Zustandsschaubilder

Grundlagen
Legierungen
Eine Legierung ist die erstarrte Lösung (erstarrte Schmelze) zweier oder mehrerer Metalle
ineinander.
Legierungen haben meist eine größere Härte als ihre Bestandteile. Die Schmelztemperatur
einer Legierung ist nicht der Mittelwert der Schmelztemperaturen ihrer Bestandteile, sondern
sie liegt tiefer, manchmal sogar tiefer als die Schmelztemperatur des bei niedrigster
Temperatur schmelzenden Bestandteils.
(Es gibt auch Kombinationen von Metallen, aus denen keine Legierung hergestellt werden
kann, z.B. Al + Pb!)
Über das Gefüge von Legierungen gibt die Betrachtung angeschliffener und geeignet geätzter
Flächen mit dem Auflichtmikroskop Auskunft.
Den Aufbau von Legierungen kann man durch eine thermische Analyse (d.h. durch die
Aufzeichnung von Erwärmungs- oder Abkühlungskurven) untersuchen und durch Phasendiagramme
(auch Zustandsschaubilder genannt) beschreiben.
(Unter einer Phase versteht man eine homogene - d.h. einheitlich beschaffene - gasförmige
oder flüssige oder feste Stoffportion.)
Zustandsschaubilder
Es gibt 3 Grundtypen von Zwei-Metall-Legierungen:
a) Die beiden Metalle sind im flüssigen Zustand völlig miteinander mischbar (bilden
dann also eine einzige Phase), im festen Zustand sind sie nicht mischbar (bilden nach
dem Erstarren also 2 Phasen).
Anmerkung: Im allgemeinen sind die Komponenten im festen Zustand nicht völlig unlöslich
ineinander, sondern bilden in mehr oder weniger begrenztem Umfang Mischkristalle. Dies
führt zu einer etwas abweichenden Gestalt der Zustandsschaubilder.
b) Die beiden Metalle sind nicht nur in flüssigem Zustand, sondern auch im festen
Zustand völlig miteinander mischbar, sie bilden eine lückenlose Mischkristallreihe.
Voraussetzungen:
− Beide Metalle müssen im gleichen Gittertyp kristallisieren.
− Beide Metalle müssen annähernd gleiche Ionenradien haben (Differenz kleiner als 12 bis
15 %).
c) Die beiden Metalle sind in flüssigem Zustand völlig miteinander mischbar, in festem
Zustand bilden sie eine „intermetallische Verbindung“ definierter Zusammensetzung
(auch „intermetallische Phase“ genannt).

Wertetabelle der Abkühlungskurven
Zeit in sek
Legierung 1
20%Sn 80%Pb
Temp. in °C
Legierung 2
40%Sn 60%Pb
Temp. in °C
Legierung 3
60%Sn 40%Pb
Temp. in °C
Legierung 4
80%Sn 20% Pb
Temp. in °C
0 300 300 240 225
30 291 293 237 223
60 285 287 235 222
. 280 280 233 221
. 275 275 231 219
. 271 269 229 218
270 263 227 216
269 257 225 215
267 253 224 214
265 248 222 212
261 244 220 211
257 239 218 209
253 235 216 208
248 231 215 207
243 230 212 205
239 229 211 204
234 226 209 208
229 224 207 208
224 221 205 207
218 219 204 207
214 214 202 206
208 211 201 205
205 208 199 204
201 205 198 204
198 201 196 203
194 198 195 202
190 195 193 201
186 192 191 200
183 190 190 199
180 186 188 198
180 183 187 197
180 181 185 197
180 181 184 196
180 181 183 195
178 181 182 194
174 181 181 194
175 181 179 193
170 176 178 192
166 170 177 191
162 165 175 190
163 160 174 189
173 189
172 188
172 187
171 186
171 185
171 184
171 184
170 184
170 184
170 184
170 184
170 184
170 183
170 183
170 183
170 183
170 183
170 182
170 181
170 176
170 173
170 170
169 167
170 164
166 158
165 152

Auswertung
Abkühlungskurven und Zustandsschaubild der Legierung Blei/Zinn:
380 °C
360 °C
340 °C
320 °C
300 °C
280 °C
260 °C
240 °C
220 °C
200 °C
160 °C
140 °C
0
100
30
70
A 1
45
55
Zeit
62
38
85
15
A 2 A 3
100 % Sn
0 % Pb
E 1 E 2 E E 3
Abkühlungskurven
A1, A2, A3 = Knickpunkte
E1, E2, E, E3 = Haltepunkte
An den Knick- und Haltepunkten
wird durch Freiwerden von
Erstarrungswärme die Abkühlung
verlangsamt. (Ab A1 und
A2 kristallisiert reines Blei aus,
d.h. die noch flüssige
Legierung wird allmählich
ärmer an Blei; ab A3 kristallisiert
reines Zinn aus, d.h. die
noch flüssige Legierung
verarmt an Zinn. In E1, E2, E
und E3 scheiden sich Blei- und
Zinnkristalle gleichzeitig in
einem stets gleichbleibenden
Massenverhältnis aus, d.h. die
Zusammensetzung der Restschmelze
bleibt unverändert.)
327 °C
0
100
Fp(Pb)
II
teigig
10
90
Liquidus-Kurve
182 °C
Solidus-Linie
20
80
A 1
30
70
E 1
40
60
A 2
E 2
50
50
IV
fest
I
flüssig
E
60
40
V
fest
70
30
Zustandsschaubild
80
20
A 3
E 3
232 °C
III
teigig
90
10
I = Schmelze
II = Schmelze + Bleikristalle
III = Schmelze + Zinnkristalle
IV = Eutektikum Blei/Zinn + Bleikristalle
V = Eutektikum Blei/Zinn + Zinnkristalle
Der Punkt E ist die niedrigste Schmelztemperatur aller
Legierungen der beiden Metalle. Er heißt eutektischer
Punkt. Die Legierung der entsprechenden
Zusammensetzung heißt eutektische Legierung oder
kurz Eutektikum. [eutektos, gr. = schön gefügt]
Die niedrige Schmelztemperatur der eutektischen
Blei-Zinn-Legierung (38% Pb, 62% Sn) von 183°C
ist ein wesentlicher Grund für die ausgedehnte
Anwendung dieser Legierung als Weichlot.
Eutektische Legierungen haben gute Gießeigenschaften.
(Die Liquidus-Linien sind meist keine Geraden,
sondern leicht gekrümmt.)
Fp(Sn)
100 % Sn
0 % Pb

Geräte und Zubehör
− Präzitherm Typ PZ 26-4
− Mikroprocessor Thermometer
− Stoppuhr
− Thermometer
Literaturnachweis
− Werkstoffkunde, Bargel – Schulze, VDI Verlag, 5. Auflage-1988
− Werkstoffe, Wosnizok, VEB Verlag Technik Berlin, 4. Auflage-1972
− Internetscripte