Reine Metalle Legieren + Wärmebehandlung (verhältnis-mäßig weich)

ausgeschiedene Teilchen einer 2.Phase in Grundmatrix (Art, Größe und Verteilung bestimmen die Eigenschaften)

mech. Festigkeit, Zähigkeit, und Kriechbeständigkeit

Korrosionswiderstand Optimale Eigenschafts- gute elektrische Leitfähigkeit kombinationen

hohe magnetische Koerzetivfeldstärken

Ausscheidungshärtung 1906 A. Wilm

Al-Legierung mit geringen Gehaltenvon Cu, Mg, Si und FeGlühung bei 550°C, Abschrecken, Lagern bei Raumtemperatur :ALTERN(Mischkristalllöslichkeit steigt mitwachsender Temperatur, sodaß sichnach Abkühlung eine zweite Phase aus dem übersättigten Mischkristallausscheiden kann)

Werkstoffeigenschaften hängen ab von der Art, der Größe und der Verteilung der Teilchen der 2. Phase ab.

Voraussetzungen für Ausscheidungsentstehung (Variante A)

Legierung

Beschränkte Löslichkeit mind. einer Komponente in einer anderen (Mischungslücke)

Löslichkeit muss mit fallender Temperatur abnehmen

Homogenisierungsglühung (TH)AbschreckenAuslagern (TA)

Ausscheidungen

Voraussetzungen für Ausscheidungsentstehung (Variante B)

Eindiffusion eines Drittlegierungselementes über die Oberfläche

Nach Überschreiten des Löslichkeitsproduktes Ausscheidungsbildung bei Behandlungstemperatur

Beispiele

NitrierenNitrocarborierenAufkohlenInnere OxidationBorieren

Ausscheidungsvorgänge

Kontinuierliche Entmischung

Diskontinuierliche Ausscheidung

Inhomogene Ausscheidung kohärentKeimbildung Thermodynamik inkohärent

AusscheidungswachstumDiffusion

OstwaldreifungThermodynamik

Homogene Ausscheidung

Spinodale Entmischung Thermodynamik Bergaufdiffusion

Ausscheidungen kontinuierlich diskontinuierliche

lichmikroskopisch sichtbares Gefüge

Entmischung

Keimbildung und Wachstum („Bergabdiffusion“)

Spinodale Entmischung(„Bergaufdiffusion“, d.h. der Thermodynymische Faktor des Dk muss negativ werden.)

Untersuchungsmethode(Morphologie, Teilchendichte, Größe, chem. Zusammensetzung)

Direkte Abbildung Kleinwinkelstreuung

- Feldionenmikroskopie (AFIM)- ESMA- hochauflösende Elektronenmikroskopie (Raster, TEM)

HomogeneAusscheidung(spinodaleEntmischung)

InhomogeneAusscheidung(KeimbildungWachstum)

Entmischungsvorgänge entlang einer Reaktionsfront, die in das übersättigte Material fortschreitet:

Eutektoide Zerfall (z.B. Perlit-Reaktion + Fe3C)

S - Periodizitätsabstand der Lamellen R - Geschwindigkeit der Reaktionsfront T1 - Unterkühlung von

Diskontinuierliche Ausscheidung (Duplexgefüge)

Eine der beiden Phasen ist von gleicher Struktur (Zusammensetzung und Orientierung unterschiedlich) wie die übersättigte Mutterphase.

kT

ETR

CCRS

CD

D

exp)(

)(8

2

1

Binäre Legierungen

Gesamtzahl der Atome : N

NA - A - AtomeLösungsmittel

NB - B - Atome im Mk gelöst

NN

C AA N

NC B

B

NA + NB = N

CA + CB = 1 CA = 1 - CB

Vorteil: nur 1 unabhängige Variable

Entropie S S = k . ln W k - Bolzmannkonstante W - Zahl der möglichen Verwirklichungen eines Systems unter Wahrung der Konzentration

!NB!NA

!NlnkSkonf

Beispiel: 1000 Gitterplätze 999 A-Atome 1 B-Atom 1000 Möglichkeiten

1000lnk!1!999

1000!999lnk!1!999

!1000lnk!NB!NA

!NlnkW

1000 Gitterplätze 998 A-Atome 2 B-Atom 499000 Möglichkeiten

499000lnk!2!9981000999!998lnk

!2!998!1000lnk

!NB!NA

!NlnkW

9,61000ln

1,13499000ln

Ziel: Berechnung der Zahl der Realisierungsmöglichkeiten (nur für vereinfachte Modelle möglich)

ideale Lösungen

)lnln(

ln

ln.!:'

)!()!(

!

