Mapa mental

3.Phasenumwandlungen

Al Jazari Werkstofftechnik der Stähle Mittel Alemão

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Definition von Phasen
- Stabilität von Phasenzuständen
  - Zustände eines thermodynamischen Systems
    - Arten von Gleichgewichtes in Legierungssystemen
    - Beschreibung
      - Die Zustände eines thermodynamischen Systems können durch das thermodynamische Potenzial G in Abhängigkeit von den natürlichen Zustandsgrößen(z.b Temperatur , Druck ,Konzentration) beschrieben werden.
      - thermodynamisches Potenzial G
        In Abhängigkeit von: natürliche Zustandsgrößen
        Temperatur
        Druck
        Konzentration ( Stoffmenge)
        Gibbs-Heimholz-Beziehung
    - thermodynamisches Gleichgewicht
      - Def.: Das thermodynamische Gleichgewicht wird bei gegebener Temperatur und festen Druck durch das Minimum der freien Energie beschrieben
      - Arten: analog zu mechanischen Gleichgewichten
        stabil
        metastabil
        labil
        eingefroren
        größte Bedeutung in der Werkstofftechnik
Phasenumwandlung durch Erstarrung von Schmelzen
- 1) Keimbildung
  - - Zur Keimbildung muss Engerie aufgewendet werden(Keimbildungbarriere) -Die Schmelze muss zum Einsetzen der Keimbildung unterkühlt werden
  - homogene Keimbildung
  - heterogene keimbildung
    - energetisch begünstigt , da bereit Fremdkeime mit einer kritischen keimgröße existieren
      - --> geringe Grenzflächenenergie
- 2) Kristallwachstum
  - -Abfuhr der freigestzten Erstarrungswärme ist gestalltbestimmend für das Kristallwachstum in der Schmelze -Die Erstarrungswärme kann über den erstarrten kristall oder die Schmelze abgeführt werden
  - Ebenes Kristallwachstum(globulares Gefüge)
    - Erstarrungswärme wird über den Kristall abgeführt
  - Unebenes Kristallwachstum(dendritisches Gefüge)
    - Erstarrungswärme wird über die Schmelze abgeführt
Phasumwandlungen im festen Zustand
- strukturelle Phasenumwandlung
  - Diffusionsbestimmt (Entmischung)
    - Kontinuierliche Entmischung
      - durch Bildung und Wachstumm individueller Keime im Gefüge
    - Diskontinuierliche Entmischung
      - durch Bewegung einer Reaktionsfront bei der Entmischung, ausgehend von der Korngrenze
  - Difffusionslos ("martensitisch")
    - - Die diffusionslose Umwandlung bezeichnet eine gleichgewichtsferne Umwandlung, bei der die Entmischungsvorgänge vollständig behindert sind(keine Diffusion) - Eintypischer Vertreter dieser Umwandlung ist die sog. " martensitische Umwandlun", bei der es zu einem strukturellen Ohasenübergang zwischen verschiedenen Kristalmodifikationen kommt.
Ausscheidungsbildung in Legierungen
- Stadien der Ausscheidungsbildung
  - 1.Keimbildung
    - Für die Keimbildung in festen Phasen von Legierungen muss die Keimbildungsbarriere(Energiebarriere) überwunden werden
    - ÜberwindungKeimbildungsbarriere durch Fluktuationen
      - thermische
      - kristallographische
      - chemische
    - homogene Ausscheidungsbildung
    - heterogene Ausscheidungsbildung
      - - Im Gegensatz zur homogenen Ausscheidungsbildung findet die heterogene Ausscheidungsbildung bevorzugt an Gitterfehlstellen und Fremdkeimen statt. - Die hetereogene Ausscheidungsbildung ist energetisch begünstigt , da bereits Fremdkeime mit einer kritischen Keimgröße existieren, d.h. es ist nur ein geringerer Beitrag zur Grenzflächenenergie erforderlich
  - 2.Wachstumskinetik
    - Abbau der Matrix-Übersättigung
    - treibende Kraft für das Wachstum ?
