Benutzer:TAXman/Intermetallische Phasen

Eine intermetallische Phase (auch Intermetallische Verbindung, seltener auch intermediäre Phase genannt) ist in der Chemie ein homogenes Stoffgemisch im Sinne einer chemischen Verbindung aus zwei oder mehr Metallen. Viele Legierungen bestehen aus einer oder mehreren intermetallischen Phasen. Sie unterscheiden sich in ihren Kristallstrukturen von denen der Ausgangsmetalle und weisen somit auch unterschiedliche physikalische und technische Eigenschaften auf. Dadurch haben intermetallische Phasen seit Beginn der Metallurgie eine enorme Bedeutung in der Entwicklung und Verwendung als Werkstoffe.

Geschichte

Die Geschichte intermetallischer Phasen reicht bis zu den Anfängen der Metallurgie zurück. Bedeutende Materialien sind beispielsweise Überzüge für Bronzewerkzeuge aus Cu₃As, die um 2500 v. Chr. in den Hochkulturen verbreitet waren, Münzfunde aus Messing im römischen Reich um 100 v. Chr oder Zahnfüllungen aus Amalgam, die in China bereits im 6. Jahrhundert, in Europa ab dem 16 Jahrhundert verwendet wurden. Eine intensive Erforschung fand jedoch erst im Zuge der Industrialisierung und mit den Kenntnissen der modernen Physik statt. Pioiere der Metallkunde waren beispielsweise Gustav Tammann und Nikolai Semenovich Kurnakov. Anfang des 20. Jahrhunderts konzentrierte sich die Forschung hauptsächlich auf die Entwicklung von Werkstoffen mit herausragenden magnetischen Eigenschaften. So entstand 1920 das µ-Metall, 1930 die bei Permanentmagneten verbreitete AlNiCo-Legierung und 1935 das magnetische Metallpulver Sendust. 1936 entstanden bereits die ersten Formgedächtnis-Legierungen, die sich auch nach starker Verformung durch Erhitzen in eine vorher festgelegte Form zurückbringen lassen. In den 60er Jahren schließlich entstanden die supraleitenden Verbindungen. Heutzutage sind intermetallische Phasen in allen industriellen und technischen Bereichen verbreitet.

Begriffsabgrenzung

Bedingt durch die historische Entwicklung werden die Begriffe „intermetallische Phase“, „intermetallische Verbindung“ und „Legierung“ häufig synonym verwendet. Legierungen können jedoch auch Nichtmetalle enthalten und aus mehreren Phasen bestehen. Intermetallische Phasen hingegen sind auf eine homogene Phase beschränkt und bestehen nur aus Metallen, wobei der Übergang zu den Halbmetallen fließend ist. In ihrer Zusammensetzung kann bei intermetallischen Phasen eine Phasenbreite auftreten. Die Phasenbreite gibt dabei den Bereich an, in dem das Stoffmengenverhältnis der verschiedenen Metalle variieren kann. Tritt keine Phasenbreite auf, wenn der Stoff also eine exakte, stöchiometrische Zusammensetzung aufweist, wird die Bezeichnung intermetallische Verbindung verwendet.

Grundlagen

Für den Einsatz als Werkstoffe ist die Kenntniss der physikalischen Werkstoffeigenschaften wichtig, da sie die Rahmenbedingungen, unter denen der Stoff eingesetzt werden kann, bestimmen. In der Chemie werden dabei insbesondere die Bindungen zwischen den Atomen betrachtet um aus diesen Rückschlüsse auf die Eigenschaften zu ziehen. Mechanische Eigenschaften hängen dabei stark von der Kristallstruktur der Verbindung ab, elektrische und magnetische Eigenschaften von der elektronischen Struktur. Daneben sind aber auch äußere Effekte wie Korngröße, Korngrenzen und Kristallinität der Verbindung von Bedeutung, die vom jeweiligen Herstellungsprozeß in der Metallurgie abhängen. Dieser Herstellungsprozeß wird durch das Phasendiagramm des Stoffes beeinflußt. Im folgenden werden die wichtigsten Punkte kurz zusammengefaßt:

Werkstoffeigenschaften

siehe auch Stoffeigenschaften und Werkstoffeigenschaften

Mechanische und thermische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften einer Verbindung beschreiben die Auswirkungen mechanischer Kräfte sowie der Temperatur auf den Werkstoff. Zu den Eigenschaften, die sich direkt aus der Kristallstruktur ergeben gehören die Dichte und der Schmelzpunkt. Darüber hinaus sind beispielsweise Härte, Steifigkeit und Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung von Bedeutung. Letztere können nur begrenzt durch die Kristallstruktur erklärt werden, da sie häufig von statistischen Fehlern innerhalb des Kristalls ausgehen.

