Eutektische Legierung

Zunächst wird die Gefügeentstehung am Beispiel der sogenannten eutektischen Legierung BiCd40 betrachtet. Ausgehend des schmelzflüssigen Zustandes führt die Abkühlung zunächst zur Verringerung der Bewegungsenergie der Bismutatome und Cadmiumatome, wobei sich die Stoffe durch stark unterschiedliche chemische Eigenschaften zunächst gegenseitig am Kristallisieren behindern. Die Erstarrungstemperatur der Legierung liegt deshalb unterhalb der der Reinstoffe. Im Falle der eutektischen Legierung hat sich der Erstarrungsbeginn (Liquiduslinie) sogar so weit abgesenkt, dass dieser im Phasendiagramm mit dem Kristallisationsende (Soliduslinie) zusammenfällt. Eutektische Legierungen erstarren also wie Reinstoffe in einem reinen Haltepunkt.

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Abbildung: Gefügeentstehung einer eutektischen Kristallgemischlegierung (Bismut-Cadmium-Legierung)

Ist die Temperatur schließlich auf den eutektischen Punkt abgesunken, so ist die Unterkühlung so weit fortgeschritten (vgl. Erstarrungstemperatur der Reinstoffe von 271 °C bzw. 321 °C vs. örtliche Temperatur von 146 °C), dass nun beide Stoff zwar zeitlich gleichzeitig aber jede für sich bei konstanter Temperatur beginnen zu kristallisieren. Aufgrund der starken Unterkühlung haben sich dabei sehr viele Keime gebildet (siehe auch Keimbildung). Um diese lagern sich die jeweiligen Atome nun mehr und mehr an und das Gefüge beginnt sich zu bilden. Jeder Keim bzw. jedes wachsende Korn besteht dabei entweder aus reinen Bismutatomen oder reinen Cadmiumatomen. Es besteht bei Kristallgemischlegierungen ja Unlöslichkeit im festen Zustand, d.h. die unterschiedlichen Atome lassen sich nicht in einer gemeinsamen Kristallstruktur mischen sondern sie müssen eigene Gitter bzw. Körner bilden.

Die einzelnen Körner wachsen im weiteren Verlauf durch Anlagerung weiterer Atome gleicher Sorte stetig weiter. Die einzelnen Körner beginnen gegen Ende der Erstarrung schließlich aneinanderzustoßen. Nachdem die Restschmelze völlig aufgezehrt ist, ist der Kristallisationsprozess abgeschlossen. Aufgrund der starken Unterkühlung ist dabei ein sehr feinkörniges Gefüge entstanden, das auch als Eutektikum bezeichnet wird. Als Gefügebestandteil ist das Eutektikum somit ein Kristall- bzw. Phasengemisch, bestehend aus feinverteilten Bismut- und Cadmiumkristallen. Eine weitere Abkühlung führt schließlich nur noch zu einer Senkung der Temperatur, das Gefüge ändert sich dabei nicht weiter.

Da die Teilchen durch die starke Unterkühlung relativ träge sind, können sie nur relativ kurze Wege zurücklegen. Dies führt meist zu einem feinen nadel- oder lamellenförmigen Kristallwachstum. Deshalb weisen die Körner bei einer eutektischen Legierung oft keine rundliche Form auf, sondern eine nadelförmige bzw. lamellenförmige Struktur!

Durch das sehr feine Gefüge weisen eutektische Legierungen im Allgemeinen sehr gute Festigkeits- und Zähigkeitswerte auf. Dies liegt an der erschwerten Versetzungsbewegung über die feinlamellare Struktur hinweg. Die Lamellen dienen sozusagen als "Barrierehindernisse" für die Versetzungen. Des Weiteren besitzen eutektische Legierungen den niedrigsten Schmelzpunkt im gesamten Legierungssystem. Gerade deshalb eigenen sie sich hervorragend als Gusswerkstoffe oder Lote. Denn umso geringer die Verarbeitungstemperatur eines Gusswerkstoffes, desto geringer sind die Anforderungen an die jeweiligen Gussformen. Außerdem erstarren eutektische Legierungen nicht in einem weiten Temperaturbereich, sodass sich das Schwindmaß entsprechend gering halten lässt (als Schwindmaß bezeichnet man die Volumenverkleinerung beim Erstarren).

  • Eutektische Legierungen weisen gute Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften auf und werden häufig als Gusswerkstoffe oder Lote eingesetzt.