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Legierung

Eine Legierung (vonlateinischligare‚binden, vereinen‘) ist in der Metallurgie ein makroskopisch homogener metallischer Werkstoff aus mindestens zwei Elementen (Komponenten), von denen mindestens eins ein Metall ist und die gemeinsam das metalltypische Merkmal der Metallbindung aufweisen. Aus chemischer Sicht gibt es Legierungen, die Gemische darstellen, und intermetallische Verbindungen mit definiertem stöchiometrischem Verhältnis der beteiligten Metalle. Im Allgemeinen haben Legierungen zudem einen kristallinen Aufbau. Es gibt jedoch auch amorphe metallische Gläser.

Je nach Art der Legierungsbildung kann eine Legierung auf mikroskopischer Ebene homogener oder heterogen sein. Legierungen, die ausschließlich Mischkristalle oder ausschließlich intermetallische Verbindungen bilden, sind homogen. Alle anderen, die aus mehreren Phasen bestehen, sind heterogen.

Das Verhalten der Elemente in einer Legierung und ihr Einfluss auf deren Eigenschaften sind in der Regel von drei Faktoren abhängig: Art und Anzahl der Legierungspartner, ihrem Massenanteil an der Legierung sowie der Temperatur. Diese Faktoren bestimmen die jeweilige Aufnahmefähigkeit, das heißt Löslichkeit des einen Elementes im anderen und ob die Legierungspartner Mischkristalle oder Gemische aus reinen Kristallen (auch Kristallgemische) der jeweiligen Legierungskomponenten bilden.

Das Zeitwort legieren stammt ursprünglich vom lateinischen ligare und bedeutet zusammenbinden, verbinden oder auch vereinigen. Im 17. Jahrhundert wurde das inzwischen leicht abgewandelte legare (mit derselben Bedeutung) ins Deutsche übernommen.

Inhaltsverzeichnis

Das Legierungselement kann mit dem Grundelement eine feste Lösung bilden (einphasige Legierung) oder es bilden sich mehrere Phasen. Während bei einphasigen Legierungen die Eigenschaften im Wesentlichen durch die chemische Zusammensetzung bestimmt werden, werden diese bei mehrphasigen Legierungen zusätzlich maßgeblich durch die Verteilung der Phasen (Gefüge) beeinflusst. Basismetall und Legierungselemente werden auch Komponenten einer Legierung genannt. In der Liste der Legierungselemente werden sie und ihre Wirkungen auf die jeweiligen Basismetalle aufgeführt. Mischkristalle weisen eine höhere Härte und Zugfestigkeit, jedoch eine geringere Schmelztemperatur als das Basismetall auf. Bei Metallen sinkt zudem die elektrische Leitfähigkeit. Für die relativ weichen, reinen Metalle ist die Mischkristallverfestigung eine von vier möglichen festigkeitssteigernden Vorgängen, um einen harten Werkstoff herzustellen.

Mit der Erstarrung einer vergossenen Legierung ist die Kristallisation nicht in jedem Fall abgeschlossen. Bestimmte Legierungen können auch noch als Gussstück – kalt ausgelagert, oder erwärmt – („angelassen“) ihre mechanischen Eigenschaften (Bruchfestigkeit, Härte, Dehnung) verbessern. Bei Knetlegierungen ist die das Gefüge verfestigende Umkristallisation durch Kaltauslagerung oder Warmbehandlung sogar Voraussetzung für die Fertigung von Halbzeug.

Beispiele für „natürliche Legierungen“ sind Elektrum, eine Gold-Silber-Legierung, und Stibarsen, eine Antimon-Arsen-Legierung.

Bei „künstlich hergestellten Legierungen“ unterscheidet man solche, die bewusst hergestellt wurden, um Werkstoffeigenschaften (Beispiele Härte, Korrosions­beständigkeit) der „Basismetalle“ auf die gewünschte Weise zu ändern, und solche, die unbeabsichtigt entstehen, weil Fremdstoffe (Metallurgie) bereits durch die Herstellung in die Legierung gelangen und negative Wirkungen auf die Werkstoffeigenschaften ausüben können. Beispiele für Letzteres sind unter anderem Bismut und/oder Arsen in Messingen, ebenso Bismut in AlSi-Legierungen, wo es die Gefügeausbildung stark beeinträchtigt.

Kupfer, Zinn und Bronze

Bronzebeile

Kupfer ist eines der ersten von Menschen genutzten Metalle; es wurde wohl vor etwa 6000 bis 10000 Jahren zufällig in unter Luftzufuhr besonders heiß brennenden Holzkohlefeuern entdeckt. Es gab der Kupfersteinzeit ihren Namen. Bei einem Schmelzpunkt von 1083 °C kann es aus Kupferadern im Gestein in flüssiger Form austreten. Durch Erhitzung kupferhaltiger, oxidischer Erze kann Kupfer hingegen nur bei reduzierender Feuerung, also in Gegenwart von Holzkohle, gewonnen werden. Zinn (Schmelzpunkt 232 °C) wurde vor ca. 5000 Jahren entdeckt.

Bronze als Legierung aus Kupfer und Zinn (CuSn) ist vorgeschichtlich seit ca. 3300 v. Chr. in Palästina nachgewiesen. Bronze ist härter und schnitthaltiger als Kupfer und gab der Bronzezeit (etwa 2200 bis 800 v. Chr.) ihren Namen. Gebrauchsgegenstände, Werkzeug, Waffen und Schmuck wurden aus Bronze hergestellt. Glocken werden bis heute aus Bronze gegossen; ebenso viele Plastiken.

Messing

Messingfigur

Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink (CuZn, Schmelzpunkt 420 °C). Zink wurde, meist in Form des Zinkcarbonats „Galmei“ (Smithsonit), seit der Bronzezeit um etwa 3000 v. Chr. in Babylon und Assyrien verwendet, in Palästina etwa 1400 bis 1000 v. Chr. Messing war lange Zeit ein wichtiges Münzmetall bei der Münzprägung. Es wurde und wird wegen seines goldenen Glanzes auch zur Herstellung von Schmuck und Plastiken verwendet. Je höher der Zinkgehalt ist, desto heller ist sein Farbton.

Eisenlegierungen

Eisensichel

Eisen-Legierungen wurden bereits in prähistorischer Zeit verwendet, allerdings nur aus Meteoriten, in denen sich häufig die Legierung Eisen-Nickel (FeNi) befindet. Da Meteoriten selten gefunden wurden, waren Gegenstände aus Eisen entsprechend wertvoll. Die Sumerer nannten es „Himmelsmetall“, die alten Ägypter „schwarzes Kupfer vom Himmel“. Verhüttetes Eisen (Erkennung durch Fehlen von Nickel) wurde in Mesopotamien, Anatolien und Ägypten gefunden und ist etwa 3000 bis 2000 v. Chr. entstanden. Es war wertvoller als Gold und wurde vor allem für zeremonielle Zwecke verwendet. Eisen ist härter als Bronze und Kupfer, was in vielen Anwendungsfällen wichtig war und ist. Verbesserungen in der Eisengewinnung und -verarbeitung ließen die Menschen dazu übergehen, Waffen und Werkzeuge wie Pflüge aus Eisen zu fertigen (siehe auch Geschichte der Produktionstechnik). Die Bronzezeit ging zu Ende und die Eisenzeit begann.

