Ausscheidungshärtung IV - MaWi

Aushärtung von
Aluminiumlegierungen
Fortgeschrittenen-Praktikum I [B.FP 1]
FG Physikalische Metallkunde
Hochspannungsfreileitung
Wärmetauscher
Lernziele:
▪ Vorgang der Ausscheidungshärtung
▪ Messung von Härte, Streckgrenze und Zugfestigkeit
Zur Durchführung des Praktikums ist eine gute Vorbereitung des Versuchs notwendig. Nehmen Sie sich daher
bitte einige Zeit, diese Unterlagen vorher durchzuarbeiten.
Die Grundlagen aus dem Grundpraktikum 2 [B.GP 2] „Mechanische Eigenschaften I - Elastisch-plastisches
Verformungsverhalten“ sowie Kenntnisse über Phasendiagramme der Vorlesung „Festkörperthermodynamik“
werden vorausgesetzt.
Betreuer:
Vanessa Kaune, email: v.kaune@phm.tu-darmstadt.de; Tel.: 16-5594
Daniel Janda, email: d.janda@phm.tu-darmstadt.de; Tel.: 16-5596
Daniel Schliephake, email: d.schliephake@phm.tu-darmstadt.de; Tel.: 16-5596

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Grundlagen 2
2.1 Verfestigungsmechanismen 2
2.1.1 Mechanismen der Teilchenhärtung 2
2.2 Ausscheidungshärtung 3
2.2.1 Kaltaushärtung 6
2.2.2 Warmaushärtung 6
2.2.3 Ausscheidungsfreie Zonen 7
2.3 AlZnMg(Cu)-Legierungen 7
2.3.1 Ausscheidungsverhalten der Legierung 7075 bei Kalt- und Warmaushärtung 8
2.3.2 Spezielle Aspekte der Wärmebehandlung 9
2.4 Härteprüfverfahren 11
2.4.1 Brinellverfahren 11
2.4.2 Vickersverfahren 11
2.5 Zugversuch 12
2.5.1 Zusammenhang zwischen Härte und Zugfestigkeit 12
3 Versuchsdurchführung 13
4 Ausarbeitung 13
5 Fragen zur Vorbereitung 13
6 Literatur 14

1 Einleitung
Festigkeit und Verformbarkeit (Plastizität) sind wichtige
mechanische Eigenschaften bei der Wahl einer Legierung und
der Auslegung des Bauteils für den jeweiligen
Anwendungsfall. Sie bestimmen einerseits die Widerstandsfähigkeit
gegenüber der Einwirkung äußerer Beanspruchungen
und sind andererseits die entscheidenden Parameter für die
Verarbeitung der Werkstoffe zu Halbzeugen oder Formteilen.
Als Kennwert für die Festigkeit wird die Streckgrenze, die
höchst mögliche Beanspruchung, die der Werkstoff elastisch
ertragen kann, verwendet. Im Transportbereich oder bei
Sportartikeln ist eine hohe Festigkeit bei niedrigem Gewicht
erforderlich.
Im Gegensatz zum E-Modul erstreckt sich die Bandbreite der
Festigkeit bei metallischen Werkstoffen über einen weiten
Bereich. Bei Aluminiumlegierungen z. B. unterscheiden sich
die Streckgrenzen je nach Legierung und Verarbeitung um
mehr als den Faktor 10, von 30 bis 500 MPa bei nahezu
unveränderter Dichte (s. Abb. 2).
Aluminiumlegierungen werden in drei Hauptklassen aufgeteilt:
Abb. 1 Spezifische Festigkeit verschiedener Werkstoffe
• Gusslegierungen
• aushärtbare Knetlegierungen
• nicht aushärtbare Knetlegierungen
Sie verdanken ihre Bedeutung einer Reihe sehr vorteilhafter
Eigenschaften:
• Günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Dichte
(Abb. 1)
• Günstiges Verhältnis von elektrischer
Leitfähigkeit zu Dichte
• Gute Witterungs- und Korrosionsbeständigkeit
Um Konstruktionswerkstoffe mit hoher Festigkeit zu
entwickeln, muss die Bewegung der Versetzungen durch
Hindernisse erschwert werden, da die plastische Verformung
von Metallen im Wesentlich durch die Beweglichkeit der
Abb. 2 Spezifische Festigkeit von Aluminiumlegierungen
Versetzungen bestimmt wird. Die Festigkeitssteigerung kann durch
unterschiedliche Arten erfolgen, wobei die Ausscheidungshärtung
die wichtigste Methode bei den Aluminiumlegierungen darstellt.
In diesem Praktikumsversuch soll daher am Beispiel der Aluminium-Legierung EN AW 7075 der technisch wichtige
Vorgang der Ausscheidungshärtung anhand der Änderung der mechanischen Eigenschaften gezeigt werden.
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 1