BBAA

M

BA

M

A

B

Nk

kS

NNNNscheFormelStirling

NN

NikKombinator

AtomeAderZahlN

AtomeBderZahlN

Mischungsentropie einer idealenLösung als Funktion des Molen-bruchs

Ziel: Berechnung der Zahl der Realisierungsmöglichkeiten

nur für vereinfachte Modelle möglich

ideale Lösungen reguläre Lösung Einbeziehung der WW zwischen NN:

Freie Mischungsenergie Gesamte Bindungsenergie im Mk Ideale Mischungsentropie

FM = EM - SM T N - Zahl der Atome ij 0 (Anziehung, Wechselwir- n - Zahl der Nachbarn kungsenergie mit Nachbarn)

Vertauschungsenergie = AB - 1/2 ( AA - BB )

Kombinatorik über Paarverteilung im Mk führt zur

Freien Mischungsenergie FM = NnAB + NkT (AlnA+BlnB) A+b = 1 FM = f (b ) Spinodale

Löslichkeitskurve und Spinodale ( Modell der regulären Lösung )

Entmischung

Keimbildung und Wachstum („Bergabdiffusion“)

Spinodale Entmischung(„Bergaufdiffusion“, d.h. der Thermodynymische Faktor des Dk muss negativ werden.)

Verschiedene Kohärenzgrenzen

Freie Keimbildungsenthalpie als Funktion des Keimradius für verschiedene Keimbildungsmechanismen (nach E. Hornbogen)

1 homogene Keimbildung für nichtkohärente Umwandlung

2 homogene Keimbildung für kohärente Umwandlung

3 heterogene Keimbildung an Stabelfehlern

4 heterogene Keimbildung an Versetzungen

5 heterogene Keimbildung an Leerstellenausscheidungen

AusscheidungswachstumDer Antransport durch Diffusion ist geschwindigkeitsbestimmend.

Schematische Darstellung der Konzentrationsverteilung C(r) um ein wachsendes Teilchen

R - Radius des TeilchensC0- ist die Konzentration des Mischkristalls vor der Ausscheidungsbehandlung Cα die Gleichgewichtskonzentration bei der Behandlungstemperatur

Die Transformationsgleichungenvon kartesischen in Kugelkoordinaten

Die Rücktransformationsgleichungen:

Die Diffusionsgleichung für C-unabhängigen Dk insphärischen Polarkoordinaten:

kugelförmige Teichen:

r

C

rr

CD

t

C

trieaxialeSyme

r

C

rr

CD

t

C

rieKugelsymet

ryrx

2

:

2

:

sincos

2

2

2

2

Wachstumskinetik verschiedener Teilchenformen

Scheibchenfür2

5mln;Nadefür2mln;Kugefür

2

3m(

.propendenesVolumAusgeschie tVm

ß

Auflösung

Wachstum

Kon

zent

ratio

n

AluminiumwerkstoffeÜbersicht über aushärtbare (grün) und nichtaushärtbare (rot)

Legierungen auf Al-Basis

Intermetallische Phasen in Al-Legierungen

Al8 Fe Mg 3 Si6

Si Mn Fe Cu Mg

Al6MnAl6(Mn,Fe)

Al18Mg3Mn2

Al3FeAl3(Fe,Mn)

Al2CuAl2(Cu,Fe) Mg2SiMg2Si

Al12Mn3SiAl15Mn3Si

Al2Cu Mg (T)Al6Cu Mg4 (S)

Al7Cu2Fe

Al12Fe3 Si Al5 Fe SiAl8 Fe2 Si Al9 Fe2 Si2

Al5Cu2 Mg8 Si

Al8Mg5

Al15(Mn,Fe)3Si2

C2: Mikrostrukturen und mechanisches Verhalten von sekundär erzeugten Aluminiumwerkstoffen nach Erstarrung, Umformung und Wärmebehandlung

Fremddiffusion in Aluminium

Mg

System Aluminium - Kupfer

- Phase: tetragonal, inkohärentsehr hohe Grenzflächen-und Keimbildungsenergie

Reihe von metastabiler Phasen

Wärmebehandlung Verteilung der Kupferatome Größe derAusscheidungen(D=Durchmesser,S=Dicke)

