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EIN Phasendiagramm oder Phasendiagramm ist eine grafische Darstellung der Phasen was in gewisser Weise Material unter unterschiedlichen Bedingungen präsent. In diesem Diagramm ist die Zusammensetzung eines Materials aufgetragen gegen die Temperatur (in einem T,x-Diagramm) oder gegen die Druck.
Auf der x-Achse stehen zwei Elemente, wobei die linke Seite eine maximale Menge von Element A und die rechte Seite eine bestimmte maximale Menge von Element B darstellt. Manchmal wird nur ein kleiner Teil gezeigt, weil praktisch nicht vorkommt, zum Beispiel im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm gegenüber, wo ein Maximum von 6,7% Kohlenstoff gemeldet wird. Im Phasendiagramm sind verschiedene Ebenen eingezeichnet. Jeder eben entspricht einer bestimmten Phase eines Stoffes. Jeder Linie zwischen zwei Ebenen (Phasen) gehört zu einem bestimmten Phasenübergang.
In verschiedenen Phasen hat ein Stoff unterschiedliche thermodynamisch Eigenschaften, zum Beispiel ein anderer Wert der spezifische Wärme, und mechanisch Eigenschaften, wie z Zugfestigkeit.
Druck-Temperatur-Diagramm
Phasendiagramme können verschiedene Variablen wie Temperatur, Molenbruch, Druck p, Dichte und sogar die Feldstärke von a magnetisch oder elektrisches Feld. In einem Druck-Temperatur-Diagramm sind Linien fester Temperatur (Isothermen) und der festen Dichte (Isopyknen) sind angegeben.
In der Abbildung sind sie p-T Diagramm eines Normalstoffes und von Wasser (Druck p auf der ja-Achse, Temperatur T auf der X-Asche). Hier ist zu sehen, dass es a dreifacher Punkt ist, bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur, bei der alle drei Phasen gleichzeitig koexistieren können. Da ist auch ein kritischer Punkt, oberhalb der kein Unterschied mehr zwischen flüssiger und gasförmiger Phase besteht. Eine Besonderheit bei Eiscreme ist, dass mit steigendem Druck die Schmelztemperatur abnimmt (denken Sie an die Folgen für Eislaufen). Beide Diagramme zeigen, dass der Siedepunkt mit abnehmendem Druck abnimmt. Dieses Diagramm zeigt, dass Wasser bei einer niedrigeren Temperatur kocht auf einem Berg (wo die Luftdruck ist niedriger als an Meeresspiegel). Bei noch geringerem Druck (wie im Platz) es ist nicht möglich für Wasser Flüssigkeit sein.
Binäres Phasendiagramm
Binärdiagramme behandeln die möglichen Zustände eines Systems mit zwei Komponenten, zum Beispiel zwei Elementen wie führen und Zinn.
Die gebräuchlichste Version hat die Temperatur auf dem ja-Achse und ihre Zusammensetzung auf der X-Asche. Horizontale Linien in einem solchen Diagramm verbinden Punkte gleicher Temperatur. Die Gerade heißt daher a isotherm. Vertikale Linien verbinden Punkte derselben Zusammensetzung. Man spricht von a isovollständig. Das Isolat sagt im Grunde aus, was mit einem Material einer bestimmten Zusammensetzung – einer Probe – passiert, wenn es erhitzt oder abgekühlt wird.
Aus dem Diagramm kann man ablesen, in welcher Phase sich der Stoff bei einer bestimmten Zusammensetzung und Temperatur befindet. Oder besser: Was ist der Stall Gleichgewichtszustand des gegenwärtigen Systems. (Manchmal werden auch metastabile Gleichgewichte gezeigt, normalerweise mit gestrichelten Linien). Dabei ist zu beachten, dass sich dieser Gleichgewichtszustand nicht immer sofort einstellt. Silber und Gold sind beispielsweise in fester Lösung in allen Verhältnissen löslich, auch bei Raumtemperatur. Legt man jedoch eine Silber- und eine Goldmünze übereinander, lösen sie sich bei Raumtemperatur nicht sofort ineinander auf, obwohl dies zum thermodynamisch stabilsten Zustand führen würde. Der Auflösungsprozess würde bei Raumtemperatur Milliarden kosten Jahre benötigen.
Das Diagramm kann bestehen aus:
- "Einphasenbereiche"; Hier sind A und B miteinander in fester Lösung (im engeren Sinne a Legierung). Für jeden Punkt in diesem Bereich ist eine einzelne homogene Phase der stabilste Zustand bei dieser Kombination von Temperatur und Zusammensetzung.