2 Grundlagen
2.1 Verfestigungsmechanismen
Die Steigerung der Festigkeit eines reinen, defektfreien
Einkristalls kann auf die Hinderniswirkung unterschiedlicher
Gitterdefekte auf die Versetzungs-Bewegung zurückgeführt
werden (siehe Abb. 3):
• Verformungsverfestigung
• Mischkristallverfestigung
• Feinkornhärtung
• Teilchenhärtung (Ausscheidungen, Dispersoide)
Die gesamte Festigkeitssteigerung ergibt sich aus der Summe
der Einzelbeiträge.
Im Folgenden wird nur auf die Teilchenhärtung eingegangen.
Abb. 3 Festigkeitssteigerung ∆R durch verschiedene
Hindernisarten.
2.1.1 Mechanismen der Teilchenhärtung
Grundlage der Teilchenhärtung ist die Wechselwirkung der Versetzungen mit den Teilchen, wodurch die
Versetzungsbewegung behindert wird und eine zusätzliche Spannung nötig ist, um die gleiche plastische
Verformung wie in einer ungestörten Matrix zu erzeugen.
Bei den Teilchen unterscheidet man zwischen Dispersoiden und Ausscheidungen. Dispersoide sind weitgehend
inkohärent, thermisch sehr stabil und werden häufig pulvermetallurgisch in die Matrix eingebracht. Ausscheidungen
hingegen entstehen durch Phasenumwandlungen und sind von der Matrix durch Phasengrenzen getrennt, die
kohärent, teilkohärent oder inkohärent vorliegen können. Je nach Art dieser Phasengrenzen wechselwirken die
Versetzungen unterschiedlich mit den Ausscheidungsteilchen:
Bei kohärenten Ausscheidungsteilchen setzt sich die kristallografische Ebene, auf der sich die Versetzung bewegt, in
der Ausscheidung mit leichter Verzerrung fort. Kleine kohärente Teilchen werden von den Versetzungen geschnitten
und jeweils um den Burgers-Vektor b abgeschert (Abb. 4).
Abb. 4 Schneiden eines kohärenten Ausscheidungsteilchens
Es entstehen neue Phasengrenzen, deren Energie beim Schneiden des kohärenten Ausscheidungsteilchens zusätzlich
aufgebracht werden muss und dadurch einen Widerstand gegen die Versetzungsbewegung darstellt. Je größer die
Teilchen werden, desto mehr Energie muss aufgebracht werden und desto größer ist auch der Widerstand gegen eine
plastische Verformung und somit die Festigkeits-/Härtesteigerung (∆τ) durch den Schneidprozess:
∆ ~ √
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 2

Erreichen die Teilchen einen kritischen Teilchenradius r crit , müssen die Versetzungen für den Schneidmechanismus
zu viel Energie aufbringen und es ist leichter, die Teilchen zu umgehen. Dieser Umgehungsmechanismus wird als
Orowan-Mechanismus bezeichnet. Dabei legt sich die Versetzungslinie um die Ausscheidung, bis es zur
Annihilation kommt und ein Versetzungsring um die Ausscheidung zurück bleibt (Abb. 5)
Abb. 5 Orowan-Mechanismus
Abb. 6 Umgehungsmechanismus in Abhängigkeit des
Teilchenabstandes L
Je geringer der Abstand zwischen den Teilchen ist, die von der Versetzung umgangen werden (Abb. 6), desto mehr
Energie muss die Versetzung für den Umgehungsmechanismus aufbringen. Die Festigkeits-/Härtesteigerung durch
den Umgehungsmechanismus ist demnach umso größer, je geringer der Abstand der Ausscheidungsteilchen ist:
∆ ~ 1
Inkohärente Ausscheidungen besitzen eine andere Kristallstruktur als die Matrix und werden von Versetzungen
immer umgangen (Orowan-Mechanismus).
2.2 Ausscheidungshärtung
Die Voraussetzungen für die Ausscheidung einer feindispersen zweiten Phase aus einem homogenen Mischkristall
sind:
• hohe Löslichkeit der Gleichgewichtsphase bei hohen Temperaturen
• abnehmende Löslichkeit der Gleichgewichtsphase in der Matrix mit abnehmender Temperatur
Die Legierung der Komponenten A und B (Abb. 7) weist auf der A-reichen Seite des Phasendiagramms eine
ausgeprägte Randlöslichkeit auf und die Löslichkeit der Komponente B in der Komponente A nimmt mit sinkender
Temperatur ab. Die Legierung AB ist also ausscheidungshärtbar. Der grundsätzliche Ablauf der
Ausscheidungshärtung verläuft in drei Schritten:
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 3

