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Reine Metalle Legieren + Wärmebehandlung (verhältnis- mäßig weich) ausgeschiedene Teilchen einer 2.Phase in Grundmatrix (Art, Größe und Verteilung bestimmen.

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Präsentation zum Thema: "Reine Metalle Legieren + Wärmebehandlung (verhältnis- mäßig weich) ausgeschiedene Teilchen einer 2.Phase in Grundmatrix (Art, Größe und Verteilung bestimmen."—  Präsentation transkript:

1 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

2 Ausscheidungshärtung 1906 A. Wilm Al-Legierung mit geringen Gehalten von Cu, Mg, Si und Fe Glühung bei 550°C, Abschrecken, Lagern bei Raumtemperatur : ALTERN (Mischkristalllöslichkeit steigt mit wachsender Temperatur, sodaß sich nach Abkühlung eine zweite Phase aus dem übersättigten Mischkristall ausscheiden kann) Werkstoffeigenschaften hängen ab von der Art, der Größe und der Verteilung der Teilchen der 2. Phase ab.

3 Voraussetzungen für Ausscheidungsentstehung (Variante A) Legierung Beschränkte Löslichkeit mind. einer Komponente in einer anderen (Mischungslücke) Löslichkeit muss mit fallender Temperatur abnehmen Homogenisierungsglühung (T H ) Abschrecken Auslagern (T A ) Ausscheidungen

4 Voraussetzungen für Ausscheidungsentstehung (Variante B) Eindiffusion eines Drittlegierungselementes über die Oberfläche Nach Überschreiten des Löslichkeitsproduktes Ausscheidungsbildung bei Behandlungstemperatur Beispiele Nitrieren Nitrocarborieren Aufkohlen Innere Oxidation Borieren

5 Ausscheidungsvorgänge Kontinuierliche Entmischung Diskontinuierliche Ausscheidung Inhomogene Ausscheidung kohärent Keimbildung Thermodynamik inkohärent Ausscheidungswachstum Diffusion Ostwaldreifung Thermodynamik Homogene Ausscheidung Spinodale Entmischung Thermodynamik Bergaufdiffusion

6 Ausscheidungen kontinuierlich diskontinuierliche lichmikroskopisch sichtbares Gefüge

7 Entmischung Keimbildung und Wachstum (Bergabdiffusion) Spinodale Entmischung(Bergaufdiffusion, d.h. der Thermodynymische Faktor des Dk muss negativ werden.)

8 Umwandlungsreaktionen Man kann folgende Umwandlungsreaktionen unterscheiden: I : T 1 T 2 : Polymorhe Umwandlung des reinen Metalls (Beispiele: kfz -Fe krz- -Fe bei 909°C krz-ß-Ti hdp- -Ti bei 882°C II : T 1 T 2 : bei rascher Abkühlung : massive Umwandlung III : T 1 T 2 : bei langsamer Abkühlung: (C 4 ) + (C 5 ), es bildet sich ein Zweiphasengemisch IV: T 2 T 3 : bei rascher Abkühlung entsteht ein übersättigter Mk, der beim Anlassen bei T 3 nach I(C 6 ) + (C 1 ) in die metallische Phase I (A x B y ) und den stabilen -Mk mit der Gg-konzentration C 1 bei T 3 zerfällt V : T 2 T 3 : bei höherem LE-Gehalt und rascher Abkühlung ent- steht auch der übersättigte Mk, der jedoch beim An- lassen bei T 3 nach (C 3 )+ (C 2 ) in die meta- stabile Phase und den Mk zerfällt. Erst nach längerer Auslagerungszeit stellt sich der stabile Zu- stand (C 3 )+ (C 2 ) I(C 6 ) + (C 1 ) ein. VI : T 1 T 4 : eutektoide Umwandlung: (C 7 ) + I(C 8 ).

