Verfestigungsmechanismus PDF

Preview

Summary

Download Verfestigungsmechanismus PDF

Description

FOM$Hochschule$für$Oekonomie$&$Management$Essen$Hochschulzentrum$München$

Berufsbegleitender.Studiengang.zum.Bachelor.of.Science.(B.Sc.).. Wirtschaftsingenieurwesen..

Scientific.Essay im.Rahmen.der.Lehrveranstaltung.„Werkstofftechnische. Grundlagen“.über.das.Thema.

$ $ Verfestigungsmechanismen$

!

!

Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis ......................................................................... III! Tabellenverzeichnis .............................................................................. IV! 1. Einleitung ............................................................................................ 5! 2. Verfestigungsmechanismen ............................................................. 5! 2.1 Feinkornverfestigung!...........................................................................................................!6! 2.2 Kaltverfestigung!.....................................................................................................................!6! 2.3 Mischkristallverfestigung!...................................................................................................!7! 2.4 Dispersionsverfestigung!.....................................................................................................!7! 2.4.1 Aushärten!............................................................................................................................................!8! 2.4.2 Teilchenarten!.................................................................................................................................!10! 2.4.3 Dispersionshärtung durch Pulvermetallurgie!................................................................!11!

3. Fazit ................................................................................................... 13! Glossar .................................................................................................. 14! Literaturverzeichnis ............................................................................. 15! Ehrenwörtliche Erklärung .................................................................... 16! ! !

!

!

II

!

Abbildungsverzeichnis ABBILDUNG 1: FORM DER AUSSCHEIDUNGEN ................................................................. 10 Quelle: Wolfgang Weißbach, Michael Dahms. Werkstoffkunde: Strukturen, Eigenschaften, Prüfung. Bd. 17. Wiesbaden: Springer Verlag, 2010, S. 65 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

!

III

!

Tabellenverzeichnis ! TABELLE!1:!VERFESTIGUNG!DURCH!AUSNUTZUNG!DER!GITTERFEHLER!............................................................................!12!

! Quelle: Wolfgang Weißbach, Michael Dahms. Werkstoffkunde: Strukturen, Eigenschaften, Prüfung. Bd. 17. Wiesbaden: Springer Verlag, 2010, S. 6

!

IV

!

1. Einleitung Im Rahmen des Scientific Essays wird folgendes Thema thematisiert: Erklären Sie die unterschiedlichen Verfestigungsmechanismen bei der KaltMischkristall- und Feinkornverfestigung. Erläutern Sie die wesentlichen Unterschiede bei den Vorgängen, die zur Dispersionsverfestigung führen und welche Teilchenarten, je nach Größe der beteiligten Atome, sich daraus ergeben. Beschreiben Sie das „Einlagern“ der Teilchen durch Pulvermetallurgie und erklären die damit zusammenhängenden Werkstoffeigenschaften. Zu Beginn dieser Arbeit werde ich die verschiedenen Verfestigungsmechanismen erklären. Anschließend folgen die unterschiedlichen Vorgänge der Dispersionsverfestigung mit der Nennung der Teilchenarten, die dabei entstehen. Zum Schluss gehe ich auf die Dispersionsverfestigung mittels Pulvermetallurgie ein. In diesem Zusammenhang werden die Werkstoffeigenschaften genannt, die dabei entstehen und das Einlagern der Teilchen beschrieben.

2. Verfestigungsmechanismen In der Regel besitzen reine Metalle eine niedrige Festigkeit. Um die Werkstoffe für die technische Verwendung vorzubereiten, muss die Dehngrenze erhöht werden. Die erste kleine plastische Verformung fängt bei Steigerung der Spannung an. Meist werden jedoch Werkstoffe gebraucht, die leicht sind und möglichst hohe Festigkeiten aufweisen. Durch Legierungselemente steigert sich die Dehngrenze. Dies ist unter Anderem wegen der Technik der Mischkristallverfestigung möglich. Zu den Verfestigungsmechanismen zählen :

!

-

Feinkornverfestigung

-

Kaltverfestigung

-

Mischkristallverfestigung

5

!

