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Aushärtung von Al-Legierungen

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Unter der Aushärtung (auch Aushärten oder Ausscheidungshärtung) von Aluminium-Legierungen versteht eine Wärmebehandlung, mit der die Härte und Festigkeit des Werkstoffs erhöht wird.

Die Werkstoffeigenschaft "Aushärtbarkeit" ist für den Einsatz von Aluminium-Bauteilen und Konstruktionen aus Aluminium in vielen technischen Anwendungsbereichen eine wichtige Voraussetzung. Ohne aushärtbare Aluminium-Legierungen wäre beispielsweise die gesamte Flugzeugtechnik kaum denkbar. Weil Aluminium in Verbindung mit verschiedenen anderen Elementen in der Lage ist, aushärtbare Legierungen zu bilden, kann es diese wichtige Grundvoraussetzung erfüllen. Hinzu kommt die Möglichkeit, durch eine speziell auf die jeweiligen Löslichkeitsverhältnisse abgestimmte Wärmebehandlung, die Festigkeitswerte der Aluminium-Legierungen bezüglich der von der Technik geforderten Festigkeit positiv zu beeinflussen.

Wichtige Voraussetzungen für die Aushärtung von Aluminium-Legierungen

  • beschränkte Mischbarkeit
  • die Sättigungsgrenze der Legierungselemente, die im Mischkristall überwiegend vorhanden sind, muss mit sinkender Temperatur spürbar abnehmen
  • es muss die Möglichkeit bestehen, einen übersättigten Zustand mit schlagartigem Abkühlen "einzufrieren"
  • Festigkeit erhöhende Phasen können durch Auslagern ausgeschieden werden

Aushärtung von Aluminium-Legierungen

Bei manchen Werkstoffen lässt sich infolge des Auftretens spröder Ausscheidungen eine enorme Steigerung der Festigkeit erzielen. Voraussetzung hierfür ist ein vollständiges Durchdringen der Matrix durch die Ausscheidungsteilchen. In welcher konkreten Form die Verteilung der Ausscheidungen erfolgt, wird durch die Keimbildungsbedingungen festgelegt. Sofern eine grobe Verteilung in eine fein verteilte Ausscheidungsform umgewandelt werden soll, müssen sich die Ausscheidungsteilchen unter veränderten Bedingungen völlig neu formieren. Dieser Mechanismus gilt auch für Aluminium-Legierungen.

Die Aushärtung einer Legierung erfolgt in drei grundsätzlichen Umwandlungsphasen. Zur Veranschaulichung erfolgt nachfolgend die Erläuterung mithilfe eines binären Systems. Das gewählte Modell besteht aus den Phasen α und β, wobei α die zu verfestigende Matrix und β die spröde Zweitphase darstellt.

Aushärtung Aluminium

Aushärtung-Phase 1:
Erstes Ziel ist die Auflösung der β-Phase. Hierzu erfolgt ein Lösungsglühen im Ein-Phasen-Gebiet der α-Phase. Bezug nehmend auf die Abbildung liegt die Temperatur jetzt bei T2. Bei dieser Temperatur erfolgt die Auflösung der β-Phase in der α-Phase, welche sich überwiegende aus B-Atomen zusammensetzt.

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Aushärtung-Phase 2:
Anschließend erfolgt die schlagartige Abkühlung, sodass jegliche Diffusion unterdrückt ist. Bei Temperatur T1 liegt schließlich ein übersättigter α-Mischkristall vor. Hierin sind jetzt mehr B-Atome enthalten als es dem eigentlichen Gleichgewicht bei Temperatur T1 entsprechen würde. Der exakte Übersättigungsgrad stellt sich als Abschnitt auf der Konzentrationsachse (Isotherme T1) dar. Der erste Abschnittspunkt ist der Schnittpunkt der Isotherme T1 mit der Phasen-Grenz-Linie α/α+β. Zudem lassen sich auf dieser Isotherme die genauen Konzentrationsverhältnisse ablesen (siehe Konzentrationsachse bei Temperatur T1). Der zweite Schnittpunkt bezeichnet das Lot des Punktes *) auf diese Isotherme. In der gezeigten Abbildung ist dies der Abschnitt xü.

Aushärtung-Phase 3:
Im dritten Schritt erfolgt die Ausscheidung von B-Teilchen und allen Teilchen, die B-Atome enthalten. Dazu regt man die durch die schlagartige Abkühlung unterdrückte Diffusion kontrolliert wieder an. Diesen Prozess bezeichnen Techniker als Auslagern. Es entstehen hierbei feindisperse Ausscheidungen, welche Verzerrungsfelder, auch Matrixgitter genannt, erzeugen. Durch diesen Vorgang werden alle Abläufe der Versetzungsbildung und Versetzungsbewegung beeinflusst. Sofern bereits Versetzungen vorhanden sind, werden diese blockiert. Das Ergebnis bei Aluminium-Legierungen ist eine eingeschränkte plastische Verformbarkeit, welche in der Technik als Aushärtung bezeichnet wird.

Quelle:
http://www.otto-junker.de/go/de/produkte-technologien/technologie-lexikon-aluminium.html

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