Grundlagen der Funktionswerkstoffe für Studium und Praxis. Janko Auerswald
Umständen sehr fest und plastisch nur schwer verformbar (Tab. 2.2).
2.7 Verfestigungsmechanismen in Metallen
Da jeder Kristallbaufehler ein Hindernis für eine Versetzung darstellt, können diese Gitterfehler gezielt in Werkstoffe eingebracht werden, um die Festigkeit, d. h. die Widerstandsfähigkeit gegen plastische Verformung, zu erhöhen. Wie auch die Kristallbaufehler lassen sich die Verfestigungsmechanismen gemäß der Geometrie der eingebrachten Gitterdefekte klassifizieren (Tab. 2.3 ).
Tab. 2.2 Gleitsysteme in kfz, krz und hdp Metallen.
Tab. 2.3 Überblick über die typischsten Verfestigungsmechanismen.
| Dimension | Versetzungshindernis | Verfestigungsmechanismus | Festigkeitsanstieg |
| 0 | Gelöste Fremdatome im Mischkristall mit Konzen tration c | Mischkristallverfestigung |
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| 1 | Versetzungen mit der Verset zungsdichte N | Kaltverfestigung |
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| 2 | Korngrenzen bei einer mittleren Korngröße d | Feinkornverfestigung |
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| 3 | Kohärente Ausscheidungen der Größe D (sowie teil- und inkohärente Ausscheidungen oder Fremdpartikel) | Ausscheidungshärtung (Dispersionsverfestigung) |
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0D: Mischkristallverfestigung
Spannungsfelder von Fremdatomen sind Hindernisse für das Versetzungsgleiten (Abb. 2.22). Einlagerungsatome führen zu einem höheren Festigkeitsanstieg als Austauschatome.
Abb. 2.22 Gitterverzerrung durch das Spannungsfeld eines Austauschatoms.
1D: Kaltverfestigung
Werden bei der plastischen Verformung zu viele Versetzungen generiert, behindern und blockieren diese sich gegenseitig beim Gleiten (Abb. 2.23).
2D: Feinkornverfestigung
Versetzungen stauen sich an Korngrenzen ,,wie an einer Wand“, die sie durch Gleiten nicht überwinden können, da dort die Gleitebenen nicht mehr weiterlaufen (Abb. 2.24). Feinkorngefüge haben viele Korngrenzen und damit viele Gleithindernisse (Feinkornhärtung).
Die Feinkornverfestigung führt nicht zu einer so großen Versprödung wie die Kaltverfestigung oder die anderen Verfestigungsmechanismen. Dies führt zu einer hohen Festigkeit bei gleichzeitig guter Zähigkeit. Allerdings ist die Feinkornhärtung wie auch die Kaltverfestigung nicht geeignet für den Einsatz bei hohen Temperaturen, weil Kornwachstum einsetzt und die Versetzungen ausheilen.
Abb. 2.23 (a) Schematische Darstellung der gegenseitigen Behinderung von Versetzungen; (b) Probe mit plastischer Verformung und sich behindernden Versetzungen (schwarze Linien) auf verschiedenen Gleitebenen unter dem Transmissionselektronen mikroskop (TEM).
Abb. 2.24 Schematische Darstellung des Versetzungsaufstaus an Korngrenzen.
3D: Ausscheidungshärtung
In erster Linie sind Phasengrenzen von Ausscheidungen natürlich zweidimensionale Defekte. Die Versetzungen stauen sich zunächst wie an einer Korngrenze (Abb. 2.25). Liegen diese Ausscheidungen jedoch in einem Korn, wie dies bei vielen ausscheidungsgehärteten Legierungen der Fall ist, so sind Versetzungen in der Lage, die Ausscheidungen durch Umschnürung (Orowan-Mechanismus), Schneiden (bei kohärenten Ausscheidungen) oder Klettern zu überwinden. Das geht bei Korngrenzen i. d. R. nicht. Werden Partikel einer keramischen Phase als Versetzungshindernisse eingebaut, spricht man von Dispersionsverfestigung.
Abb. 2.25 Versetzungsaufstau an einer Ausscheidung schematisch (a) und an einer Ni3Al-Ausscheidung in einer Superlegierung für Turbinenschaufeln (b, TEM-Aufnahme).
2.8 Rekristallisation
Kaltverfestigung kann zum einen erwünscht sein, wenn es darum geht, bei Blechen eine möglichst hohe Streckgrenze zu erreichen (Festigkeitssteigerung). Kaltverfestigung ist aber dann unerwünscht, wenn es darum geht, über Kaltumformverfahren Halbzeuge und fertige Teile mit einem hohen Verformungsgrad herzustellen. Über den Vorgang der Rekristallisation lassen sich die Folgen einer Kaltumformung (Kaltverfestigung) rückgängig machen, so dass der Werkstoff sein ursprüngliches Formänderungsverhalten zurückbekommt.
Die Rekristallisation beruht darauf, dass der Werkstoff durch die Kaltumformung eine höhere innere Energie erhält und die Tendenz hat, in einen energieärmeren Zustand zurückzukehren. Dies ist bei erhöhter Temperatur möglich. Die entsprechende Glühbehandlung heißt Rekristallisationsglühen. Bei der Rekristallisation, die oberhalb einer Temperatur von etwa 40 % des Schmelzpunktes (in Kelvin) des Metalls oder der Legierung abläuft, wachsen aus Energiezentren (z. B. Gitterfehler wie Versetzungen) neue Körner, so dass ein gleichmäßiges Gefüge aus unverformten Körnern entsteht.