Phasendiagramm

Um den Erstarrungsbereich von Legierungen in Abhängigkeit der Legierungskonzentration übersichtlich darzustellen, wählt man eine Diagrammform bei der auf der horizontalen Achse der Legierungsgehalt in Massenprozent (hier: Nickelgehalt) und auf der vertikalen Achse die entsprechende Erstarrungstemperatur aufgetragen wird.

Für das Erstellen eines solchen Diagramms werden für ausgewählte Legierungskonzentrationen der jeweilige Erstarrungsbeginn und das Erstarrungsende aus den Abkühlkurven in das Diagramm eingetragen. Auf diese Weise erhält man zwei charakteristische Linienzüge, die entsprechend den Erstarrungsbeginn (Liquiduslinie) und das Erstarrungsende (Soliduslinie) des gesamten Legierungssystems kennzeichnen.

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Abbildung: Erstellung des Phasendiagramms einer Mischkristalllegierung (Kupfer-Nickel-Legierung)

Beachte, dass der Grenzfall eines Nickelgehaltes von 0% letztlich dem Erstarrungspunkt des reinen Kupfers entspricht und ein Nickelgehalt von 100% dem des reinen Nickels. Oberhalb der Liquiduslinie liegt die Legierung im vollkommen flüssigen Zustand vor (Schmelze), während unterhalb der Soliduslinie das Gefüge vollständig erstarrt ist und somit aus vielen einzelnen Mischkristallen (Körnern) besteht.

Während der Erstarrung einer Legierung durchläuft diese mehrere thermodynamische Zustände, die anhand des erstellten Diagramms anschaulich nachvollzogen werden können. Ausgehend des schmelzflüssigen Zustandes beginnt die Schmelze bei Unterschreiten der Liquiduslinie zu kristallisieren. Zwischen der Liquiduslinie und der Soliduslinie befindet sich ein Teil der Legierung bereits im erstarrten Zustand, während sich andere Bereiche noch im flüssigen Zustand befinden. Bei Unterschreiten der Soliduslinie liegt die Legierung hingegen gänzlich im festen Zustand vor. Da in dieser Diagrammform die thermodynamischen Zustände einer Legierung deutlich werden, bezeichnet man ein solches Konzentrations-Temperatur-Diagramm auch als Zustandsdiagramm. In der Abbildung ist innerhalb des Zustandsdiagramms schematisch das jeweilige Gefüge dargestellt, wie es in dem entsprechenden Zustand vorzufinden ist.

Die unterschiedlichen Zustände, in denen sich der Werkstoff während einer Abkühlung jeweils befindet, werden auch Phasen genannt.

  • Als Phase bezeichnet man einen Zustand eines Stoffes, der sich durch eine einheitliche chemische Struktur auszeichnet.

Diese Definition schließt nicht nur die unterschiedlichen Aggregatzustände eines Stoffes ein, sondern eben auch deren atomare Struktur. So besteht Diamant und Graphit zwar jeweils aus Kohlenstoffatomen und beide liegen im selben festen Aggregatzustand vor, aber die chemische Struktur ist für Diamant und Graphit jeweils eine andere (Diamant: Diamantgitter, Graphit: hexagonales Gitter). In diesem Sinne stellen Diamant und Graphit also ebenfalls unterschiedliche Phasen dar. Der Phasenbegriff ist somit etwas allgemeiner gefasst als der bloße Begriff der Aggregatzustände.

Da die unterschiedlichen Zustände im Zustandsdiagramm Phasen genannt werden, wird das Diagramm auch oft als Phasendiagramm bezeichnet. Beachte, dass im Bereich zwischen der Liquiduslinie und der Soliduslinie zwei Phasen nebeneinander existieren - die flüssige Phase (Schmelze) und die bereits erstarrte Phase (Mischkristalle). Man bezeichnet diesen Zwischenbereich deshalb auch als Zweiphasengebiet.