Abb. 7 Schematisches Phasendiagramm einer ausscheidungshärtbaren
Legierung
Lösungsglühen (Homogenisieren):
Eine Legierung der Komponenten A und B mit der
Zusammensetzung X Leg wird bei einer Temperatur T h
geglüht. Es entsteht ein homogener α-Mischkristall,
in dem die B-Atome regellos Gitterplätze in der A-
Matrix einnehmen.
Abschrecken:
Durch rasches Abkühlen von T h auf Raumtemperatur
RT wird dieser homogene Zustand „eingefroren“.
Die Legierungselemente (Komponente B) bleiben in
der α-Matrix (Komponente A) zwangsgelöst. Es
entsteht ein übersättigter Mischkristall, der
thermodynamisch nicht stabil ist.
Auslagern (Altern):
Die Auslagerung des übersättigten Mischkristalls
erfolgt bei einer Temperatur T w , die unterhalb der
Segregatlinie liegt. Aus dem übersättigten α-
Mischkristall scheidet sich die stabile und
inkohärente Gleichgewichtsphase β mit dem
Volumenanteil V β aus. Die verbleibende
Konzentration an B-Atomen in der Matrix beträgt
X w .
Die Ausscheidung der inkohärente Gleichgewichtsphase β erfolgt allerdings nicht gleich zu Beginn des
Auslagerungsprozesses, sondern über eine Ausscheidungssequenz. Je nach Auslagerungstemperatur und –dauer
werden vor Beginn der Ausscheidung der stabilen β-Phase verschiedene metastabile Ausscheidungsphasen gebildet,
die kohärente und teilkohärente Phasengrenzen zur Matrix besitzen (Abb. 8).
Zu Beginn der Auslagerung bilden sich nach einer gewissen
Inkubationszeit (für die Keimbildung) zunächst
Ausscheidungsphasen mit kohärenten und teilkohärenten
Phasengrenzen zur Matrix. Mit zunehmender
Auslagerungsdauer t wachsen die Ausscheidungen aufgrund von
Diffusionsprozessen, wodurch es für die Versetzungen immer
schwerer wird, diese zu schneiden. Dies resultiert in einem
Abb. 8 schematische Darstellung der Ausscheidungsfolge
Festigkeits-/Härteanstieg (Abb. 9). Ab dem kritischen
Teilchenradius setzt der Orowan-Mechanismus ein und die
Ausscheidungsteilchen werden leichter umgangen als geschnitten. Mit zunehmender Auslagerungsdauer jedoch
nimmt auch der Volumenanteil der (teil)kohärenten Ausscheidungsphase weiter zu, wodurch der Teilchenabstand L
immer geringer wird und somit zu einem Festigkeits-/Härteanstieg führt. Die Probe befindet sich im
Aushärtungszustand (Under-Aged).
Wird der Gleichgewichtszustand (t GG ) erreicht, ist der Mischkristall gesättigt. Der Volumenanteil der
ausgeschiedenen Phase ändert sich nicht mehr und die Hinderniswirkung auf die Versetzungen erreicht ein
Maximum (maximal gehärteter Zustand = Peak-Aged). Die Ausscheidungen im Gleichgewichtszustand besitzen nun
eine inkohärente Phasengrenze zur Matrix und werden von den Versetzungen nur noch umgangen. Mit weiterer
Zunahme der Auslagerungsdauer t kommt es bei konstantem Volumenanteil zum weiteren Wachsen der
inkohärenten Ausscheidungen auf Kosten von kleineren Ausscheidungen (Ostwald-Reifung). Daraus resultiert eine
abnehmende Ausscheidungsanzahl und ein zunehmender Teilchenabstand L, wodurch die Ausscheidungen wieder
leichter umgangen werden können. Die Festigkeit/Härte nimmt ab und die Probe befindet sich im überalterten
Zustand (Over-Aged).
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 4

