Gefügebildung

Am Beispiel einer Kupfer-Nickel-Legierung, bestehend aus 55% Nickel (CuNi55-Legierung), soll im Folgenden nochmals exemplarisch auf das Lesen und Interpretieren des Phasendiagrammes bei verschiedenen Temperaturen näher eingegangen werden [fahre zur Vergrößerung des Auschnitts mit der Maus über die Abbildung].

Phasendiagramm, Zustandsdiagramm, anschaulich, schematisch, Kupfer-Nickel-Legierung

Abbildung: Schematisches Phasendiagramm des Legierungssystems Kupfer/Nickel

Aufgrund einer besseren Orientierung wird die Legierung zunächst als Zustandslinie in das Phasendiagramm eingetragen (gelbe Volllinie). Um nun für verschiedene Temperaturen die entsprechenden Zustände der Legierung zu lokalisieren dient eine horizontale Linie bei der jeweiligen Temperatur (gelbe Strichlinie). Der Schnittpunkt beider Linien gibt schließlich den Zustandspunkt wieder, d.h. der Zustand wie die Legierung bei dieser Temperatur vorzufinden ist.

Bei einer Temperatur von bspw. 1350 °C befindet sich der Zustandspunkt der CuNi55-Legierung oberhalb der Liquiduslinie. Die Legierung liegt somit vollständig im flüssigen Zustand vor.

Bei einer Temperatur von rund 1330 °C befindet sich der Zustandspunkt auf der Liquiduslinie. Der Kristallisationsprozess setzt ausgehend an vorhandenen Keime ein und das Gefüge beginnt sich zu bilden (Erstarrungsbeginn).

Bei einer Temperatur von 1325 °C liegt der Zustandspunkt knapp unterhalb der Liquiduslinie im Zweiphasengebiet. Der Erstarrungsprozess hat also gerade erst begonnen und es haben sich einige wenige Körner gebildet, der Großteil ist allerdings noch flüssig.

Bei einer Temperatur von 1295 °C liegt der Zustandspunkt knapp oberhalb der Soliduslinie im Zweiphasengebiet. Der Kristallisationsprozess ist folglich fast abgeschlossen, sodass die Körner auf Kosten der Schmelze gewachsen sind, d.h. das Gefüge ist fast vollständig erstarrt.

Bei der angegebenen 55%-igen Kupfer-Nickel-Legierung liegt der Zustandspunkt bei einer Temperatur von rund 1290 °C direkt auf der Soliduslinie und das Gefüge ist somit vollständig erstarrt und liegt als Mischkristallgefüge vor.

Bei weiterer Abkühlung auf bspw. 1275 °C liegt der Zustandspunkt unterhalb der Soliduslinie. Das Gefüge ändert sich dabei nicht mehr weiter. Im Schliffbild sind die typischen Körner mit ihren Korngrenzen zu erkennen.

Anmerkungen:

  • Beachte, dass die beiden Phasen im Zweiphasengebiet - Schmelze und Mischkristalle - stabil nebeneinander existieren, d.h. es handelt sich um einen thermodynamisch stabilen Zustand. Dieser Zustand sollte nicht mit dem im Alltag beobachtbaren Gefrieren von Wasser verglichen werden. Wasser besitzt nämlich im Gegensatz zu einer Mischkristalllegierung keinen Erstarrungsbereich sondern einen Erstarrungspunkt. In der Praxis ist Wasser somit beim Erstarrungspunkt von 0 °C und hinreichend langer Wartezeit entweder vollkommen fest oder völlig flüssig (nur in einem perfekt abgeschlossenen System - das es in der Praxis jedoch nicht gibt - könnte man auch bei Wasser eine thermodynamisch stabile Koexistenz von gefrorenen und festen Anteilen wahrnehmen).
  • Mischkristalllegierungen weisen jedoch einen Erstarrungsbereich auf, sodass man in der Praxis selbst bei unendlich langer Wartezeit im Zweiphasengebiet permanent eine stabile Koexistenz von festen und flüssigen Anteilen beobachten kann. Zwar kann es sein, dass bereits erstarrte Bereiche sich teilweise wieder verflüssigen, aber dabei kristallisieren gleichzeitig im selben Maße flüssige Bereiche wieder zu festen Gefügebestandteilen. Es handelt sich also um ein sogenanntes (thermo)dynamisches Gleichgewicht, bei dem zwar auf mikroskopischer Ebene Umkristallisationsvorgänge stattfinden, im makroskopischen Maßstab sich allerdings nichts ändert.
  • Da das Einstellen eines Gleichgewichtszustandes Zeit benötigt, müssen die Abkühlkurven für das Aufstellen eines Phasendiagramms im Prinzip bei (unendlich) langsamer Abkühlung aufgenommen werden. Nur dann ist stets gewährleistet, dass sich das System immer im thermodynamischen Gleichgewicht mit der Umgebung befindet. Bei zu schneller Abkühlung hingegen kann sich der Gleichgewichtszustand nicht einstellen und die Erstarrungstemperaturen bzw. -bereiche (d.h. Liquidus- und Soliduslinie) verschieben sich! Phasendiagramme gelten also strenggenommen immer nur für (unendlich) langsame Abkühlprozesse. Insofern gibt das Zustandsdiagramm lediglich Zustände im thermodynamischen Gleichgewicht wieder.