Kapitel 9 Festigkeitssteigerung - Kurzfragen

Question 1

Verfestigungsmechanismen die mit der Steigung der Streckgrenze R_e etwas zu tun haben:

Answer 1

• Kaltverfestigung
• Mischkristallverfestigung
• Ausscheidungshärtung
• Kornverfeinung

Besteht das Gefüge eines Werkstoffes statt aus einem Kristall aus einem polykristallinen Haufwerk, so besitzt es eine höhere Streckgrenze.

Question 2

Einleitung (Festigkeitssteigerung, Mischkristallhärtung, Kaltverfestigung)

_{9.1. Einleitung}

Answer 2

Festigkeitssteigerung metallischer Werkstoffe basieren auf Erhöhung des widerstandes gegen die Bewegung und Erzeugung von Versetzungen.

Kaltverfestigung: die zur plastischen Verformung notwendige Versetzungsbewegung wird mit zunehmender Kaltverformung durch gegenseitige Behinderung der Versetzungen erschwert.

Mischkristallhärtung: Wechselwirkung der Versetzungen mit den hinzulegierten Fremdatomen (wirken oft als Störungen im Gitter).

Die martensitische Umwandlungshärung besteht aus einer Kombination der Mischkristallhärtung, Kaltverfestigung und Kornfeinung.

Question 3

Verfestigungsmechanismen - Überblick:

_{9.1. Einleitung}

Answer 3

Question 4

Mischkristallhärtung Basiswissen:

_{9.2 Mischkristallhärtung}

Answer 4

Erhöhung der Festigkeitskennwerte R_p und R_m durch Einbringen von Fremdatomen in ein Wirtsgitter.

Beruht im Wesentlichen auf einer elastischen Verzerrung des Wirtsgitters.

R_p: Dehngrenze; R_m: Zugfestigkeit

Question 5

Arten von Mischkristallen Basiswissen:

_{9.2.1 Arten von Mischkristallen}

_{9.2 Mischkristallhärtung}

Answer 5

Mischkristall: Gitter aus mindestens zwei Komponenten. Nach Art der Einlagerung von Fremdatomen werden Einglagerungs- und Substitutionsmischkristalle unterschieden.

• vollständige Mischbarkeit: Aufnahme anderer Atome im Wirtsgitter nicht begrenzt. Mischkristallbildung wird durch den Phasenübergang S → α erreicht. Im festen Zustand liegt nur eine Mischkristallart vor.
• begrenzte Mischbarkeit: Aufnahe anderer Atome im Wirtsgitter begrenzt und i.A. temperautrabhängig. Es entstehen Mischungslücke und Randlöslichkeit der Wirtskomponente. Sättigungslinie bzw. Löslichkeitslinie: Maximal lösbare Konzentration der zulegierten Atome.
• Unmischbarkeit: Die zulegierten Atome nicht im Wirtsgitter löslich. Jede Komponente kristallisiert. Übergang im festen Zustand beschrieben durch: S→A+B (A- und B-Kristalle)

Question 6

Eingalerungs- und Subtitutionsmischkristalle Basiswissen:

_{9.2.1 Arten von Mischkristallen}

_{9.2 Mischkristallhärtung}

Answer 6

Einlagerungsmischkristall: Die Atome werden in die Gitterlücken eingelagert (interstitiell gelöst). Die Gitterplätze der Wirtskristalls sind nur von Wirtsatomen belegt.

Substitutionsmischkristall: Die Atome ersetzen in regelloser, zufälliger Weise die Atome des Wirtskristalls (belegen Gitterplätze, welche im reinen Wirtskristall von Wirtsatomen besetzt sind). Sie substituieren das Wirtsatom.

Question 7

Substitutionsmischkristalle (SMK):

_{9.2.1 Arten von Mischkristallen}

_{9.2 Mischkristallhärtung}

Answer 7

SMK: Gitter aus mindestens zwei Komponenten. Eingelagerte Atomen besetzen regellos Gitterplätze des Wirtskristalls.