- "Zweiphasengebiete"; Ein "Zweiphasengebiet" zeigt an, dass zwei verschiedene Strukturen nebeneinander existieren, zum Beispiel durch Niederschlag von Element B in der Matrix des Elements A. Das Zweiphasengebiet kann auch als eine Art Lücke zwischen den benachbarten Einphasengebieten angesehen werden. Für einen Punkt in einem Zweiphasengebiet eine einzige homogene Phase unter diesen Bedingungen nicht ist stabil. Stattdessen enthält das Material zwei Phasen, die eine andere Zusammensetzung haben als die durchschnittliche Zusammensetzung des Materials. Die Zusammensetzung beider Phasen kann man durch eine horizontale Linie (a isotherm) bis zur Grenze der nächsten einphasigen Gebiete auf beiden Seiten. Die Mengen der beiden vorhandenen Phasen sind unterschiedlich. Sie können mit berechnet werden Hebelwirkungsregel.
Wenn auf einem festen Komposition die Temperatur geändert wird, kann eine Phase in zwei geteilt werden (oder umgekehrt). Die Gesamtzusammensetzung des Materials bleibt jedoch dieselbe wie beim ursprünglichen einphasigen Material, da Element A oder B nicht hinzugefügt wurde! Abkühlung aus der Flüssigphase ergibt ein reines Material (100% Element A) immer ein Schmelzpunkt, während ein weiteres Element für a . hinzugefügt wird Schmelzbereichkönnen sich kümmern. Wie aus dem Blei-Zinn-Diagramm ersichtlich ist, liegt auch ein Schmelzpunkt von 38,1 Gew.-% Blei in Zinn vor.
Wird die Zusammensetzung bei gleicher Temperatur ab 100 % Element A geändert, kann Element B erst bei Element A in Lösung gehen. Dies ist dann noch ein einphasiger Bereich. Wenn mehr Element B hinzugefügt wird, ist Element A möglicherweise nicht mehr so viel Atome enthalten kann, wodurch Element B selbst eine neue Phase bildet. Dadurch entsteht wiederum ein Zweiphasengebiet.
Die Breite einer einphasigen Region wird als . bezeichnet Homogenitätsbereich erwähnt. Die Breite ist ein Hinweis auf die Löslichkeit von einer Komponente zur anderen bei einer bestimmten Temperatur. Beispielsweise ist im Pb-Sn-Diagramm in der zweiten Abbildung deutlich zu erkennen, dass die farbigen Homogenitätsbereiche der beiden Festphasen bei höherer Temperatur breiter werden. Bei Raumtemperatur löst sich nur 1% oder weniger Zinn in Blei. Umgekehrt sind es noch weniger. Bei höherer Temperatur nimmt die gegenseitige (Feststoff-)Löslichkeit zu. bei 183°C etwa 19 Gewichtsprozent Zinn lösen sich in Blei.
Die Schmelze ist über den gesamten Zusammensetzungsbereich mischbar. Bei Flüssigkeiten ist dies übrigens nicht immer der Fall. Öl und Wasser sind ein gutes Beispiel. Umgekehrt ist die gegenseitige Löslichkeit mit Feststoffen insgesamt außergewöhnlich, aber es gibt Beispiele wie im Silber-Gold-System (Elektrum).
Die Linie zwischen dem einphasigen Flüssigkeitsbereich und den zweiphasigen Flüssigkeitsbereichen wird fest liquidus erwähnt. Die Linie zwischen dem flüssigen Feststoffbereich und dem einphasigen Feststoffbereich wird solidus erwähnt.
Ternäres Phasendiagramm
Anstatt nur zwei Elemente in einem Diagramm gemischt zu haben, können auch drei Elemente (oder andere Komponenten) angezeigt werden. Dann wird auch die z-Achse verwendet, auf der die Temperatur aufgetragen ist. Oftmals stehen die x- und y-Achsen in einem Winkel von 60° (statt 90°) zueinander, wodurch von oben betrachtet ein Dreieck entsteht. An jedem Scheitelpunkt befindet sich eine 100%ige Zusammensetzung eines bestimmten Elements. Direkt gegenüber dieser Ecke bedeutet, dass dieses Element nicht mehr vorhanden ist und die anderen beiden Elemente jeweils für 50 % der Masse verantwortlich sind. Die einphasigen Gebiete werden dann durch Flächen begrenzt, zum Beispiel die liquidus- und der Solidus-Oberfläche. Weil ein dreidimensional Diagramm ist recht schwer zu lesen, Querschnitte werden oft bei einer bestimmten Temperatur erstellt, so dass die Dreiecksdiagramme zu sehen sind. Eine andere Möglichkeit ist ein vertikaler Schnitt, bei dem eine Gerade durch das Dreieck die Komposition bestimmt. Beispielsweise kann das Verhältnis zwischen zwei Komponenten oder die Konzentration einer Komponente konstant gehalten werden.
Anwendung
Phasendiagramme werden angewendet auf:
- gestalten und arrangieren Trennverfahren wie Extraktion, Destillation oder Kristallisation;
- Studium der Eigenschaften von Materialien die im festen Zustand mehrere Phasen aufweisen können;
- Untersuchung von Prozessen, bei denen Materialien geschmolzen werden, verfestigen, oder miteinander interagieren.
Siehe auch
Stahlsorten
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