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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
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