Was ist ein eutektisches System?

Ein eutektisches System ist eine homogene Mischung aus zwei oder mehr Komponenten, die im festen Zustand ein einziges Übergitter bilden, dessen Hauptmerkmal darin besteht, dass es einen niedrigeren Schmelzpunkt als die einzelnen Komponenten hat. Die meisten eutektischen Systeme sind binäre Systeme (die nur aus zwei Phasen oder Komponenten gebildet werden), obwohl es Beispiele für bestimmte Legierungen gibt, die ternäre eutektische Systeme bilden.

Das Wort Eutektikum kommt vom altgriechischen Begriff eutektos , der eine Kombination aus den Begriffen eu , was „gut“ bedeutet, und teko , was schmelzen bedeutet. Eutektikum bedeutet daher wörtlich „gut schmelzend“, was darauf hinweist, dass Eutektika aufgrund ihres niedrigeren Schmelzpunktes leichter zu schmelzen sind als ihre Einzelkomponenten.

Wie entstehen eutektische Systeme?

Ein eutektisches System wird nur gebildet, wenn die Komponenten oder festen Phasen, aus denen die Mischung besteht, in einem bestimmten Verhältnis vorliegen, das als eutektische Zusammensetzung bezeichnet wird. Diese Zusammensetzung ist charakteristisch für jedes eutektische System. Außerdem bilden sich Eutektika im Allgemeinen zwischen Verbindungen, die ähnlich oder chemisch verwandt sind. Dies ist bei einigen eutektischen Legierungen der Fall, die aus zwei oder mehr Metallen bestehen.

Durch Erhitzen und Schmelzen einer heterogenen Mischung dieser beiden Phasen im geeigneten Verhältnis entsteht eine homogene flüssige Mischung, die beim Abkühlen wieder kristallisiert und eine neue kristalline Struktur bildet, in der beide Substanzen Teil derselben Zelle oder desselben Gitters sind. Dies ist das sogenannte Supergitter oder die Superzelle, die sich in alle Richtungen wiederholt, um einen vollständig homogenen Kristall zu erzeugen, in dem keine der beiden ursprünglichen Phasen unterschieden werden kann. Mit anderen Worten, die Phasen des Systems kokristallisieren, um einen neuen Festkörper zu bilden.

Arten von Eutektika

Eutektische Systeme können auf verschiedene Weise klassifiziert werden. Zwei übliche Formen sind entsprechend seiner Zusammensetzung und entsprechend der Kristallinität des Feststoffs.

Je nach Zusammensetzung können Eutektika klassifiziert werden als:

• Anorganische Eutektika: sind solche, die von anorganischen Verbindungen wie Metallen und Salzen gebildet werden. Im letzteren Fall handelt es sich im Allgemeinen um hydratisierte Salze. Dies sind die häufigsten eutektischen Systeme.
• Organische Eutektika: Viele organische Verbindungen bilden miteinander Eutektika. In diesem Fall werden sie als organische Eutektika bezeichnet.
• Organische/anorganische Eutektika: sind solche, die aus einer organischen und einer anorganischen Phase gebildet werden, wie beispielsweise die Mischung aus Wasser und Ethanol.

Neben dieser Einteilung können wir drei Klassen von Eutektika in Abhängigkeit von der Kristallinität des Festkörpers, also in Abhängigkeit von seiner Mikrostruktur, unterscheiden. Im Allgemeinen kann diese Mikrostruktur von zwei Arten sein: facettiert und nicht facettiert. Sie werden auch oft als glasige bzw. amorphe Mikrostruktur bezeichnet. In binären Systemen können drei verschiedene Kombinationen dieser Art von Mikrostrukturen auftreten, wodurch drei verschiedene Klassen von Eutektika entstehen:

• Nicht facettierte Eutektika – nicht facettiert (NN): Diese sind die häufigsten und bestehen aus einer nicht facettierten oder amorphen Phase, die in eine andere amorphe Phase eingebettet ist. Diese Eutektika zeigen eine sehr regelmäßige Mikrostruktur.
• Facettierte – nicht facettierte (NF) Eutektika: Bei diesen Eutektika ist eine der Phasen amorph oder nicht facettiert, während die andere facettiert ist. Die Mikrostruktur dieser Eutektika ist normalerweise zwischen regelmäßig und komplex oder kann sogar völlig unregelmäßig werden, abhängig von den besonderen Eigenschaften jeder Phase.
• Facettierte Eutektika – facettiert (FF): FF-Eutektika sind selten und bilden sich normalerweise zwischen zwei intermetallischen Verbindungen. Diese Eutektika besitzen oft einzigartige mechanische Eigenschaften, wie z. B. eine hohe Härte, indem sie langreichweitige Kristallstrukturen mit starken metallischen Bindungen bilden.

