Mischkristallines Grundgefüge mit Ausscheidungen

Bei einer Teillöslichkeit der Komponenten einer Legierung bildet das Gefüge letztlich ein Kristallgemisch aus Mischkristallen. Im Kristall der Atomart A lassen sich dann bis zu einem bestimmten Prozentsatz B-Atome einlagern. Umgekehrt gilt dies auch für den B-Kristall, in dessen Gitter sich bis zu einem gewissen Grad A-Atome darin lösen lassen. 

Werden die Löslichkeitsgrenzen der Komponenten im jeweils anderen Gitter nicht überschritten, dann wird die Legierung zunächst genauso erstarren wie eine Mischkristalllegierung deren Komponenten sich vollständig ineinander lösen. Denn schließlich ist unterhalb der Löslichkeitsgrenze eine vollkommene Mischbarkeit gegeben. Die Abkühlkurve einer solchen Legierung zeigt zunächst den bekannten Erstarrungsbereich (Knickpunkt) innerhalb dessen die Legierung vollständig erstarrt. Im Folgenden soll für diesen Fall exemplarisch die Legierung AB10 betrachtet werden, die zu 10 % aus B-Atomen besteht.

Phasendiagramm, Zustandsdiagramm, Gefüge-Entstehung, Gefüge-Bildung, begrenzte Löslichkeit der Komponenten, untereutektisch, Ausscheidungen, Segregat

Abbildung: Gefügeentstehung einer untereutektischen Legierung mit Ausscheidungen I

Bei der Erstarrung der Legierung AB10 wird im Phasendiagramm zunächst das bekannte Zweiphasengebiet bestehend aus Schmelze und Mischkristallen durchlaufen. Die Phasenzusammensetzung kann in diesem Zweiphasengebiet wieder über das Fällen des Lotes an der Liquiduslinie (Zusammensetzung der Schmelze) bzw. Soliduslinie (Zusammensetzung der Mischkristalle) ermittelt werden. Ebenfalls können die Phasenanteile bei einer bestimmten Temperatur wiederum über das Hebelgesetz ermittelt werden.

Unmittelbar nach dem Erstarren ist die Komponente B aufgrund deren relativ geringen Konzentration mit 10 % vollständig im Gitter des Basisstoffes A gelöst. Die Löslichkeit nimmt mit sinkender Temperatur jedoch im Allgemeinen ab. Dies kann anschaulich mit den abnehmenden Gitterschwingungen bei sinkender Temperatur erklärt werden. Denn mit geringer werdenden Gitterschwingungen nimmt auch der Raum zwischen den Atomen ab. Darin eingelagerte Atome können dann nicht mehr im Gitter gehalten werden und werden sozusagen aus der Gitterstruktur "gepresst". Diese Löslichkeitsgrenze ab der eingelagerte Atome aus Gitterstruktur ausgeschieden werden, wird auch als Segregatlinie bezeichnet (lat.: segregare = "ausscheiden"). Die Segregatlinien für die jeweiligen Komponenten sind im Phasendiagramm lila bzw. grün dargestellt. Sie geben folglich die maximale Löslichkeit der eingelagerten Komponente wieder.

Anhand der Segregatlinie wird deutlich, dass der Basisstoff A bei einer Temperatur von 700 °C seine maximale Lösungsfähigkeit besitzt und dabei 20 % B-Atome aufnehmen kann. Bei dieser Temperatur bleiben somit zunächst die gesamten B-Atome der Legierung im A-Gitter gelöst. Mit sinkender Temperatur nimmt jedoch die Löslichkeit mehr und mehr ab. So sind bei einer Temperatur von 600 °C nur maximal 15 % und bei 500 °C nur noch maximal 12 % B-Atome im A-Gitter lösbar. Bei 400 °C wird schließlich exakt die vorhandene Lösungskonzentration von 10 % B-Atome erreicht. Die Gitterstruktur der Basiskomponente A kann bei dieser Temperatur also gerade noch die gesamten B-Atome lösen. Man spricht dann auch von einem sogenannten gesättigten \(\alpha\)-Mischkristall.

Wird von diesem Zustand weiter abgekühlt, dann können offensichtlich weniger B-Atome im A-Gitter gelöst werden als bisher noch im Mischkristall vorhanden sind. So weist der Mischkristall bisher noch 10 % B-Atome auf, jedoch können bei 300 °C nur maximal 9 % und bei 200 °C nur noch 8 % gelöst werden. Die "zuviele" B-Atome, die nicht mehr gelöst werden können, werden deshalb aus dem Gitter ausgeschieden. Der \(\alpha\)-Mischkristall bleibt somit immer gerade bis zur maximalen Löslichkeit gesättigt.

Dabei werden sich jedoch keine reinen B-Kristalle bilden. Vielmehr werden sich B-reiche \(\beta\)-Mischkristalle bilden bzw. aus dem Gitter ausscheiden (auch \(\beta_{Seg}\)-Mischkrisalle genannt). Die chemische Zusammensetzung der \(\beta_{Seg}\)-Mischkristalle kann durch Fällen des Lotes bei der entsprechenden Segregatlinie ermittelt werden (hier: 78 % B; 22 % A). Die ausgeschiedenen \(\beta_{Seg}\)-Mischkristalle enthalten also grundsätzlich auch immer eine gewisse Menge an A-Atomen!

Wie groß der Anteil an ausgeschiedenen \(\beta_{Seg}\)-Mischkristallen insgesamt ist, kann bei gegebener Temperatur über das Hebelgesetz bestimmt werden. Bei einer Temperatur von 200 °C ergibt sich ein Pasenanteil an \(\beta_{Seg}\)-Mischkristallen von etwa 4 % und entsprechend ein Phasenanteil der \(\alpha\)-Mischkristalle von ca. 96 % :

\begin{align}\;\;\;\;\;
\underline{\beta_{Seg}} &= \frac{10-7}{78-7} \cdot 100 \text{ %} = \underline{4 \text{ %}}   \\[5px]
\underline{\alpha} &= \frac{(78-10)}{(78-7)} \cdot 100 \text{ %} =  \underline{96 \text{ %}}   \\[5px]
\end{align}

Das Ausscheiden der Mischkristalle bei Unterschreiten der Löslichkeitsgrenze geschieht durch Diffusionsprozesse. Diese laufen aufgrund der geringen Temperatur und dem bereits vorhandenen Kristallgefüge relativ träge ab. Die Ausscheidungen sind deshalb oftmals auf sehr kleine Bereiche begrenzt und finden bevorzugt an energetisch günstigen Stellen wie Korngrenzen, Versetzungen, Einschlüsse, Leerstellen, etc. statt.

Im weiteren Abkühlverlauf sinkt die Löslichkeit der B-Atome im Gitter der Komponente A mehr und mehr. Es werden deshalb weiter B-Atome in Form von B-reichen \(\beta\)-Mischkristallen ausgeschieden, wobei sich auch deren chemische Zusammensetzung permanent ändert wie anhand der Segregatlinie abgelesen werden kann.