Abb. 9 Schematische Darstellung der Festigkeits-/Härtesteigerung durch die Ausscheidungen
In Abhängigkeit von Auslagerungstemperatur und –zeit
können bei aushärtbaren Aluminiumlegierungen
verschiedene Werkstoffzustände eingestellt werden. Die
Werkstoffzustände werden durch nachfolgende
Bezeichnungen festgelegt, die durch zusätzliche Ziffern
weiter unterteilt werden können (Abb. 10).
F: Herstellungszustand
O: Weichgeglüht
H: Kaltverfestigt
W: Lösungsgeglüht
T: Wärmebehandelt auf andere stabile Zustände als F, O
oder H
Abb. 10 Wärmebehandlungszustände von Aluminiumlegierungen
Je nach Werkstoffzustand werden unterschiedliche
Aushärtungszustände erreicht (Abb. 11).
Abb. 11 Aushärtungszustände durch die Wärmebehandlung
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 5

2.2.1 Kaltaushärtung
Die Ausscheidungsfolge bei der Kaltaushärtung besteht aus zwei Schritten:
α übers → Cluster → kohärente GP(II)-Zonen
1. Im übersättigten α-Mischkristallgitter (α übers ) erfolgt eine homogene Entmischung
→ Es entstehen sogenannte Cluster, Ansammlung von Legierungsatomen ohne erkennbare Struktur und
Ordnung.
2. Die Cluster entwickeln eine innere Struktur.
→ Je nach Unterschied der Gitterparameter zwischen Matrix und Entmischungszone bilden sich kugel-,
stäbchen- oder plättchenförmige Anordnungen von Legierungsatomen mit bestimmter Orientierung zum
Kristallgitter der Matrix.
→ Die Größe liegt im Bereich weniger Nanometer.
→ Diese Zonen mit innerer Struktur werden als GP-Zonen bezeichnet (Guinier-Preston Zonen)
Die Obergrenze des Temperaturbereiches für die Kaltaushärtung liegt je nach Legierungssystem zwischen 80 und
100°C. Bei höheren Temperaturen lösen sich die GP(I)-Zonen auf oder sie wachsen auf Kosten nicht
wachstumsfähiger Zonen und wandeln sich dabei in die nächst stabileren Formen, d. h. (GP(II)-Zonen und
teilkohärente Ausscheidungen, um. Eine Kaltaushärtung liegt vor, wenn es während der Auslagerungsdauer
ausschließlich zur Bildung von Clustern und GP-Zonen kommt.
2.2.2 Warmaushärtung
Je nach Höhe der Auslagerungstemperatur bilden sich metastabile Phasen, deren Zusammensetzung und Struktur
zunehmend der jeweiligen Gleichgewichtsphase entsprechen.
α übers → Cluster → kohärente GP(II)-Zonen → teilkohärente metastabile Übergangsphase →
Gleichgewichtsphase
Der Übergang von einem Ausscheidungsstadium zum nächsten geschieht je nach Legierungssystem durch die
Vergrößerung wachstumsfähiger Ausscheidungen auf Kosten von Teilchen mit unterkritischer Größe. Die
Kohärenzspannungen nehmen zu, bis die Gitterkohärenz teilweise oder ganz verloren geht. Der Verlust der
Kohärenz erfolgt durch den Einbau von Versetzungen in der Grenzfläche zwischen Matrix und Ausscheidung. Bei
hoher Auslagerungstemperatur und langer Auslagerungszeit wandeln sich die teilkohärenten Ausscheidungen in die
stabile Gleichgewichtsphase um. Bei weiterer Wärmebehandlung kommt es zur Überalterung durch eine
Vergröberung (Ostwaldreifung) und zum vollständigen Kohärenzverlust der Phasen, wodurch die Festigkeit
abnimmt.
Das erreichbare Härtemaximum wird durch die Anzahl, Größe
und Verteilung der Ausscheidungsphasen sowie je nach
Legierungsart durch kohärente GP(II)-Zonen (z.B. AlMgSi-
Legierungen) oder teilkohärente Übergangsphasen (z.B.
AlZnMg(Cu)-Legierungen) bestimmt.
Höchste Härtesteigerung bei der Warmauslagerung erfordert:
• möglichst hohe Teilchenzahl
• geringen Teilchenabstand
• gleichmäßige Verteilung
• hohes Maß an Kohärenz
Abb. 12 links:unterschiedliche Ausscheidungsphasen im
2-Phasen-Gebiet, rechts: Temperaturbereiche und
Auslagerungszeiten zur Einstellung der jeweiligen
Ausscheidungsphase(n).
Bei Legierungen, bei denen die Vorgängerphase die Keime für das
nächste Stadium der Ausscheidungsfolge liefert (z.B. bei
AlZnMg(Cu)-Legierungen), kann die Härte durch ein langsames
Aufheizen auf die Auslagerungstemperatur oder durch eine
Stufenauslagerung verbessert werden.
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 6

