Grundlagen der Werkstoffkunde: Feste Lösungen, Diffusion und Phasendiagramme

Feste Lösungen und Phasenlehre in der Werkstoffkunde

Feste Lösung (Solid Solution)

Eine feste Lösung ist ein Festkörper, der aus zwei oder mehr Elementen besteht, die atomar in einer einzigen Phasenstruktur verteilt sind. Ihre Phasenzusammensetzung ist variabel. Man unterscheidet zwischen substituierenden (ersetzenden) und interstitiellen Lösungen.

Hume-Rothery-Regeln für Substitutionslösungen

Um ersetzende (substituierende) feste Lösungen zu bilden, müssen folgende Regeln erfüllt sein:

1. Elemente oder Verbindungen müssen eine feste Lösung bilden können.
2. Atome oder Ionen müssen ähnliche Radien aufweisen:
   • Unterschiede sind < 30 % (positive Keramik).
   • Unterschiede sind < 15 % (positive Metalle).
   • Unterschiede > 15 % führen zu begrenzter Löslichkeit (< 1 %).
3. Sie müssen eine ähnliche Elektronegativität besitzen.
4. Oxidationszustand: In der Keramik sollte die gleiche Oxidationsstufe vorliegen.

Hinweis: Wenn die Regeln erfüllt sind, bedeutet dies nicht zwingend eine vollständige Löslichkeit. Bei Verstoß gegen eine Bedingung liegt meist nur eine teilweise Löslichkeit vor.

Diffusion und Transportphänomene

Definition der Diffusion

Diffusion (Transportphänomen): Der Mechanismus, durch den sich Materie durch Materie transportiert.

Diffusion in Festkörpern

Die Bewegung der Atome im Festkörper. Die thermischen Schwingungen in festen Körpern ermöglichen die Bewegung einiger Atome. Dies ist ein Phänomen, das thermische Aktivierung benötigt.

Einflussfaktoren auf die Diffusivität (D)

1. Diffusionsmechanismus: Größe des Atoms (interstitiell oder substituierend).
2. Art der Kristallstruktur der Matrix (Lösungsmittel): Die Diffusivität in kubisch-flächenzentrierten Gittern ist geringer als in kubisch-raumzentrierten Gittern ($D_{\text{FCC}} < D_{\text{BCC}}$).
3. Art der Defekte oder Störungen im Kristall: Baufehler und Leerstellen erhöhen $D$. Die Diffusivität nimmt typischerweise ab: $D_{\text{Oberfläche}} > D_{\text{Korngrenze}} > D_{\text{Volumen}}$.
4. Konzentration der diffundierenden Spezies: Die Konzentration der gelösten Atome kann $D$ verändern.
5. Temperatur (T): Steigende Temperatur ($T \uparrow$) erhöht die Diffusivität ($D \uparrow$).

Anwendung: Aufkohlung (Interstitielle Diffusion)

Diffusion von Kohlenstoffatomen auf die Oberfläche eines Stahlbauteils. Die C-Atome „blockieren“ die Bewegung von Versetzungen, verzerren das Gitter und erschweren eine plastische Verformung. Härten: Der Überschuss an Kohlenstoff an der Oberfläche hinterlässt einen Zustand von Druckeigenspannungen.

Grundbegriffe der Phasenanalyse

Komponente

Eine chemische Substanz fester Zusammensetzung, die Teil einer Mischung oder Legierung sein kann. Beispiele: Aluminium (Al), Aluminiumoxid ($\text{Al}_2\text{O}_3$).

Phase

Ein chemisch homogener Teil eines Gefüges. Kann aus einer oder mehreren Komponenten bestehen. Beispiele: Ferrit, Austenit, Calciumcarbonat.

Mikrogefügebestandteil (Microconstituent)

Jede der verschiedenen Strukturen, die auf einer polierten Oberfläche eines Materials beobachtet werden können. Kann aus einer oder mehreren Phasen bestehen. Beispiele: Perlit, Bainit.

Gleichgewichts-Phasendiagramm

Eine Karte der Phasen, die sich im thermodynamischen Gleichgewicht in einem Materialsystem befinden, dargestellt bei verschiedenen Belastungen, Temperaturen und Zusammensetzungen.