Go to top

Mechanische Eigenschappen van aluminium Deel 2

Hardingsmechanismen

Hoewel vroege pogingen ter verklaring van de hardingsmechanismen in verouderingsgeharde legeringen beperkt moesten blijven vanwege gebrek aan experimentele gegevens, zijn er toch twee belangrijke postulaten geformuleerd. De ene was dat harding, of liever de gestegen weerstand van een legering tegen vervorming, het resultaat was van de invloed van precipitaatdeeltjes op het afschuiven van kristalvlakken. De ander was dat maximum harding samenhing met een kritische deeltjesgrootte.

Moderne opvattingen van precipitatieharding komen in essentie neer op deze twee ideeën in relatie tot dislocatietheorie, omdat de sterkte van een verouderingsgeharde legering wordt beheerst door de wisselwerking van bewegende dislocaties met precipitaten. Obstakels die de beweging van precipitaten in verouderingsgeharde legeringen in de weg staan zijn de inwendige spanningen rondom precipitaten, vooral GP-zone, en de precipitaten zelf. Met betrekking tot de eerstgenoemde kan er worden aangetoond dat maximale hindering van de dislocatiebeweging, dat wil zeggen maximale harding, kan worden verwacht als de onderlinge deeltjesafstand gelijk is aan de grenswaarde van de kromtestraal van bewegende dislocatielijnen, dat wil zeggen ongeveer 50 atoomafstanden of 10 nm. In dit stadium is het overheersende precipitaat in vrijwel alle legeringen coherente GP-zones. Opnamen met hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopen hebben onthuld dat deze zones door bewegende dislocatie in feite worden afgeschoven. Dus individuele GP-zones hebben slechts een geringe invloed bij het hinderen van de glijdende dislocaties en de sterke toename van de rekgrens die deze zones kunnen veroorzaken is het gevolg van hun hoge volumefractie. Het afschuiven van de zones vergroot het aantal bindingen tussen opgeloste atomen en aluminiumatomen over de glijvlakken op de wijze zoals is weergegeven op afbeelding 5, zodat het proces van clustervorming neigt te worden omgekeerd. Er moet extra arbeid worden verricht door de aangelegde spanning wil dit optreden; de grootte hiervan wordt beheerst door factoren zoals relatieve atoomafmetingen van de betrokken atomen en het verschil in stapelfoutenergie tussen matrix en precipitaat. Deze zogenaamde chemische harding draagt extra bij tot de algehele sterktetoename van de legering. Als GP-zones eenmaal zijn doorsneden, blijven dislocaties door de deeltjes heenlopen op de actieve glijvlakken en is de deformatieharding betrekkelijk gering. Vervorming krijgt een plaatselijk karakter en beperkt zich tot slechts enkele actieve glijvlakken zodat er zich enkele intensieve banden ontwikkelen die het mogelijk maken dat dislocaties zich ophopen op korrelgrenzen op de wijze zoals schematisch op afbeelding 6a is weergegeven. De ontwikkeling van dit type microstructuur kan schadelijk zijn met betrekking tot mechanische eigenschappen zoals taaiheid, sterkte, vermoeiings- en spanningscorrosie.

Afb. 5 Voorstelling van het doorsnijden van een klein deeltje, bijvoorbeeld een GP-zone, door een bewegende dislocatie [4].


Als precipitaatdeeltjes en hun onderlinge afstand groot zijn, dan kunnen ze makkelijk worden gepasseerd door bewegende dislocaties die tussen hen uitbuigen en zich dan weer verenigen via een door Orowan als eerste geopperd mechanisme (zie afbeelding 7). Rondom de deeltjes blijven dislocatielussen achter. De rekgrens van de legering is laag, maar de mate van deformatieharding is hoog en de plastische vervorming verbreidt zich vrij gelijkmatig over de korrels. Deze toestand wordt aangetroffen bij oververouderde legeringen en de daarbij behorende verouderingshardingskromme waarbij de toename van de mechanische sterkte met de verouderingstijd in verband wordt gebracht met een overgang van schuiven naar het passeren van precipitaten, zoals schematisch is weergegeven op afbeelding 8. De vorming van een tussentijds precipitaat gaat vergezeld van de ontwikkeling van bredere precipitaatvrije zones, grenzend aan de korrelgrenzen. Deze zones zijn betrekkelijk zwak ten opzichte van de verouderingsgeharde matrix en kunnen makkelijk vervormen hetgeen leidt tot hoge spanningsconcentraties op tripelpunten (zie afbeelding 6b) die, op hun beurt, voortijdige scheuring kunnen veroorzaken. Er doet zich een zeer interessante toestand voor als precipitaten aanwezig zijn die in staat zijn om afschuiving door dislocaties te weerstaan en tevens te dicht bij elkaar liggen om dislocaties door te laten. In zulke gevallen is beweging van dislocatielijnen alleen mogelijk als delen over of onder individuele deeltjes kunnen passeren via een proces zoals klimmen. Er kunnen dan hoge niveaus worden verwacht van zowel versteviging als deformatieharding. Doorgaans liggen zulke precipitaten te ver uit elkaar om dit te laten gebeuren, maar bij vrij recent werk aan onder andere duplex-verouderingsbehandelingen, onder en boven de solvus van de GP-zones, is men erin geslaagd de uitscheiding van bepaalde tussentijdse precipitaten in sommige commerciële legeringen te verfijnen met als consequentie een verbetering van de mechanische eigenschappen. Een tweede ongelijkheid is het doen vormen van duplex-uitscheiding van precipitaten, die bestaan uit kleine, dicht bij elkaar liggende deeltjes om de rekgrens te verhogen van grotere deeltjes die zorgen voor hogere mate van deformatieharding en die de plastische vervorming gelijkmatiger verdelen.