Bedingungen, die Bildung von SMK fördern (HUME-ROTHERY-Regeln):

1. Beide Komponenten kristallisieren im gleichen oder in einem vergleichbaren Kristallgitter - die Kristallart A und B muss dieselbe sein.
2. Atomradien annähernd gleich groß. ∆r/r₀ kleiner als 15%
3. Chemische Affinität* zwischen Komponenten - nicht so groß wie in intermetallischen Verbindungen.

VEGARDsche Regel: die Gitterkonstante eines Substitutionsmischkristells setzt sich additiv aus denen der Komponenten zusammen.

Überstruktur: Regelmäßige Anordnung von B-Atomen im A-Gitter; stöchiometrisches A-B-Verhältnis.

*Affinität: Neigung eine chemische Bindung einzugehen

Question 8

Einlagerungsmischkristalle (EMK):

_{9.2.1 Arten von Mischkristallen}

_{9.2 Mischkristallhärtung}

Answer 8

EMK: Gitter aus mindestens zwei Komponenten. Eingelagerten Atome besetzen Zwischengitterplätze des Wirtskristalls (interstitiell* gelöst). + führt zu Gitterverzerrungen

Bildung von Einlagerungsmischkristallen wird durch folgende Bedingungen (HÄGG-Regel) begünstigt:

1. Das Wirtsgitter ist das eines Übergangsmetalls z.B. Fe, Ti
2. Das Wirtsgitter verfügt über hinreichend große Gitterlücken.
3. Atomradius eingelagerter Atome deutlich kleiner als der des Wirtsatoms. r_i/r₀ maximal 0,58

Im Vergleich zu Substitutionsmischkristallen wird durch die Besetzung von Zwischengitterplätzen die Löslichkeitsgrenze schon bei geringeren Konzentrationen erreicht ⇒ geringe Randlöslichkeit

*interstitiell: in den Zwischenräumen liegend

Question 9

9.2.2 Verfestigungseffekte; Größeneffekt & Moduleffekt:

_{9.2 Mischkristallhärtung}

Answer 9

Größeneffekt: Die Einlagerung von Fremdatomen führt zu einer Änderung des Gitterparameters a₀ des Wirtgitters ⇒ VEGARDsche Regel

Moduleffekt: Die Einlagerung von Fremdatomen beeinflusst

1. die Wechselwirkungskräfte zwischen benachbarten Atomen → Störungen im Kristallaufbau, elastische Verzerrung des Gitters → Änderung des Gitterparameters.
2. die elektrochemischen Bindungen im Mischkristall → deutliche Änderung des Elastizitätsmoduls

Festigkeitssteigerung: ∆R^MKH = const. · f ⁿ· √c^FA

♦ die Wechselwirkungsparameter f wird durch die Änderung des Gitterparameters und die E-Modul bestimmt.

Mischkristalle haben i.Allg. eine höhere Streckgrenze als reine Metalle. Dies weist darauf hin, dass die Versetzungsbewegung im Mischkristallgitter erschwert ist. Neben einer Erhöhung der Streckgrenze kommt es im entsprechenden Mischkristallgitter zu einem stärkeren Festigeitsabfall bei steigender Verformungstemperatur (Zunahme der Temperaturabhängigkeit).

Zwei Mechanismen:

1. Die Fremdatome können sich an den Versetzungen anreichern und die Versetzungsbewegung blockieren - Versetzungsblockierung ist mit dem Auftrene einer ausgeprägten Streckgrenze verbunden -
2. Die Fremdatome können die Vresetzungsbewegung erschweren + Reibungswiderstand erzeugen → Spannungen im Wirtsgitter → Wirkung auf die Richtung der Versetzungsbewegung (flexible Versetzungslinie ✓, starre Versetzungslinie X).