9 Prinzipiell mögliche Zustandsdiagramme für aushärtbare Legierungen (Voraussetzung: Löslichkeit des Legierungselementes nimmt mit abnehmen- der Temperatur ab. a) Ausscheidung einer reinen Komponente (z.B. Al-Si) b) Ausscheidung eines Mischkristalls (z.B. Ag-Cu) c) Ausscheidung einer intermetallischen Verbindung (z.B. Al-Cu) S+ +ß +B S+B S+ß T T T S S S +A x B y S+A x B y ß A C B B A C B B A C B B a) b) c)

10 Untersuchungsmethode (Morphologie, Teilchendichte, Größe, chem. Zusammensetzung) Direkte Abbildung Kleinwinkelstreuung - Feldionenmikroskopie (AFIM) - ESMA - hochauflösende Elektronenmikroskopie (Raster, TEM) Homogene Ausscheidung (spinodale Entmischung) Inhomogene Ausscheidung (Keimbildung Wachstum)

11 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.

12 Statistische Thermodynamik von idealen und regulären Lösungen System:Abgeschlossenes Volumen in Kontakt mit Thermostaten (T und V konst. = kanonische Gesamtheit) Boltzmann- Verteilung Nenner: Zustandssumme Z Innere Energie E i der Legierung S = k ln Freie Energie F = E i - TS uninteressant, da nur Summand in F F = - kT ln Ziel: Berechnung der Zahl der Realisierungsmöglichkeiten nur für vereinfachte Modelle möglich

13 Binäre Legierungen Gesamtzahl der Atome : N N A - A - Atome Lösungsmittel N B - B - Atome im Mk gelöst N A + N B = N C A + C B = 1 C A = 1 - C B Vorteil: nur 1 unabhängige Variable

14 Zustandsfunktionen eines Systems Mikroskopische Interpretation der makroskopischen Zustandsgrößen durch STATISTISCHE THERMODYNAMIK (mittelt über Energien und Verteilungen aller beteiligten Atome Unter verschiedenen gegebenen Bedingungen: Thermisch und materiell isoliertes System (verstöpselte Thermoskanne) T und V konstant (Ofen) T und p konstant (Ofen) im Gleichgewichtszustand im Gleichgewichtszustand im Gleichgewichtszustand Entropie S Freie Energie F Freie Enthalpie G Maximum Minimum Minimum pdV klein, G kann durch Enthalpie H ersetzt werden

15 Entropie S S = k. ln W k - Bolzmannkonstante W - Zahl der möglichen Verwirklichungen eines Systems unter Wahrung der Konzentration Beispiel: 1000 Gitterplätze 999 A-Atome 1 B-Atom 1000 Möglichkeiten 1000 Gitterplätze 998 A-Atome 2 B-Atom Möglichkeiten

16 Ziel: Berechnung der Zahl der Realisierungsmöglichkeiten (nur für vereinfachte Modelle möglich) ideale Lösungen Mischungsentropie einer idealen Lösung als Funktion des Molen- bruchs

17 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 F M = E M - S M 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 F M = Nn A B + NkT ( A ln A + B ln B ) A + b = 1 F M = f ( b ) Spinodale

18 Löslichkeitskurve und Spinodale ( Modell der regulären Lösung )

19 Entmischung Keimbildung und Wachstum (Bergabdiffusion) Spinodale Entmischung(Bergaufdiffusion, d.h. der Thermodynymische Faktor des Dk muss negativ werden.)