-

Dispersionsverfestigung1

2.1 Feinkornverfestigung Korngrenzen stellen ein Hindernis für Gleitprozesse dar. Aufgrund der benachbarten Kristallite, die andere Ausrichtungen der Gleitebenen besitzen ist es für Korngrenzen schwer sich zu bewegen. Der gesamte Raum der Korngrenzen kann durch die Bildung feinkörniger Strukturen vergrößert werden. Umso kleiner der Durchmesser der Körner ist, desto schneller kommen die Versetzungen an die Korngrenzen ran. Es werden zusätzlich große Schubspannungen benötigt, um die Korngrenzen dann zu überwinden. So steigt auch die Dehngrenze. Mit Steigerung der Festigkeit, steigt ebenso die Duktilität. Dies grenzt die Feinkornverfestigung von den anderen Verfestigungsmechanismen ab. Es können mehr Gleitvorgänge ablaufen, wenn die Gleitebenen in Richtung der Zugbeanspruchung in 45° liegen. Diese Eigenschaften sind bei feinem Korn gegeben. Deshalb wird die Verkleinerung der Korngröße genutzt. Dadurch werden spröde, harte Werkstoffe weniger spröde. Dies wird z.B. bei Sinterhartmetallen genutzt. Außerdem steigt mit sinkender Korngröße die Biegefestigkeit. Zur Einstufung der Zähigkeit bei spröden Werkstoffen wird dient Biegefestigkeit als Hilfsmittel.2

2.2 Kaltverfestigung Es bedarf vielen Versetzungen um eine plastische Verformung zu erreichen. Während der Verformung muss die Neubildung von Versetzungen permanent stattfinden. Im Kristallgitter muss es zu vermehrten Schubspannungen kommen, um die Entstehung der Versetzungen voranzukurbeln. So ist es in ungestörten Kristallgittern nicht möglich allein durch Schubspannungen Versetzungen zu veranlassen. Voraussetzung hierfür sind Störungen im Kristallgitter, wie

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 1!Vgl.!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms,!Christoph!Jaroschek.!Werkstoffkunde!-! Strukturen,!Eigenschaften,!S.!57! 2!Vgl.!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms,!Christoph!Jaroschek.!Werkstoffkunde!-! Strukturen,!Eigenschaften,!S.!63!f! !

6

!

etwa Versetzungen oder Korngrenzen. Diese sind in den meisten Kristallen vorhanden. Bei der Kaltverfestigung hemmen sich die Versetzungen gegenseitig durch die Abstoßung/Anziehung beim Gleiten. Um die Versetzungen zu überwinden, muss je höher die Versetzungsdichte ist mehr Spannung vorhanden sein. Beim Bewegen der Versetzungen kann es zu Stauungen kommen, die durch unbewegliche Versetzungen, Korngrenzen oder Ausscheidungen entstehen können. Wenn dabei das von außen erzeugte Spannungsfeld kleiner als das Innere ist, werden die Versetzungen gestoppt.3 Umso stärker sich ein Metall verformt, umso mehr Kraft muss aufgewendet werden. Das Metall wird damit härter. Wenn es nicht mehr verformbar ist, sind alle Gleitmöglichkeiten ausgenutzt. Falls danach noch mehr Kraft aufgewendet wird, um das Metall zu verformen kommt es nur zu Brüchen und Rissen.4

2.3 Mischkristallverfestigung Im Mischkristallgitter fallen die Bewegungen von Versetzungen schwerer, da Mischkristalle eine höhere Streckgrenze aufweisen. Ein Grund hierfür kann sein, dass die durch Legierung hinzugekommenen Atome, andere Atomdurchmesser besitzen. So kommt es zu einer Verzerrung des Gitters und die Bewegungen von Versetzungen werden damit erschwert. Ein weiterer Grund kann die Ansammlung von Fremdatomen an den Versetzungen sein. Diese verhindern ebenso die Versetzungen sich zu bewegen.5

2.4 Dispersionsverfestigung ! Bei der Dispersionsverfestigung verhindern fein verteilte(disperse) Partikel die Bewegung der Versetzungen. Die Teilchen sind ungefähr 0,002-0,1 µm groß. !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 3!Vgl.!Eberhard!Roos,!Karl!Maile,!Werkstoffkunde!für!Ingenieure:!Grundlagen,! Anwendung,!Prüfung,!S.!110!f! 4!Vgl.!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms.!Werkstoffkunde:!Strukturen,! Eigenschaften,!Prüfung!S.!34! 5!Vgl.!Eberhard!Roos,!Karl!Maile.!Werkstoffkunde!für!Ingenieure:!Grundlagen,! Anwendung,!Prüfung,!S.!116! !

7

!

