Was ist eine Legierungsphase? Das Verständnis der Phasen in Metalllegierungen

Eine Legierungsphase ist ein bestimmter, physikalisch und chemisch einheitlicher Teil einer Metalllegierung mit spezifischen Eigenschaften und Strukturen. In der Metallurgie ist das Verständnis der Legierungsphasen entscheidend, da sie das mechanische, thermische und chemische Verhalten des Materials bestimmen. Die in einer Legierung vorhandenen Phasen wirken sich auf die Härte, die Duktilität, die Korrosionsbeständigkeit und die Reaktion auf die Wärmebehandlung aus, was die Kenntnis der Phasen für Ingenieure, Konstrukteure und Metallurgen unerlässlich macht.

Definition der legierten Phase

Eine Legierungsphase ist ein Bereich innerhalb eines metallischen Systems, der eine einheitliche Zusammensetzung und Struktur aufweist. Jede Phase kann eine feste Lösung, eine intermetallische Verbindung oder manchmal eine flüssige Phase in geschmolzenen Legierungen sein. Die Phasen werden durch ihre unterschiedliche Kristallstruktur, chemische Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften gekennzeichnet. In einer einzigen Legierung können mehrere Phasen nebeneinander bestehen und eine so genannte Mehrphasenlegierung bilden.

Arten von Legierungsphasen

Legierungsphasen können im Allgemeinen in mehrere Kategorien eingeteilt werden:

1. Phasen der festen Lösung: Ein Mischkristall ist eine Phase, in der ein Element im Kristallgitter eines anderen Elements aufgelöst ist. Es gibt zwei Haupttypen:

- Substitutionelle feste Lösung: Die Atome des gelösten Stoffes ersetzen die Atome des Lösungsmittels im Gitter.

- Interstitielle feste Lösung: Kleinere Atome passen in die Zwischenräume des Lösungsmittelgitters.

2. Intermetallische Phasen: Dabei handelt es sich um Verbindungen zwischen zwei oder mehr Metallen mit spezifischer Stöchiometrie und geordneter Kristallstruktur. Intermetallische Phasen sind in der Regel hart und spröde, können aber die Festigkeit bei hohen Temperaturen verbessern.

3. Eutektische Phasen: In Legierungen, die aus einer Schmelze erstarren, bilden sich bei einer bestimmten Zusammensetzung und Temperatur eutektische Phasen, bei denen zwei oder mehr feste Phasen gleichzeitig aus der Flüssigkeit wachsen und eine feine Mikrostruktur bilden, die die mechanischen Eigenschaften verbessern kann.

4. Martensitische und andere Umwandlungsphasen: Bestimmte Legierungen, wie z. B. Stähle, können durch schnelle Abkühlung Martensit oder Bainit bilden. Diese Phasen entstehen durch diffusionslose Umwandlungen und haben einen erheblichen Einfluss auf Härte und Festigkeit.

Phasendiagramme

Phasendiagramme sind grafische Darstellungen, die zeigen, welche Phasen bei unterschiedlichen Temperaturen, Zusammensetzungen und manchmal auch Drücken stabil sind. Sie sind in der Metallurgie ein wichtiges Instrument zur Vorhersage des Verhaltens von Legierungen. Übliche Diagramme sind:

- Binäre Phasendiagramme (zwei Elemente)

- Ternäre Phasendiagramme (drei Elemente)

- Isotherme und Temperatur-Zusammensetzungs-Diagramme

Anhand von Phasendiagrammen können Ingenieure Erstarrungsfolgen, Löslichkeitsgrenzen und Wärmebehandlungsstrategien bestimmen.

Die Bedeutung der Legierungsphasen

Die in einer Legierung vorhandenen Phasen bestimmen ihre Eigenschaften:

- Mechanische Eigenschaften: Härte, Zugfestigkeit und Duktilität sind in hohem Maße von der Mikrostruktur und den Phasen abhängig.

- Korrosionsbeständigkeit: Bestimmte Phasen sind anfälliger für Korrosion; die Kontrolle der Phasenverteilung verbessert die Langlebigkeit.

- Wärmebehandlung Reaktion: Die Kenntnis der Phasen ermöglicht eine präzise Steuerung der Glüh-, Abschreck- und Anlaßprozesse, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.

- Verschleiß- und Ermüdungsbeständigkeit: Phasen wie Karbide oder intermetallische Verbindungen erhöhen die Verschleißfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit bei hohen Zyklen.

Wie die Phasen kontrolliert werden

Die Legierungsphasen werden durch kontrolliert:

- Anpassung der Zusammensetzung: Wenn man den Prozentsatz der Elemente in einer Legierung ändert, verschieben sich die Arten und Mengen der Phasen.

- Thermische Behandlungen: Die Erwärmungs- und Abkühlungsraten beeinflussen die Phasenumwandlungen und ermöglichen es den Ingenieuren, das Gefüge zu verfeinern.

- Mechanische Bearbeitung: Kaltverfestigung, Walzen und Schmieden können die Phasenmorphologie und -verteilung verändern.

Beispiele für Legierungsphasen in gängigen Legierungen

- Stahl: Ferrit, Perlit, Austenit, Martensit, Bainit

- Aluminium-Legierungen: Alpha-Phase (Al-reich), Beta-Phase (Mg2Si), Intermetallisches wie AlCu

- Nickellegierungen: Gamma prime (Ni3(Al,Ti)) in Superlegierungen, Karbidphasen (MC, M23C6)

Verwandte Fragen

Was ist ein Mischkristall in Legierungen?
Ein Mischkristall ist eine einphasige Legierung, bei der die Atome des gelösten Stoffes gleichmäßig im Gitter des Lösungsmittels verteilt sind, entweder als Substitution oder als Zwischenraum.

Warum sind Legierungsphasen wichtig?
Die Legierungsphasen bestimmen die mechanische Festigkeit, die Duktilität, die Korrosionsbeständigkeit und das Wärmebehandlungsverhalten und sind damit entscheidend für die Entwicklung zuverlässiger Werkstoffe.

Wie können die Legierungsphasen geändert werden?
Die Legierungsphasen können durch Anpassung der Zusammensetzung, Wärmebehandlungen und mechanische Verfahren wie Walzen oder Schmieden gesteuert werden, um das Gefüge zu verändern.