Je nach Anzahl der Komponenten in der Legierung spricht man von einer Zwei-, Drei-, Vier- oder Mehrstofflegierung (binäre, ternäre, quaternäre oder polynäre Legierung), wobei nur diejenigen Komponenten gezählt werden, die die charakteristischen Eigenschaften bestimmen. Da Eisen und Stahl in der Technik von besonderer Bedeutung sind, werden Legierungen in Eisen- und Nichteisen-Legierungen unterteilt. Weitere Einteilungen ergeben sich durch die Art der Legierungsbildung, da diese nicht nur durch Zusammenschmelzen der Komponenten entstehen oder auch durch besondere Fähigkeiten von Legierungen.

  • Natürliche Legierungen entstehen durch Hitzeeinwirkung und Aufschmelzen von Elementen zum Beispiel im Inneren von Himmelskörpern. Da diese Legierungen nicht von Menschen gesteuert wurden, unterliegen sie auch nicht deren definierten Zusammensetzungen und Eigenschaften.
  • Eisenlegierungen werden in Gusseisen und Stahl unterteilt. Die Unterscheidung beruht auf dem Gehalt an Kohlenstoff. Siehe Hauptartikel Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. Besondere Bedeutung haben die Edelstähle: legierte oder unlegierte Stähle mit besonderem Reinheitsgrad.
  • Nichteisen-Legierungen (NE-Legierungen; Beispiel Bronze, Messing, Amalgame, Weißgold, Rotgold) sind Legierungen auf der Basis von Nichteisenmetallen.
  • Diffusionslegierungen entstehen durch die Diffusion von Atomen ins Kristallgitter der Basismetalle. Besonders die ersten Elemente im Periodensystem sind wegen der Kleinheit ihrer Atome gegenüber dem Basismetall in der Lage, in dessen Kristallgitter einzuwandern. Das beste Beispiel für eine Diffusionslegierung ist das Aufkohlen von Werkstücken, um sie härten zu können (s. Tempern).
  • Heuslersche Legierungen sind sehr spezielle ferromagnetische Legierungen, die kein Eisen, Kobalt oder Nickel enthalten (Beispiel Cu2AlMn).
  • Formgedächtnis-Legierungen sind Metalle, die nach einer Verformung durch Hitzeeinwirkung zu ihrer Ursprungsform zurückkehren.
  • Gusslegierungen dienen direkter Formgebung.
  • Knetlegierungen sind als „Halbzeug“ ein Zwischenprodukt, das zu weiterer walzender, pressender oder ziehender Umformung bestimmt ist.
  • Pseudolegierungen nennt man die durch Sintern (Zusammenpressen verschiedener, innig vermengter Metallpulver bei hoher Temperatur) entstandenen Werkstücke. Mit diesem Verfahren lassen sich auch Elemente mischen, die sich im schmelzflüssigen Zustand nicht ineinander lösen würden. Viele Wolfram-Legierungen werden z. B. so hergestellt.

Zur Kennzeichnung einer Legierung wird meist zuerst das Basismetall genannt, dahinter folgen der oder die wichtigsten Bestandteile als Kürzel für das Metall mit angehängter Zahl, die den jeweiligen Prozentanteil (Massenprozent) wiedergibt. Eine Legierung CuZn37 (frühere Bezeichnung Messing 63) besteht aus der Kupferbasis, der 37 % Zink zugefügt wurden. Bei der Eisen-Kohlenstoff-Legierung Stahl gibt es je nach Menge der Legierungselemente Abweichungen von diesem System. Das Eisen wird jedenfalls nie ausdrücklich genannt. Der Stahl C37 beispielsweise enthält 0,37 % Kohlenstoff und sonst Eisen.

Die Angabe von Legierungsanteilen ist unter anderem durch die DIN 1310 Zusammensetzung von Mischphasen (Gasgemisch, Lösungen, Mischkristall); Grundbegriffe geregelt.

Durch Kristallisations-Versuchsreihen mit verschiedenen Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung bei der Thermischen Analyse werden die Kristallisations- bzw. Kristallumwandlungspunkte aufgezeichnet und in ein Temperatur-Zusammensetzungs-Diagramm eingetragen, wobei die Temperatur in Abhängigkeit zur Legierungszusammensetzung steht.

Für Zweistoffsysteme haben sich dabei vor allem in Hinsicht auf das Kristallsystem drei typische Formen von Zustandsschaubildern ergeben:

Zweistoffsysteme mit vollständiger Löslichkeit im festen Zustand

Bei vollständiger Löslichkeit im festen Zustand bilden sich in jeder Zusammensetzung Mischkristalle. Es gibt zwei Möglichkeiten der Mischkristallbildung (MK), Einlagerungs- und Substitutionsmischkristall. Typische Substitutions-MK-Bildner sind die Legierungen Eisen-Chrom, Eisen-Nickel, Gold-Kupfer, Gold-Silber und Kupfer-Nickel. Ein wichtiger Einlagerungs-MK-Bildner ist Austenit (γ-Eisen-Kohlenstoff).

Damit eine Legierung in jeder Zusammensetzung Mischkristalle mit vollkommener Löslichkeit im festen Zustand bilden kann, sind folgende Voraussetzungen nötig:

  1. Beide Metalle müssen das gleiche Kristallsystem aufweisen (beispielsweise kubisch).
  2. Die Gitterkonstanten dürfen sich um maximal etwa 15 % unterscheiden.
  3. Die beiden Metalle müssen eine „gewisse chemische Ähnlichkeit“ haben.
  4. Die Elektronegativitätsdifferenz darf „nicht zu groß“ sein.

Durch die Mischkristallbildung wird auch bei noch so großer Ähnlichkeit der Legierungselemente immer das Kristallgitter verzerrt, da die verschiedenen Elemente auch verschiedene Atomdurchmesser besitzen. Dadurch entstehen Spannungen; die Gleitebenen der Kristallite werden dabei behindert, Verformungen nachzugeben. Die Gitterverzerrung erhöht also die Härte.

Ein beliebtes Beispiel für eine Legierung mit vollkommener Löslichkeit im festen Zustand ist das Zweistoffsystem Cu-Ni.

Abkühlkurven und Zustandsschaubild einer Legierung verschiedener Zusammensetzung mit Mischkristallbildung


Die Legierungen (Kurven 2–5) erstarren im Gegensatz zu den Basismetallen (Kurven 1,6) nicht bei einer festen Temperatur, sondern in einem Haltebereich. Die Temperatur bleibt also nicht konstant, sondern sinkt langsam. Die Haltebereiche verschiedener Zusammensetzungen einer Legierung liegen jedoch immer zwischen den jeweiligen Erstarrungstemperaturen ihrer reinen Komponenten.

Ursache dafür ist die „Behinderung“ der Kristallisation in einer Legierung durch Komponente A (Kurve 1), die, wenn sie könnte, bei noch tieferer Temperatur erstarren würde. Komponente B dagegen „drängt“ auf Erstarrung, die eigentlich schon eher hätte beginnen müssen. Diese Tatsache ist auch der Grund dafür, dass die während der Erstarrung entstehenden Kristalle ihr Mischungsverhältnis ändern und erst bei genügend langsamer Abkühlung (Thermisches Gleichgewicht) bis zum Ende der Erstarrung das gewünschte Mischungsverhältnis durch Diffusion erreicht wird.