2.2.3 Ausscheidungsfreie Zonen
An Korn- und Phasengrenzen ist die Diffusionsgeschwindigkeit erhöht, daher findet die Keimbildung dort bevorzugt
statt. Außerdem sind Korn- und Phasengrenzen Leerstellensenken. In ihrer Umgebung ist die Diffusion behindert
und Keimbildung erschwert. Daher kommt es in der Umgebung von Korn- und Phasengrenzen zur Verarmung von
Legierungselementen und zum Abbau der Übersättigung. An den Korn- und Phasengrenzen entstehen
ausscheidungsfreien Zonen (1 nm - 15 µm). In den ausscheidungsfreien Zonen kann sich die plastische Verformung
konzentrieren, wodurch die Gefahr von Korngrenzenbruch erhöht wird. Daher wirken sich ausscheidungsfreie Zonen
negativ auf die Duktilität aus. Je schneller die Abschreckgeschwindigkeit ist, umso schmaler sind die
ausscheidungsfreien Zonen und umso homogener ist die plastische Verformung. Mit zunehmender
Aushärtungstemperatur nimmt die Breite der ausscheidungsfreien Zonen zu.
2.3 AlZnMg(Cu)-Legierungen
Die AlZnMg(Cu)- Knetlegierungen sind aushärtbare Legierungen. Die Cu-haltigen Varianten mit Cu-Gehalten
zwischen 0,5 und 2,5 Gew.-% werden wegen ihrer hohen Festigkeitseigenschaften als Walz-, Preß- und
Schmiedeprodukte für strukturelle Anwendungen vor allem im Flugzeugbau und wegen ihrer ausgezeichneten
Zerspanbarkeit als Walz- und Schmiedeprodukte im Formen und Werkzeugbau genutzt.
Zn Mg Cu Fe Si Mn Cr Ti Al
5,1-6,1 2,1-2,9 1,2-2,0 0,50 0,40 0,30 0,18-0,28 0,20 Rest
Tab.1 Chemische Zusammensetzung der Aluminiumlegierung 7075 (Gew.%)
Zink weist eine erhebliche Löslichkeit in
Aluminium auf. Die Löslichkeit verringert sich
stark mit sinkender Temperatur, aber die
Festigkeitssteigerung durch eine
Ausscheidungshärtung ist gering. Magnesium
verringert die Löslichkeit von Zink im α-
Mischkristalls und erhöht dadurch die
Aushärtbarkeit. Durch den Zusatz von Kupfer
wird die Löslichkeit weiter verringert. Außerdem
wird die thermische Stabilität der
Ausscheidungsphasen erhöht.
Je nach Zn/Mg-Verhältnis besteht ein
Gleichgewicht zwischen dem α-Mischkristall
und der MgZn 2 (η-Phase) oder zwischen dem α-
Mischkristall und der T-Phase (Al, Zn) 49 Mg 32
(Abb. 13).
Je nach Legierungszusammensetzung weisen die
meisten ternären und quaternären AlZnMg(Cu)-
Legierungen beide Gleichgewichtsphasen auf.
Abb. 13 Isothermer Schnitt des ternären Phasendiagramms Al-Mg-Zn bei
Raumtemperatur (Die η-Phase ist hier mit σ gekennzeichnet)
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 7