20 Verschiedene Kohärenzgrenzen

21 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

22 Ausscheidungswachstum Der Antransport durch Diffusion ist geschwindigkeitsbestimmend. Schematische Darstellung der Konzentrationsverteilung C(r) um ein wachsendes Teilchen R -Radius des Teilchens C 0 -ist die Konzentration des Mischkristalls vor der Ausscheidungsbehandlung C α die Gleichgewichtskonzentration bei der Behandlungstemperatur

23 Die Transformationsgleichungen von kartesischen in Kugelkoordinaten Die Rücktransformationsgleichungen:

24 Die Diffusionsgleichung für C-unabhängigen Dk in sphärischen Polarkoordinaten: kugelförmige Teichen:

25 Wachstumskinetik verschiedener Teilchenformen

26 Auflösung Wachstum Konzentration Abstand

27 Aluminiumwerkstoffe Übersicht über aushärtbare (grün) und nichtaushärtbare (rot) Legierungen auf Al-Basis

28 Intermetallische Phasen in Al-Legierungen Al 8 Fe Mg 3 Si 6 Si Mn Fe Cu Mg Al 6 Mn Al 6 (Mn,Fe) Al 18 Mg 3 Mn 2 Al 3 Fe Al 3 (Fe,Mn) Al 2 Cu Al 2 (Cu,Fe) Mg 2 S i Al 12 Mn 3 Si Al 15 Mn 3 Si Al 2 Cu Mg (T) Al 6 Cu Mg 4 (S) Al 7 Cu 2 Fe Al 12 Fe 3 Si Al 5 Fe Si Al 8 Fe 2 Si Al 9 Fe 2 Si 2 Al 5 Cu 2 Mg 8 Si Al 8 Mg 5 Al 15 (Mn,Fe) 3 Si 2

29 C2: Mikrostrukturen und mechanisches Verhalten von sekundär erzeugten Aluminiumwerkstoffen nach Erstarrung, Umformung und Wärmebehandlung Fremddiffusion in Aluminium Mg

30 System Aluminium - Kupfer - Phase: tetragonal, inkohärent sehr hohe Grenzflächen- und Keimbildungsenergie Reihe von metastabiler Phasen

31 Aushärtungsverhalten einer Aluminiumlegierung mit 4% Cu

32 Bildung an Korngrenzen Bildung bevorzugt an Versetzungen Homogene Bildung Löslichkeitskurven von Cu in Al in Gegenwart verschiedener Phasen Stabile Ausscheidungspase im Gg mit : Al 2 Cu (teragonal und inkohärent) Bildung von Cu-reichen metastabilen Phasen, die ähnlich sind. GP I GPII ( oder ) und

33 Kristallstrukturen im System Al-Cu Mischkristall Gg-Phase Metastabile Phase Metastabile Phase

34 Fortschreiten der Ausscheidung über Zonenbildung und Entstehung teilkohärenter Ausscheidungen Härteisotherme verschiedener Al-Cu-Legierungen bei 130°C Härteisotherme verschiedener Al-Cu-Legierungen bei 190°C

35 Schematische Darstellung von GPI - Zone GPII - Zone Cu-Atome Al-Atome

36 Ausscheidungen bei Kaltauslagerung (GPII-Zonen) GPII-Zonen in Al-Matrix Wechselwirkung von GPII-Zonen mit V: 15000:1 Versetzungen

37 Ausscheidungen bei Warmauslagerung Al 2 Cu-Teilchen Wechselwirkung vonAl 2 Cu-Teilchen V 15000:1 mit Versetzungen

38 Nickelwerkstoffe Hochtemperaturwerkstoff (Superlegierung) Einsatz bis T 0,8 T m - Matrix ( -Phase) : kfz-Mk auf Ni-Basis mit großen Mengen an löslichen Elementen (10%Co, 5%Cr, 10%Mo, 5%W ) - Intermetallische Phase = Ni 3 (Al,Ti) Festigkeitseigenschaften bei hohem T durch ausgezeich- nete Kohärenz zwischen und geringe Grenzflächenenergie hohe Stabilität der -Teilchen

39 Superlegierungen Besondere 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

40 Hartmagnetische Werkstoffe AlNiCoFeCrCo Permanentmagnetlegierungen (8%Al, 15%Ni, 26%Co einige %Ti u.Cu, Rest Fe) Homogenisieren - Ausscheidungsglühen Mk 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 über Keimbildung und Wachstum als auch überSpinodale Ent- mischung


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