Die Dispersionsverfestigung ist ähnlich wie die Mischkristallverfestigung. Der Unterschied zwischen den Beiden ist, dass bei der Dispersionsverfestigung nicht einzelne Atome ihre Wirkung entfalten. Vielmehr sind es hier Ansammlungen von Partikeln, die zusammen wirken. Deshalb steigt dementsprechend auch die kritische Schubspannung zur Bewegung der Versetzung und ebenso ist die Verzerrung des Kristallgitters größer.6 Ein weiterer Unterscheid zwischen der Mischkristallverfestigung und der Dispersionsverfestigung ist, dass die Festigkeitssteigerung bei der Mischkristallhärtung begrenzt ist. Die Erweiterung der Festigkeitssteigerung ist hierbei möglich, wenn weitere Phasen gebildet werden. Als Phasen werden hier harte Teilchen betrachtet. Die Teilchenhärtung fasst die Dispersionshärtung und die Ausscheidungshärtung zusammen. Der Härtungsvorgang ist derselbe, jedoch findet die Legierung der Teilchen auf unterschiedliche Art statt. Bei den Legierungen der Ausscheidungshärtung entsteht die zweite Phase nach Übersättigung des Mischkristalls durch die Ausscheidung der intermetallischen Phase. Im Gegenzug dazu wird bei den Legierungen der Dispersionsverfestigung eine sehr geringe Löslichkeit der Teilchen in der Matrix festgestellt. Auch durch Glühen kann keine Auflösung oder Ausscheidung erzielt werden. Deshalb kommen Pulvermetallurgie oder innere Oxidation zum Einsatz um die Härtung voranzubringen. Hierbei werden Karbide, Oxide, etc., die fast unlöslich sind verwendet.7

2.4.1 Aushärten ! Das Aushärten ist eine Möglichkeit, die zur Entstehung der Dispersionsverfestigung führt. Diese Methode wurde 1906 an AL-Cu-Legierungen entdeckt. Daraus entstanden weitere Legierungssysteme. Für das Aushärten müssen Mischkristalle, ähnlich wie Zucker, löslich sein. Die Löslichkeit muss bei sinkender Temperatur fallen. Genauso wie es beim Zucker !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 6!Vgl.!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms,!Christoph!Jaroschek.!Werkstoffkunde!-! Strukturen,!Eigenschaften,!S.!64!! 7!Vgl.!Ralf!Bürgel,!Hans!Albert!Richard,Andre!Riemer,!Werkstoffmechanik!-!Bauteile! sicher!beurteilen!und!Werkstoffe!richtig!einsetzen,!S.!80! !

8

!

in Wasser beispielsweise ist. Bei hohen Temperaturen löst sich Zucker bis es gesättigt ist in Wasser auf. Anschließend, wenn sich die Wärme verringert werden immer weniger Zuckerstücke gelöst. Daraufhin besteht ein Glas Wasser bspw. aus einem Teil mit der gesättigten Lösung und einem Teil, indem der Überschuss ist. Der Überschuss legt sich hierbei am Boden ab. Die Entstehung eines Mischkristallgefüges hierbei setzt eine langsame Abkühlung der Legierung voraus. Dabei legt sich der Überschuss der LE-Atome auf den Korngrenzen ab. Sie werden so zu Sekundärkristallen. Zudem bleibt der Einfluss der LE klein.8 Die Entstehung von übersättigten Mischkristallen geschieht durch das Lösungsbehandeln. Die Sekundärkristalle werden mittels Hitze aufgelöst und anschließend abgeschreckt. Eine Ausscheidung findet nicht statt. Mischkristalle haben zum Ziel den Gleichgewichtszustand, da sie übersättigt und instabil sind.9 Um die Ausscheidung zu veranlassen dient das Auslagern. Dieses kann sowohl kalt aus auch warm sein. „Die Raumtemperatur drängt das Wirtsgitter die zwangsgelösten Atome in Fehlstellen des Gitters (Versetzungen, Lücken), wo sie als Cluster oder GP-Zonen das Wandern der Versetzungen erschweren, die Festigkeit steigt.“10 Es entstehen je nach Legierungsart neue Phasen. Größere Teilchen werden so zu neuen Phasen, die nach Erwärmung oder nach verstrichener Zeit entstehen. Sobald die Temperatur ansteigt und mit der Zeit bilden die Phasen immer größere Abstände und werden selbst gröber. Die Verfestigung baut sich so ab, den der Verfestigungseffekt setzt einen kleinen Teilchenabstand voraus.11 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 8!Vgl.!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms,!Christoph!Jaroschek.!Werkstoffkunde!-! Strukturen,!Eigenschaften,!S.!65! 9!Vgl.!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms,!Christoph!Jaroschek.!Werkstoffkunde!-! Strukturen,!Eigenschaften,!S.!66! 10!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms,!Christoph!Jaroschek.!Werkstoffkunde!-! Strukturen,!Eigenschaften,!S.!66! 11!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms,!Christoph!Jaroschek.!Werkstoffkunde!-! Strukturen,!Eigenschaften,!S.!66! !

