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Kapitel 1
Einleitung
BeimÜbergang flüssig-fest handelt es sich um einen Phasenübergang erster Ord-
nung, der durch Keimbildungsprozesse eingeleitet wird. Zur Keimbildung wird eine
Aktivierungsenergie benötigt, denn die Grenzfläche zwischen Schmelze und Keim des
Festkörpers besitzt eine positive Grenzflächenenergie ¾. Eine vergleichbare Nahord-
nung zwischen fester und flüssiger Phase hätte eine geringe Grenzflächenenergie, und
damit eine niedrige Aktivierungsschwelle zur Folge.
Man ging bis Anfang der fünfziger Jahre des 20. Jahunderts davon aus, dass die
Nahordnung von Schmelzen am Schmelzpunkt derjenigen der zugehörigen kristallinen
Phasen, die aus der Schmelze gebildet werden, ähnlich ist. Turnbull konnte zeigen [1],
dass bei entsprechenden Prozessbedingungen unterschiedliche Metallschmelzen auf ei-
ne Temperatur T weit unter die Schmelztemperatur Tm abgekühlt werden können. In
seinen Untersuchungen stellte Turnbull eine Unterkühlbarkeit T ( T = Tm ¡ T)
von verschiedenen Einmetallschmelzen von ca. 20 % ihrer Schmelztemperatur Tm fest.
Dies kann mit der Aktivierungsenergie zur Bildung eines Keims erklärt werden, die
durch die flüssig-fest Grenzfläche bedingt ist [2].
1952 wies Frank [3] darauf hin, dass eine ikosaedrische Nahordnung in unterkühlten
metallischen Schmelzen zu erwarten sei, denn ein ikosaedrisches Cluster ist gegenüber
anderen Clustern der Koordination 12 (z.B. Bausteine der kristallinen Phasen mit ei-
ner kfz- oder hdp-Struktur) energetisch bevorzugt. Das Ikosaeder ist eine Struktur mit
fünfzähligen Symmetrieachsen. Johannes Kepler konnte in seinem Werk”Harmonices
Mundi“ [4] bereits im Jahre 1619 zeigen, dass nur 2-,3-,4- und 6-zählige, nicht aber
5-zählige Symmetrieachsen, mit der Translationsinvarianz des Kristalls vereinbar sind.
Eine ikosaedrische Nahordnung in der Schmelze einfacher Metalle ist demnach inkom-
patibel mit der zu bildenden Struktur der Festkörper, denn Einmetalle sind meist
translationsinvariante Kristalle mit krz, kfz- oder hdp-Struktur. Dies führt daher zu
einer hohen Grenzflächenenergie zwischen fester und flüssiger Phase [5] im Einklang
mit Turnbulls Beobachtung hoher Unterkühlbarkeit von Metallschmelzen.
Die Energie der Grenzfläche zwischen fester und flüssiger Phase wird von der Nahord-
nung der Phasen beeinflusst. Die Nahordnung ist daher für das Keimbildungsverhalten
und damit für die Phasenselektion bei der Erstarrung [6] entscheidend. Deshalb ist das
Verständnis der Nahordnung unterkühlter Schmelzen von grundlegender Bedeutung.
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