Elektrische und magnetische Eigenschaften

Dazu gehören die elektrische Leitfähigkeit, das thermoelektrische Verhalten (die Veränderung der Leitfähigkeit mit der Temperatur) und die Suszeptibilität, also der Einfluß äußerer Magnetfelder sowie die Magnetisierung eines Stoffes. Diese Eigenschaften ergeben sich aus der elektronischen Struktur der Verbindung.

Chemische Eigenschaften

Die wichtigste chemische Eigenschaft bei Werkstoffen ist die Korrosionsbeständigkeit. Sie hängt maßgeblich von den Bindungsverhältnissen der Verbindung ab, sowie möglicher Passivierungen an der Oberfläche.

Chemische Bindung

Hauptartikel: Chemische Bindung

Katelaar Dreieck: Beziehungen zwischen unterschiedlichen chemischen Bindungsmodellen

Die Bindungen in intermetallischen Phasen zeichnen sich häufig durch einen ausgeprägten metallischen Charakter aus, da viele Metalle eine geringe Elektronegativität besitzen. Die metallische Bindung läßt sich durch das Elektronengasmodell beschreiben, demnach sind die Elektronen aller Atome über den gesamten Festkörper verteilt (delokalisiert), während die positiven Atomrümpfe möglichst dicht gepackt sind.

Verbindungen aus Elementen, die sehr weit links im Periodensystem stehen, mit Elementen, die weit rechts stehen können auch einen größeren Anteil ionische Bindung aufweisen. Hierbei spielt die Elektrostatik eine entscheidende Rolle: gleichgeladene Atome stoßen sich ab, ungleich geladene ziehen sich an. Dadurch entsteht meist eine dichte Packung der größeren Ionensorte in deren Hohlräume die andere Ionensorte eingelagert wird.

Ein eher seltener Fall bei intermetallischen Phasen sind Verbindungen mit kovalenten Bindungsanteilen. Im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Bindungsarten sind kovalente Bindungen gerichtet, das heißt sie verlaufen erkannbar zwischen zwei, selten drei Atomen. Diese Atome „teilen“ sich die entsprechenden Elektronen.

Struktursystematik

Feste Lösungen

2.2.2 Hume-Rothery-Phasen Hume-Rothery-Phasen (oder messingartige Phasen) sind Legierungs-Systeme aus unterschiedlichen Elementen. Sie können dann intermetallische Verbindungen mit den drei definierten Phasen b, g und e bilden, wenn der Quotient aus der Anzahl der Valenzelektronen und der Anzahl der Atome einen für den Gittertyp charakteristischen Zahlenwert annimmt (Tab. 2.1). Sie sind somit klassische Beispiele für den strukturbestimmenden Einfluß der Valenzelektronenkonzentration bei Metallen. Ag3Al [(3·1+3) : (3+1)] und CuZn haben z. B. jeweils b-Struktur, Na31Pb8 [(31·1+8·4) : (31+8)] und Cu5Zn8 jeweils g-Struktur. Diese Hume-Rothery-Regel wurde nicht nur von Hume-Rothery, sondern fast gleichzeitig auch von A. Westgren u. G. Phragmen erkannt.

Literatur

• J. H. Westbrook und R. L. Fleischer (Herausgeber): Intermetallic Compounds, Vol. 3: Progress, John Wiley & Sons, Chichester (2002), 1086 Seiten.
• J. H. Westbrook und R. L. Fleischer (Herausgeber): Intermetallic Compounds - Principles and Practice, John Wiley & Sons, Chichester (1995), 2 Bände.
• G. Sauthoff: Intermetallics, Wiley-VCH, Weinheim (1995), 165 Seiten.
• C. Röhr, Intermetallische Phasen, Online Vorlesung an der Universität Freiburg, 2003

Weblinks

• Intermetallics (engl. Lexikonartikel)
• Intermetallics (engl. Fachzeitschrift)