Phasendiagramme und -umwandlungen

Phasendiagramme stellen dar, welche festen, flüssigen und gasförmigen Phasen als Funktion von Zusammensetzung und Temperatur stabil sind, und Phasenumwandlungen beschreiben, wie sich ein Material zwischen diesen Zuständen bewegt.

Definition

Ein Phasendiagramm ist eine grafische Darstellung der thermodynamisch stabilen Phasen eines Systems als Funktionen von Zusammensetzung, Temperatur und Druck; eine Phasenumwandlung ist der Prozess, der durch Thermodynamik und Kinetik gesteuert wird, bei dem ein Material von einer Phase oder Mikrostruktur in eine andere übergeht.

Scope

Dieses Thema behandelt die Gleichgewichts-Phasendiagramme, die zur Vorhersage der in einem Material bei einer gegebenen Zusammensetzung und Temperatur vorhandenen Phasen verwendet werden – eutektische, peritektische und Mischkristallsysteme – zusammen mit der Hebelregel und der Gibbsschen Phasenregel, die diese interpretieren. Es behandelt auch die Kinetik der Umwandlung: Keimbildung und Wachstum, diffusionsgesteuerte versus diffusionslose (martensitische) Umwandlungen und wie der Abkühlpfad die tatsächlich entstehende Mikrostruktur steuert.

Core questions

• Welche Phasen sind bei einer gegebenen Zusammensetzung und Temperatur stabil?
• Wie quantifizieren die Hebelregel und die Phasenregel Phasenmengen und Freiheitsgrade?
• Was unterscheidet eutektisches, peritektisches und Mischkristallverhalten?
• Wie bestimmen Keimbildungs- und Wachstumskinetik die beim Abkühlen erhaltene Mikrostruktur?

Key concepts

• Gibbssche Phasenregel
• Hebelregel
• Eutektische und peritektische Reaktionen
• Mischkristalle
• Keimbildung und Wachstum
• Martensitische Umwandlung

Key theories

Gleichgewichts-Phasendiagramme und die Phasenregel

Die Gibbssche Phasenregel verknüpft die Anzahl der koexistierenden Phasen mit den Freiheitsgraden der Zusammensetzung und Temperatur; binäre Phasendiagramme kodieren dies, und die Hebelregel liest die relativen Mengen der koexistierenden Phasen an einem gegebenen Punkt ab.

Keimbildung, Wachstum und Umwandlungskinetik

Phasenänderungen erfordern die Keimbildung der neuen Phase gegen eine Grenzflächenenergiebarriere, gefolgt von diffusivem Wachstum; der Wettbewerb zwischen thermodynamischer Triebkraft und atomarer Mobilität bestimmt die Umwandlungsrate und, über den Abkühlpfad, die endgültige Mikrostruktur.

Mechanisms

Diffusionsgesteuerte Umwandlungen erfolgen durch Keimbildung einer neuen Phase und atomweises Wachstum über eine bewegliche Grenzfläche, was eine weitreichende Diffusion erfordert; diffusionslose (martensitische) Umwandlungen erfolgen durch eine koordinierte Scherung des Gitters ohne Zusammensetzungsänderung und treten nahezu augenblicklich unterhalb einer kritischen Temperatur auf.

Clinical relevance

Phasendiagramme sind die Arbeitskarten der Materialverarbeitung: Sie leiten die Wärmebehandlung von Legierungen und Keramiken, sagen das Brennverhalten von Oxid- und Glassystemen voraus und erklären, warum kontrolliertes Abkühlen aus derselben Zusammensetzung harte oder weiche, spröde oder zähe Mikrostrukturen erzeugt.

History

Die Gibbssche Phasenregel aus den 1870er Jahren lieferte die thermodynamische Grundlage für die Vorhersage, wie viele Phasen koexistieren können. Roozeboom und andere wandten sie experimentell an, um um 1900 Phasendiagramme zu erstellen, und die Arbeiten des 20. Jahrhunderts zur Keimbildungstheorie und Umwandlungskinetik fügten die Zeitdimension hinzu, wodurch Gleichgewichtsdiagramme mit den tatsächlich bei der Verarbeitung erzeugten Mikrostrukturen verknüpft wurden.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hendrik Roozeboom

Seminal works

• callister2018
• porter2009

Frequently asked questions

Was ist ein eutektischer Punkt?

Ein eutektischer Punkt ist die Zusammensetzung und Temperatur, bei der sich eine Flüssigkeit beim Abkühlen direkt in eine Mischung aus zwei festen Phasen umwandelt. Er ist der niedrigste Schmelzpunkt im System und erzeugt eine charakteristische feine zweiphasige Mikrostruktur.

Warum kann ein Phasendiagramm die tatsächlich erhaltene Mikrostruktur nicht vorhersagen?

Ein Phasendiagramm zeigt Gleichgewichtsphasen, aber das Erreichen des Gleichgewichts erfordert ausreichend Zeit und atomare Mobilität. Schnelles Abkühlen kann die Diffusion unterdrücken und metastabile oder Nicht-Gleichgewichts-Mikrostrukturen einfangen, sodass die Kinetik, nicht nur die Thermodynamik, das tatsächliche Ergebnis bestimmt.