Ablesen lassen sich diese Zusammensetzungen am Zustandsschaubild, indem man durch jeden beliebigen Punkt an der ausgewählten Legierung (Bild WL) eine Waagerechte bis zur Soliduslinie zieht. Bei der Liquidustemperatur TLi (Beginn der Erstarrung) besitzen die ersten Kristalle also eine Zusammensetzung von WMLi. Auch die jeweilige Zusammensetzung der Restschmelze lässt sich auf diese Weise ermitteln, indem man zum Beispiel bei Tm die Waagerechte bis zur Liquiduslinie durchzieht. Die Schmelze hätte also an diesem Punkt die Zusammensetzung WSm und die Mischkristalle die Zusammensetzung WMm.

Mit Hilfe des Zustandsschaubildes und des Hebelgesetzes lässt sich auch berechnen, wie hoch bei jeder Zwischentemperatur der Anteil an Schmelze bzw. der Anteil an Mischkristallen ist:

M S W S m + M M K W M m = 1 W L {\displaystyle M_{\mathrm {S} }\cdot W_{\mathrm {Sm} }+M_{\mathrm {MK} }\cdot W_{\mathrm {Mm} }=1\cdot W_{\mathrm {L} }}

M S + M M K = 1 {\displaystyle M_{\mathrm {S} }+M_{\mathrm {MK} }=1\ }

M M K = W L W S m W M m W S m {\displaystyle M_{\mathrm {MK} }={\frac {W_{\mathrm {L} }-W_{\mathrm {Sm} }}{W_{\mathrm {Mm} }-W_{\mathrm {Sm} }}}}

M S = W M m W L W M m W S m {\displaystyle M_{\mathrm {S} }={\frac {W_{\mathrm {Mm} }-W_{\mathrm {L} }}{W_{\mathrm {Mm} }-W_{\mathrm {Sm} }}}}

MS = Anteil Schmelze
WSm = Zusammensetzung Schmelze (bei Tm)
MMK = Anteil Mischkristalle
WMm = Zusammensetzung Mischkristalle (bei Tm)
WL = Zusammensetzung Legierung

Zweistoffsysteme mit vollständiger Unlöslichkeit im festen Zustand

Legierungen dieser Art sind zwar in der Schmelze ineinander gelöst, entmischen sich jedoch während der Kristallisation vollständig. Es entsteht ein Kristallgemisch der reinen Komponenten (siehe Gefügeschliffbilder-Eutektikum).

Abkühlkurven und Zustandsschaubild einer Legierung verschiedener Zusammensetzung bei getrennter Kristallbildung


Auch bei getrennter Kristallbildung erstarren die Legierungen 2, 4 und 5 zunächst in einem Haltebereich. Gegen Ende der Erstarrung beschreiben die Temperaturkurven allerdings einen Haltepunkt ähnlich dem eines reinen Metalls. Legierung 3 erstarrt sogar ausschließlich in einem Haltepunkt.

Der Grund für dieses Verhalten liegt in der starken, gegenseitigen Behinderung der beiden Komponenten, die sich während der Kristallisation entmischen, um Kristalle der eigenen Art bilden zu können. Das Maximum an gegenseitiger Störung liegt demnach bei Legierung 3, bei der sich im Erstarrungspunkt gleichzeitig Kristalle der Komponenten A und B bilden. Bedingt durch die anhaltende, gegenseitige Behinderung beim Entmischen und der tiefen Temperatur sind die Wege der Atome allerdings sehr klein und das Kristallgemisch daher sehr feinkörnig.

Dieser Besonderheit wegen erhält Legierung 3 den Namen Eutektische Legierung (= Das Feine; Das Wohlgebaute). Die allen Legierungen gemeinsame Soliduslinie wird entsprechend Eutektikale genannt und die dazugehörige Temperatur eutektische Temperatur (TEu).

Ein herausragendes Beispiel für eine eutektische Legierung mit besonders tiefem Schmelzpunkt ist die Wood’sche Legierung, deren Schmelzpunkt bei 70 °C liegt.

Bei Legierungen, die entweder links (= untereutektisch) oder rechts (= übereutektisch) vom Eutektikum liegen, erstarren zunächst Primärkristalle der Komponente A bzw. Primärkristalle der Komponente B. Der Anteil an Primärkristallen in einer Legierung lässt sich mithilfe des Zustandsschaubildes errechnen. Die Berechnung setzt dabei am Punkt TEu an, also an der Stelle, an der die Restschmelze gerade eben die eutektische Zusammensetzung erreicht:

M E u = W L W P r W E u W P r {\displaystyle M_{Eu}={\frac {W_{L}-W_{Pr}}{W_{Eu}-W_{Pr}}}}

M P r = W E u W L W E u W P r {\displaystyle M_{Pr}={\frac {W_{Eu}-W_{L}}{W_{Eu}-W_{Pr}}}}

MEu = Anteil Restschmelze eutektischer Zusammensetzung = Anteil des Eutektikums

MPr = Anteil Primärkristalle
WL = Zusammensetzung Legierung
WPr = Zusammensetzung der Primärkristalle
WEu = Zusammensetzung des Eutektikums

Zweistoffsysteme mit begrenzter Löslichkeit im festen Zustand

Legierungen dieser Art können zwar Mischkristalle bilden, jedoch nicht in jeder Zusammensetzung. Im Gegensatz zu Legierungen mit vollkommener Löslichkeit unterscheiden sich hier die Atomgrößen stärker, was bedeutet, dass die Gitterverzerrungen ab einer gewissen Zusammensetzung unerträglich werden. Auch das Kristallsystem kann ein Hindernis sein, wenn sich die Legierungselemente im Kristallsystem zwar ähnlich, aber nicht gleich sind.

So kann zum Beispiel jede Komponente in der Legierung Blei (kubisch-flächenzentriert) – Zinn (tetragonal-raumzentriert) mit der anderen in begrenztem Maße Austausch-Mischkristalle bilden.

Typische MK-Bildner begrenzter Löslichkeit: Aluminium-Magnesium, Blei-Zinn, Kupfer-Aluminium, Kupfer-Zink, Kupfer-Zinn, Zink-Aluminium

Begrenzte Löslichkeit im festen Zustand heißt aber nicht nur, dass die eine Komponente beim Kristallisieren bis zu einem gewissen Prozentsatz Atome der anderen Komponente aufnehmen kann, sondern auch, dass die Löslichkeit bei sinkender Temperatur abnimmt. Da die Bewegungsenergie der Atome geringer wird, schrumpft natürlich auch entsprechend die Gitterkonstante des vorliegenden Kristallsystems, und es bietet Fremdatomen weniger Platz. Die Folge davon ist, dass die Mischkristalle ab der Übergangstemperatur TÜ beginnen, sich zu entmischen.

Genau diese Eigenschaft – teilweise Entmischung der Komponenten durch abnehmende Löslichkeit bei tieferen Temperaturen – wird beim Härten einer solchen Legierung ausgenutzt. Man spricht hierbei auch von der Ausscheidungshärtung.

Abkühlkurven und Zustandsschaubild einer Legierung verschiedener Zusammensetzung mit Mischkristallbildung begrenzter Löslichkeit im festen Zustand


Legierung 1 erstarrt somit von TLi 1 bis TSol 1 zu Mischkristallen mit dem Kristallsystem von A, genannt α-Kristalle. Bis TÜ bleibt der homogene Zustand erhalten. Die Mischkristalle sind gesättigt, was bedeutet, dass Komponente A bis zur, für diese Legierung, maximalen Löslichkeit die Komponente B aufgenommen hat.

