Go to top

Mechanische eigenschappen

Deze serie bestaat uit vier delen

deel 2
deel 3
deel 4

Principes van verouderingsharding


De basisvereiste voor een legering of deze in staat is tot verouderingsharding is een afname van de oplosbaarheid in de vaste toestand van een of meer van de legeringselementen bij dalende temperatuur.

Warmtebehandeling omvat doorgaans de volgende stadia:
1.Oplosgloeien bij een relatief hoge temperatuur binnen het enkelfasegebied, bijvoorbeeld A op afbeelding 1, om de legeringselementen in oplossing te doen gaan.
2.Snelle koeling of afschrikken, gewoonlijk tot kamertemperatuur, om te komen tot een oververzadigde vaste oplossing (OVVO) van deze elementen in aluminium.
3.Beheerst uiteenvallen van de OVVO waarbij een fijn verdeelde uitscheiding wordt gevormd, gewoonlijk door veroudering gedurende een geschikte tijdsduur op een of soms twee middelmatig hoge temperaturen. Het volledig uiteenvallen van een OVVO is een complex proces dat verscheidene stadia kan beslaan. Kenmerkend is de vorming van Guinier-Preston- (GP-) zones en een tijdelijk precipitaat naast de evenwichtsfase. De GP-zones zijn geordende groepen atomen die rijk zijn aan opgeloste vreemde atomen, die vaak slechts een of twee atoomlagen dik zijn. Ze behouden de structuur van de matrix en zijn ermee coherent, hoewel ze gewoonlijk aanzienlijke elastische spanningen veroorzaken (zie afbeelding 2). Hun vorming vereist de beweging van atomen over betrekkelijk korte afstanden zodat ze zeer fijn zijn verdeeld in de matrix met dichtheden die kunnen oplopen tot wel 1017 tot 1018 cm-3. Afhankelijk van het legeringssysteem kan de snelheid waarmee kiemvorming plaatsvindt en de actuele structuur in sterke mate worden beïnvloed door de aanwetechnische zigheid van een overmaat aan vacante roosterplaatsen, welke eveneens achterblijven als gevolg van het afschrikken. Het tussentijdse precipitaat is gewoonlijk veel groter van afmeting dan een GP-zone en is slechts ten dele coherent met de roostervlakken van de matrix. Het heeft een vaste samenstelling en kristalstructuur die slechts weinig kan verschillen van die van het evenwichtsprecipitaat. In sommige legeringen kan het tussentijdse precipitaat ontkiemen vanuit, of op, de stabiele GPzones. In andere legeringen kan deze fase op heterogene wijze ontkiemen op roosterfouten, zoals dislocaties (zie afbeelding 3). De vorming van het uiteindelijke evenwichtsprecipitaat omvat een volledig verlies van coherentie met het rooster van de matrix. Het ontstaat uitsluitend bij relatief hoge verouderingstemperaturen en omdat het een grove uitscheiding is, levert het weinig harding op. Maximale verouderingsharding treedt alleen op in een legering als er kritische uitscheiding van GP-zones aanwezig is of een tussentijds precipitaat of beide.

Afb. 1Doorsnede van eutectisch Al-Cu fasediagram. De plaats van de solvus van de GP-zones is eveneens weergegeven.



Afb. 2. Voorstelling van de vervorming van matrix-roostervlakken in de buurt van de coherente GP-zone [1].



Afb. 3 Transmissie-elektronenmicroscopie, waarop de staafjes van de S-fase (Al2CuMg) te zien zijn die heterogeen op dislocatielijnen zijn uitgescheiden. Het gaat hier om de legering Al-2,5Cu-1,5Mg, verouderd gedurende 7 uur bij 200°C [2].



Afb. 4.Voorstelling van de variatie in de grootteverdeling van de GP-zone met verloop van de verouderingstijd (t1 <t2 <t3) [3].
 

De solvus van GP-zones


Een belangrijk concept is dat van de solvus van de GP-zones, dat kan worden voorgesteld als een metastabiele lijn in het evenwichtsdiagram (zie afbeelding 1). De solvus definieert de bovengrens van de temperatuur waarbij de GP-zones stabiel zijn voor verschillende samenstellingen hoewel zijn precieze locatie kan variëren al naar gelang de concentratie van de overmaat aan open roosterplaatsen. Solvuslijnen kunnen ook worden bepaald voor andere metastabiele precipitaten. De verdeling van de afmetingen van GPzones met de verouderingstijd is schematisch weergegeven op afbeelding 4. Er bestaat sterke experimentele ondersteuning voor het model dat is geopperd door Lorimer en Nicholson, waarbij GP-zones, die zijn ontstaan onder de solvustemperatuur voor de GP-zones, kunnen fungeren als kiemplaatsen voor het volgende stadium in het verouderingsproces, gewoonlijk het ontstaan van het tussentijdse precipitaat, op voorwaarde dat ze kritische groot te hebben bereikt (dkrit op afbeelding 4).
Op basis van dit model kunnen legeringen worden verdeeld in drie typen:
1. Legeringen waarvan de afschrikbadtemperatuur en de verouderingstemperatuur beide boven de solvus van de GPzones liggen. Zulke legeringen vertonen weinig of geen respons op verouderingsharding door kiemvorming van een fijn verdeeld precipitaat. Een voorbeeld hiervan is het Al-Mg-systeem waarbij afschrikken resulteert in een zeer hoog niveau aan oververzadiging, maar waarbij harding achterwege blijft in samenstellingen met minder dan 5-6% magnesium.
2. Legeringen waarbij zowel de afschrikbadtemperatuur als de verouderingstemperatuur onder de solvus van de GP-zones liggen, bijvoorbeeld enkele Al-Mg-Si-legeringen.
3. Legeringen waarbij de solvus van de GP-zones tussen de afschrikbadtemperatuur en de verouderingstemperatuur in ligt. Deze situatie doet zich voor bij het merendeel van de aluminiumlegeringen die door middel van veroudering kunnen worden gehard. Er kan voordeel worden getrokken van de kiemvorming van een tussentijds precipitaat op de reeds bestaande GP-zones met afmetingen boven dkrit door gebruik te maken van tweestaps of duplex verouderingsbehandelingen. Die worden momenteel toegepast op sommige legeringen ter verbetering van bepaalde eigenschappen. Ze zijn met name van belang in verband met scheurvormende spanningscorrosie in aluminiumlegeringen met hoge sterkte.

Invloed van sporenelementen


Net als bij andere kiemvormings- en groeiprocessen kunnen precipitatiereacties in hoge mate worden beïnvloed door de aanwezigheid van kleine hoeveelheden of sporen van bepaalde elementen. Deze veranderingen kunnen zich voordoen om tal van redenen, waaronder:
1.Preferente wisselwerking met vrije roosterplaatsen die de kiemvormingssnelheid van GP-zones vertragen.
2.Verhoging van de solvus van de GPzones die de temperatuurgebieden verandert waarbinnen fasen stabiel zijn.
3.Stimuleren van kiemvorming van een bestaand precipitaat door verlaging van de grensvlakenergie tussen precipitaat en matrix.
4.Bevorderen van de vorming van een ander precipitaat. Voorbeelden zijn de invloeden van geringe toevoegingen cadmium, indium en tin in Al-Cu-legeringen (1) en (3), zilver in Al-Zn- Mg-legeringen (2) en zilver in Al-Cu-Mglegeringen (4).

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