9

!

Wenn beiden Mechanismen eine gleiche Schubspannung aufweisen folgt die höchste Verfestigungswirkung. Dies gelingt bei optimalem Teilchenabstand und Teilchengröße.12

2.4.2 Teilchenarten Es können folgende Teilchenarten mit steigender Größe dabei entstehen:

-

„GP-Zonen: sind scheibchenförmige Kristalle einer Atomart im Mischkristall mit ca. 10nm Durchmesser. (Al-Legierungen)

-

Cluster: sind ungeordnete Ansammlungen weniger LE-Atome innerhalb des Mischkristalls.

-

Kohärente Ausscheidungen: behalten noch das Wirtsgitter in verzerrter Form bei, sie wirken sich am stärksten auf die Umgebung aus und ergeben eine starke Gleitblockierung.

-

Inkohärente Ausscheidungen: besitzen ein artfremdes Gitter und verzerren das Wirtsgitter wenig, sie ergeben eine geringe Gleitblockierung.

-

Teilkohärente Ausscheidungen: sind eine Mischung aus beiden.“13

!

Abbildung!1:!Form!der!Ausscheidungen!!!

Quelle: Wolfgang Weißbach, Michael Dahms. Werkstoffkunde: Strukturen, Eigenschaften, Prüfung. Bd. 17. Wiesbaden: Springer Verlag, 2010, S. 65 ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 12!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms,!Christoph!Jaroschek.!Werkstoffkunde!-! Strukturen,!Eigenschaften,!S.!66! 13!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms,!Christoph!Jaroschek.!Werkstoffkunde!-! Strukturen,!Eigenschaften,!S.!64!f! !

10

!

Bei Anpassung vieler, kleiner Teilchen mit kleinen Abständen an das Wirtsgitter und die Lage der Gleitebenen kommt es zu einer kohärenten Struktur. Wenn dabei die Teilchen eine niedrigere Anzahl aufweisen, sie aber größer sind und der Abstand ebenfalls größer ausfällt, kommt es zu einer inkohärenten Struktur.14 „Bei der Wirkung vieler, kleiner Teilchen mit kleinen Abständen auf die kritische Schubspannung können Versetzungsbewegungen die Hindernisse nur mit einer höheren Schubspannung durchlaufen. Sie werden dabei geschnitten(Schneidmechanismus). Andererseits ist es bei größeren Teilchen, die weniger an der Anzahl sind und größere Abstände besitzen, so dass Versetzungsbewegungen nur an dem Teilchen selbst behindert werden, da sie sich den Weg des geringeren Widerstandes suchen. Dabei umgehen sie die Teilchen(Umgehungsmechanismus).15 ! 2.4.3 Dispersionshärtung durch Pulvermetallurgie ! Bei!der!Dispersionshärtung!bedeutet!das!Dispergieren!die!Einbringung!von!feinen,! unlöslichen! Partikeln! im!Grundmetall.! Hierbei! werden! Carbide,! Boride! und! Oxide! gemischt! und! gesintert.! Dies! geschieht! durch! mechanisches! Legieren.! Beim! mechanischen! Legieren! in! Kugelmühlen! entstehen! zeitgleich! feindisperse! Partikel/Teilchen.!! !Rohlinge,! die! zum!Schmieden! gebraucht! werden!durch! das! Sprühkompaktieren!hergestellt.!Dies!ist!die!wirtschaftlichere!Methode.16!!! ! Unterschied!zwischen!in!der!Matrix!unlöslichen!Teilen!und!im!Mischkristall!unlöslichen!Teilen:! Die! Legierungen! in! der! Matrix! sind! thermisch! stabiler,! als! die! im! Mischkristall.!! Dies!ist!der!Fall,!da!während!der!Erwärmung!die!Vergröberung!der!Teilchen!langsamer! ist.! (Warmfestigkeit).! ! Auch! Verbundwerkstoff! mit! ! Metallmatrix! (z.B.! Kol!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 14!Vgl.!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms,!Christoph!Jaroschek.!Werkstoffkunde!-! Strukturen,!Eigenschaften,!S.67! 15!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms,!Christoph!Jaroschek.!Werkstoffkunde!-! Strukturen,!Eigenschaften,!S.67! 16!Vgl.!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms,!Christoph!Jaroschek.!Werkstoffkunde!-! Strukturen,!Eigenschaften,!S.67! ! !