Bei TÜ wandern die Atome von B entsprechend der maximalen Löslichkeit für diese Temperatur zu den Korngrenzen und bilden dort Sekundär-Mischkristalle mit dem Kristallsystem von B, genannt β-Mischkristalle. Zum Ausgleich diffundieren entsprechend A-Atome ins Korninnere.

Der Anteil der Sekundär-Mischkristalle lässt sich nach folgender Formel berechnen:

M S β = W S α W L W S α W S β {\displaystyle M_{S\beta }={\frac {W_{S\alpha }-W_{L}}{W_{S\alpha }-W_{S\beta }}}}

( M S α = W L W S β W S α W S β ) {\displaystyle \left(M_{S\alpha }={\frac {W_{L}-W_{S\beta }}{W_{S\alpha }-W_{S\beta }}}\right)}

M = Anteil Sekundär-β-Mischkristalle

WL = Zusammensetzung Legierung
W = Zusammensetzung Sekundär-β-Mischkristalle
W = Zusammensetzung Sekundär-α-Mischkristalle
M = Anteil Sekundär-α-Mischkristalle

W und W entsprechen bei Raumtemperatur WSGα und WSGβ (SG = Sättigungsgrenze)

Legierung 2 kristallisiert zunächst genau wie Legierung 1. Bei Erreichen der Eutektikalen erstarrt die Restschmelze jedoch in einem Haltepunkt und es bildet sich ein feinkörniges Gemisch aus α- und β-Mischkristallen, welches, wie bei getrennter Kristallbildung, Eutektikum genannt wird. Die zuvor entstandenen α-Mischkristalle entsprechen den Primärkristallen.

Unterhalb der Eutektikalen scheiden auch bei dieser Legierung aus den Primär-α-Mischkristallen B-Atome aus. Um hier den Anteil der Sekundär-β-Mischkristalle aus den Primär-Kristallen berechnen zu können, muss zuerst der Anteil an Primärkristallen an der Gesamtlegierung berechnet werden. Die Berechnung entspricht derjenigen bei getrennter Kristallisation. Anschließend wird der Anteil Sekundär-β-Mischkristalle aus den Primärkristallen berechnet und mit dem Anteil der Primärkristalle multipliziert:

1) M P r = W E u W L W E u W P r {\displaystyle M_{Pr}={\frac {W_{Eu}-W_{L}}{W_{Eu}-W_{Pr}}}}

( M E u = W L W P r W E u W P r ) {\displaystyle \left(M_{Eu}={\frac {W_{L}-W_{Pr}}{W_{Eu}-W_{Pr}}}\right)}

2) M S β = W S α W α W S α W S β {\displaystyle M_{S\beta }={\frac {W_{S\alpha }-W_{\alpha }}{W_{S\alpha }-W_{S\beta }}}}

3) M L S β = M S β M P r {\displaystyle M_{LS\beta }=M_{S\beta }\cdot M_{Pr}}

MPr = Anteil Primärkristalle in %

WEu = Zusammensetzung des Eutektikums
WL = Zusammensetzung Legierung
WPr = WMLα = Zusammensetzung Primärkristalle (ML= Mischungslücke)

M = Anteil Sekundär-β-Mischkristalle (nicht in %)
W = Zusammensetzung Sekundär-α-Mischkristalle
Wα = Zusammensetzung Primär-α-Mischkristalle
W = Zusammensetzung Sekundär-β-Mischkristalle

MLSβ = Anteil Sekundär-β-Mischkristalle an der Legierung

Die Anteile der Sekundär-Kristalle im Eutektikum zu berechnen ist nicht sinnvoll, da sie hier keine neue Phase bilden. Es werden lediglich Atome, unter Erhaltung des Kristallsystems, umgruppiert. Weder im Gefügeschliffbild noch in den technischen Eigenschaften lassen sich deshalb Unterschiede feststellen.

Eine weitere Möglichkeit zur Legierungsbildung besteht darin, dass die beteiligten Elemente zwar einen gemeinsamen Kristall bilden, der jedoch keinem Kristallsystem der Basiselemente ähnelt. Es entsteht ein eigenes Kristallsystem, das im Gegensatz zu denen von reinen Metallen sehr kompliziert aufgebaut sein kann. Solche Verbindungen sind zudem sehr hart und spröde. Außerdem erfordern diese Kristalle ein festes Atomzahlenverhältnis. Eine Legierung mit intermediärer Kristallbildung, deren Legierungselemente ausschließlich Metalle sind, nennt man Intermetallische Phase (mit Löslichkeit für die konstituierenden Elemente) oder auch intermetallische Verbindung (bei stöchiometrischer Zusammensetzung). Tritt eine solche Phase auf, lässt sich im Schmelzdiagramm ein Dystektikum beobachten.

Beispiele für intermediäre Kristallisation sind Al2Cu, Mg2Si, Cu4Sn, Fe3C (Zementit) und WC (Wolframcarbid).

Die Kristallisationsformel gleicht der Formel für chemische Verbindungen, welche aber im Gegensatz zu Legierungen eine völlig andere Verbindungsart aufweisen.

