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Keimbildung

Thermodynamischer Aspekt

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Eine stabile Keimbildung ist nur möglich, wenn der Keim die kritische Bildungsenthalpie ΔG*, resultierend aus der Differenz der Ausgangs- und Endphase, erreicht hat.

Im folgenden wird die Erklärung am Beispiel der Austenit/Perlit-Umwandlung festgemacht:
Die kritische Bildungsenthalpie ist abhängig von der Oberfläche und von dem Volumen des Keims. Und berechnet sich wie folgt:

Volumen:

$\Delta G_{Volumen}=\frac{4}{3}\pi r^3(-\Delta G_{\gamma\rightarrow\alpha+Fe_{3}C}+\Delta G_{\epsilon})=\frac{4}{3}\pi r^3\Delta g_{v}<0$

$\Rightarrow\Delta G_{Volumen}\sim -r^3$

Δ G V o l u m e n

setzt sich dabei, resultierend aus dem Übergang vom kfz zum krz Gitter, aus freiwerdender Gitterenergie einerseits und Verzerrungsenergie andererseits zusammen.

Oberfläche:

Δ G O b e r f l a e c h e = 4π r 2 γ > 0

$\Rightarrow\Delta G_{Oberflaeche}\sim r^2$

Mit der freien Oberflächenenergie γ.

freie Bildungsenthalpie:

Δ G = Δ G V o l u m e n + Δ G O b e r f l a e c h e ˜ r 2 - r 3

Man erkennt also, daß ΔG, also die Summe von ΔG_Volumen und ΔG_Oberfläche, als Funktion von r aufgefasst werden kann.

Weiterhin ist ΔG_Oberfläche für kleine r dominierend und verschiebt somit die gesamte Bildungsenthalpie zu höheren Werte, was sich ungünstig auf die Keimbildung auswirkt. Sich zufällig bildende Keime mit einer Enthalpie in diesem Bereich, lösen sich wieder auf.

Für größere r, insbesondere ab r = r* (und ΔG=ΔG*), dominiert ΔG_Volumen und verschiebt somit die gesamte Enthalpie ΔG, bei weiter steigendem r, zu immer kleineren Werten. Ab der kritischen Keimgröße r* ist also eine stabile Keimbildung möglich.

Offensichtlich verschiebt sich das Gleichgewicht mit steigendem r auf die Seite der Keimbildung, da sich mit sinkendem ΔG thermodynamisch die Stabilität der Keimbildung erhöht.
Beim Wachstum der Keime ist also ein ausreichender Durchmesser wesentlich für den Ablauf der Keimbildung. Man unterscheidet hierbei zwischen homogener und heterogener Keimbildung:

Homogene Keimbildung

Die homogene Keimbildung resultiert idealerweise aus lokalen Temperaturschwankungen, die stochastisch über das gesamte Gefüge verteilt sind.

Sich vergrößernde Temperaturdifferenzen ΔT, also sinkende Temperaturen, stabilisieren dabei den Effekt der Keimbildung, da die Keimbildungsgeschwindigkeit $\dot n=\frac{dn}{dt}$ steigt.

Homogene Keimbildung (d.h. ohne Fremdkeime) erfordert eine starke Unterkühlung der Schmelze und ist technisch von untergeordneter Bedeutung.

Heterogene Keimbildung

Die heterogene Keimbildung dagegen erfolgt schon bei kleineren ΔT, also bereits bei höheren Temperaturen.

Begründet liegt dies in Gitterfehler und/oder Verunreinigungen, die mit ihrer eigenen Energie die Aktivierungsenergie zur Keimbildung katalytisch senken.

Heterogene Keimbildung wird durch Zugabe von Fremdpartikel ausgelöst, die sich zu stabilen wachstumsfähigen Kristallisationskeimen herausbilden. Diese als Impfen bzw. Kornfeinen bezeichnete metallurgische Maßnahme stellt eine Möglichkeit dar, die Korngröße des Gussgefüges zu beeinflussen.

Kategorien: Werkstoffkunde | Kristallographie

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