Vorlesung Intermetallische Phasen
7. Packungsdominierte Phasen
7.5. σ-Phasen
Die sogenannten σ-Phasen sind klassische Frank-Kasper-Phasen, die nur
die Frank-Kasper-Polyeder als Koordinationspolyeder aufweisen. Sie sind
eine technisch extrem wichtige Verbindungsklasse.
Strukturchemie
Die tetragonale Struktur kann wiederum aus Netzen aufgebaut werden,
die nach Schläfli als 3.6.3.6.+3262+63-Netze
bezeichnet werden können.
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| Abb. 7.5.1. Netze in den σ-Phasen |
Diese Netze (s. Abb. 7.5.1) befinden sich in der tetragonalen
Zelle auf der Höhe z=0 (rot) und (um 1/2,1/2,1/2 versetzt und um 90 o
gedreht) bei z=1/2 (blau). Auf der Höhe z=1/4 und 3/4 liegen weitere Atom so, dass
sie jeweils die benachbarten Netze zu einer dichtesten Packung von Kugeln in
einer Ebene ergänzen.
Hier der Aufbau der Struktur in Schichten senkrecht c:
- Das Netz bei z=0
(mit Bindungen; mit Ecken 3.6.3.6 und 3262 und 63.
Es handelt sich wie beim Kagomenetz um eine dichteste Packung von
Atomen in einer Ebene, bei der einzelne Lücken vorliegen (die Zentren
der Sechsecke!).
- Auf der Höhe z=1/4 sind nur Atome, die genau über diese Sechecke
passen (gelb), so dass mit diesen gemeinsam eine dichte Packung in der Ebene entsteht.
- Das Netz bei z=1/2 ist identisch wie das bei
z=0, jedoch um 90o gedreht und so verschoben, dass die Sechsecke
genau über die Atome der Schicht bei z=1/4 passen.
Hier das Bild beider Netze .
- Bei z=3/4 und der Schicht bei z=1 wiederholt sich das Ganze entsprechend.
- Gesamte Elemenarzelle nur mit
Verknüpfung innerhalb der Netze und mit Verknüpfungen auch
zwischen den Netzen (der Übersichtlichkeit
halber ohne Atome bei z=1/4 und z=3/4).
Interessant ist nun, dass hierdurch nur echte Frank-Kasper-Polyeder als
Koordinationspolyeder resultieren. Die Struktur enthält fünf
kristallographische Lagen, für die einzelnen Elementkombinationen ist
jeweils der Bereich der Phasenbreite in Atom-% mit angegeben:
| Position |
CN |
Atom- |
Ni-V |
Fe-V |
Fe-Cr |
Co-Cr |
Mn-Cr |
Mn-Mo |
Fe-Mo |
| (VRML) |
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Sorte |
54.5-71 V |
33.5-56 V |
43-49 Cr |
58-63 Cr |
16-24 Cr |
40 Mo |
50 Mo |
| A | 12 | II | Ni | Fe | Fe | Co | Mn | Mn | Mo |
| B | 12 | II | Ni | Fe | Fe | Co | Mn | Mn | Fe |
| C | 14 | I/II | V | Fe/V | Cr | Co/Cr | Mn/Cr | Mn/Mo | Mo |
| D | 14 | I/II | Ni/V | Fe/V | Fe/Cr | Co/Cr | Mn/Cr | Mn/Mo | Fe |
| E | 15 | II | V | V | Cr | Cr | Mn/Cr | Mo | Mo |
| Tab. 7.5.1. Koordinationspolyeder der fünf
Atomsorten in den σ-Phasen mit Elementverteilung in ausgewählten chemischen Systemen. |
Die Tabelle zeigt, dass die Elementverteilung primär mit der Größe
des Atoms variiert. Da die Unterschiede in den Koordinationspolyedern aber
nicht so groß sind wie in den Laves-Phasen, kommt es oft auch zu
Mischbesetzungen, gerade bei den Polyedern mit CN 14.
Phasenbeziehungen
Als Beispiel für die Stabilitätsbereiche und Phasenbreiten von σ-Phasen
sind in Abbildung 7.5.2. die Phasendiagramme des binären Systems Fe-V (links) und des
ternäre Dreiecks Fe-V-Si (rechts) angeben. Dabei handelt es sich um
technisch recht wichtige Systeme.
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| Abb. 7.5.2: Die Phasendiagramme Fe-V (links) und
Fe-V-Si (rechts), jeweils mit σ-Phasen |