Etappe I Keine größtenteils Ausscheidungen ausGleichgewichtsphase Al2Cu

D: 1-10 µm

Etappe II Lösungsglühen bei500°C undAbschrecken aufRaumtemperatur

alles Kupfer in Lösung

Etappe III Kaltauslagerung beiRaumtemperatur

Zerfall des übersättigtemMischkristalls durch kohärenteAusscheidungen (G.-P.-I-Zonen)

D: bis 10 µm,S: ca. 0,2 µm

Etappe IVa kurze Erwärmung auf150-200°C

Auflösung der G.-P.-I-Zonen(Rückbildung), temporärerHärterückgang

Etappe IVb Warmauslagern bei150°C

Anreicherung Kupferatome inkohärenten G.-P.-II-Zonen,Ausbildung metastabiler,teilkohärenter ´-Phase,Härtemaximum bei Gemisch vonbeiden

D: 10-70 nmS: 1-5 nm

D: 0,5-1µmS: 3-10 µm

Etappe V Überhärten durch zulange Zeit oder zuhohe Temperatur

Ausscheidung der inkohärenten -Phase, Überalterung, Rückgang derHärtewerte

D: ca. 0,1-3 µmS: ca. 0,1-3 µm

Aushärtungsverhalteneiner Aluminiumlegierung

mit 4% Cu

Bildung anKorngrenzen

Bildung bevorzugtan Versetzungen

Homogene Bildung

Löslichkeitskurven von Cu in Al in Gegenwart verschiedener Phasen

Stabile Ausscheidungspase im Gg mit : Al2Cu (teragonal und inkohärent)

Bildung von Cu-reichen metastabilen Phasen, die ähnlich sind.

GP IGPII ( oder ‘‘)und ‘

Kristallstrukturen im System Al-Cu

Mischkristall Gg-Phase

MetastabilePhase ‘

MetastabilePhase ‘‘

Fortschreiten der Ausscheidung über Zonenbildungund Entstehung teilkohärenter Ausscheidungen

Härteisotherme verschiedenerAl-Cu-Legierungen bei 130°C

Härteisotherme verschiedenerAl-Cu-Legierungen bei 190°C

Schematische Darstellung von

GPI - Zone GPII - Zone Cu-Atome Al-Atome

Ausscheidungen bei Kaltauslagerung (GPII-Zonen)

GPII-Zonen in Al-Matrix Wechselwirkung von GPII-Zonen mitV: 15000:1 Versetzungen

Ausscheidungen bei Warmauslagerung

Al2Cu-Teilchen Wechselwirkung vonAl2Cu-TeilchenV 15000:1 mit Versetzungen

NickelwerkstoffeHochtemperaturwerkstoff (Superlegierung)

Einsatz bis T 0,8 Tm

- Matrix (‘-Phase) : kfz-Mk auf Ni-Basis mit großen Mengen an löslichen Elementen (10%Co, 5%Cr, 10%Mo, 5%W)- Intermetallische Phase ‘ ‘= Ni3(Al,Ti)

Festigkeitseigenschaften bei hohem T durch ausgezeich-nete Kohärenz zwischen und ‘

geringe Grenzflächenenergiehohe Stabilität der ‘-Teilchen

SuperlegierungenBesondere Eigenschaften durch:

- den hohen Gehalt an LE im Mk Mischkristallhärtung, Herabsetzung der Diffusionsbeweglichkeit Verlangsamung der Kriechprozesse

- Ausscheidungshärtung durch feine ‘-Teilchen, die nach Ab- schrecken der Leg. Durch Ausscheidungsglühung entstehen

- Fixierung des Gefüges durch Ausscheidung von Karbiden an den Korngrenzen

Hartmagnetische Werkstoffe

AlNiCo FeCrCo

Permanentmagnetlegierungen

(8%Al, 15%Ni, 26%Co einige %Ti u.Cu, Rest Fe)Homogenisieren - AusscheidungsglühenMk zerfällt in Ausscheidungsbehandlung

- kfz schwach- oder nichtferromagnetisch - Phase (Ni und Al)

Einbereichsteilchen- krz-ferromagnetische ‘ -Phase (Fe,Co) mit hoher Sättigungspolarisation (sog. Einbereichsteilchen), deren Magne- tisierungsrichtung bei Glühung im Magnetfeld vorgegeben werden kann

Ausscheidungen sowohl überKeimbildung und Wachstumals auch über Spinodale Ent-mischung