Welche Vorgänge führen zur Erstarrung eines Metalls?

Die Erstarrung von Metallen: Ein komplexer Prozess

Metalle erstarren, wenn sie aus der flüssigen Phase in die feste Phase übergehen. Dieser Vorgang ist jedoch nicht einfach ein plötzlicher Übergang, sondern ein komplexer Prozess, der von verschiedenen Faktoren abhängt und mehrere Phasen beinhaltet.

1. Unterkühlung:

Der erste Schritt zur Erstarrung ist die Unterkühlung der Schmelze. Dies bedeutet, dass die Temperatur der Schmelze unter die Schmelztemperatur des Metalls sinkt, ohne dass die Erstarrung einsetzt. Die Schmelze befindet sich nun in einem metastabilen Zustand.

2. Kristallisationskeime:

Um den Erstarrungsprozess zu starten, benötigt die unterkühlte Schmelze Kristallisationskeime. Diese Keime können verschiedene Formen annehmen:

• Heterogene Keime: Sie bilden sich an Oberflächen, wie z.B. der Wand des Gefäßes oder an Verunreinigungen in der Schmelze.
• Homogene Keime: Sie bilden sich spontan innerhalb der Schmelze, was jedoch bei sehr hohen Unterkühlungen notwendig ist.

3. Wachstum von Kristallen:

Sobald sich ein Kristallisationskeim gebildet hat, beginnt er zu wachsen. Die Schmelze wird flüssig an der Oberfläche des Keims abgekühlt und kristallisiert an seinem Kristallgitter an. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis die gesamte Schmelze zu festem Metall geworden ist.

4. Einflussfaktoren:

Die Erstarrung von Metallen wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst:

• Abkühlgeschwindigkeit: Je schneller die Abkühlgeschwindigkeit, desto mehr Kristallisationskeime bilden sich und desto kleiner werden die Kristalle.
• Verunreinigungen: Verunreinigungen können die Bildung von Kristallisationskeimen fördern oder hemmen.
• Legierungselemente: Legierungsbestandteile beeinflussen die Schmelztemperatur und die Erstarrungsgeschwindigkeit.

5. Mikrostruktur:

Die Größe und Form der Kristalle, die während der Erstarrung entstehen, bestimmen die Mikrostruktur des Metalls. Diese Mikrostruktur hat einen großen Einfluss auf die Eigenschaften des Materials, wie z.B. die Festigkeit, die Duktilität und die Korrosionsbeständigkeit.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Erstarrung von Metallen ein komplexer Prozess ist, der durch verschiedene Faktoren beeinflusst wird. Die Unterkühlung und die Bildung von Kristallisationskeimen sind die ersten Schritte, die zum Wachstum von Kristallen führen. Die Mikrostruktur des erstarrenden Metalls hängt von der Abkühlgeschwindigkeit, den Verunreinigungen und den Legierungselementen ab.