      - Diei treibende Kraft für das Wachstum der Ausscheidungen ist die Einstellung  des thermodynamischen Gleichgewichts zwischen Auscheidungen und Matrix
    - Wie lange wächst eine Ausscheidung?
      - Das Wachstum der Asuscheidungen erfolgt solange bis die Gleichgewichts-Konzentration zwischen Ausscheidungen und Matrix erreicht ist
    - Welcher kinetische Mechanismus ist maßgebend?
      - Für das Wachstum von Ausscheidungen ist die Diffusion der ausscheidungsbildenden Atome maßgeblich
    - Nach welchem Gesetz findet zeitliches Wachstum statt?
      - Das Wachstum der Asuscheidungen erfolgt nach einem parabolischen Wachstumsgesetzt für den Radius der Ausscheidung
  - 3.Vergröberung
    - Umlösung von Teilchen, d.h. große Teilchen wachsen auf Kosten der kleineren Teilchen( Umlösungsprozess)
    - Was versteht man unter Vergröberung in festen Phasen?
      - Unter dem Begriff Vergröberung versteht man das Wachstum von großen Teichen/Körnern auf Kosten von kleinen, d.h. die kleinen Teilchen/ Körner  lösen sich auf (Umlösungsprozess)
    - Was ist die treibende Kraft bei der Vergröberung?
      - Die treibende Kraft bei der Vergröberung ist die Minimierung der gesamten Phasengrenzfläche
    - LSW-Theorie
      - Was beschreibt die LSW- Theorie?
        Die LSW-Theorie beschreibt die diffusionsgesteuerte Vergröberung von kugelförmigen Teilchen in einer homogenen Matrix
      - Zu welchem Ergebnis kommt sie?
        Nach der LSw-Theorie führt der Vergröberungsprozess stets zu einer stationären Größenverteilung der Teilchen, d.h. die Verteilung der Teilchengröße( Verteilungsform) ändert sich zeitlich nicht mehr
      - Was ist charakteristisch bei der LSW-Verteilung hinsichtlich der Teilchengrößenverteilung?
        In späten Stadien der Vergröberung entstehen "selbstähnliche" Teilchengrößenverteilungen
- Ausscheidung
  - Ausscheidungen in Metallen sind Cluster von Atomen, die sich in der Kristallstruktur und / oder der chemischen Zusammensetzung von der umgebenden Matrix unterscheiden.
- Arten der Grenzflächen
  - hinsichtlich des kristallografischen Überganges zwischen Ausscheidung und der einbettenden Matrix
  - kohärent
  - inkohärent
  - semi-kohärent
thermodynamisches Ungleichgewicht
- Kinetik von Phasenumwandlungen
  - Keimbildungstheorie
    - atomistische Sichtweise
    - kontinuums-mechnanische Sichtweise
      - Erläuterung mit Skizze
        Gesamtenergie der Keimbildung
        Freie Oberflächenenergie
        Bei der Bildung eines Keimes ensteh eine Grenzfläche, wofür eine bestimmte Grenzflächen energie  aufgebracht werden muss(positiver Beitrag)
        Frei Volumenenergie
        Die Volumenenergie der neu gebildeten Phase ist temperaturabhängig, woduch bei einer Abkühlung immer Wärme freigesetzt wird(negativer Beitrag)
      - durch Extremwerbildung aus dem Verlauf der Freien Gesamt-Energie
        "kritischer Keimbildungsradius"
        "kritische Keimbildungsenergie"
    - Keimbildungrate
      - Die Keimbildungsrate J beschreibt , wie viele neue Keime pro Volumen- und Zeiteinheit gebildet werden.
      - Abhängig von:
        exponentiell von der krit. Keimbildungernergie
        Temperatur ( Unterkühlung)
        Einfluss auf keimbildungsprozess
        Fall 1: geringe Unterkühlung
        Bei geringer Treibkraft werden wenige, weit voneinander entfernte keime gebildet--> es ein grobkörniges Gefüge
        Fall 2: deutlich größere Unterkühlung
        Bei hoher Treibkraft werden viele, eng beieinander liegende Keime gebildet --> es entsteht ein feinkörniges Gefüge