Hebelgesetz: Was ist damit gemeint?

Regel, mit der im Zweiphasengebiet eines Zustandsdiagramms der Massenanteil jeder Phase aus dem Verhältnis von Strecken auf der Konode bestimmt wird. Der Anteil einer Phase ist proportional zum Abstand von der Legierungszusammensetzung bis zur gegenüberliegenden Phase.

Japanische Bezeichnung: てこの規則

„Hebelgesetz“ kommt in 5 Übungsfragen aus 1 Thema vor, darunter Zustandsdiagramme und Hebelgesetz.

Fachgebiet: Zustandsdiagramme und Hebelgesetz

Selbst ausprobieren: Fragen zu Hebelgesetz

Eine Legierung des Cu-Ni-Systems mit 35 Massen-% Ni wird bei einer Temperatur gehalten, bei der zwei Phasen koexistieren: Schmelze (31,5 Massen-% Ni) und feste Phase α (42,5 Massen-% Ni). Welcher Wert kommt dem Massenanteil der Schmelze am nächsten?

  1. AEtwa 0,32
  2. BEtwa 0,68
  3. CEtwa 0,82
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Lösung: B. Etwa 0,68

Nach dem Hebelgesetz erhält man den Anteil einer Phase, indem man den Abstand von der Legierungszusammensetzung bis zur Zusammensetzung der gegenüberliegenden Phase durch die Gesamtlänge der Konode teilt. Der Anteil der Schmelze ist W_L = (Cα − C₀)/(Cα − C_L) = (42,5 − 35)/(42,5 − 31,5) = 7,5/11,0 ≈ 0,68. Etwa 0,32 entsteht, wenn der Abstand auf derselben Seite genommen wird, (35 − 31,5)/11,0; das ist der Anteil von α. Etwa 0,82 ist das Verhältnis der Zusammensetzungen von Legierung und fester Phase, 35/42,5, und hat mit dem Hebelgesetz nichts zu tun. Die Anteile der beiden Phasen ergeben zusammen stets 1; hat man einen bestimmt, kann man damit gegenprüfen.

Im Pb-Sn-System seien die eutektische Temperatur 183 °C und die eutektische Zusammensetzung 61,9 Massen-% Sn; bei dieser Temperatur habe die α-Phase 18,3 Massen-% Sn und die β-Phase 97,8 Massen-% Sn. Eine Legierung mit 30 Massen-% Sn wird im Gleichgewicht bis knapp unter die eutektische Temperatur abgekühlt. Welcher Wert kommt dem Massenanteil des Eutektikums am Gefüge am nächsten?

  1. AEtwa 0,27
  2. BEtwa 0,73
  3. CEtwa 0,15
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Lösung: A. Etwa 0,27

Das Eutektikum entsteht aus der Schmelze (61,9 Massen-% Sn), die knapp oberhalb der eutektischen Temperatur noch vorhanden war und sich durch die eutektische Reaktion vollständig umwandelt. Man wendet daher das Hebelgesetz im Gebiet α + L knapp oberhalb der eutektischen Temperatur an: W_Eutektikum = W_L = (30 − 18,3)/(61,9 − 18,3) = 11,7/43,6 ≈ 0,27. Etwa 0,73 ist der Anteil des übrigen primären α; dabei wurde der Abstand auf der falschen Seite genommen. Etwa 0,15 ist der Anteil der gesamten β-Phase knapp unterhalb der eutektischen Temperatur, (30 − 18,3)/(97,8 − 18,3). Die β-Phase liegt zwar vollständig im Eutektikum, das Eutektikum enthält aber auch α, sodass die beiden Werte nicht übereinstimmen. Entscheidend bei solchen Aufgaben ist, Gefügebestandteile (Primärkristalle, Eutektikum) und Phasen (α, β) auseinanderzuhalten.

„Hebelgesetz“ in den Erläuterungen

Fragen, in denen „Hebelgesetz“ vorkommt (5)

  1. Eine Legierung des Cu-Ni-Systems mit 35 Massen-% Ni wird bei einer Temperatur gehalten, bei der zwei Phasen koexistieren: Schmelze (31,5 Massen-% Ni) und feste Phase α (42,5 Massen-% Ni). Welcher Wert kommt dem Massenanteil der Schmelze am nächsten?
  2. Im Pb-Sn-System seien die eutektische Temperatur 183 °C und die eutektische Zusammensetzung 61,9 Massen-% Sn; bei dieser Temperatur habe die α-Phase 18,3 Massen-% Sn und die β-Phase 97,8 Massen-% Sn. Eine Legierung mit 30 Massen-% Sn wird im Gleichgewicht bis knapp unter die eutektische Temperatur abgekühlt. Welcher Wert kommt dem Massenanteil des Eutektikums am Gefüge am nächsten?
  3. Ein untereutektoider Stahl mit 0,40 Massen-% C wird im Gleichgewicht bis knapp unter 727 °C abgekühlt. Welcher Wert kommt dem Massenanteil des voreutektoiden Ferrits am nächsten? Die eutektoide Zusammensetzung sei 0,76 Massen-% C, der Kohlenstoffgehalt des Ferrits bei 727 °C 0,022 Massen-% C und der des Zementits 6,70 Massen-% C.
  4. Eine Legierung des Cu-Ni-Systems wird im Temperaturbereich, in dem Schmelze und feste Phase koexistieren, unter Einhaltung des Gleichgewichts abgekühlt. Wie ändern sich dabei die Zusammensetzungen von Schmelze und fester Phase?
  5. Das Al-Si-System habe einen eutektischen Punkt bei 577 °C und 12,6 Massen-% Si; die Löslichkeitsgrenze von Si in der α(Al)-Phase betrage bei dieser Temperatur 1,65 Massen-%, und die Si-Phase sei nahezu reines Si (100 Massen-%). Eine übereutektische Legierung mit 18 Massen-% Si wird im Gleichgewicht bis knapp über die eutektische Temperatur abgekühlt. Welcher Wert kommt dem Massenanteil des primären Si am nächsten?

Rechner für Materialwissenschaft

Verwandte Begriffe

Eutektische Reaktion Perlit Eutektoide Reaktion Gibbssche Phasenregel

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