Schematische Einteilung der Stoffe
Stoff
(Stoff)gemisch
Reinstoff
homogenes
(Stoff)gemisch
Verbindung
Element
Gasgemisch
Gemisch mehrerer
Gase
Legierung
Gemisch mit Metalleigenschaften,
enthält mindestens ein Metall
Lösung
Festkörper, Flüssigkeit,
Gas in einer Flüssigkeit gelöst
molekular
ionisch
heterogenes
(Stoff)gemisch
Schaum
Gasförmige Bläschen in
einer Flüssigkeit
Hartschaum
Gasförmige Bläschen in
einem Festkörper
Aerosol
Suspension
Feste Teilchen in
einer Flüssigkeit
Emulsion
Gemisch mehrerer nicht
mischbarer Flüssigkeiten
Festes Gemenge
Gemisch mehrerer nicht
mischbarer Feststoffe
Rauch
Feste Teilchen
in einem Gas
Nebel
Flüssige Teilchen
in einem Gas
Wiktionary: Legierung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
  1. Dieter Kohtz: Einführung in die Werkstoffkunde für Metallschweißer – Was ist eine Legierung. In: Der Praktiker: das Magazin für Schweißtechnik und mehr.Band1. DVS-Verlag, 1984, ISSN ,S.4.
  2. Spektrum Akademischer Verlag, 1998, abgerufen am 27. Januar 2018.
  3. www.fremdwort.de: .
  4. Friedrich Baumann: (Nicht mehr online verfügbar.) Archiviert vomOriginal am2. März 2009; abgerufen am 2. April 2009.
  5. http://www.kupfer-institut.de/front_frame/frameset.php3?client=1&lang=1&idcat=27&parent=14 (Link nicht abrufbar)
  6. Marianne Schönnenbeck, Frank Neumann: Rheinzink, abgerufen am 26. März 2018 ().
  7. Helmut Föll: In: Einführung in die Materialwissenschaft I. Abgerufen am 2. April 2009.
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Legierung
legierung, metallisches, gemisch, oder, verbindung, werkstoff, meist, typischen, gitterstrukturen, sprache, beobachten, bearbeiten, eine, lateinisch, ligare, binden, vereinen, metallurgie, makroskopisch, homogener, metallischer, werkstoff, mindestens, zwei, el. Legierung metallisches Gemisch oder Verbindung Werkstoff meist mit typischen Gitterstrukturen Sprache Beobachten Bearbeiten Eine Legierung von lateinisch ligare binden vereinen ist in der Metallurgie ein makroskopisch homogener metallischer Werkstoff aus mindestens zwei Elementen Komponenten von denen mindestens eins ein Metall ist und die gemeinsam das metalltypische Merkmal der Metallbindung aufweisen 1 Aus chemischer Sicht gibt es Legierungen die Gemische darstellen und intermetallische Verbindungen mit definiertem stochiometrischem Verhaltnis der beteiligten Metalle Im Allgemeinen haben Legierungen zudem einen kristallinen Aufbau Es gibt jedoch auch amorphe metallische Glaser Je nach Art der Legierungsbildung kann eine Legierung auf mikroskopischer Ebene homogener oder heterogen sein Legierungen die ausschliesslich Mischkristalle oder ausschliesslich intermetallische Verbindungen bilden sind homogen Alle anderen die aus mehreren Phasen bestehen sind heterogen 2 Das Verhalten der Elemente in einer Legierung und ihr Einfluss auf deren Eigenschaften sind in der Regel von drei Faktoren abhangig Art und Anzahl der Legierungspartner ihrem Massenanteil an der Legierung sowie der Temperatur Diese Faktoren bestimmen die jeweilige Aufnahmefahigkeit das heisst Loslichkeit des einen Elementes im anderen und ob die Legierungspartner Mischkristalle oder Gemische aus reinen Kristallen auch Kristallgemische der jeweiligen Legierungskomponenten bilden Das Zeitwort legieren stammt ursprunglich vom lateinischen ligare und bedeutet zusammenbinden verbinden oder auch vereinigen Im 17 Jahrhundert wurde das inzwischen leicht abgewandelte legare mit derselben Bedeutung ins Deutsche ubernommen 3 Inhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften 2 Geschichte 2 1 Kupfer Zinn und Bronze 2 2 Messing 2 3 Eisenlegierungen 3 Einteilung 4 Legierungsformel 5 Zustandsschaubild Zustandsdiagramm Phasendiagramm 5 1 Zweistoffsysteme mit vollstandiger Loslichkeit im festen Zustand 5 2 Zweistoffsysteme mit vollstandiger Unloslichkeit im festen Zustand 5 3 Zweistoffsysteme mit begrenzter Loslichkeit im festen Zustand 6 Intermediare Kristalle 7 Einteilung im Schema der chemischen Stoffe 8 Siehe auch 9 Literatur 10 Weblinks 11 EinzelnachweiseEigenschaftenDas Legierungselement kann mit dem Grundelement eine feste Losung bilden einphasige Legierung oder es bilden sich mehrere Phasen Wahrend bei einphasigen Legierungen die Eigenschaften im Wesentlichen durch die chemische Zusammensetzung bestimmt werden werden diese bei mehrphasigen Legierungen zusatzlich massgeblich durch die Verteilung der Phasen Gefuge beeinflusst Basismetall und Legierungselemente werden auch Komponenten einer Legierung genannt In der Liste der Legierungselemente werden sie und ihre Wirkungen auf die jeweiligen Basismetalle aufgefuhrt Mischkristalle weisen eine hohere Harte und Zugfestigkeit jedoch eine geringere Schmelztemperatur als das Basismetall auf Bei Metallen sinkt zudem die elektrische Leitfahigkeit Fur die relativ weichen reinen Metalle ist die Mischkristallverfestigung eine von vier moglichen festigkeitssteigernden Vorgangen um einen harten Werkstoff herzustellen Mit der Erstarrung einer vergossenen Legierung ist die Kristallisation nicht in jedem Fall abgeschlossen Bestimmte Legierungen konnen auch noch als Gussstuck kalt ausgelagert oder erwarmt angelassen ihre mechanischen Eigenschaften Bruchfestigkeit Harte Dehnung verbessern Bei Knetlegierungen ist die das Gefuge verfestigende Umkristallisation durch Kaltauslagerung oder Warmbehandlung sogar Voraussetzung fur die Fertigung von Halbzeug Beispiele fur naturliche Legierungen sind Elektrum eine Gold Silber Legierung und Stibarsen eine Antimon Arsen Legierung Bei kunstlich hergestellten Legierungen unterscheidet man solche die bewusst hergestellt wurden um Werkstoffeigenschaften Beispiele Harte Korrosions bestandigkeit der Basismetalle auf die gewunschte Weise zu andern und solche die unbeabsichtigt entstehen weil Fremdstoffe Metallurgie bereits durch die Herstellung in die Legierung gelangen und negative Wirkungen auf die Werkstoffeigenschaften ausuben konnen Beispiele fur Letzteres sind unter anderem Bismut und oder Arsen in Messingen ebenso Bismut in AlSi Legierungen wo es die Gefugeausbildung stark beeintrachtigt GeschichteKupfer Zinn und Bronze Bronzebeile Kupfer ist eines der ersten von Menschen genutzten Metalle es wurde wohl vor etwa 6000 bis 10000 Jahren zufallig in unter Luftzufuhr besonders heiss brennenden Holzkohlefeuern entdeckt Es gab der Kupfersteinzeit ihren Namen Bei einem Schmelzpunkt von 1083 C kann es aus Kupferadern im Gestein in flussiger Form austreten Durch Erhitzung kupferhaltiger oxidischer Erze kann Kupfer hingegen nur bei reduzierender Feuerung also in Gegenwart von Holzkohle gewonnen werden Zinn Schmelzpunkt 232 C wurde vor ca 5000 Jahren entdeckt 4 Bronze als Legierung aus Kupfer und Zinn CuSn ist