Beispiele für eutektische Systeme

Aluminium-Silizium-Legierung

Aluminium und Silizium bilden eine anorganische eutektische Legierung des Typs FN (facettiert – nicht facettiert), wenn die Mischung 13 Massenprozent Silizium enthält. In diesem System bildet Aluminium die amorphe Phase (Alpha-Phase genannt), während Silizium die kristalline oder facettierte Phase des Systems bildet. Diese Legierung ist für die Herstellung von Aluminiumgussteilen von großer Bedeutung.

Eisen-Kohlenstoff-Legierung (Kohlenstoffstahl)

Kohlenstoffstahl ist ein seit Hunderten von Jahren bekanntes eutektisches System. Es besteht aus einer Eisenmatrix mit in die Struktur eingebetteten Kohlenstoffatomen. Diese Elemente bilden ein eutektisches System mit einer Zusammensetzung von 4,30 % Kohlenstoff und dem Rest Eisen. Der Schmelzpunkt des Systems (die eutektische Temperatur) beträgt 1.147 °C und es besteht aus einer Mischung von γ-Austenit mit Eisencarbid oder Zementit. Zementit liegt in kristalliner Form eingebettet in einer amorphen Austenitmatrix vor, was dieses eutektische System zu einem weiteren Beispiel für FN-Systeme macht.

Blei-Zinn Legierung

Das zwischen Blei und Zinn gebildete eutektische System ist ein System, das 62 Masse-% Zinn enthält. Diese Mischung schmilzt bei nur 183 °C, was 50 °C unter dem Schmelzpunkt von Zinn liegt, der bei 232 °C liegt, und fast 205 °C unter dem Schmelzpunkt von reinem Blei, der bei 327,5 °C liegt

Kampfer-Naphthalin-Legierung

Naphthalin und Kampfer sind beides aromatische organische Verbindungen, die ein eutektisches System bilden. Daher ist dies ein Beispiel für ein organisches eutektisches System. Ein ähnliches System bildet sich zwischen Naphthalin und Benzol.

Galinstan

Dies ist ein Beispiel für ein ternäres eutektisches System. Es besteht aus einer Legierung mit 68,5 % Gallium, 21,5 % Indium und 10 % Zinn. Der Schmelzpunkt dieses Systems liegt bei nur -19 °C, sodass die Mischung bei Raumtemperatur flüssig ist. Diese Tatsache macht Galinstan zu einem ungiftigen Ersatz für Quecksilber.

Nickel-Silizium-Legierung

Das eutektische Nickel-Silizium-System ist ein Beispiel für ein FF-Eutektikum, dh eines, bei dem beide Phasen in einem kristallinen Zustand vorliegen und facettierte Festkörper bilden, die ineinander eingebettet sind. Die eutektische Zusammensetzung beträgt 84 % Nickel und 16 % Silizium. Dieses System zeichnet sich durch extreme Härte, Ermüdungs- und Verschleißfestigkeit durch Adhäsion aus.

Verweise

akademisch. (nd). Galinstan . Wörterbücher und Enzyklopädien über Akademiker. https://es-academic.com/dic.nsf/eswiki/515650

Biloni, H., & Boettinger, WJ (1996, 1. Januar). VERFESTIGUNG . Physikalische Metallurgie (Vierte, überarbeitete und erweiterte Ausgabe). 1. 669–842. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780444898753500132

Kharia, Hongkong (2013, 18. November). Fe-C-Diagramm . Slideshare. https://en.slideshare.net/RakeshSingh125/fe-cdiagram

Lingai, L., & Nolwelnn, LP (2015, 1. Januar). Innovative Systeme zur Speicherung thermischer Sonnenenergie in Gebäuden . Solarenergiespeicherung. 27–62. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124095403000037

Lu, Y., Li, G., Du, Y., Ji, Y., Jin, Q., & Li, T. (2012, 8. März). Elektromagnetische Modifizierung einer facettierten eutektischen Ni31Si12-Ni2Si-Legierung . Chinesisches Wissenschaftsbulletin. https://www.researchgate.net/publication/257688727_Electromagnetic_modification_of_faceted-faceted_Ni31Si12-Ni2Si_eutectic_alloy

Southampton-Universität. (nd). Erstarrung von Al-Si-Legierungen . SouthamptonGroßbritannien. https://www.southampton.ac.uk/%7Epasr1/al-si.htm