Die Zustände eines thermodynamischen Systems können durch das thermodynamische Potenzial G in Abhängigkeit von den natürlichen Zustandsgrößen(z.b Temperatur , Druck ,Konzentration) beschrieben werden.
thermodynamisches Potenzial G
In Abhängigkeit von: natürliche Zustandsgrößen
Temperatur
Druck
Konzentration ( Stoffmenge)
Gibbs-Heimholz-Beziehung
thermodynamisches Gleichgewicht
Nota:
Def.: Das thermodynamische Gleichgewicht wird bei gegebener Temperatur und festen Druck durch das Minimum der freien Energie beschrieben
Arten: analog zu mechanischen Gleichgewichten
stabil
metastabil
labil
eingefroren
größte Bedeutung in der Werkstofftechnik
Phasenumwandlung durch Erstarrung von Schmelzen
1) Keimbildung
Nota:
- Zur Keimbildung muss Engerie aufgewendet werden(Keimbildungbarriere)
-Die Schmelze muss zum Einsetzen der Keimbildung unterkühlt werden
homogene Keimbildung
heterogene keimbildung
energetisch begünstigt , da bereit Fremdkeime mit einer kritischen keimgröße existieren
--> geringe Grenzflächenenergie
2) Kristallwachstum
Nota:
-Abfuhr der freigestzten Erstarrungswärme ist gestalltbestimmend für das Kristallwachstum in der Schmelze
-Die Erstarrungswärme kann über den erstarrten kristall oder die Schmelze abgeführt werden
Ebenes Kristallwachstum(globulares Gefüge)
Erstarrungswärme wird über den Kristall abgeführt
Unebenes Kristallwachstum(dendritisches Gefüge)
Erstarrungswärme wird über die Schmelze abgeführt
Phasumwandlungen im festen Zustand
strukturelle Phasenumwandlung
Diffusionsbestimmt (Entmischung)
Kontinuierliche Entmischung
Nota:
durch Bildung und Wachstumm individueller Keime im Gefüge
Diskontinuierliche Entmischung
Nota:
durch Bewegung einer Reaktionsfront bei der Entmischung, ausgehend von der Korngrenze
Difffusionslos ("martensitisch")
Nota:
- Die diffusionslose Umwandlung bezeichnet eine gleichgewichtsferne Umwandlung, bei der die Entmischungsvorgänge vollständig behindert sind(keine Diffusion)
- Eintypischer Vertreter dieser Umwandlung ist die sog. " martensitische Umwandlun", bei der es zu einem strukturellen Ohasenübergang zwischen verschiedenen Kristalmodifikationen kommt.
Ausscheidungsbildung in Legierungen
Stadien der Ausscheidungsbildung
1.Keimbildung
Nota:
Für die Keimbildung in festen Phasen von Legierungen muss die Keimbildungsbarriere(Energiebarriere) überwunden werden
ÜberwindungKeimbildungsbarriere durch Fluktuationen
thermische
kristallographische
chemische
homogene Ausscheidungsbildung
heterogene Ausscheidungsbildung
Nota:
- Im Gegensatz zur homogenen Ausscheidungsbildung findet die heterogene Ausscheidungsbildung bevorzugt an Gitterfehlstellen und Fremdkeimen statt.
- Die hetereogene Ausscheidungsbildung ist energetisch begünstigt , da bereits Fremdkeime mit einer kritischen Keimgröße existieren, d.h. es ist nur ein geringerer Beitrag zur Grenzflächenenergie erforderlich
2.Wachstumskinetik
Nota:
Abbau der Matrix-Übersättigung
treibende Kraft für das Wachstum ?
Nota:
Diei treibende Kraft für das Wachstum der Ausscheidungen ist die Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts zwischen Auscheidungen und Matrix
Wie lange wächst eine Ausscheidung?
Nota:
Das Wachstum der Asuscheidungen erfolgt solange bis die Gleichgewichts-Konzentration zwischen Ausscheidungen und Matrix erreicht ist
Welcher kinetische Mechanismus ist maßgebend?
Nota:
Für das Wachstum von Ausscheidungen ist die Diffusion der ausscheidungsbildenden Atome maßgeblich
Nach welchem Gesetz findet zeitliches Wachstum statt?
Nota:
Das Wachstum der Asuscheidungen erfolgt nach einem parabolischen Wachstumsgesetzt für den Radius der Ausscheidung
3.Vergröberung
Nota:
Umlösung von Teilchen, d.h. große Teilchen wachsen auf Kosten der kleineren Teilchen( Umlösungsprozess)
Was versteht man unter Vergröberung in festen Phasen?
Nota:
Unter dem Begriff Vergröberung versteht man das Wachstum von großen Teichen/Körnern auf Kosten von kleinen, d.h. die kleinen Teilchen/ Körner lösen sich auf (Umlösungsprozess)
Was ist die treibende Kraft bei der Vergröberung?
Nota:
Die treibende Kraft bei der Vergröberung ist die Minimierung der gesamten Phasengrenzfläche
LSW-Theorie
Was beschreibt die LSW- Theorie?
Nota:
Die LSW-Theorie beschreibt die diffusionsgesteuerte Vergröberung von kugelförmigen Teilchen in einer homogenen Matrix
Zu welchem Ergebnis kommt sie?
Nota:
Nach der LSw-Theorie führt der Vergröberungsprozess stets zu einer stationären Größenverteilung der Teilchen, d.h. die Verteilung der Teilchengröße( Verteilungsform) ändert sich zeitlich nicht mehr
Was ist charakteristisch bei der LSW-Verteilung hinsichtlich der Teilchengrößenverteilung?
Nota:
In späten Stadien der Vergröberung entstehen "selbstähnliche" Teilchengrößenverteilungen
Ausscheidung
Nota:
Ausscheidungen in Metallen sind Cluster von Atomen, die sich in der Kristallstruktur und / oder der chemischen Zusammensetzung von der umgebenden Matrix unterscheiden.
Arten der Grenzflächen
Nota:
hinsichtlich des kristallografischen Überganges zwischen Ausscheidung und der einbettenden Matrix
kohärent
inkohärent
semi-kohärent
thermodynamisches Ungleichgewicht
Kinetik von Phasenumwandlungen
Keimbildungstheorie
atomistische Sichtweise
kontinuums-mechnanische Sichtweise
Erläuterung mit Skizze
Gesamtenergie der Keimbildung
Freie Oberflächenenergie
Nota:
Bei der Bildung eines Keimes ensteh eine Grenzfläche, wofür eine bestimmte Grenzflächen energie aufgebracht werden muss(positiver Beitrag)
Frei Volumenenergie
Nota:
Die Volumenenergie der neu gebildeten Phase ist temperaturabhängig, woduch bei einer Abkühlung immer Wärme freigesetzt wird(negativer Beitrag)
durch Extremwerbildung aus dem Verlauf der Freien Gesamt-Energie
"kritischer Keimbildungsradius"
"kritische Keimbildungsenergie"
Keimbildungrate
Nota:
Die Keimbildungsrate J beschreibt , wie viele neue Keime pro Volumen- und Zeiteinheit gebildet werden.
Abhängig von:
exponentiell von der krit. Keimbildungernergie
Temperatur ( Unterkühlung)
Einfluss auf keimbildungsprozess
Fall 1: geringe Unterkühlung
Nota:
Bei geringer Treibkraft werden wenige, weit voneinander entfernte keime gebildet--> es ein grobkörniges Gefüge
Fall 2: deutlich größere Unterkühlung
Nota:
Bei hoher Treibkraft werden viele, eng beieinander liegende Keime gebildet --> es entsteht ein feinkörniges Gefüge