Werkstofftechnik Praktikum-Versuch Nr.10 "Festigkeit ...

Werkstofftechnik
Prof. Dr.-Ing. G. Kötting
Prof. Dr. J. Peterseim
Dipl.-Ing. J. Schifter
Schifter-VERS-10.DOC 09.03
1. Grundlagen
Praktikum-Versuch Nr.10
"Festigkeit ausscheidungshärtbarer Aluminiumlegierungen"
Möglichkeiten der Festigkeitssteigerung, Legierungssysteme des Aluminiums
Die breite Nutzung der Vorteile des Aluminiums, nämlich seine geringe Dichte und große
Korrosionsbeständigkeit, für den Maschinen-, Flugzeug-, Fahrzeugbau und das Bauwesen wurde wesentlich
erweitert durch die Möglichkeiten zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften.
Um die Festigkeit eines Metalls zu erhöhen müssen bekanntlich die Versetzungen als Träger der plastischen
Verformungsmechanismen in ihrer Bewegung behindert bzw. blockiert werden. Wie bei allen Metallen
können dazu auch bei Aluminiumwerkstoffen die Verfestigung durch Mischkristallbildung, sowie die
Kaltverfestigung ausgenutzt werden (siehe Kap 3.4.3 der Vorlesung). Darüber hinaus kommt der Festigkeitssteigerung
durch Ausscheidungshärtung für die technische Anwendung der Aluminiumwerkstoffe eine
große Bedeutung zu.
Die Ausscheidungshärtung ist an bestimmte Legierungselemente gebunden. Ausscheidungshärtbar sind
Werk-stoffe der folgenden Legierungsgruppen, die durch die angegebenen Hauptlegierungselemente
gekennzeichnet werden:
- AlCuMg - Legierungen (2000-er Reihe)
- AlMgSi - Legierungen (6000-er Reihe)
- AlZnMg - Legierungen (7000-er Reihe)
Bei aushärtbaren Legierung kann selbstverständlich eine Festigkeitserhöhung durch Kaltverfestigen
überlagert werden.
Folgende Legierungen sind technisch nicht aushärtbar:
- Al - Legierungen mit Al-Gehalt >99% (1000-er Reihe)
- AlMn - Legierungen (3000-er Reihe)
- AlMg- bzw. AlMgMn - Legierungen (5000-er Reihe)
Eine Festigkeitserhöhung kann in diesen Fällen nur über Mischkristall- und Kaltverfestigung erzielt werden.
Legierungen vom Typ AlSi (4000-er Reihe) sind teilweise aushärtbar.
Prinzip der Festigkeitssteigerung durch Ausscheidungshärtung
Zur Festigkeitssteigerung sind Ausscheidungen ganz bestimmter Teilchendurchmesser und in einer definierten
Anzahl erforderlich. Größe und Menge müssen darauf abgestimmt sein, daß Versetzungen, die
Träger der Gleitprozesse während der Verformung sind, in ihrer Fortbewegung effektiv behindert werden. Dadurch
wird die Fließgrenze oder allgemein die Festigkeit des Metalles erhöht. Typische Teilchendurchmesser
bei aushärtbaren Aluminiumlegierungen sind ca. 1nm und typische Teilchenabstände 10 nm bis 20 nm.
Somit befinden sich in einem Kubikmillimeter Legierung etwa 10 10 bis 10 20 solcher Teilchen. Kohärente
Phasengrenzen zwischen ausgeschiedenen Verbindungskristallen und Al-Matrix wirken sich positiv aus.
Wärmebehandlung und Ausscheidungshärtung
Der Ablauf der Ausscheidungshärtung gliedert sich in folgende Teilschritte:
Lösungsglühen Erwärmen auf eine Temperatur, bei der möglichst alle von den zur Aushärtung führenden
Legierungsatome im Mischkristall gelöst sind.
