Legierungssysteme
T-x Phasendiagramm
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Hebelregel
Physikalische Prinzipien
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Anweisungen
- Wählen Sie verschiedene Legierungssysteme (Pb-Sn, Cu-Ag) oder erstellen Sie benutzerdefinierte Parameter
- Passen Sie Zusammensetzung und Temperatur an, um verschiedene Phasenregionen zu erkunden
- Beobachten Sie Mikrostrukturänderungen basierend auf Zusammensetzung und Temperatur
- Verwenden Sie die Hebelregel, um Phasenanteile in Zweiphasenregionen zu berechnen
- Aktivieren Sie die Abkühlkurven-Animation, um den Erstarrungsprozess zu sehen
Was ist ein Legierungsphasendiagramm?
Ein Legierungsphasendiagramm ist eine graphische Darstellung, die die Gleichgewichtsbeziehungen zwischen Phasen in einem Zweikomponenten-Legierungssystem als Funktion von Temperatur und Zusammensetzung zeigt. Das T-x-Diagramm zeigt flüssige, feste und Zweiphasenregionen, in denen Flüssigkeit und Feststoff koexistieren. Das Verständnis von Phasendiagrammen ist entscheidend für die Vorhersage der Mikrostruktur und den Entwurf von Legierungen mit spezifischen Eigenschaften.
Eutektische Reaktion
Die eutektische Reaktion (L ⇌ α + β) tritt bei einer spezifischen Zusammensetzung und Temperatur auf, bei der sich Flüssigkeit gleichzeitig in zwei feste Phasen umwandelt. Dieser Punkt repräsentiert die niedrigste Schmelztemperatur im System. Eutektische Legierungen erstarren bei konstanter Temperatur, ähnlich wie reine Metalle, und bilden charakteristische lamellare oder stäbchenförmige Mikrostrukturen. Beispiele sind Pb-62%Sn-Lot (Schmelzpunkt 183°C) und Al-12%Si-Gusslegierungen.
Hebelregel
Die Hebelregel berechnet die relativen Mengen von Phasen in Zweiphasenregionen. Sie behandelt die Zusammensetzung als Gleichgewichtspunkt eines Hebels: Der Anteil jeder Phase ist proportional zum Abstand von der Gesamtzusammensetzung zur gegenüberliegenden Phasengrenze. Für flüssige (L) und feste (α) Phasen: fₗ = (x - xₐ)/(xₗ - xₐ), wobei x die Gesamtzusammensetzung ist, xₗ die Flüssigzusammensetzung und xₐ die Festzusammensetzung. Dieses Prinzip ist grundlegend für die Vorhersage von Mikrostruktur und Materialeigenschaften.
Mikrostrukturentwicklung
Während der Abkühlung entwickeln Legierungen unterschiedliche Mikrostrukturen je nach Zusammensetzung. Untereutektische Legierungen (Zusammensetzung < eutektisch) bilden zuerst die primäre α-Phase, dann das eutektische Gemisch. Obereutektische Legierungen (Zusammensetzung > eutektisch) bilden zuerst die primäre β-Phase. Die eutektische Zusammensetzung bildet sich vollständig als feine lamellare Struktur. Die Skala und Morphologie dieser Mikrostrukturen bestimmen die mechanischen Eigenschaften: feine eutektische Strukturen erhöhen die Festigkeit, während primäre Phasen die Duktilität und Zähigkeit beeinflussen.
Abkühlkurven
Abkühlkurven zeigen die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit während der Erstarrung. Reine Metalle und eutektische Legierungen zeigen einen thermischen Stillstand (Plateau) am Schmelzpunkt aufgrund der latenten Wärmefreisetzung. Außereutektische Zusammensetzungen zeigen zwei Stillstände: erster, wenn die primäre Phase zu bilden beginnt, zweiter bei eutektischer Temperatur. Die Länge des eutektischen Plateaus nimmt mit der Menge des eutektischen Gemisches zu. Die Abkühlkurvenanalyse wird experimentell verwendet, um Phasendiagrammgrenzen zu bestimmen.
Anwendungen
Legierungsphasendiagramme sind wesentlich in der Materialwissenschaft und im Ingenieurwesen: Auswahl von Lotlegierungen für Elektronik (Pb-Sn, Sn-Ag-Cu), Entwurf von Gusslegierungen (Al-Si, Fe-C), Entwicklung von wärmebehandelten Legierungen (Al-Cu, Mg-Al), Vorhersage von Schweißverhalten, Kontrolle der Mikrostruktur durch Wärmebehandlung und Fehlerbehebung bei Materialausfällen. Häufige Anwendungen umfassen Weichlot (Pb-63%Sn, schmilzt bei 183°C), Hartlot (Cu-Ag, schmilzt bei 780°C) und Aluminiumgusslegierungen (Al-Si-System).