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Zustandsdiagramme verstehen und lesen

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In dieser Anleitung aus dem Gebiet Werkstofftechnik / Metalle wird beschrieben wie man Zustandsdiagramme von Zweistoffsystemen verstehen und lesen kann. Mit Hilfe dieses Skriptes ist es möglich die Konzentration der Komponenten und der Schmelze von Legierungen bei bestimmten Temperaturen zu bestimmen.

Grundlagen – Lesen von Zustandsdiagrammen

Hauptsächlich geht es beim Lesen von Zustandsdiagrammen darum zu bestimmen wie hoch der Anteil der verschiedenen Phasen ist (z.B. Komponenten A : Schmelze). Diese Anteile sind abhängig von der aktuellen Temperatur des Systems und der Konzentration der Legierungselemente.

Im folgenden Bild ist ein Zustandsdiagramm eines Zweistoffsystems dargestellt. In dieser vereinfachten Darstellung sind weder Solidus- noch Liquiduslinie eingezeichnet. Auf der Abszisse sind die prozentualen Massegehalte der Legierungspartner angegeben. In den Extrempunkten liegen jeweils 0%/100% der Komponente A/B vor. Wählt man einen beliebigen Punkt auf der Abszisse, kann man die Zusammensetzung des Zweistoffsystems eindeutig bestimmen – wie im abgebildeten Beispiel, in dem 80% der Komponente A vorliegen und (folglich) 20% der Komponente B.

Zustandsdiagramm - Zweistoffsystem

Die beiden genannten Größen - Temperatur des Systems und Konzentration der Legierungselemente – sind die ersten beiden Linien, die man in das zur entsprechenden Legierung gehörende Zustandsdiagramm einzeichnen kann. Sie bilden den ersten Schnittpunkt, den man zu Berechnung benötigt. Über die Temperaturlinie ergeben sich zwei weitere Schnittpunkte mit den Linien, die das 2-Phasen-Feld begrenzen. Diese beiden Schnittpunkte zeigen die Zusammensetzung des Systems mit zwei zueinander im Gleichgewicht stehenden Phasen.

Berechnung von Phasen-Konzentrationen über das Zustandsdiagramm

Die Berechnung der Anteile der zwei Phasen erfolgt nach dem Hebelprinzip. Der Drehpunkt ist der Schnittpunkt zwischen der Temperaturlinie und der Konzentrationslinie. Die Hebel sind die Stecken vom Drehpunkt bis zu den beiden Schnittpunkten der Linie konstanter Temperatur mit den Grenzen des 2-Phasen-Feldes. Dieses Prinzip wird im Bild unten noch mal grafisch dargestellt.

Zustandsdiagramme lesen und verstehen

Somit gilt:

Die Menge der A-Kristalle * der Strecke vom Drehpunkt bis zur Soliduslinie (a)
=
Der Menge der Schmelze * der Strecke vom Drehpunkt bis zu Liquiduslinie (b)

Das Konzentrationsverhältnis der Phasen ergibt sich somit aus dem Verhältnis der beiden Strecken bzw. Hebel.
Das folgende Bild zeigt ein weiteres Beispiel für die Anwendung dieser Methode.

Zustandsdiagramme lesen und verstehen

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