Abkühlen Durch rasches Abkühlen von Glühtemperatur auf Raumtemperatur sollen die
Legierungsatome bei hinreichend geringer Beweglichkeit (also im
thermodynamischen Ungleichgewicht) über- sättigt im Mischkristall in Lösung
bleiben. Bei vielen Legierungen ist dazu eine schnelle Ab- kühlung
(Abschrecken mit Wasser) erforderlich.

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Auslagern Längeres Lagern bei Raumtemperatur (Kaltauslagern) oder erhöhten Temperaturen
(Warmaus- lagern) führt zur diffusionsgesteuerten Ausscheidung der
Legierungsatome unter Bildung von
Verbindungskristallen entsprechender Teilchengröße und -verteilung.
Temperaturen und Zeiten, die bei der Auslagerung eingehalten werden müssen, hängen von
den einzelnen Legierungen ab und werden von den Aluminiumherstellern
angegeben.
Der Aushärtungsablauf und die dabei auftretenden Vorgänge sollen am Beispiel des Legierungstyps Al-Mg-Si
dargestellt werden. In diesem Dreistoffsystem bildet Magnesium mit Silizium eine intermediäre Phase Mg2Si.
Diese Verbindung kann man als selbstständige Legierungskomponente betrachten. Man kann dann mit
dieser Verbindung und dem Aluminium ein Zweistoff-Zustanddiagramm aufstellen, wie es in Bild 1a
schematisch für die Al-reiche Seite des Diagramms dargestellt ist. Der erste Schritt der Wärmebehandlung,
das Lösungsglühen, erfolgt bei Temperaturen um ca. 500°C (Punkt 1 in Bild 1a). Die Dauer des
Lösungsglühens ist derart zu bemessen, daß alle evtl. vorhandenen Ausscheidungen an Mg 2Si, die vom
Gußzustand oder von vorausge-gangenen Wärmebehandlungen noch vorhanden sein können, mit Sicherheit
im α -Mischkristall gelöst werden. Das ist je nach konkreter Legierung nach einer Zeit von 1/2 bis 2 Stunden
abgeschlossen.
Anschließend wird der Werkstoff auf Raumtemperatur abgeschreckt. Die Diffusionsvorgänge laufen jetzt
nicht mehr oder nur noch sehr träge ab. Die Festigkeit ist im abgeschreckten Zustand gering und entspricht
in etwa der Mischkristallverfestigung. Erforderliche Kaltverformungen werden zwechmäßig in diesem Zustand
geringer Festigkeit vorgenommen. In Bild 1a und b entspricht der jetzt vorliegende Zustand dem Punkt 2.
Aus Bild 1a wird deutlich, daß dies kein Gleichgewichtszustand ist. Der homogene α-Mischkristall wurde auf
Raumtemperatur eingefroren. Es liegt eine instabile, übersättigte Lösung vor. Das abschließende Aushärten
erfolgt bei Tem-peraturen, die bei Legierungen des Systems AlMgSi zwischen 150 und 250°C liegen können
und nimmt je nach Temperatur Zeiten zwischen einer halben Stunde und mehreren Stunden in Anspruch.
Die höheren Temperaturen bewirken günstigere Diffusionbedingungen für die Legierungsatome, so daß die
Ausbildung feinst ver-teilter Ausscheidungen ermöglicht wird. Die Festigkeit des Werkstoffs steigt damit an,
siehe Skizze in Bild 1c.
