🔩 Legierungs-Phasendiagramm — Binäres Eutektikum

Die Hebelregel gibt den Massenanteil jeder Phase in einem Zweiphasenbereich an. Liegt ein Punkt im (α + Flüssigkeit)-Zweiphasenfeld bei Gesamtzusammensetzung X₀, und geben die Phasengrenzen bei dieser Temperatur die α-Zusammensetzung X_α und die Flüssigkeitszusammensetzung X_L an, dann ist der Flüssigkeitsanteil f_L = (X₀ − X_α) / (X_L − X_α) und der Festkörperanteil 1 − f_L. Stellen Sie sich die Zusammensetzungen als Distanzen entlang eines Hebels vor; das relative „Gewicht“ (der Anteil) jeder Phase balanciert sich bei der Gesamtzusammensetzung aus.

Bei eutektischer Temperatur und Zusammensetzung wandelt sich die Flüssigkeit gleichzeitig in zwei Festphasen um durch die Reaktion: Flüssigkeit → α + β bei konstanter Temperatur. Diese invariante Reaktion (null Freiheitsgrade nach der Gibbsschen Phasenregel) erzeugt ein charakteristisches lamellares oder stäbchenförmiges Gefüge abwechselnder α- und β-Schichten mit einem typischen Schichtabstand von 1–10 μm. Beim Pb-Sn-Lot verleiht dieses feine eutektische Gefüge gute Festigkeit und Duktilität; gröbere Gefüge (hypo- oder hypereutektisch) bilden primäre Dendriten, bevor die eutektische Reaktion abgeschlossen ist.

Der Liquidus ist die obere Grenze: darüber ist die Legierung vollständig flüssig. Unterhalb des Liquidus, aber oberhalb des Solidus ist die Legierung ein Gemisch aus Flüssigkeit und Feststoff. Der Solidus ist die untere Grenze: darunter ist die Legierung vollständig fest. Bei einem eutektischen System liegt der Solidus horizontal bei der eutektischen Temperatur. Bei einem vollständigen Mischkristallsystem wie Cu-Ni sind sowohl Liquidus als auch Solidus glatte Kurven, die sich an den Schmelzpunkten der reinen Komponenten treffen (1085 °C für Cu, 1455 °C für Ni).

Die Gibbssche Phasenregel, F = C − P + 2 (bzw. F = C − P + 1 für druckfixierte Diagramme), gibt die Anzahl der Freiheitsgrade F an: C = Anzahl der Komponenten, P = Anzahl der Phasen. Für ein binäres System (C = 2) an einem eutektischen Punkt, an dem drei Phasen koexistieren (Flüssigkeit + α + β, also P = 3), ist F = 2 − 3 + 1 = 0: Temperatur und beide Phasenzusammensetzungen sind vollständig fixiert. Diese null Freiheitsgrade sind der Grund, warum der eutektische Punkt bei einer einzigen, invarianten Temperatur auftritt — dem „eutektischen Invarianten“.

Hypoeutektische Legierungen (Zusammensetzung links vom eutektischen Punkt) beginnen die Erstarrung mit der Ausscheidung primärer α-Dendriten, während die Schmelze unter den Liquidus abkühlt. Die verbleibende Schmelze wird zunehmend zur eutektischen Zusammensetzung hin angereichert, an der sie sich in lamellares Eutektikum umwandelt. Hypereutektische Legierungen (rechts vom Eutektikum) scheiden stattdessen primäres β aus. Bei genau eutektischer Zusammensetzung bildet sich keine Primärphase: die gesamte Schmelze wandelt sich auf einmal zu feinem Eutektikum um, was das feinste Gefüge und oft die besten mechanischen Eigenschaften für Gussanwendungen ergibt.

Reine Elemente schmelzen bei einer scharfen Temperatur, weil sie eine einzige Komponente haben (C = 1): Mit Flüssigkeit und Feststoff im Gleichgewicht ist F = 1 − 2 + 1 = 0, was sowohl T als auch die Zusammensetzung fixiert (trivial). Für eine binäre Legierung ist C = 2, und mit zwei Phasen ist F = 1: Es gibt einen Freiheitsgrad, die Temperatur. Mit sich ändernder Temperatur ändern sich sowohl die Flüssig- als auch die Festzusammensetzung (entlang Liquidus und Solidus), sodass die Legierung allmählich über einen „teigigen Bereich“ zwischen Solidus- und Liquidustemperatur schmilzt.