vorgeschichtlich seit ca 3300 v Chr in Palastina nachgewiesen Bronze ist harter und schnitthaltiger als Kupfer und gab der Bronzezeit etwa 2200 bis 800 v Chr ihren Namen Gebrauchsgegenstande Werkzeug Waffen und Schmuck wurden aus Bronze hergestellt 5 Glocken werden bis heute aus Bronze gegossen ebenso viele Plastiken Messing Messingfigur Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink CuZn Schmelzpunkt 420 C Zink wurde meist in Form des Zinkcarbonats Galmei Smithsonit seit der Bronzezeit um etwa 3000 v Chr in Babylon und Assyrien verwendet in Palastina etwa 1400 bis 1000 v Chr 6 Messing war lange Zeit ein wichtiges Munzmetall bei der Munzpragung Es wurde und wird wegen seines goldenen Glanzes auch zur Herstellung von Schmuck und Plastiken verwendet Je hoher der Zinkgehalt ist desto heller ist sein Farbton Eisenlegierungen Eisensichel Eisen Legierungen wurden bereits in prahistorischer Zeit verwendet allerdings nur aus Meteoriten in denen sich haufig die Legierung Eisen Nickel FeNi befindet Da Meteoriten selten gefunden wurden waren Gegenstande aus Eisen entsprechend wertvoll Die Sumerer nannten es Himmelsmetall die alten Agypter schwarzes Kupfer vom Himmel 7 Verhuttetes Eisen Erkennung durch Fehlen von Nickel wurde in Mesopotamien Anatolien und Agypten gefunden und ist etwa 3000 bis 2000 v Chr entstanden Es war wertvoller als Gold und wurde vor allem fur zeremonielle Zwecke verwendet Eisen ist harter als Bronze und Kupfer was in vielen Anwendungsfallen wichtig war und ist Verbesserungen in der Eisengewinnung und verarbeitung liessen die Menschen dazu ubergehen Waffen und Werkzeuge wie Pfluge aus Eisen zu fertigen siehe auch Geschichte der Produktionstechnik Die Bronzezeit ging zu Ende und die Eisenzeit begann EinteilungJe nach Anzahl der Komponenten in der Legierung spricht man von einer Zwei Drei Vier oder Mehrstofflegierung binare ternare quaternare oder polynare Legierung wobei nur diejenigen Komponenten gezahlt werden die die charakteristischen Eigenschaften bestimmen Da Eisen und Stahl in der Technik von besonderer Bedeutung sind werden Legierungen in Eisen und Nichteisen Legierungen unterteilt Weitere Einteilungen ergeben sich durch die Art der Legierungsbildung da diese nicht nur durch Zusammenschmelzen der Komponenten entstehen oder auch durch besondere Fahigkeiten von Legierungen Naturliche Legierungen entstehen durch Hitzeeinwirkung und Aufschmelzen von Elementen zum Beispiel im Inneren von Himmelskorpern Da diese Legierungen nicht von Menschen gesteuert wurden unterliegen sie auch nicht deren definierten Zusammensetzungen und Eigenschaften Eisenlegierungen werden in Gusseisen und Stahl unterteilt Die Unterscheidung beruht auf dem Gehalt an Kohlenstoff Siehe Hauptartikel Eisen Kohlenstoff Diagramm Besondere Bedeutung haben die Edelstahle legierte oder unlegierte Stahle mit besonderem Reinheitsgrad Nichteisen Legierungen NE Legierungen Beispiel Bronze Messing Amalgame Weissgold Rotgold sind Legierungen auf der Basis von Nichteisenmetallen Diffusionslegierungen entstehen durch die Diffusion von Atomen ins Kristallgitter der Basismetalle Besonders die ersten Elemente im Periodensystem sind wegen der Kleinheit ihrer Atome gegenuber dem Basismetall in der Lage in dessen Kristallgitter einzuwandern Das beste Beispiel fur eine Diffusionslegierung ist das Aufkohlen von Werkstucken um sie harten zu konnen s Tempern Heuslersche Legierungen sind sehr spezielle ferromagnetische Legierungen die kein Eisen Kobalt oder Nickel enthalten Beispiel Cu2AlMn Formgedachtnis Legierungen sind Metalle die nach einer Verformung durch Hitzeeinwirkung zu ihrer Ursprungsform zuruckkehren Gusslegierungen dienen direkter Formgebung Knetlegierungen sind als Halbzeug ein Zwischenprodukt das zu weiterer walzender pressender oder ziehender Umformung bestimmt ist Pseudolegierungen nennt man die durch Sintern Zusammenpressen verschiedener innig vermengter Metallpulver bei hoher Temperatur entstandenen Werkstucke Mit diesem Verfahren lassen sich auch Elemente mischen die sich im schmelzflussigen Zustand nicht ineinander losen wurden Viele Wolfram Legierungen werden z B so hergestellt LegierungsformelZur Kennzeichnung einer Legierung wird meist zuerst das Basismetall genannt dahinter folgen der oder die wichtigsten Bestandteile als Kurzel fur das Metall mit angehangter Zahl die den jeweiligen Prozentanteil Massenprozent wiedergibt Eine Legierung CuZn37 fruhere Bezeichnung Messing 63 besteht aus der Kupferbasis der 37 Zink zugefugt wurden Bei der Eisen Kohlenstoff Legierung Stahl gibt es je nach Menge der Legierungselemente Abweichungen von diesem System Das Eisen wird jedenfalls nie ausdrucklich genannt Der Stahl C37 beispielsweise enthalt 0 37 Kohlenstoff und sonst Eisen Die Angabe von Legierungsanteilen ist unter anderem durch die DIN 1310 Zusammensetzung von Mischphasen Gasgemisch Losungen Mischkristall Grundbegriffe geregelt Zustandsschaubild Zustandsdiagramm Phasendiagramm Durch Kristallisations Versuchsreihen mit verschiedenen Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung bei der Thermischen Analyse werden die Kristallisations bzw Kristallumwandlungspunkte aufgezeichnet und in ein Temperatur Zusammensetzungs Diagramm eingetragen wobei die Temperatur in Abhangigkeit zur Legierungszusammensetzung steht Fur Zweistoffsysteme haben sich dabei vor allem in Hinsicht auf das Kristallsystem drei typische Formen von Zustandsschaubildern ergeben Zweistoffsysteme mit vollstandiger Loslichkeit im festen Zustand Bei vollstandiger Loslichkeit im festen Zustand bilden sich in jeder Zusammensetzung Mischkristalle Es gibt zwei Moglichkeiten der Mischkristallbildung MK Einlagerungs und Substitutionsmischkristall Typische Substitutions MK Bildner sind die Legierungen Eisen Chrom Eisen Nickel Gold Kupfer Gold Silber und Kupfer Nickel Ein wichtiger Einlagerungs MK Bildner ist Austenit g Eisen Kohlenstoff Damit eine Legierung in jeder Zusammensetzung Mischkristalle mit vollkommener Loslichkeit im festen Zustand bilden kann sind folgende Voraussetzungen notig Beide Metalle mussen das gleiche Kristallsystem aufweisen beispielsweise kubisch Die Gitterkonstanten durfen sich um maximal etwa 15 unterscheiden Die beiden Metalle mussen eine gewisse chemische Ahnlichkeit haben Die Elektronegativitatsdifferenz darf nicht zu gross sein Durch die Mischkristallbildung wird auch bei noch so grosser Ahnlichkeit der Legierungselemente immer das Kristallgitter verzerrt da die verschiedenen Elemente auch verschiedene Atomdurchmesser besitzen Dadurch entstehen Spannungen die Gleitebenen der Kristallite werden dabei behindert Verformungen nachzugeben Die Gitterverzerrung erhoht also die Harte Ein beliebtes Beispiel