Untersuchung von Einzelausscheidungen in Aluminiumlegierungen ...

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22 KAPITEL 2. THEORETISCHE GRUNDLAGEN Das Grundprinzip jeder Härtung beruht darauf, die Bewegung von Versetzungen zu behindern, indem ihnen Hindernisse in den Weg gelegt werden. Hierzu werden nun im folgenden einige Methoden vorgestellt. 2.2.1 Versetzungsverfestigung Unter Versetzungsverfestigung versteht man Verformungs- oder Kaltverfestigung. Werden die im Material vorhandenen Versetzungsquellen durch Verformung aktiviert, so führt dies ständig zur Erzeugung von neuen Versetzungen (Frank-Read-Mechanismus) und im Bereich der Verformung zu einer Erhöhung der Versetzungsdichte. Somit behindern sich Versetzungen in einem metallischen Werkstoff mit zunehmender Versetzungsdichte untereinander, z.B. dadurch, dass sich Versetzungen des gleichen Gleitsystems aufstauen oder mit Versetzungen aus anderen Gleitsystemen wechselwirken. Die Festigkeitssteigerung erfolgt schon durch mechanische Beanspruchung beim Herstellungsprozess (Kaltwalzen, Tiefziehen von Stahlblechen für Karosserieböden). Weitreichende Spannungsfelder, die vorwiegend auf die übrigen Versetzungen im Kristall zurückgehen, wirken als Hindernisse für das Gleiten von Versetzungen. Der mittlere Abstand zwischen den Versetzungen ist dabei umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Versetzungsdichte. Für den maximalen Hinderniswiderstand (Schub- bzw Fließspannung) ergibt sich τ ∝ Gb √ ρ (2.10) Für ein unverformtes Metall mit b = 4 ⋅ 10 −10 m und typischer Versetzungsdichte ρ = 10 6 cm −2 , erhält man den Wert τ = 4 ⋅ 10 −5 G. Wird jedoch das unverformte Material (z.B. Kupfer) stark verformt, wodurch die Versetzungsdichte auf ρ = 10 10 cm −2 ansteigt, so erhöht sich die Fließspannung um den Faktor 100 auf τ = 4 ⋅ 10 −4 G, also auf einen Wert, der dominierend zum Widerstand beiträgt [Boh95]. Die hohen Spannungskonzentrationen, die bei dieser Verfestigung entstehen, wirken sich nachteilig aus, da die Duktilität durch diese verringert und eine eventuelle Bruchbildung begünstigt wird. Diese Methode wird für technische Anwendungen begrenzt eingesetzt, nicht zuletzt deshalb, weil bei Temperaturerhöhung (z.B. Schweißen) die erreichte Festigkeit durch Erholung wieder verlorengeht. 2.2.2 Korngrenzenverfestigung Unter Korngrenzenverfestigung versteht man Feinkornhärtung oder Kornfeinung. Hierbei wird der Werkstoff (Stahl, Al, Ti) durch mechanische Be-
2.2. VERFESTIGUNGSMECHANISMEN 23 anspruchung (Schmieden) verfestigt. Die Bewegung von Versetzungen wird durch Korngrenzen behindert. Somit wirken Korngrenzen als Hindernisse für die Bewegung von Versetzungen. Wird ein polykristallines Material mechanisch beansprucht, beginnt die Verformung in günstig orientierten Körnern und es wird eine aus mehreren hintereinander angeordneten Versetzungen bestehende Mehrfachgleitung herbeigeführt. An den Korngrenzen bildet sich ein Aufstau von Versetzungen und es kommt zur Überlagerung der Spannungsfelder. Bei einer bestimmten Anzahl von aufgestauten Versetzungen („Aufstaulänge“) wird der Korngrenzenwiderstand überwunden, sodass die plastische Verformung ins Nachbarkorn überspringen kann. Dies wird durch die Hall-Petch-Beziehung beschrieben, bei der sich die kritische Schubspannung umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des Korndurchmessers verhält τ ∝ √ 1 (2.11) d Da in ein Korn nur eine bestimmte Anzahl von Versetzungen hineinpaßt, wird die Aufstaulänge durch den Korndurchmesser begrenzt. Besitzt ein polykristalliner Werkstoff ein grobkörniges Gefüge (große Korngröße), erfährt er nur leichtere plastische Verformung, da die auf die Korngrenzen wirkende Kraft (proptortional zu Aufstaulänge bzw. Anzahl der aneinandergereihten Versetzungen) steigt. Hat das polykristalline Material hingegen ein feinkörniges Gefüge (kleinere Korngröße), so bleibt die Kraftwirkung auf die Korngrenzen relativ gering und das Material wird schwerer plastisch verformt. Dass sich Versetzungen in einem feinkörnigeren schneller als in einem grobkörnigeren Material an den Korngrenzen aufstauen, verhilft den feinkörnigen Stoffen zu einer höheren Festigkeit. 2.2.3 Mischkristallhärtung Unter Mischkristallverfestigung versteht man die Härtung durch Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Fremdatomen. Diese Fremdatome sind als statistisch verteilte Punktdefekte subtitutionell (reguläre Gitterpunkte besetzend) oder interstitiell ( Zwischengitterplätze besetzend) in das Matrixgitter eingebettet bzw. hinzulegiert. Sie behindern das Wandern von Versetzungen durch elastische, chemische und elektrische Wechselwirkungen. Dabei verursachen Fremdatome bzw. Legierungsatome eine symmetrische Verzerrung ihrer Umgebung, wodurch die Versetzungsbewegungen erschwert werden. Die Mischkristallhärtung ist relativ temperaturbeständig und die Löslichkeit der Atome nimmt bei Temperaturerhöhung im Allgemeinen zu,
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78 KAPITEL 5. ZUSAMMENFASSUNG β-Ph
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80 KAPITEL 6. DANKSAGUNG Mein Dank
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