Viele binäre Systeme bilden intermetallische Verbindungen — geordnete Kristallstrukturen bei bestimmten Stöchiometrien, bei denen die beiden Elemente mit anderer Koordination binden als in reinen Metallen. Im Fe-C-System ist Zementit Fe₃C (6,67 Gew.-% C) die zentrale intermetallische Phase. In Al-Cu-Legierungen ist θ-CuAl₂ (53 Gew.-% Cu) die primäre festigkeitssteigernde intermetallische Phase in ausgehärteten Flugzeugaluminiumlegierungen. Diese Verbindungen erscheinen als vertikale Linien (Linienverbindungen) oder schmale Bereiche im Phasendiagramm und sind oft spröde, was Spannungskonzentrationen erzeugt, wenn sie durchgehende Filme an Korngrenzen bilden.

Cu und Ni sind sowohl im flüssigen als auch im festen Zustand vollständig mischbar, weil sie dieselbe Kristallstruktur (kfz), ähnliche Atomradien (Cu 128 pm, Ni 124 pm), ähnliche Elektronegativitäten und dieselbe Wertigkeit haben. Das macht das Cu-Ni-System zu einem der einfachsten „isomorphen“ Phasendiagramme — ein einziger linsenförmiger Zweiphasenbereich zwischen glattem Liquidus und Solidus. Monel-Legierung (67 % Ni, 33 % Cu) hat hervorragende Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser und wird in Schiffsbeschlägen und Chemieanlagen verwendet, gerade weil sie im gesamten festen Bereich eine einphasige feste Lösung ist.

Phasendiagramme leiten die Temperatur- und Zeitzyklen bei Wärmebehandlungen. Lösungsglühen (Erhitzen in den Einphasenbereich, um Ausscheidungen aufzulösen), Abschrecken (schnelles Abkühlen, um eine übersättigte feste Lösung einzufrieren) und Auslagern (Erhitzen auf niedrigere Temperatur, um feine Teilchen durch kontrollierte Keimbildung auszuscheiden) nutzen alle Grenzen im Phasendiagramm. In Al-Cu-Legierungen erzeugt Lösungsglühen bei 500 °C (einphasiges α), Wasserabschreckung und dann Auslagern bei 150 °C GP-Zonen und θ'-Ausscheidungen, was die Streckgrenze von ~100 MPa auf über 400 MPa erhöht.

Eine peritektische Reaktion ist das Gegenteil einer eutektischen: Statt dass eine Flüssigkeit beim Abkühlen zwei Feststoffe bildet, reagiert ein Feststoff beim Abkühlen mit Flüssigkeit zu einem anderen Feststoff: α + Flüssigkeit → β. Sie tritt in vielen technisch wichtigen Systemen auf, einschließlich Fe-C nahe 0,1 % C (Bildung von Austenit aus Delta-Ferrit und Flüssigkeit) und Cu-Sn-Bronzen. Anders als beim Eutektikum ist die peritektische Reaktion oft kinetisch träge, weil die neu gebildete β-Phase die α-Teilchen umhüllt, weitere Reaktion verhindert und zu Kornseigerung (Zusammensetzungs-Ungleichmäßigkeit) in Gusslegierungen führt.

Erstarrt eine Legierung über einen Temperaturbereich (Brei-Zone), ist der zuerst gebildete Feststoff reicher an der höherschmelzenden Komponente, während die letzte Flüssigkeit an der niedriger schmelzenden angereichert ist. Diese Zusammensetzungsvariation nennt man Mikroseigerung oder Kornseigerung, und sie erzeugt lokale Schwankungen in Härte, Korrosionsbeständigkeit und Duktilität innerhalb jedes Korns. Homogenisierungsglühen bei hoher Temperatur (unter dem Solidus) über mehrere Stunden oder Tage erlaubt Festkörperdiffusion, um die Zusammensetzung anzugleichen. Industrielles Strangguss nutzt elektromagnetisches Rühren, um Seigerung in großen Stahlbrammen zu verringern.