Question 10

Versetzungshärtung (Kaltverfestigung) Basiswissen:

_{9.3. Versetzungshärtung (Kaltverfestigung)}

Answer 10

Erhöhung von *R_p durch das Einbringen von Versetzungen. Die Spannungsfelder um Versetzungen un Versetzungsreaktionen → gegenseitige Wechselwirkung und Behinderung von Versetzungsbewegung.

Wird ein kristallines Material (Metalldraht) durch Hin- und Herbiegen stark verformt, so ist zu beobachten, dass sich der Draht bei fortwährendem Biegen immer schwerer verformen lässt ⇒ wird erklärt durch Versetzungsbewegungen

Zunehmende Versetzungsdichte ρ → Anstieg der für die Versetzungsbewegung notwendigen τ_krit

Festigkeitszuwachs: ∆R^KV = const. · G · b · √ρ

*R_p: Dehngrenze

Question 11

Zwei Versetzungseigenschaften die bei der Kaltumvormung von Bedeutung sind:

_{9.3. Versetzungshärtung (Kaltverfestigung)}

Answer 11

**Versetzungsmultiplikation: **Versetzungen multiplizieren sich bei der Verformung. Zunehmende plstische Verformung → Versetzungsdichte ρ steigt → Versetzungen behindern sich gegenseitig/reagieren miteinander.

**Weitreichendes Spannungsfeld: **Nähern sich bewegiche Versetzungen, kommt es zur elastischen Wechselwirkung ihrer Spannungsfelder. Die Versetzungsbewegung ist nur dann möglich, wenn diese Wechselwirkung durch eine äußere Spannung kompensiert wird.

Question 12

Einkristallverfestigung: Kurve & Bereiche:

_{9.3.1. Einkristallverfestigung}

Answer 12

• Bereich I:* Kaum Versetzungsreaktionen. Nahezu ungehinderte Versetzungsbewegung.
• Bereich II:* Ansteigende Verfestigung → unbewegliche Versetzungen, die noch bewegliche Versetzungen in ihrer Gleitung behindern und sie immobilisieren → Erhöhung der inneren Spannung
• Bereich III:* Festigkeit steigt weiter an, Verfestigungskoeffizient wird kleiner → Quergleiten von Schraubenversetzungen, Klettern von Stufenversetzungen - Durch Quergleiten können Schraubenversetzungen Hindernisse umgehen und somit ihre Laufweg verändern oder auf paralellen Ebenen antiparalelle Versetzungen treffen und sich auslöschen → dynamische Erholung

Question 13

Streckgrenzeneffekt & Verformungsalterung

_{9.3.2 Vielkristallverfestigung}

Answer 13

Streckgrenzeneffekt: das Auftreten einer ausgeprägten Streckgrenze beim Übergang von der elastischen zur plastischen Verformung (überwiegend in Metallen mit interstitiell gelösten Fremdatomen).

Verformungsalterung: zeitabhängige Versprödung von metallischen Werkstoffen. Ursache: Verankerung von Versetzungen durch Punktdefekte

Question 14

Feinkornhärtung Basiswissen + die HALL-PETCH-Gleichung

_{9.4. Feinkornhärtung}

Answer 14

Erhöhung der technische Festikeitskennwerte durch das Einbringen von von Korngrenzen ohne die Duktilität* zu verringern.

Erhöhte Korngrenzendichte → Laufwege der Korngrenzen verkürzt → Blockierung der Versetzungsbewegung

Zusammenhang zw. der Festigkeitssteigerung und der Korngröße:

HALL-PETCH-Gleichung: R_p0.2 = σ₀ + k_y / √L

σ₀ : Grundfestigkeit, k_y : HALL-PETCH-Konstante, L : Korngröße

►k_y : Maß für die Wirksamkeit von Korngrenzen als Versetzungshindernis ⇒ Große k_y-Werte → große mögliche Festigkeitssteigerung durch Kornfeinung

