was wird bei diesen Diagrammen gelegentlich gemacht?<div><img></img></div>”

Answer 41

• Aufteilung in zwei Diagramme<div> - Eins für A und A_mB_n(hier entsprechend Mg-Mg₂Ca)</div><div> - Eins fürA_mB_nund B (hier entsprechendMg₂Ca-Ca)</div>

Question 42

Was ist der Unterschied zwischen intermetallisch und intermediär?

Answer 42

• Intermetallisch: Metall + Metall<div>- Intermediär: Metall + Nicht-Metall</div>

Question 43

“Was ist das besondere an diesem Diagramm?<div><img></img></div>”

Answer 43

• Die intermediäre Phase entsteht durch eine peritektische Reaktion<div>- Hier reagiert S + Na zu KNa₂</div><div>- Rechts und links der intermetallischen Phasen befinden sich die typischen Mischgebiete</div>

Question 44

Welche Eigenschaften weisen die meisten intermetallischen Phasen auf?

Answer 44

Sehr spröde und damit technisch kaum nutzbar, manche Kombinationen weisen allerdings interessante Eigenschaftskombinationen auf.

Question 45

Wie sieht ein Diagramm aus, wenn es eine Unlöslichkeit zweier Schmelzen gibt?

Answer 45

”- Es ergibt sich ein Zweiphasenfeld, in dem die Schmelzen getrennt vorliegen<div>- Es gibt auch im festen Zustand keine Löslichkeit<br></br><div><br></br></div><div><img></img></div></div>”

Question 46

Welches Vorgehen sollte man bei komplexen Zustandsdiagrammen anwenden?

Answer 46

• Die meisten Systeme bestehen aus lauter einfachen Grundsystemen und können so Schritt für Schritt betrachtet werden<div>- So enthalten viele Systeme z.B. Eutektika, Peritektika und intermetallische Phasen</div>

Question 47

Wie nennt man die Umwandlung fester Stoffe von einem Kristallgitter in ein anderes?

Answer 47

Allotrope Umwandlungen