11

!

ben,! Zylinderbuchsen,! etc.)! weisen! eine! Dispersionsverfestigung! auf.! ! Durch! das! Lösen! von! Atomen! ändern! sich! die! Eigenschaften! von! Legierungen! und! Metallen.! Diese!verlieren!die!hohe!elektrische!Leitfähigkeit.!Falls!jedoch!LE-Atome!unlösliche! Teilchen!aufbauen,!bleibt!die!Eigenschaft(Leitfähigkeit)!bestehen.! Die!Pullvermetallurgie!bietet!im!Gegensatz!zur!Schmelzmetallurgie!die!Möglichkeit! verschleißfeste!Legierungen,!!mit!einen!großem!Anteil!an!harten!Phasen!herzustellen.17! Tabelle!1:!Verfestigung!durch!Ausnutzung!der!Gitterfehler! Mechanismus, technische Maßnahme

FehlerDimension

Strukturänderung, Hindernisse gegen die Versetzungsbewe-

Festigkeit und Duktilität, schematischer Verlauf

gungen Mischkristallverfestigung Legieren innerhalb der Löslichkeit

0 Punkt

Welligkeit der Gleitschichten durch größere oder kleinere LE-Atome. Wirkung steigt mit den ;-Unterschieden und der Konzentration der LE

Kaltverfestigung Umformen

1 Linien

Kaltumformen erhöht die Versetzungsdichte von 108 cm=cm3 auf 1012 cm=cm3

Feinkornverfestigung Feinkorn herstellen

2 Fläche

Korngrenzen blockieren die Bewegung der Versetzungen. Die Vielzahl der Körner erhöht die Zahl der Gleitmöglichkeiten

Dispersionsverfestigung Aushärten Partikel einbringen

3 Volumen

Behinderung durch feindisperse, kohärente Ausscheidungen in Mischkristallen, die abgeschert werden müssen Feindisperse, inkohärente Teilchen, die umgangen werden müssen

Quelle: Wolfgang Weißbach, Michael Dahms. Werkstoffkunde: Strukturen, Eigenschaften, Prüfung. Bd. 17. Wiesbaden: Springer Verlag, 2010, S. 6 ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 17!Vgl.!Wolfgang!Weißbach,!Michael!Dahms,!Christoph!Jaroschek.!Werkstoffkunde!-! Strukturen,!Eigenschaften,!S.67! !

12

!

3. Fazit ! Zum Schluss beantworte ich in Kurzform die Fragen aus der Aufgabenstellung. Zusammenfassend lassen sich Verfestigungsmechanismen in Feinkorn-, Mischkristall-, Kalt- und Dispersionsverfestigung. Bei der Feinkornverfestigung stellen Korngrenzen ein Hindernis für Gleitprozesse dar. Die benachbarten Kristallite mit anderer Ausrichtung erschweren Korngrenzen das Bewegen. Die Kaltverfestigung benötigen viele Versetzungen um eine plastische Verformung zu erreichen. Die Neubildung von Versetzung muss fortwährend anhalten. Zudem bedarf es an vermehrter Schubspannung. Bei der Mischkristallverfestigung fallen Bewegungen von Versetzungen schwerer, weil Mischkristalle eine höhere Streckgrenze besitzen. Zu den Vorgängen, die zu Dispersionsverfestigung führen zählen: Das Aushärten, welches Mischkristalle ähnlich wie Zucker bei hohen Temperaturen löst. Zudem zählt das, durch Lösungsbehandlung entstehende, übersättigte Mischkristall. Hierbei werden Sekundärteile mittels Hitze aufgelöst und abgeschreckt. Dabei bleibt die Ausscheidung aus. Zuletzt dient das Auslagern der Veranlassung der Ausscheidung. Durch die Dispersionsverfestigung entstehen folgende Teilchen mit steigender Größe: GP-Zonen, Cluster, kohärente Ausscheidung, inkohärente Ausscheidung und die teilkohärente Ausscheidung. Zuletzt geschieht die Einlagerung von Teilchen durch Pulvermetallurgie bei der Dispersionsverfestigung, durch Dispergieren und mechanisches Legieren.

! ! !

!

13

!

...