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

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.

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

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

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

lichmikroskopisch sichtbares Gefüge Ausscheidungen kontinuierlich diskontinuierliche lichmikroskopisch sichtbares Gefüge

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

Umwandlungsreaktionen Man kann folgende Umwandlungsreaktionen unterscheiden: I : T1T2 : Polymorhe Umwandlung des reinen Metalls (Beispiele: kfz -Fe krz- -Fe bei 909°C krz-ß-Ti  hdp--Ti bei 882°C II : T1T2 : bei rascher Abkühlung : massive Umwandlung III : T1T2 : bei langsamer Abkühlung:    (C4) + (C5), es bildet sich ein Zweiphasengemisch IV: T2T3 : bei rascher Abkühlung entsteht ein übersättigter Mk, der beim Anlassen bei T3 nach   I(C6) +  (C1) in die metallische Phase I (AxBy) und den stabilen -Mk mit der Gg-konzentration C1 bei T3 zerfällt V : T2T3 : bei höherem LE-Gehalt und rascher Abkühlung ent- steht auch der übersättigte Mk, der jedoch beim An- lassen bei T3 nach   ‘(C3)+  (C2) in die meta- stabile Phase ‘ und den Mk  zerfällt. Erst nach längerer Auslagerungszeit stellt sich der stabile Zu- stand ‘(C3)+  (C2)  I(C6) +  (C1) ein. VI : T1T4 : eutektoide Umwandlung:    (C7) + I(C8).

a) Ausscheidung einer reinen Komponente (z.B. Al-Si) Prinzipiell mögliche Zustandsdiagramme für aushärtbare Legierungen (Voraussetzung: Löslichkeit des Legierungselementes nimmt mit abnehmen- der Temperatur ab. T T T S S S S+B S+ S+AxBy S+ß  S+ S+   +B ß +ß +AxBy A CB B A CB B A CB B a) b) c) 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)

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

Eutektoide Zerfall (z.B. Perlit-Reaktion + Fe3C) 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.

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 Ei 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

Gesamtzahl der Atome : N NB - B - Atome im Mk gelöst Binäre Legierungen Gesamtzahl der Atome : N NA - A - Atome Lösungsmittel NB - B - Atome im Mk gelöst NA + NB = N CA + CB = 1 CA = 1 - CB Vorteil: nur 1 unabhängige Variable

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

1000 Gitterplätze 998 A-Atome 2 B-Atom 499000 Möglichkeiten 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 499000 Möglichkeiten

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

N - Zahl der Atome ij  0 (Anziehung, Wechselwir- 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 FM = EM - SM 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 FM = NnAB + NkT (AlnA+BlnB) A+b = 1 FM = f (b ) Spinodale

Löslichkeitskurve und Spinodale ( Modell der regulären Lösung )

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

Verschiedene Kohärenzgrenzen

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

Ausscheidungswachstum Der Antransport durch Diffusion ist geschwindigkeitsbestimmend. Schematische Darstellung der Konzentrationsverteilung C(r) um ein wachsendes Teilchen R - Radius des Teilchens C0- ist die Konzentration des Mischkristalls vor der Ausscheidungsbehandlung Cα die Gleichgewichtskonzentration bei der Behandlungstemperatur

Die Transformationsgleichungen von kartesischen in Kugelkoordinaten Die Rücktransformationsgleichungen:

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

Wachstumskinetik verschiedener Teilchenformen

Auflösung Wachstum Konzentration Abstand

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

Intermetallische Phasen in Al-Legierungen Al8 Fe Mg 3 Si6 Al18Mg3Mn2 Si Mn Fe Cu Mg Al6Mn Al6(Mn,Fe) Al3Fe Al3(Fe,Mn) Al2Cu Al2(Cu,Fe) Al8Mg5 Mg2Si Mg2Si Al12Mn3Si Al15Mn3Si Al15(Mn,Fe)3Si2 Al7Cu2Fe Al2Cu Mg (T) Al6Cu Mg4 (S) Al12Fe3 Si Al5 Fe Si Al8 Fe2 Si Al9 Fe2 Si2 Al5Cu2 Mg8 Si

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

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

Aushärtungsverhalten einer Aluminiumlegierung mit 4% Cu

Löslichkeitskurven von Cu in Al in Gegenwart verschiedener Phasen Stabile Ausscheidungspase im Gg mit  :  Al2Cu (teragonal und inkohärent) Bildung an Korngrenzen Bildung bevorzugt an Versetzungen Bildung von Cu-reichen metastabilen Phasen, die  ähnlich sind. Homogene Bildung GP I GPII ( oder ‘‘) und ‘

Kristallstrukturen im System Al-Cu Mischkristall Gg-Phase  Metastabile Phase ‘‘ Metastabile Phase ‘

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

Schematische Darstellung von GPI - Zone GPII - Zone  Cu-Atome  Al-Atome

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

Ausscheidungen bei Warmauslagerung Al2Cu-Teilchen Wechselwirkung vonAl2Cu-Teilchen V 15000:1 mit Versetzungen

Hochtemperaturwerkstoff (Superlegierung) Nickelwerkstoffe Hochtemperaturwerkstoff (Superlegierung) Einsatz bis T 0,8 Tm - Matrix (‘-Phase) : kfz-Mk auf Ni-Basis mit großen Mengen an löslichen Elementen (10%Co, 5%Cr, 10%Mo, 5%W) - Intermetallische Phase ‘ ‘= Ni3(Al,Ti) Festigkeitseigenschaften bei hohem T durch ausgezeich- nete Kohärenz zwischen  und ‘ geringe Grenzflächenenergie hohe Stabilität der ‘-Teilchen

Besondere Eigenschaften durch: 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

Hartmagnetische Werkstoffe 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 AlNiCo FeCrCo Ausscheidungen sowohl über Keimbildung und Wachstum als auch über Spinodale Ent- mischung