Materialwissenschaften

Phasendiagramme

Nachdem du dich mit Defekten jetzt bestens auskennst, wollen wir uns als nächstes dem Zustandsdiagramm, oder auch Phasendiagramm zuwenden. Was Phasen sind, hast du ja schon im Video zu Flächendefekten gelernt.
Zur Erinnerung zeigen wir dir hier noch einmal die Definition: Unter einer Phase versteht man eine unterschiedliche Anordnung bei gleicher Chemischer Struktur.

Zustandsdiagramm – Phasendiagramm mit den Phasen Eutektisch, Eutektoid, Peritektisch und Peritektoid

Wir haben uns dafür Silizium vorgestellt mit den zwei Phasen kristallin und amorph. Es gibt allerdings noch andere Phasen. Diese wollen wir jetzt betrachten. Dafür schauen wir uns zuerst die grundsätzliche Struktur eines Phasendiagramms an.
Merke: Mit einem Phasendiagramm können die Phasen einer Mischung bestimmt werden. Dazu brauchst du lediglich die Temperatur und die Anteile der jeweiligen Bindungspartner.

  • Y-Achse: Hier wird die Temperatur aufgetragen (zwei mal, um beide Bindungspartner abzubilden)
  • X-Achse: Hier wird der Anteil der jeweiligen Bindungspartner aufgezeichnet (Links also einhundert Prozent von Atomsorte A und auf der rechten Seite einhundert Prozent von Atomsorte B). Die Anteile nehmen entlang der X-Achse ab. Auf der linken Seite wird also null Prozent von Atomsorte B dargestellt und auf der rechten Seite null Prozent von Atomsorte A.
Zustandsdiagramm Phasendiagramm Muster
Aufbau eines Zustandsdiagramms

 

Einfaches Phasendiagramm Beispiel – Kupfer Nickel Zustandsdiagramm

Mit diesem Zustandsdiagramm kannst du die Phase eines Kupfer-Nickel-Gemisches bei bekannter Temperatur und bekannten Anteilen der Atomsorten bestimmen:
Am linken Rand betrachten wir reines Nickel, am rechten Rand reines Kupfer. Du siehst bestimmt die drei voneinander abgetrennten Bereiche.
Achtung!: Im Zustandsdiagramm handelt sich dabei nicht um drei verschiedene Phasen!

Zustandsdiagramm Phasendiagramm Kupfer Nickel
Cu-Ni- Phasendiagramm

Der obere Bereich wird flüssige Phase genannt und mit L bezeichnet. Das kannst du dir auch ganz leicht merken, denn je höher die Temperatur, desto eher beginnt ein Stoff zu schmelzen und ist somit flüssig.
Unten siehst du die feste Phase Alpha. Diese befindet sich entsprechend in den tieferen Temperaturbereichen.
Der Teil zwischen Alpha und L ist eine sogenannte Mischphase und wird nach unten abgegrenzt durch die Soliduslinie (Solidus) und nach oben durch die Liquiduslinie (Liquidus). Würde man die X-Achsen noch weiter erhöhen, könnten wir irgendwann die Gasphase erkennen.

Phasendiagramm Übung – Anwendung

Wir suchen den Phasenzustand von unserem Kupfer-Nickel Gemisch bei 1.200 Grad Celsius und einem Nickel-Anteil von 60 Prozent. Du siehst, dass wir uns im Alpha-Bereich befinden. Senken wir nun den Nickel-Anteil auf 20 Prozent, sind wir schon in der flüssigen Phase. Dieser Unterschied hängt mit den chemischen Eigenschaften der jeweiligen Bindungspartner zusammen. So kannst du Materialien hitzebeständiger machen, indem du den Anteil einer bestimmten Komponente erhöhst.

Komplexe Zustandsdiagramme

Es gibt auch viele komplexe Zustandsdiagramme- die bekanntesten sind: eutektisch, eutektoid (eutekto-id), peritektisch, und peritektoid.

  • Das eutektische Phasendiagramm: Dafür musst du zunächst wissen, dass es zwischen zwei Bindungspartnern zu verschiedenen festen Phasen kommen kann. Diese bezeichnen wir wieder mit den griechischen Buchstaben Alpha, Beta, Gamma und so weiter. Dieses Zustandsdiagramm kann dann so aussehen:
eutektisches Phasendiagramm Zustandsdiagramm
eutektisches Phasendiagramm

Der Punkt, an dem der Übergang von L in das Gemisch von zwei festen Phasen erfolgt, nennt sich eutektischer Punkt. Hier sind alle drei Phasen des Systems im Gleichgewicht.

 

  • Das eutektoide Zustandsdiagramm: Dieses Mal gibt es nur drei feste Phasen (Alpha, Beta und Gamma. Der Punkt beschreibt wieder das Gleichgewicht der drei Phasen.
Eutektoides Phasendiagramm
Eutektoides Phasendiagramm
  • Das peritektische Zustandsdiagramm: Auch hier gibt es drei Phasen. In unserem Beispiel entsteht aus der L plus Alpha-Phase die neue Phase Beta. Am peritektischen Punkt sind diese beiden Phasen wieder im Gleichgewicht.
Peritektisches Phasendiagramm
Peritektisches Phasendiagramm
  • Das peritektoide Zustandsdiagramm: In unserem Beispiel wird die Mischphase aus Alpha und Gamma beim Abkühlprozess direkt zur Beta-Phase.
    Peritektoides Phasendiagramm
    Peritektoides Phasendiagramm

    Merke: alle Diagramme mit „-oide“ betrachten nur feste Phasen!

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