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Zustandsdiagramme (ZSD)

https://studyflix.de/chemie/eisen-kohlenstoff-diagramm-1539

  • auch Phasendiagramm -phase diagram-
  • stellt den Zustand von Legierungen und Stoffgemischen in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung, Temperatur und ggf. dem Druck dar
  • Zustand meint die auftretenden Phasen (alle festen, flüssige, gasförmige)

Achtung!

Zustandsdiagramme sind Gleichgewichtsdiagramme. Sie haben nur Gültigkeit bei einer sehr lang-samen Abkühlung aus dem schmelzflüssigen Zustand bis hin zur Raumtemperatur, bei der sich das Gleichgewicht zwischen den Phasen (an bzw. zwischen den Phasengrenzlinien) einstellen kann.

Löslichkeiten

Unlöslich

  • zu große Unterschiede bei den Atomdurchmessern
  • Kristallgitter weichen voneinander ab
  • Komponenten sind chemisch sehr unterschiedlich

Begrenzt löslich

  • zwischen unlöslich und löslich
  • Teile der Kompenten können sich ineinander lösen
  • es entstehen Kristallgemische aus Mischkristallen

Löslich

  • kaum Unterschiede bei den Atomdurchmessern
  • Kristallgitter sind identisch
  • Komponenten sind chemisch sehr nah beieinander

  • Die Phasen bzw. Phasengrenzlinien können als ein Zustandsdiagramm dargestellt werden
  • Die Anzahl der miteinander im Gleichgewicht stehenden Phasen ist gesetzmäßig verknüpft mit der Zahl der an der Legierungsbildung beteiligten Komponenten und der Zahl der Freiheitsgrade über die Gibbsche Phasenregel
  • Ein Freiheitsgrad beinhaltet die mögliche Veränderung von Zustandsvariablen, ohne das Gleichgewicht, d.h. die Anzahl der Phasen, zu ändern
  • Die Anzahl der frei wählbaren Zustandsvariablen wird nach der Phasenregel bestimmt

Gibbsche Phasenregel

\[F = n - P + 2\]

(für Gase und Flüssigkeiten) F = Anzahl der Freiheitsgrade; n = Anzahl der Komponenten; P = Anzahl der Phasen

bei konstantem Druck (feste Stoffe)

\[F = n - P + 1\]

Damit ergibt sich für die Anwendung dieser Gesetzmäßigkeiten bei der Abkühlungs- und Erwär-mungskurve für metallische Systeme

F = 0 ein Haltepunkt und F = 1 ein Knickpunkt.

F beschreibt die möglichen Bewegungsrichtungen, damit sich an dem Zustand nichts ändern (in kleinem Maße).

Beispiel: innerhalb einer Phasenfläche ist F=2. D.h. ich kann mich in 2 Dimensionen bewegen. An der Phasengrenzlinie ist F=1. Ich kann mich auf dieser Linie bewegen.

Binäre Systeme

Unlöslichkeit

Vollständige Löslichkeit

Hebelgesetz

  • In Punkt 2 hat die Schmelze einen kleineren Nickelgehalt als der $\alpha$-MK
  • D.h. die Konzentration im Mischkristall muss steigen, damit die Zahl der Nickelatome plastischer

!!! info "Zusammensetzung" Schmelze und Mischkristall müssen nicht die gleiche chemische Zusammensetzung haben

\[\frac{m_s}{m_{\alpha}}=\frac{c_{\alpha}-c_{L}}{c_{L}-c_{S}}\]

Rechenbeispiel

-> Annahme Konzentrationen in Punkt 2

\[c_S=20\%\]

, $c_{\alpha}=40\%$, $c_L=25\%$

Lösung

\[\frac{m_s}{m_{\alpha}}={c_{\alpha}-c_{L}}{c_{L}-c_{S}}=\frac{40\%-25\%}{25\%-20\%}=\frac{15}{5}=\frac{3}{1}\]

  • im Punkt 2 liegt 3 mal soviel Schmelze wie Mischkristall vor

Eutektischer Entmischung

  • Komponenten sind löslich im flüssigen Zustand
  • Komponenten sind unlöslich im festen Zustand

Eutektische Reaktion

  • bei einer Konzentration erstarren aus der Schmelze S bei konstanter Temperatur (Eutektikale) A- und B-Kristalle zu einem feinkristallinen Kristallgemisch (Eutektikum)
  • eutektische Gefüge besitzt oft eine schicht- oder lamellenartige Struktur
  • Legierungen anderer Konzentrationen scheiden vor Erreichen der Eutektikale (Haltepunkt bei der Eutektischen Reaktion) die überwiegende Komponente aus (A- oder B-Kristalle), so dass sich die Konzentration der verbleibenden Schmelze der eutektischen Zusammensetzung annähert.
  • die Eutektikale bildet die Soliduslinie des gesamten Systems

System mit Mischungslücken

  • Komponenten sind löslich im flüssigen Zustand
  • Komponenten sind begrenzt löslich im festen Zustand

Löslichkeits- oder Sättigungslinien

  • Linien, die die Einphasengebiete ($\alpha$, $\beta$) von dem Gebiet der Kristallgemische aus Mischkristallen ($\alpha+\beta$) abgrenzen

Sonderfall:

  • ein System von Mischkristallen bilden Einlagerungsmischkristalle
  • Die Konzentrationsachse endet dann mit der Konzentration der Sättigung der Komponente B im Gitter der Komponente A
  • Das Einphasengebiet der Komponente B kann dann nicht existieren.

Systeme mit Peritektikum (mit peritektischer Entmischung)

  • weit auseinander liegende Schmelz-/Erstarrungstemperaturen der beteiligten Komponenten sind charakteristisch.
  • Bei Abkühlung aus der Schmelze bildet sich ein Mischkristall $\alpha$
  • bildet bei konstanter Temperatur (entsprechend der Eutektikalen) mit der Schmelze reagierend eine zweite Mischkristallart $\beta$ bildet.
  • bei einer peritektischen Reak-tion entstehen aus der Schmelze und bereits ausgeschiedenen $\alpha$-Mischkristallen bei gleich bleibender Temperatur neue $\beta$-Mischkristalle.

Realdiagramme

  • die bisherigen Digramme waren Idealdigramme und treten so nicht wirklich auf
  • Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) ist das wichtigste Realdiagramm
  • Grundmetall ist Eisen -> Stahl oder Eisenguss
  • das EKD setzt sich aus den Idealdiagrammen - dem peritektischen, eutektischen und eutektoiden Teildiagramm - zusammen
  • Man kann je nach Erscheinungsform des Kohlenstoffs zwischen dem stabilen System Fe-C, in dem Kohlenstoff als Graphit, und dem metastabilen System Fe-Fe3C, in dem Kohlenstoff gebunden als Fe3C (intermediäre Phase Zementit) vorliegt, unterscheiden.
  • Stabil bedeutet, dass der Kohlenstoff in Form von Graphit nicht weiter zerlegt werden kann, Fe3C aber bei langzeitigem Glühen in Eisen und Temperkohle zerfällt.
  • Das metastabile Sys-tem stellt gewissermaßen ein relatives Minimum der Gesamtenergie des Systems dar. Für techni-sche Belange kann es als „hinreichend stabil“ bewertet werden.