E5 Binäres Phasendiagramm

Thema

Das binäre Phasendiagramm dieser Legierung, detaillierter als die bereits in einem anderen Modell dieser Reihe verwendete Hebelregel, definiert die Umwandlungstemperaturen der Legierung sowie die maximale Löslichkeit des gelösten Stoffes, die jede Phase bei jeder Temperatur toleriert. Zwischen diesen beiden Löslichkeitskurven – der des Feststoffs und der der Flüssigkeit – definiert dieses binäre Phasendiagramm auch den Verteilungskoeffizienten des gelösten Stoffes zwischen Feststoff und Flüssigkeit. Dieser Verteilungskoeffizient beschreibt das Verhältnis der Konzentrationen des gelösten Stoffes, die der Feststoff bzw. die Flüssigkeit im Gleichgewicht bei gleicher Temperatur tolerieren kann. Da dieser Verteilungskoeffizient kleiner als eins ist und der Feststoff im Gleichgewicht weniger gelösten Stoff toleriert als die Flüssigkeit, bedeutet dies, dass beim Erstarren des Metalls der sich bildende Feststoff gelösten Stoff in die noch erstarrende Flüssigkeit abgibt.

Die Tatsache, dass dieser Verteilungskoeffizient wirkt, ohne dass sich der bereits in den Feststoff abgegebene gelöste Stoff durch Diffusion innerhalb desselben Feststoffs neu verteilen kann – da die Diffusion im festen Zustand viel langsamer verläuft als die Erstarrung selbst –, führt laut Scheils Gleichung zur Entmischung während der Erstarrung dieser Legierung: Der von jeder sich bildenden Feststoffschicht abgegebene gelöste Stoff reichert sich in der verbleibenden, zunehmend angereicherten Flüssigkeit an, sodass der am Ende erstarrte Feststoff deutlich mehr gelösten Stoff enthält als der zu Beginn erstarrte. Weicht dieser Verteilungskoeffizient gemäß derselben Scheil-Gleichung von eins ab, verstärkt sich diese Entmischung während der Erstarrung.

Diese Entmischung und allgemein jede Abweichung zwischen der lokalen Zusammensetzung dieser Legierung und ihrer Gleichgewichtszusammensetzung gemäß diesem binären Phasendiagramm erzeugt eine relative Übersättigung, die die Triebkraft jeder nachfolgenden Phasenumwandlung antreibt: Je stärker die lokale Zusammensetzung dieser Legierung von ihrer Gleichgewichtszusammensetzung abweicht, desto mehr freie Energie steht zur Verfügung, um diese Phasenumwandlung zurück zum Gleichgewicht zu treiben. Eine höhere relative Übersättigung verstärkt die Triebkraft dieser Phasenumwandlung und beschleunigt sie somit.

Dieses Modell mit seinem anfänglichen binären Phasendiagramm und Verteilungskoeffizienten bildet daher die Grundlage eines weiteren Modells, das die Erstarrung dieser Legierung aus dem flüssigen Zustand detailliert beschreibt. Die in diesem Modell ermittelten Umwandlungstemperaturen und der Verteilungskoeffizient sowie die resultierende Entmischung gemäß der Scheil-Gleichung und die dadurch erzeugte Triebkraft dienen diesem anderen Modell als Grundlage, um den Verlauf der Erstarrung Schritt für Schritt zu beschreiben.

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