Untersuchung von Einzelausscheidungen in Aluminiumlegierungen ...

2.2. VERFESTIGUNGSMECHANISMEN 29
können jedoch die Ausscheidungen mit dem Orowan-Mechanismus überwinden
(siehe Abbildung 2.5). Hierbei wölbt sich die Versetzung zwischen den
einzelnen Ausscheidungen aus, bis sich der Krümmungsradius der Auswölbung
bei weiterem Voranschreiten der Versetzung unabhängig von der Spannungserhöhung
vergrössert und sich antiparallele Versetzungsteile hinter der
Ausscheidung berühren und sich schließlich eine freie Versetzung ablöst. Bei
diesem Mechanismus werden Versetzungsringe durch die Schubspannung fest
an die Ausscheidung gepresst. Das aufgebaute Spannungsfeld der Versetzungsringe
sorgt dafür, dass eine nachfolgende Versetzung zum Überwinden
der Teilchen gewöhnlich höhere Spannung als vorangegangene Versetzung benötigt.
Die Orowan-Spannung τ OR verhält sich dabei umgekehrt proportional zum
Auscheidungsradius r bzw. zum mittleren Teilchenabstand S
τ OR = G ⋅ b
S
∝ G ⋅ b
r
(2.18)
Der mittlere Teilchenabstand S ist dabei mit der Teilchengrösse r über den
Volumenbruchteil f (Volumenanteil der Teilchen) verknüpft 6 .
Aus der Gleichung 2.18 wird ersichtlich, dass es beim Aushärten auf eine
gleichmäßige Verteilung der Teilchen in der Matrix ankommt, insbesondere
bei Legierungen mit geringerem Fremdatomanteil, da sonst der mittlere Teilchenabstand
S zu groß wird.
Die Spannung τ S zum Schneiden der Ausscheidung (siehe Abbildung 2.5)
kann nicht größer als die Orowan-Spannung τ OR werden; daraus ergibt sich
für τ S = τ OR eine vom prozentualen Volumenanteil der gelösten Teilchen unabhängige,
optimale Teilchengröße r opt , bei der eine maximale Festigkeit
erreicht werden kann
r opt ∝ G ⋅ b2
(2.19)
γ
Dabei bezeichnet γ die effektive Grenzflächenenergie der Ausscheidung. Inkohärente
Ausscheidungen, die bei hohen Temperaturen gebildet werden, besitzen
in der Regel sehr große Korngrösse und eignen sich daher wenig zur
Festigkeitssteigerung.
Bei einer Aushärtung wird also das Ziel angepeilt, den optimalen Teilchenradius
r opt einzustellen oder zumindest die Konzentration der gelösten Atome
groß, die Korngrösse oder die Abstände zwischen den Teilchen klein zu machen
und diese Faktoren im Gefüge miteinander zu verbinden [Hor08, Got07].
6 r = S ⋅ √ f