Vergleich von k_y-Werte verschiedener Stähle:

ferritische Stähle > austenitische Stähle > Titan/Gusseisen > Cu

*Duktilität: Verformungsfähigkeit

Question 15

Ausscheidungshärtung Basiswissen:

_{9.5.1. Ausscheiudungshärtung}

_{9.5. Teilchenhärtung: Erhöhung der Festigkeitskennwerte Rpund Rmdurch Einbringen von Teilchen.}

Answer 15

Die Ausscheidung kennzeichnet die Bildung einer neuen Phase mit anderer Kristallstruktur.

Besonders Effektiv bei Mehrkomponentensystemen.

Wird am häufigsten bei Aluminium-Werkstoffen angewendet.

Question 16

3 Voraussetzungen der Ausscheidungshärtung:

_{9.5.1. Ausscheiudungshärtung}

_{9.5. Teilchenhärtung: Erhöhung der Festigkeitskennwerte Rpund Rmdurch Einbringen von Teilchen.}

Answer 16

• Mischkristallbildung:* Die Mischkristall der Matrixphase muss eine Randlöslichkeit (begrenzte Löslichkeit) für die Atome der zweiten (und weiterer) Komponente besitzen. Das Zustandsdiagramm mus einen α-Phasenraum besitzen. *Auftreten von homogenen Mk bei höheren Temperaturen *
• Temperaturabhängige Löslichkeit:* Mit sinkender Temperatur muss die Löslichkeit abnehmen. *Die bei höheren Temperaturen stabilen homogenen Mk müssen bei tieferen Temperaturen in übersättigter Form erhalten werden können *
• Bildung einer zweiten Phase:* Bei abnehmender Löslichkeit muss dich mit sinkender Temperatur (bei langsamen Abkühlen) eine zweite, thermodynamisch stabile Phase bilden (darf nicht zu einer Versprödung des Werkstoffes führen!).

Question 17

Zusammenfassung/Überblick auf Ausscheidungshärtung:

_{9.5.1. Ausscheiudungshärtung}

_{9.5. Teilchenhärtung: Erhöhung der Festigkeitskennwerte Rpund Rmdurch Einbringen von Teilchen.}

Answer 17

Bei der Ausscheidungshärtung, wird ein Mk abgeschreckt, so dass zwar ein homogener, aber übersättigter Zustand vorliegt, der instabil ist. Die sich in Zwangslösung befindlichen schwarzen Atome beginnen zu wandern, sammeln sich an bevorzugten Stellen und bilden dort eine Überstruktur. Dieser Vorgang der Aufbauveränderung des Mk, der dadurch seinem Gleichgewichtszustand näher kommt, wird als einphasige Entmischung bezeichnet. Das Segregat befindet sich noch in einem Zwischenzustand und hat sich noch nicht vom Muttergitter gelöst, bewirkt jedoch eine Gitterverspannung, die festigkeitssteigernd wirkt. Die Festigkeitssteigerung wächst mit der Anzahl der noch mit der Matrix verbundenen Zwischenzustände. Diese noch mit dem Muttergitter kohärent verbundenen Ent- mischungszonen werden bei Al-Legierungen auch Guinier-Preston-Zonen ge- nannt.

Im Allgemeinen ist das Muttergitter bestrebt, sich dem Gleichgewichtszustand so weit wie möglich zu nähern und die Entmischungszone als zweite Phase auszu- scheiden. Zwischen Ausscheidung und Matrix besteht dann keine Kohärenz mehr, d.h. es ist kein stetiger Übergang mehr vorhanden, sondern eine Grenzfläche. Diese Gleichgewichtsausscheidungen rufen aufgrund der Inkohärenz geringere Gitterverspannungen als die kohärenten Entmischungszonen hervor und haben damit eine weniger verfestigende Wirkung. Die Ausscheidungen erfolgen in submikroskopischer feindisperser Form. V ereinigen sich diese submikros- kopischen Ausscheidungen, so dass die Anzahl kleiner und die Ausscheidungen größer werden, bewirkt dies eine stetige Abnahme der Festigkeit (Überalterung).