a)
+ S
S
Mg2Si - Gehalt
1 Lösungsglühen
2 Abschrecken
3 Auslagern
(aushärten
\WT-MB\PRAKT\BILDER.DRW
1
2
b)
3
Zeit t
Zeit t
c)
Bild 1:
Ausscheidungshärtung
einer Aluminiumlegierung
(schematisch)
a) Zustandsdiagramm
des Systems
Mg2Si - Al
b) Temperatur-Zeit-Verlauf
c) zeitlicher Verlauf der
Festigkeit
Legierungen des Typs AlMgSi erfordern nach dem Lösungsglühen immer eine Abschreckung (Mindestabkühlgeschwindigkeit)
um die Legierungsatome zunächst zwangsgelöst zu halten. Bei langsamerer Abkühlung
erfolgen die Ausscheidungen in grober und damit bezogen auf die Festigkeit in weniger wirksamer
Form. Grundsätzlich gibt es für jede konkrete Legierung bestimmte Temperaturen und Haltezeiten, die bei
der nachfolgenden Warmauslagerung zu optimalen Festigkeitswerten führen. Zu lange Haltezeiten führen
beispiels-weise zur Vergröberung und Koagulation der Ausscheidungen und damit zu Festigkeitseinbußen.
Davon abweichend ist das Verhalten der Legierungen der Gattung AlZnMg. Auch bei relativ geringen
Abkühlge-schwindigkeiten kann nach dem Lösungsglühen eine Zwangslösung der Legierungsatome erzielt
werden. Durch Auslagern bei Raumtemperatur (Kaltauslagerung) stellt sich (allerdings erst nach Wochen)
diffusionsgesteuert eine Festigkeitssteigerung infolge Ausscheidungsbildung ein.
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2 Aufgaben und Durchführung des Praktikum-Versuchs
Es sind Zugproben einer Legierung des Typs AlMgSi zu untersuchen. In Zugversuchen sind die Dehngrenze,
die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung für folgende Werkstoffzustände zu ermitteln:
A Anlieferungszustand, d.h., lösungsgeglüht, abgeschreckt und warmausgelagert
B lösungsgeglüht und abgeschreckt, ohne Warmauslagerung
C-E lösungsgeglüht und abgeschreckt, bei bestimmter Temperatur über vier verschiedene Zeiten
warmausgelagert
Durchführung
a Die Werkstoffzustände sind in Tabelle 1 eingetragen.
b Anfangsprobenquerschnitt So berechnen, sowie Anfangsmeßlänge Lo= [5 x d0] anreißen,
sehr genau ausmessen und in Tabelle 2 eintragen.
c Dehngrenzkraft Fp0,2, maximale Zugkraft Fm und Meßlänge Lu nach dem Bruch aus dem
Meßschrieb der Prüfmaschine bzw. an der Probe ermitteln und in Tabelle 2 eintragen.
d Werte für Dehngrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung errechnen und in Tabelle 2 eintragen.
e Werte für Dehngrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung in Diagramm 1 als Funktion der
Warmauslagerzeit eintragen und Ausgleichslinien durch die Meßpunkte zeichnen.
Tabelle 1: Werkstoffzustände der Proben aus der Legierung: . . . . . .AlMgSi1. . . . .
Probe Temperatur
[°C]
Lösungsglühen Warmauslagerung
Zeit
[Min]
abgeschreckt
mit
Temperatur
[°C]
Zeit
[Min]
A Lieferzustand ----- ----- ----- -----
B 540 30 H2O ----- -----
C 540 30 H2O 180 15
D 540 30 H2O 180 30
E 540 30 H2O 180 45
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Tabelle 2: Abmessungen und Kennwerte der Proben
Nr:
A
B
C
D
E
Querschnitt
[mm 2 ]
Dehngrenzkraft
Fp0,2
[N]
Dehngrenze
Rp0,2
[MPa]
max.
Zugkraft
Fm
[N]
Zugfestigkeit
Rm
[MPa]
Anfangsmeßlänge
Lo
[mm]
Meßlänge
nach
Bruch Lu
[mm]
Diagramm 1: Dehngrenze, Zugfestigkeit Bruchdehnung in Abhängigkeit von der
Warmauslagerungszeit
Verlängerung
∆L
[mm]
↑ ↑
MPa %
0 15 30
→
45
t [min]
Bruch-
Dehnung
A5
[%]