fur eine Legierung mit vollkommener Loslichkeit im festen Zustand ist das Zweistoffsystem Cu Ni Abkuhlkurven und Zustandsschaubild einer Legierung verschiedener Zusammensetzung mit Mischkristallbildung Die Legierungen Kurven 2 5 erstarren im Gegensatz zu den Basismetallen Kurven 1 6 nicht bei einer festen Temperatur sondern in einem Haltebereich Die Temperatur bleibt also nicht konstant sondern sinkt langsam Die Haltebereiche verschiedener Zusammensetzungen einer Legierung liegen jedoch immer zwischen den jeweiligen Erstarrungstemperaturen ihrer reinen Komponenten Ursache dafur ist die Behinderung der Kristallisation in einer Legierung durch Komponente A Kurve 1 die wenn sie konnte bei noch tieferer Temperatur erstarren wurde Komponente B dagegen drangt auf Erstarrung die eigentlich schon eher hatte beginnen mussen Diese Tatsache ist auch der Grund dafur dass die wahrend der Erstarrung entstehenden Kristalle ihr Mischungsverhaltnis andern und erst bei genugend langsamer Abkuhlung Thermisches Gleichgewicht bis zum Ende der Erstarrung das gewunschte Mischungsverhaltnis durch Diffusion erreicht wird Ablesen lassen sich diese Zusammensetzungen am Zustandsschaubild indem man durch jeden beliebigen Punkt an der ausgewahlten Legierung Bild WL eine Waagerechte bis zur Soliduslinie zieht Bei der Liquidustemperatur TLi Beginn der Erstarrung besitzen die ersten Kristalle also eine Zusammensetzung von WMLi Auch die jeweilige Zusammensetzung der Restschmelze lasst sich auf diese Weise ermitteln indem man zum Beispiel bei Tm die Waagerechte bis zur Liquiduslinie durchzieht Die Schmelze hatte also an diesem Punkt die Zusammensetzung WSm und die Mischkristalle die Zusammensetzung WMm Mit Hilfe des Zustandsschaubildes und des Hebelgesetzes lasst sich auch berechnen wie hoch bei jeder Zwischentemperatur der Anteil an Schmelze bzw der Anteil an Mischkristallen ist M S W S m M M K W M m 1 W L displaystyle M mathrm S cdot W mathrm Sm M mathrm MK cdot W mathrm Mm 1 cdot W mathrm L M S M M K 1 displaystyle M mathrm S M mathrm MK 1 M M K W L W S m W M m W S m displaystyle M mathrm MK frac W mathrm L W mathrm Sm W mathrm Mm W mathrm Sm M S W M m W L W M m W S m displaystyle M mathrm S frac W mathrm Mm W mathrm L W mathrm Mm W mathrm Sm MS Anteil Schmelze WSm Zusammensetzung Schmelze bei Tm MMK Anteil Mischkristalle WMm Zusammensetzung Mischkristalle bei Tm WL Zusammensetzung LegierungZweistoffsysteme mit vollstandiger Unloslichkeit im festen Zustand Legierungen dieser Art sind zwar in der Schmelze ineinander gelost entmischen sich jedoch wahrend der Kristallisation vollstandig Es entsteht ein Kristallgemisch der reinen Komponenten siehe Gefugeschliffbilder Eutektikum Abkuhlkurven und Zustandsschaubild einer Legierung verschiedener Zusammensetzung bei getrennter Kristallbildung Auch bei getrennter Kristallbildung erstarren die Legierungen 2 4 und 5 zunachst in einem Haltebereich Gegen Ende der Erstarrung beschreiben die Temperaturkurven allerdings einen Haltepunkt ahnlich dem eines reinen Metalls Legierung 3 erstarrt sogar ausschliesslich in einem Haltepunkt Der Grund fur dieses Verhalten liegt in der starken gegenseitigen Behinderung der beiden Komponenten die sich wahrend der Kristallisation entmischen um Kristalle der eigenen Art bilden zu konnen Das Maximum an gegenseitiger Storung liegt demnach bei Legierung 3 bei der sich im Erstarrungspunkt gleichzeitig Kristalle der Komponenten A und B bilden Bedingt durch die anhaltende gegenseitige Behinderung beim Entmischen und der tiefen Temperatur sind die Wege der Atome allerdings sehr klein und das Kristallgemisch daher sehr feinkornig Dieser Besonderheit wegen erhalt Legierung 3 den Namen Eutektische Legierung Das Feine Das Wohlgebaute Die allen Legierungen gemeinsame Soliduslinie wird entsprechend Eutektikale genannt und die dazugehorige Temperatur eutektische Temperatur TEu Ein herausragendes Beispiel fur eine eutektische Legierung mit besonders tiefem Schmelzpunkt ist die Wood sche Legierung deren Schmelzpunkt bei 70 C liegt Bei Legierungen die entweder links untereutektisch oder rechts ubereutektisch vom Eutektikum liegen erstarren zunachst Primarkristalle der Komponente A bzw Primarkristalle der Komponente B Der Anteil an Primarkristallen in einer Legierung lasst sich mithilfe des Zustandsschaubildes errechnen Die Berechnung setzt dabei am Punkt TEu an also an der Stelle an der die Restschmelze gerade eben die eutektische Zusammensetzung erreicht M E u W L W P r W E u W P r displaystyle M Eu frac W L W Pr W Eu W Pr M P r W E u W L W E u W P r displaystyle M Pr frac W Eu W L W Eu W Pr MEu Anteil Restschmelze eutektischer Zusammensetzung Anteil des Eutektikums MPr Anteil Primarkristalle WL Zusammensetzung Legierung WPr Zusammensetzung der Primarkristalle WEu Zusammensetzung des EutektikumsZweistoffsysteme mit begrenzter Loslichkeit im festen Zustand Legierungen dieser Art konnen zwar Mischkristalle bilden jedoch nicht in jeder Zusammensetzung Im Gegensatz zu Legierungen mit vollkommener Loslichkeit unterscheiden sich hier die Atomgrossen starker was bedeutet dass die Gitterverzerrungen ab einer gewissen Zusammensetzung unertraglich werden Auch das Kristallsystem kann ein Hindernis sein wenn sich die Legierungselemente im Kristallsystem zwar ahnlich aber nicht gleich sind So kann zum Beispiel jede Komponente in der Legierung Blei kubisch flachenzentriert Zinn tetragonal raumzentriert mit der anderen in begrenztem Masse Austausch Mischkristalle bilden Typische MK Bildner begrenzter Loslichkeit Aluminium Magnesium Blei Zinn Kupfer Aluminium Kupfer Zink Kupfer Zinn Zink Aluminium Begrenzte Loslichkeit im festen Zustand heisst aber nicht nur dass die eine Komponente beim Kristallisieren bis zu einem gewissen Prozentsatz Atome der anderen Komponente aufnehmen kann sondern auch dass die Loslichkeit bei sinkender Temperatur abnimmt Da die Bewegungsenergie der Atome geringer wird schrumpft naturlich auch entsprechend die Gitterkonstante des vorliegenden Kristallsystems und es bietet Fremdatomen weniger Platz Die Folge davon ist dass die Mischkristalle ab der Ubergangstemperatur TU beginnen sich zu entmischen Genau diese Eigenschaft teilweise Entmischung der Komponenten durch abnehmende Loslichkeit bei tieferen Temperaturen wird beim Harten einer solchen Legierung ausgenutzt Man spricht hierbei auch von der Ausscheidungshartung Abkuhlkurven und Zustandsschaubild einer Legierung verschiedener Zusammensetzung mit Mischkristallbildung begrenzter Loslichkeit im festen Zustand Legierung 1 erstarrt somit von TLi 1 bis TSol 1 zu Mischkristallen mit dem Kristallsystem von A genannt a Kristalle Bis TU bleibt der homogene Zustand erhalten Die Mischkristalle