Question 18

Aus welchen 3 Teilen besteht die Wärmebehandlung der Ausscheidungshärtung?

_{9.5.1. Ausscheiudungshärtung}

_{9.5. Teilchenhärtung: Erhöhung der Festigkeitskennwerte Rp und Rm durch Einbringen von Teilchen.}

Answer 18

Lösungsglühen (Homogenisieren):
Eine Legierung der Komponenten A und B mit der
Zusammensetzung X_L wird bei einer Temperatur T₁
geglüht. Es entsteht ein homogener α-Mischkristall,
in dem die B-Atome regellos Gitterplätze in der A-Matrix
einnehmen.

Abschrecken:
Durch rasches Abkühlen von T₁ auf Raumtemperatur
T₂ 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 T₃, die unterhalb der
Segregatlinie liegt. Aus dem übersättigten α-
Mischkristall (Komponente A) scheidet sich die stabile und
inkohärente Gleichgewichtsphase β mit dem
Volumenanteil Δx aus.

Question 19

Ausscheidungsphasen

_{9.5.1. Ausscheiudungshärtung}

_{9.5. Teilchenhärtung: Erhöhung der Festigkeitskennwerte Rp und Rm durch Einbringen von Teilchen.}

Answer 19

Zunehmende Auslagerungstemperatur und -zeit → die Größe der ausdeschiedenen Teilchen nimmt zu + der Charakter ihrer Kristallstruktur (relativ zur Matrix) ändert sich: kohärent – teilkohärent – inkohärent

“Zwischen Ausscheidung und Matrix besteht dann keine Kohärenz mehr, d.h. es ist kein stetiger Übergang mehr vorhanden, sondern eine Grenzfläche. Diese Gleichgewichtsausscheidungen rufen aufgrund der Inkohärenz geringere Gitterverspannungen als die kohärenten Entmischungszonen hervor und haben damit eine weniger verfestigende Wirkung.”

Question 20

Schneiden und Umgehen von Teilchen:

_{9.5.1. Ausscheiudungshärtung}

_{9.5. Teilchenhärtung: Erhöhung der Festigkeitskennwerte Rpund Rmdurch Einbringen von Teilchen.}

Answer 20

Schneiden von Teilchen: nur bei kohärente Ausscheidungen möglich.

Festigkeitssteigerung nach KELLY und FINE: ΔR^TH = const. · √V_T · √r_T

V_T: Volumenanteil der Ausscheidungen, r_T: deren Teilchenradius

Umgehen von Teilchen: bei kohärenten und inkohärenten Ausscheidungen möglich.

Das Schneiden inkohärenter Ausscheidungen : enormer Energieaufwand, da Burgersvektor der Matrixversetzungen nicht mit Kristallstruktur der Ausscheidungen übereinstimmt!

Festigkeitssteigerung nach **OROWAN-Mechanismus: **

ΔRTH = const. · (G · b)/(Λ - 2r_T)

Λ - 2r_T: freie Weglänge der Versetzungen, r_T: deren Teilchenradius G: Schubmodul der Matrix, b: Betrag des Burgervektors

Die Mechanismen bei der Festigkeitssteigerung von kohärenten Ausscheidungen beeinflussen sich gegenseitig.

Question 21

Dispersionshärtung Basiswissen

_{9.5.2 Dispersionshärtung}

_{9.5. Teilchenhärtung: Erhöhung der Festigkeitskennwerte Rpund Rmdurch Einbringen von Teilchen.}

Answer 21

Eine spezielle Form der Ausscheidungshärtung.

Die Dispersoide sind in der Matrix nicht löslich; haben geringe Oberflächenenergie → hohe Temperaturfestigkeit