Bei 400°C und 500°C liegt die Aluminiumlegierung 7075 (rot gestrichelte Linien) als α-MK vor (Abb. 14). Mit
sinkender Temperatur nähert sich das 3-Phasengebiet α-T-η der Legierungszusammensetzung. Mit Überschreiten
der Segregatslinie befindet sich die Legierung in diesem Gebiet (Abb. 15) und der Aluminium-Mischkristall steht im
thermodynamischen Gleichgewicht mit der T- und der η-Phase.
Abb. 14 Schematische Darstellung der
Legierungszusammensetzung im isothermen Schnitt des
ternären Phasendiagramms Al-Mg-Zn bei 400°C und 500°C
Abb. 15 Schematische Darstellung der
Legierungszusammensetzung im isothermen Schnitt des
ternären Phasendiagramms Al-Mg-Zn bei 200°C
Das schnelle Abkühlen beim Abschrecken unterdrückt vorerst die Einstellung des thermodynamischen
Gleichgewichtes, das heißt die Bildung der Gleichgewichtsphasen T und η. Durch anschließende Auslagerung
bilden sich die jeweiligen Ausscheidungsphasen.
2.3.1 Ausscheidungsverhalten der Legierung 7075 bei Kalt- und Warmaushärtung
Die allgemeine Ausscheidungsfolge in AlZnMg(Cu)-Legierungen ist:
αübersättigt → Cluster → GP-Zonen → η’ (kugelförmig) → η (MgZn 2 ) / T ((Al,Zn) 49 Mg 32 ).
Zwischen Kalt- und Warmauslagerung bestehen grundsätzliche Unterschiede. Im Folgenden werden die
verschiedenen Wärmebehandlungen einander gegenübergestellt:
Kaltaushärtung
Die Kaltaushärtung beruht auf:
1. Bildung Zn-reicher Cluster
2. Bildung von kugelförmigen, kohärenten GP-Zonen
(zinkreiche (Mg, Zn)-Zonen)
• Der Existenzbereich der GP-Zonen reicht von
Raumtemperatur bis etwa 120 °C bis 150 °C
• Der Existenzbereich der GP-Zonen überschneidet
sich oberhalb 80°C mit dem der η’- und η -Phase
Warmaushärtung
1. Durch die Umwandlung der GP-Zonen bildet sich
die metastabile, teilkohärente η’-Phase
2. Mit zunehmender Überalterung (T7) bilden sich die
inkohärenten η - und T-Gleichgewichtsphasen.
• Der Temperaturbereich für die Bildung der η -Phase
reicht von etwa ~150 °C bis 300 °C
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 8

Zeitlicher Verlauf der Kaltaushärtung der Legierung EN AW-7075
Die GP-Zonen entstehen bei tieferen Temperaturen bzw.
nach längeren Zeiten
• Die Kaltaushärtung beginnt bei Raumtemperatur
nach etwa einer Stunde
• Der Aushärtungsbeginn verkürzt sich bei höheren
Auslagerungstemperaturen
• Der Prozess der Kaltaushärtung bei
Raumtemperatur kann sich über mehrere Jahre
erstrecken
• Mit der Auslagerungszeit wachsen die GP-Zonen
und die Festigkeit steigt auch noch nach Jahren
kontinuierlich an
Verlauf der Warmaushärtung der Legierung EN AW-7075
(AlZn5,5MgCu)
Der nicht monotone Kurvenverlauf der
Härteentwicklung nach 2 Minuten bei 120 °C, kann mit
einem Übergang von GP-Zonen-Härtung zu η’-Härtung
erklärt werden
Die Aufheizgeschwindigkeit ist ein wichtiger Parameter:
• Bei langsamer Aufheizung:
• GP-Zonen können sich ausbilden
• GP-Zonen erreichen eine Größe, die
wachstumsfähig ist bzw. die Umwandlung in die
nächst stabilere Phase ermöglicht.
2.3.2 Spezielle Aspekte der Wärmebehandlung
Lösungsglühen
Durch eine Lösungsglühung (Homogenisierung) bei Temperaturen, die je nach Legierungstyp zwischen 470° und
560°C liegen, werden die Legierungselemente gleichmäßig in der Aluminiummatrix gelöst. Es entsteht ein
homogener Mischkristall.
Die Temperatur muss ausreichend hoch sein, damit die Legierungselemente gelöst werden, darf aber nicht so hoch
sein, dass es zu Schmelzbereichen im Gefüge kommt. Daher sollte die Homogenisierungstemperatur unterhalb der
eutektischen Temperatur liegen. Die Dauer der Homogenisierung ist abhängig von Materialstärke und
Ofenbedingungen.
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 9

