Verstärkung von Aluminium: 3 Mechanismus

Reines Aluminium - weich und duktil

Sauber Aluminium, mit Aluminiumanteil 99,8 %, hat im geglühten Zustand eine Streckgrenze von weniger als 20 МПа (2 кГ/мм2) и относительное удлинение более 40 %. Um ein solches Aluminium zur Verwendung als Konstruktionsmaterial geeignet zu machen, werden verschiedene Verstärkungsverfahren darauf angewendet..

Plastische Verformung von Aluminium

Alle Metalle - und auch Aluminium - haben ein kristallines Atomgitter.. Die plastische Verformung von Metallen tritt aufgrund der Existenz von linearen Defekten in ihrem Atomgitter auf - Versetzungen. Die plastische Verformung erfolgt durch die Bewegung dieser Versetzungen, So, z.B, wie auf dem bild gezeigt 1.

LuxationBild 1 - Plastische Verformung durch Versetzungsbewegung
durch das Atomgitter eines plastischen Metalls

Drei Mechanismen der Härtung von Aluminium

Die Essenz der Metallhärtung ist, dass in sein Gitter auf die eine oder andere Weise Hindernisse für die Bewegung von Versetzungen eingebracht werden.

Für Aluminium sind drei Haupthärtungsmechanismen wirksam. Это:

  • деформационное упрочнение (наклеп, нагартовка);
  • упрочнение за счет образования твердого раствора легирующего элемента в алюминии (закалка)
  • упрочнение в результате выделения в алюминии вторичных фаз (старение).

Wiederum, Aluminiumlegierungen können nach ihrem vorherrschenden Härtungsmechanismus klassifiziert werden.

Kaltverfestigung von Aluminium

Versetzungen bewegen sich entlang der am dichtesten gepackten Ebenen des Atomgitters. Diese Ebenen werden Gleitebenen genannt.. Da das Kristallgitter von Aluminium kubisch flächenzentriert ist, dann hat es vier äquivalente Gleitebenen mit jeweils drei Gleitrichtungen. Das summiert sich 12 Schiebesysteme. Je nach vorherrschendem Spannungszustand sind meist mehrere Schlupfsysteme aktiv.. Daher kommt es bei der Verformung von Aluminium ständig zur Wechselwirkung von Versetzungen verschiedener Gleitebenen. Dadurch entstehen dichte Versetzungsknäuel, die Hindernisse für die weitere Bewegung von Luxationen darstellen. In der Nähe dieser Hindernisse entstehen Felder intensiver lokaler Spannungen. Dieser Mechanismus funktioniert für alle Metalllegierungen., die einer plastischen Verformung unterliegen.

Kaltverfestigung durch Kaltwalzen, Ziehen oder Strecken ist eine wirksame Methode, um die Festigkeit von Aluminiumlegierungen zu erhöhen, die sich nicht für eine thermische Härtung eignen. Kaltverfestigungskurven - Kaltwalzen - von geglühten Blechen aus solchen Aluminiumlegierungen, 1100, 3003, 5050 und 5052 in der Abbildung gezeigt 2. Gute Sichtbarkeit, dass eine Erhöhung der Festigkeit von Legierungen mit einer Abnahme der Duktilität einhergeht, die als Prozentsatz der Dehnung beim Zugversuch von Proben gemessen wird.

deformacionnoe-uprochnenieBild 2 – Кривые деформационного упрочнения алюминия (1100),
Aluminium-Mangan-Legierung 3003 und
Aluminium-Magnesium-Legierungen 5050 und 5052.

Stärkung durch Mischkristallbildung

Legierungselemente in einer festen Lösung interagieren mit Versetzungen hauptsächlich durch lokale Spannungsfelder, die zusätzliche Reibungskräfte liefern, wenn sich Versetzungen bewegen. Этот упрочняющий механизм повышает эффективность деформационного упрочнения (наклепа, нагартовки). Aluminiumlegierungen der Serien 3xxx und 5xxx sind typische Beispiele für Legierungen, die durch die Bildung einer festen Lösung von Mangan bzw. Magnesium im Atomgitter von Aluminium eine Härtung erfahren.

Auf dem Bild 3 zeigt den Einfluss des Magnesiumgehalts in einer festen Aluminiumlösung auf die Streckgrenze und Dehnung für die gängigsten Aluminium-Magnesium-Industrielegierungen.

alyuminievje-splavy-5000Bild 3 - Korrelation zwischen Streckgrenze, Dehnung und Magnesiumgehalt in Aluminiumlegierungen der Serie 5xxx

Verstärkung durch Abtrennung der Sekundärphase

Die ausgeschiedenen Partikel der Sekundärphasen im Aluminium sind sehr wirksame Hindernisse für die Bewegung von Versetzungen.. Die Effizienz von Partikeln als Hindernis für die Bewegung von Versetzungen hängt sowohl von der Größe der Partikel ab, und aus der Entfernung zwischen ihnen.

Kleine zusammenhängende Ausscheidungen sind kein wesentliches Hindernis für Versetzungen - sie schneiden sie einfach ab. Mit Zunahme der Partikelgröße der Sekundärphase, sowie der Verlust ihrer Kohärenz mit dem Atomgitter der Aluminiummatrix, der Widerstand der Partikel gegen die Bewegung von Versetzungen steigt. Der Härteanstieg bis zu einem gewissen Maximum bei der künstlichen Alterung von Aluminiumlegierungen erklärt sich gerade durch die fortschreitende Ausscheidung der Sekundärphase. Andererseits, eine Abnahme der Härte während der Überalterung einer Aluminiumlegierung tritt aufgrund einer Vergrößerung des Abstands zwischen den Partikeln der Sekundärphase auf.

Упрочнение алюминиевых сплавов за счет старения – естественного или искусственного – происходит именно по механизму упрочнения за счет выделения вторичных фаз из перенасыщенного твердого раствора (рисунок 4). Diese übersättigte feste Lösung von Legierungselementen in Aluminium wird durch Erhitzen der Aluminiumlegierung erzeugt, bis die Legierungselemente vollständig aufgelöst und schnell abgekühlt sind., z.B, auf Raumtemperatur.

 

starenie-splava-6082Bild 4 - Kurven der natürlichen und künstlichen Alterung
stranggepresste Legierungsprofile 6082

Im Temperaturbereich von Raum bis 60 ° С "Cluster" werden gebildet, die mit dem Atomgitter von Aluminium kohärent bleiben. Dieser Prozess wird "natürliches Altern" genannt.. Es führt zu den Zuständen der Aluminiumlegierungen T1 und T4.

Im Temperaturbereich von 60 zu 220 ° С, es bilden sich intermediär kohärente und semikohärente Sekundärphasen. Dieser Vorgang wird als "künstliches Altern" bezeichnet.. Es gibt Zustände der Aluminiumlegierungen T5 und T6.

Alterungskurven in der Abbildung 4 zeigen den Einfluss der Alterungstemperatur auf die Festigkeitseigenschaften und die Dehnung einer gepressten Legierung 6082. Beachten Sie die höhere Duktilität und geringere Festigkeit nach Alterung bei Raumtemperatur..

Quellen:

Handbuch für Aluminium: Vol. 1: Physikalische Metallurgie und Prozesse / Ed. von George E. Totten, D. Scott MacKenzie

Aluminium und Aluminiumlegierungen (ASM Spezialhandbuch)