Afb. 6b Spanningsconcentratie aan korrelgrenstripelpunten als gevolg van uitscheidingsvrije zones [5].



Afb. 7 Voorstelling van een dislocatie die wijd uit elkaar liggende deeltjes passeert.
 


Afb. 8 Voorstelling van de variatie in de rekgrens met verouderingstijd voor een kenmerkende verouderingshardende legering. τ is de afschuifspanning die nodig is om de dislocaties tussen precipitaatdeeltjes door te persen [6].
 

Mechanisch gedrag


De belangrijkste microstructuurkenmerken die de mechanische eigenschappen van aluminiumlegeringen beheersen zijn de volgende:
1.Grove intermetallische verbindingen die tijdens stolling tussen de dendrieten worden gevormd en die gewoonlijk de verontreinigingselementen ijzer en silicium bevatten. Ze omvatten de vrijwel onoplosbare verbindingen (Fe,Mn)Al6, FeAl3, α-Al(Fe,Mn,Si), Al7Cr2Fe en de wat beter oplosbare fasen CuAl2, Mg2Si en Al2CuMg. Opvolgende bewerking van gietelingen verbreekt de grootste van deze verbindingen waardoor hun afmetingen worden teruggebracht tot 0,5 - 10 μm, waarna ze op een lijn worden gebracht tot snoeren in de richting van de bewerking (zie afbeelding 9).
2.Kleinere submicroscopische deeltjes (kenmerkende afmetingen 0,05 - 0,5 μm, bestaande uit intermetallische verbindingen die doorgaans de overgangsmetalen chroom, mangaan of zirkoon bevatten. Voorbeelden zijn Al20Cu2Mn3, Al18Mg3Cr2 en Al3Zr. Deze overgangsmetalen komen in oververzadigde toestand voor in semi-continu gegoten gietelingen of band, vanwege de betrekkelijk hoge afkoelsnelheden die hierbij optreden. De uitscheidingen doen zich voor tijdens het opvolgende voorverhitten of homogeniseren dat aan het warm-bewerken voorafgaat. De uitscheidingen dienen om rekristallisatie en korrelgroei te vertragen tijdens verwerking en warmtebehandeling van de betreffende legeringen. Ze kunnen ook een belangrijke invloed uitoefenen op bepaalde mechanische eigenschappen vanwege hun invloed op zowel de te geven verouderingsbehandeling als op de dislocatie-substructuren die worden gevormd als resultaat van plastische vervorming.
3. Fijne uitscheidingen (tot 0,1 μm) die ontstaan tijdens verouderingsharding en een hoog sterkteniveau kunnen bevorderen in legeringen die voor dat soort behandelingen gevoelig zijn.
4.Korrelgrootte en vorm. Het merendeel van de gesmede producten ondergaat geen bulkrekristallisatie tijdens verwerking en opvolgende warmtebehandeling zodat er een langgerekte korrelstructuur behouden blijft.
5.Dislocatie-substructuur, met name die wordt veroorzaakt door koud-bewerken van deze legeringen die niet reageren op verouderingsharding en die welke ontstaan door belasting tijdens gebruik.
6.Kristallografische texturen die worden gevormd als resultaat van bewerking en zachtgloeiing, in het bijzonder in gewalste producten. Ze hebben een uitgesproken effect op de vervormbaarheid en leiden tot anisotrope mechanische eigenschappen. Elk van deze kenmerken kunnen worden beïnvloed door de diverse stadia die worden doorlopen tijdens stolling en bewerking van kneed- en gietlegeringen.
 


Afb. 9 Evenwijdige strengen van grove intermetallische verbindingen in een gewalste aluminium legering; V = 250X.

 

Treksterkte


Aluminiumlegeringen kunnen worden verdeeld in twee groepen afhankelijk van het feit of ze wel of niet reageren op precipitatieharding. Bij legeringen die reageren op verouderingsbehandelingen zijn het fijn verdeelde precipitaten die een overheersend effect hebben op het verhogen van de rekgrens en treksterkte. Voor de andere groep zijn de dislocatie-substructuur die wordt gevormd bij koud-bewerken van kneedlegeringen en de korrelgrootte van gietlegeringen van primair belang. Grove intermetallische verbindingen hebben betrekkelijk weinig invloed op de rekgrens of treksterkte, maar ze kunnen een uitgesproken verlies aan taaiheid veroorzaken in zowel smeed- als gietstukken. De deeltjes kunnen breken bij lage plastische spanningen, waardoor er inwendige holtes ontstaan die, onder inwerking van verdere plastische spanning, kunnen samenvallen en leiden tot voortijdige breuk. De fabricage van smeedproducten kan, zoals al eerder werd vermeld, sterk gerichte korrelstructuren opleveren. Bovendien kunnen de grove intermetallische verbindingen en kleinere uitscheidingen ook op een lijn komen en snoeren vormen in de richting van de metaalvloeiing (zie afbeelding 9). Deze microstructuurkenmerken staan bekend als mechanische fibervorming en, tezamen met kristallografische textuurvorming, veroorzaken ze anisotropie in treksterkte- en andere eigenschappen. Daarom worden metingen vaak in de drie hoofdrichtingen uitgevoerd. Treksterkte-eigenschappen, met name taaiheid, zijn het hoogst in de langsrichting en het laagst in de dwarsrichting, waarbij de spanning loodrecht staat op de snoeren van intermetallische verbindingen.
 

Nieuwsbrief

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief en blijf op de hoogte van alle niet te missen ontwikkelingen in de Aluminium en Roestvast Staal branche.

Velden met een * zijn verplicht