sind gesattigt was bedeutet dass Komponente A bis zur fur diese Legierung maximalen Loslichkeit die Komponente B aufgenommen hat Bei TU wandern die Atome von B entsprechend der maximalen Loslichkeit fur diese Temperatur zu den Korngrenzen und bilden dort Sekundar Mischkristalle mit dem Kristallsystem von B genannt b Mischkristalle Zum Ausgleich diffundieren entsprechend A Atome ins Korninnere Der Anteil der Sekundar Mischkristalle lasst sich nach folgender Formel berechnen M S b W S a W L W S a W S b displaystyle M S beta frac W S alpha W L W S alpha W S beta M S a W L W S b W S a W S b displaystyle left M S alpha frac W L W S beta W S alpha W S beta right MSb Anteil Sekundar b Mischkristalle WL Zusammensetzung Legierung WSb Zusammensetzung Sekundar b Mischkristalle WSa Zusammensetzung Sekundar a Mischkristalle MSa Anteil Sekundar a Mischkristalle WSa und WSb entsprechen bei Raumtemperatur WSGa und WSGb SG Sattigungsgrenze Legierung 2 kristallisiert zunachst genau wie Legierung 1 Bei Erreichen der Eutektikalen erstarrt die Restschmelze jedoch in einem Haltepunkt und es bildet sich ein feinkorniges Gemisch aus a und b Mischkristallen welches wie bei getrennter Kristallbildung Eutektikum genannt wird Die zuvor entstandenen a Mischkristalle entsprechen den Primarkristallen Unterhalb der Eutektikalen scheiden auch bei dieser Legierung aus den Primar a Mischkristallen B Atome aus Um hier den Anteil der Sekundar b Mischkristalle aus den Primar Kristallen berechnen zu konnen muss zuerst der Anteil an Primarkristallen an der Gesamtlegierung berechnet werden Die Berechnung entspricht derjenigen bei getrennter Kristallisation Anschliessend wird der Anteil Sekundar b Mischkristalle aus den Primarkristallen berechnet und mit dem Anteil der Primarkristalle multipliziert 1 M P r W E u W L W E u W P r displaystyle M Pr frac W Eu W L W Eu W Pr M E u W L W P r W E u W P r displaystyle left M Eu frac W L W Pr W Eu W Pr right 2 M S b W S a W a W S a W S b displaystyle M S beta frac W S alpha W alpha W S alpha W S beta 3 M L S b M S b M P r displaystyle M LS beta M S beta cdot M Pr MPr Anteil Primarkristalle in WEu Zusammensetzung des Eutektikums WL Zusammensetzung Legierung WPr WMLa Zusammensetzung Primarkristalle ML Mischungslucke MSb Anteil Sekundar b Mischkristalle nicht in WSa Zusammensetzung Sekundar a Mischkristalle Wa Zusammensetzung Primar a Mischkristalle WSb Zusammensetzung Sekundar b Mischkristalle MLSb Anteil Sekundar b Mischkristalle an der Legierung Die Anteile der Sekundar Kristalle im Eutektikum zu berechnen ist nicht sinnvoll da sie hier keine neue Phase bilden Es werden lediglich Atome unter Erhaltung des Kristallsystems umgruppiert Weder im Gefugeschliffbild noch in den technischen Eigenschaften lassen sich deshalb Unterschiede feststellen Intermediare KristalleEine weitere Moglichkeit zur Legierungsbildung besteht darin dass die beteiligten Elemente zwar einen gemeinsamen Kristall bilden der jedoch keinem Kristallsystem der Basiselemente ahnelt Es entsteht ein eigenes Kristallsystem das im Gegensatz zu denen von reinen Metallen sehr kompliziert aufgebaut sein kann Solche Verbindungen sind zudem sehr hart und sprode Ausserdem erfordern diese Kristalle ein festes Atomzahlenverhaltnis Eine Legierung mit intermediarer Kristallbildung deren Legierungselemente ausschliesslich Metalle sind nennt man Intermetallische Phase mit Loslichkeit fur die konstituierenden Elemente oder auch intermetallische Verbindung bei stochiometrischer Zusammensetzung Tritt eine solche Phase auf lasst sich im Schmelzdiagramm ein Dystektikum beobachten Beispiele fur intermediare Kristallisation sind Al2Cu Mg2Si Cu4Sn Fe3C Zementit und WC Wolframcarbid Die Kristallisationsformel gleicht der Formel fur chemische Verbindungen welche aber im Gegensatz zu Legierungen eine vollig andere Verbindungsart aufweisen Einteilung im Schema der chemischen StoffeSchematische Einteilung der Stoffe Stoff Stoff gemisch Reinstoff homogenes Stoff gemisch Verbindung Element Gasgemisch Gemisch mehrerer Gase Legierung Gemisch mit Metalleigenschaften enthalt mindestens ein Metall Losung Festkorper Flussigkeit Gas in einer Flussigkeit gelost molekular ionisch heterogenes Stoff gemisch Schaum Gasformige Blaschen in einer Flussigkeit Hartschaum Gasformige Blaschen in einem Festkorper Aerosol Suspension Feste Teilchen in einer Flussigkeit Emulsion Gemisch mehrerer nicht mischbarer Flussigkeiten Festes Gemenge Gemisch mehrerer nicht mischbarer Feststoffe Rauch Feste Teilchen in einem Gas Nebel Flussige Teilchen in einem Gas Siehe auchListe von Legierungen Liste von Legierungselementen VorlegierungLiteraturStephan Hasse Giesserei Lexikon Schiele amp Schon Berlin 1997 ISBN 3 7949 0606 3 Anhang ab S 1430 mit zahlreichen Zustandsschaubildern binarer und ternare Legierungssysteme A F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 101 Auflage Walter de Gruyter Berlin 1995 ISBN 3 11 012641 9 Alfred Boge Das Techniker Handbuch 13 uberarbeitete Auflage Vieweg Braunschweig 1992 ISBN 3 528 14053 4 Erhard Hornbogen Werkstoffe Springer Berlin Heidelberg New York 2006 ISBN 3 540 30723 0 Dieter Kohtz Einfuhrung in die Werkstoffkunde fur Metallschweisser In Der Praktiker das Magazin fur Schweisstechnik und mehr 9 1982 bis 1 1985 DVS Verlag ISSN 0554 9965 Erwin Riedel Anorganische Chemie de Gruyter Berlin 2002 ISBN 3 11 017439 1 Ulrich Muller Anorganische Strukturchemie B G Teubner Stuttgart 2004 ISBN 3 519 33512 3 Wilhelm Domke Werkstoffkunde und Werkstoffprufung 10 Auflage Cornelsen Dusseldorf 1987 ISBN 3 590 81220 6 Weblinks Wiktionary Legierung Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Oberflachenlegierungen abgebildet mit einem RastertunnelmikroskopEinzelnachweise Dieter Kohtz Einfuhrung in die Werkstoffkunde fur Metallschweisser Was ist eine Legierung In Der Praktiker das Magazin fur Schweisstechnik und mehr Band 1 DVS Verlag 1984 ISSN 0554 9965 S 4 Lexikon der Physik Legierungen Spektrum Akademischer Verlag 1998 abgerufen am 27 Januar 2018 www fremdwort de Legierung Friedrich Baumann Geschichte des Zinngiessens Nicht mehr online verfugbar Archiviert vom Original am 2 Marz 2009 abgerufen am 2 April 2009 http www kupfer institut de front frame frameset php3 client 1 amp lang 1 amp idcat 27 amp parent 14 Link nicht abrufbar Marianne Schonnenbeck Frank Neumann Geschichte des Zink Rheinzink abgerufen am 26 Marz 2018 Kompletter Bericht als eBook Helmut Foll Geschichte des Stahls In Einfuhrung in die Materialwissenschaft I Abgerufen am 2 April 2009 Dieser Artikel wurde am 25 Oktober 2005 in dieser Version in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen Normdaten 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