Abschrecken
Das Abschrecken nach dem Homogenisieren muss so rasch
erfolgen, dass die gleichmäßige Verteilung der Legierungselemente
eingefroren wird. Ist die Abkühlgeschwindigkeit zu hoch, kommt es
zu einem Verzug der Teile durch Eigenspannungen.
In dem Temperatur-Zeit-Schaubild in Abb. 16 sind die Grenzen für
5 % Erniedrigung der 0,2%-Dehngrenze bei Blechen aus den
hochfesten Legierungen AA7075 und AA7050 dargestellt, wenn im
Anschluss an das Abschrecken durch eine Auslagerung der Zustand
T6 bzw. T76 eingestellt wurde.
Die Form der Kurve verdeutlicht die Aushärtungskinetik:
• Beim Durchlaufen des kritischen Temperaturbereichs nimmt die
Übersättigung deutlich zu. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist noch
hoch.
• Unterhalb des kritischen Temperaturbereichs nimmt die Diffusionsgeschwindigkeit ab. Die
Abb. 16 Zeit-Temperatur -Kurven für Bleche aus
den Legierungen 7075-T6 und 7050-
Leerstellenübersättigung, die für die nachfolgenden Kalt- bzw. Warmaushärtungsprozesse von AlZnMg-
Legierungen von Bedeutung ist, ändert sich ebenfalls weiterhin.
Reicht die Abschreckgeschwindigkeit im kritischen Temperaturbereich nicht aus, bilden sich vor allem an den
Korngrenzen vorzeitig Ausscheidungen.
Über die Forderung, dass die genormten Festigkeitswerte erreicht
werden müssen, kann eine kritische Abschreckgeschwindigkeit V krit
definiert werden (Abb. 17).
Die Abschreckgeschwindigkeit ist abhängig von:
• Temperatur des Abschreckmittels
• Wärmeübergang zwischen Metalloberfläche und
Abschreckmittel
• Materialdicke (Verhältnis von Oberfläche zu Volumen)
Abb. 17 Kritische Abschreckgeschwindigkeit im
Temperaturbereich zwischen 400 und 290 °C für
verschiedene Legierungen.
Abb. 18 kann die mittlere Abschreckgeschwindigkeit im
kritischen Temperaturbereich für verschiedene
Abschreckmedien bzw. Temperaturen entnommen
werden.
Abb. 18 Mittlere Abschreckgeschwindigkeit im kritischen
Temperaturbereich zwischen 400° und 290 °C in
Abhängigkeit von der Materialdicke
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 10

Die Änderungen der mechanischen Eigenschaften durch die Ausscheidungshärtung werden mittels der Härte und des
Zugversuches gezeigt
2.4 Härteprüfverfahren
Härte ist der Widerstand eines Werkstoffes, den er dem Eindringen eines härteren Körpers in seine Oberfläche
entgegensetzt. Sie ist abhängig von der plastischen Verformbarkeit und damit von der Beweglichkeit der
Versetzungen.
Die Härte kann nach folgenden grundsätzlichen Möglichkeiten ermittelt werden:
• Eindringen eines Prüfkörpers unter statischer Belastung
• Eindringen eines Prüfkörpers unter dynamischer Belastung
• Rückprall infolge des elastischen Verhaltens des Prüfstückes.
•
Technische Bedeutung haben vor allem die Verfahren mit statischer Belastung. Hierbei wird die Prüfkraft stoßfrei
aufgebracht und wirkt bei den meisten Verfahren ruhend für eine vorbestimmte Zeit auf die Probe ein. Nach dem
Entlasten wird der verbleibende Eindruck ausgemessen. Zu den statischen Härteprüfverfahren zählen:
• Brinell-Verfahren
• Vickers-Verfahren
• Rockwell-Verfahren
2.4.1 Brinellverfahren
Beim Brinellverfahren nach DIN EN ISO 6506 wird eine Hartmetall-Kugel mit dem Durchmesser D mit der
gewählten Prüfkraft F 10 – 30 sek in die Oberfläche der Probe eingedrückt. Der Durchmesser d des Eindrucks wird
anschließend vermessen (Abb. 19) und somit der Brinell-Härtewert HB nach folgender Formel berechnet:
0,102 · 2
·
Die Brinell-Härteprüfung wird für weichere Werkstoffe angewendet.
2.4.2 Vickersverfahren
Das Vickersverfahren nach DIN EN ISO 6507 verwendet als
Eindringkörper eine Diamantpyramide mit quadratischer Grundfläche
(Eindringdauer 10-15 sek). Die Eindruckfläche wird aus dem Mittelwert
der gemessenen Diagonalen d 1 und d 2 (Abb. 20) ermittelt und der
Vickers-Härtewert HV berechnet gemäß:
Abb. 19 Brinell-Verfahren
0,189 ·
Abb. 20 Vickers-Verfahren
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 11

