Grundlagen der Materialwissenschaft und Metallurgie

System und Phasen

Ein System ist die Menge der Chemikalien, die für eine Untersuchung in Isolation von der äußeren Umgebung ausgewählt wurden. Es handelt sich um eine Mischung aus einfachen und zusammengesetzten Körpern in unterschiedlichen Verhältnissen, in denen physikalische, chemische oder physikalisch-chemische Prozesse ablaufen können.

Phasen sind jeder Teil eines Systems mit Eigenschaften, die physisch von anderen zu unterscheiden sind. Komponenten oder zusammengesetzte Einheiten, aus denen sich das System ursprünglich zusammensetzt, sind die einzelnen Teile, die im System im Gleichgewicht unterschieden werden können.

Feste Lösungen: Klassen und Eigenschaften

Eine feste Lösung ist ein Zustand, in dem sich Fremdatome im Kristallgitter des Lösungsmittels befinden. Es gibt zwei Arten:

• Interstition: Fremdatome besetzen die Zwischengitterplätze (Löcher) des Lösungsmittels.
• Substitution: Fremdatome ersetzen Atome des Lösungsmittels.

Thermische Prozesse und Reaktionen

Die Rekristallisationstemperatur ist die Temperatur, bei der eine Umordnung der Atome eintritt. Beim Schmelzen kristallisiert das Netz. Die Schmelztemperatur ist umso höher, je größer die Bindungskraft ist, die die Atome im Gitter hält.

Eine Reaktion wird als monotektisch bezeichnet, wenn eine geschmolzene Lösung bei der Abkühlung unmischbar wird und sich entmischte Bereiche bilden, während das System aus einer Komponente besteht.

Die Regeln von Portevin

1. Jede Zone kann aus maximal nur zwei Phasen bestehen.
2. Außer im Bereich der flüssigen Phase sind alle anderen einphasigen Regionen durch feste Phasen besetzt.
3. Beim Überschreiten einer Linie im Diagramm variiert die Anzahl der Phasen um eins.
4. Eine Region, die durch eine horizontale Linie begrenzt ist, besteht aus zwei Phasen.
5. Zwei-Phasen-Regionen, die derselben Horizontalen zugeordnet sind, umfassen nicht mehr als drei Phasen.
6. Jede Phase, die nicht auf eine Zwei-Phasen-Region beschränkt ist, ist ein reines Metall oder eine definierte Verbindung.
7. Regionen des Phasengleichgewichts können durch vertikale Linien von einem singulären Punkt einer horizontalen Linie im Diagramm dargestellt werden.

Stahlbehandlung und Defekte

Überkritisches Glühen: Stahlzonen werden erhitzt, wenn die Temperaturen die kritische Temperatur überschreiten (die maximale Temperatur, die nicht auf dem Material basiert), was zu Gefügeveränderungen führen kann. Lunker sind Gase, die in einer Legierung eingeschlossen werden, wenn sie nach dem Erstarren im selben System gelöst bleiben.

Systemstabilität

Systeme können stabil, metastabil oder instabil sein:

• Stabiles System: Es treten keine Änderungen auf.
• Instabiles System: Der Zustand variiert mit den Änderungen der äußeren Bedingungen.
• Metastabiles System: Der Zustand ändert sich nicht, solange die äußeren Bedingungen einen bestimmten Schwellenwert nicht überschreiten.

Sintern und Seigerung

Sintern ist die Agglomeration von sehr feinen Teilchen durch Pressen und Erhitzen über eine gewisse Zeit unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponente. Der Prozess beruht auf Diffusion. Segregation (Seigerung) ist eine chemische Heterogenität, die während der Erstarrung auftreten kann.

Kristallisationssysteme

Kristallsysteme können als Gitterpunkte betrachtet werden, die in einer Ebene geordnet und gleich weit entfernt sind:

• Kubisch: Achsen gleich, Winkel = 90°; einfach-kubisch, raumzentriert (bcc) und flächenzentriert (fcc).
• Tetragonal: Zwei Achsen gleich, Winkel = 90°; einfach und raumzentriert.
• Orthorhombisch: Achsen verschieden, Winkel = 90°; einfach, raumzentriert, flächenzentriert und basiszentriert.
• Rhomboedrisch: Achsen gleich, Winkel ungleich 90°; einfach.
• Hexagonal: Zwei Achsen gleich, eine ungleich; zwei Winkel 90° und einer 120°; einfach.
• Monoklin: Achsen verschieden, zwei Winkel 90° und einer verschieden; einfach und basiszentriert.
• Triklin: Achsen und Winkel verschieden; einfach.

Härtbarkeit und kritische Temperaturen

Härtbarkeit ist die Fähigkeit eines Materials, durch Abschrecken gehärtet zu werden. Wichtige Temperaturen sind:

• Ac₀: 210 °C; magnetischer Umwandlungspunkt von Zementit (Cm).
• Ac₁: 723 °C; untere Grenze der Perlitbildung.
• Ac₂: 768 °C; magnetische Änderung des Ferrits (Curie-Punkt).
• Ac₃: 723 °C bis 910 °C; obere Grenze des Ferrits.
• Ac₄: 1492 °C; obere Grenze des Austenits.

Valenz

Die Valenz eines Elements gibt die Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale an, die für chemische Verbindungen verantwortlich sind.