Welche Unterschiede gibt es zwischen der Erstarrung reiner Metalle und Metalllegierungen?

Das Erstarrungsverhalten von reinen Metallen und Metalllegierungen: Ein Vergleich

Die Erstarrung, also der Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand, verläuft bei reinen Metallen und Metalllegierungen grundlegend unterschiedlich. Dieser Unterschied ist auf die unterschiedliche atomare Struktur und die daraus resultierenden thermodynamischen Eigenschaften zurückzuführen. Während reines Metall einen scharfen Phasenübergang zeigt, ist die Erstarrung von Legierungen ein komplexerer Prozess, der sich über einen Temperaturbereich erstreckt.

Reine Metalle: Ein scharfer Phasenübergang

Reine Metalle erstarren bei einer konstanten Temperatur, der sogenannten Erstarrungstemperatur oder Schmelztemperatur. Dieser scharfe Phasenübergang ist durch eine horizontale Linie im Erstarrungskurve dargestellt. Während des Erstarrungsprozesses koexistieren die flüssige und die feste Phase im thermodynamischen Gleichgewicht. Die Abgabe von latenter Wärme hält die Temperatur konstant, bis das gesamte Metall erstarrt ist. Erst danach sinkt die Temperatur weiter. Die Kristallstruktur des erstarrenden Metalls ist dabei relativ homogen, da alle Atome die gleiche Art sind und somit die gleiche Bindungsenergie aufweisen. Mikroskopisch betrachtet, entstehen dendritische Strukturen, die sich jedoch in ihrer Zusammensetzung nicht unterscheiden.

Metalllegierungen: Erstarrung über einen Temperaturbereich

Das Erstarrungsverhalten von Metalllegierungen ist deutlich komplexer. Im Gegensatz zu reinen Metallen erstarren sie nicht bei einer konstanten Temperatur, sondern über einen Temperaturbereich. Dies liegt daran, dass Legierungen aus zwei oder mehr Metallen bestehen, die unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen. Die Erstarrung beginnt bei der Liquidustemperatur, der Temperatur, bei der die erste feste Phase auszukristallisieren beginnt. Die Zusammensetzung dieser ersten festen Phase unterscheidet sich von der Zusammensetzung der Schmelze. Mit abnehmender Temperatur ändert sich die Zusammensetzung sowohl der festen als auch der flüssigen Phase kontinuierlich (in einfachen eutektischen Systemen), was zu einer langsamen Temperaturabsenkung während des Erstarrungsprozesses führt. Dieser Prozess endet bei der Solidustemperatur, bei der die letzte flüssige Phase erstarrt ist. Die Erstarrungskurve zeigt hier einen Bereich, in dem sowohl flüssige als auch feste Phasen koexistieren.

Die unterschiedlichen Komponenten in der Legierung beeinflussen die Kristallisation und führen zu einer inhomogenen Mikrostruktur. Es bilden sich verschiedene Phasen mit unterschiedlicher Zusammensetzung und Kristallstruktur nebeneinander aus, was die mechanischen Eigenschaften der Legierung maßgeblich beeinflusst. Die Verteilung dieser Phasen und ihre Größe sind abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit und der chemischen Zusammensetzung der Legierung. Die entstehende Mikrostruktur kann beispielsweise lamellar (lamellenförmig) oder eutektisch sein, je nach dem Legierungssystem.

Zusammenfassend:

Der wesentliche Unterschied liegt in der Art des Phasenübergangs: Reine Metalle erstarren bei konstanter Temperatur, während Metalllegierungen über einen Temperaturbereich erstarren. Dieser Unterschied resultiert aus der unterschiedlichen atomaren Zusammensetzung und den daraus resultierenden thermodynamischen Eigenschaften. Die resultierenden Mikrostrukturen unterscheiden sich ebenfalls deutlich: homogen bei reinen Metallen, inhomogen bei Legierungen. Dieses unterschiedliche Erstarrungsverhalten hat weitreichende Folgen für die Eigenschaften der Werkstoffe und muss bei der Herstellung und Verarbeitung berücksichtigt werden.