Die Prüfkraft F kann zwischen 1,96 N und 980 N gewählt werden, wodurch das Vickersverfahren auch in der
Mikrohärteprüfung eingesetzt wird. Desweiteren eignet es sich für weiche und harte Werkstoffe, ebenso wie für
Schichten (die Eindrucktiefe beträgt ca. der Eindruckdiagonalen). Der Flächenwinkel der Pyramide ist mit 136° so
gewählt, dass die Härtewerte der Vickersprüfung und die der Brinellprüfung vergleichbar bzw. ineinander
umrechenbar sind:
0,95 ·
2.5 Zugversuch
Die Festigkeit beschreibt den Widerstand eines Werkstoffs
gegen plastische Verformung. Im einachsigen Zugversuch
werden die R p0,2 -Streckgrenze sowie die Zugfestigkeit R m
ermittelt. Die Duktilität beschreibt die Fähigkeit eines
Werkstoffs, sich vor dem Bruch plastisch zu verformen.
Ein Maß dafür sind die Bruchdehnung und die
Brucheinschnürung, die im Zugversuch bestimmt werden.
Der Ausscheidungszustand einer Aluminiumlegierung
beeinflusst die mechanischen Eigenschaften des
Werkstoffs, wobei durch die Auswahl einer
Wärmebehandlung Festigkeit und Duktilität gezielt
eingestellt werden können (Abb. 21).
Abb. 21 Spannungs-Dehnungs-Diagramm unterschiedlich
wärmebehandelter Zugproben. T64 = ausgehärtet (UA),
T6=maximale ausgehärtet (PA), T7X=überaltert (OA)
2.5.1 Zusammenhang zwischen Härte und Zugfestigkeit
Die Härteprüfung ist ein einfaches und schnelles
Hilfsmittel zur Beurteilung der mechanischen
Eigenschaften. Allerdings ist die Härtemessung mit
zahlreichen Effekten behaftet:
• Verfestigungsverhalten
• Spannungszustand
• Warmverformungsgefüge oder rekristallisiertes
Gefüge
• Grobkornlage
• Textur
Daher ist eine Beurteilung über die Härte, ob der
Wärmebehandlungszustand erfolgreich war, mit einer
gewissen Unsicherheit verbunden.
Im Zugversuch spielen diese Effekte keine so große
Rolle. Gleichwohl kann über empirisch ermittelte Diagramme
mithilfe von Härtemessungen auf die Zugfestigkeit
geschlossen werden.
.
Abb. 22 Beziehung zwischen Brinellhärte und
Zugfestigkeitseigenschaften von warmausgehärteten, hochfesten
Aluminiumlegierungen und für AlMgSi-Legierungen
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 12

3 Versuchsdurchführung
1) Acht Proben der Legierung 7075 werden bei 470°C homogenisiert und in einem Wasserbad abgeschreckt.
2) Die Aushärtung wird durch Auslagern in einem Kammerofen bei 120°C für verschiedene Zeiten zwischen 0
und 200 min vorgenommen. Bei einer Probe wird die Änderung der Härte bei Raumtemperatur beobachtet.
Die Härte der Proben wird nach Brinell HBW 2,5/62,5 bestimmt.
3) Für die Härtemessung werden desweiteren eine maximal ausgehärtete (T6=PA) und eine überalterte (T7=OA)
Probe zur Verfügung gestellt.
4) Die mechanischen Kennwerte verschieden wärmebehandelter Proben (T4, T6, T7-Zustand) werden mithilfe
des Zugversuches ermittelt.
4 Ausarbeitung
1) Fertigen Sie ein Protokoll an, das in Einleitung, Grundlagen, Durchführung und Diskussion gegliedert ist. Der
Grundlagenteil soll lediglich die für die Diskussion benötigten Grundlagen enthalten.
2) Tragen Sie die gemessenen Härtewerte über die Auslagerungszeit für beide Wärmebehandlungszustände in
einem Diagramm auf. Vergleichen und diskutieren Sie die Ergebnisse unter Berücksichtigung der Parameter
der Wärmebehandlung (siehe Kapitel 0 und Abb. 18).
3) Fertigen Sie ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm an, das die Zugkurven der drei unterschiedlich
wärmebehandelten Zugproben enthält und diskutieren Sie die Kurvenverläufe.
4) Ordnen Sie die Zugfestigkeiten sowie die Härtewerte in Abb. 22 ein und diskutieren Sie eventuelle
Abweichungen.
5 Fragen zur Vorbereitung
1) Durch was zeichnen sich Aluminiumlegierungen aus?
2) Welche Verfestigungsmechanismen gibt es und welcher davon ist bei den Aluminiumlegierungen von großer
technischer Bedeutung? Welche Mechanismen liegen ihm zugrunde?
3) Was sind die Voraussetzungen für eine Ausscheidungshärtung? In welchen Schritten läuft diese ab?
4) Welche Legierung wird in diesem Versuch verwendet?
5) Welche speziellen Ausscheidungsphasen bilden sich?
Aushärtung von Aluminiumlegierungen 13

6 Literatur
• Ostermann, F: Anwendungstechnologie Aluminium, Springer 2007
• http,//aluminium.matter.org.uk/content/html/GER/default.asp?catid=1&pageid=1
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Aushärtung von Aluminiumlegierungen 14