New concepts for understanding the effect of natural pre-aging on the artificial aging of Al-Mg-Si alloys

Titel in Übersetzung: Neue Konzepte zum Verständnis der Wirkung einer Kaltaushärtung auf die Warmaushärtung von Al-Mg-Si Legierungen

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Al-Mg-Si-Legierungen sind die am häufigsten eingesetzte Gruppe aushärtbarer Aluminiumlegierungen. Dass sich eine Kaltaushärtung auf die darauffolgende Warmaushärtung negativ auswirken kann, wurde bereits im Jahre 1939 entdeckt. Eine zufriedenstellende Erklärung dieser wissenschaftlich, aber vor allem auch für die Industrie bedeutenden Fragestellung, konnte bis heute jedoch nicht erbracht werden. In dieser Arbeit wird ein neues Konzept zum metallphysikalischen Verständnis dieses Effekts vorgestellt. Durch mikrostrukturelle Beobachtungen und eine kinetische Analyse von Ausscheidungsphänomenen konnte erstmals eine Temperaturabhängigkeit des Effektes einer Kaltaushärtung auf die Warmaushärtung festgestellt werden. Der daraus abgeleitete „Leerstellen-Gefängnis-Mechanismus“ geht davon aus, dass Mg,Si Co-Cluster, welche durch eine Kaltaushärtung entstehen, die Mobilität von Leerstellen während einer darauffolgenden Warmaushärtung stark einschränken können. Die Stabilität dieser Cluster im industriell angewandten Temperaturbereich führt zum beobachteten negativen Effekt der Kaltaushärtung auf die Warmaushärtung. Höhere Warmaushärtungstemperaturen bewirken jedoch eine Auflösung von Mg,Si Co-Clustern und damit eine Beschleunigung der Warmaushärtung. Durch eine detaillierte Untersuchung des Ausscheidungsgefüges mittels Atomsondentomographie und Transmissionselektronenmikroskopie konnte nachgewiesen werden, dass die bei der Warmaushärtung von Al-Mg-Si-Legierungen wichtige β´´-Phase Al enthält. Weiters zeigt ein ungewöhnlich hohes Mg/Si-Verhältnis, dass die β´´-Phase in der Legierung AA6061 nicht der bisher bekannten Mg5Si6 Stöchiometrie entspricht. Die Größenverteilung der β´´-Phase hängt in hohem Maße von der thermischen Vorgeschichte ab, wobei sich dieser Effekt einfach mit dem „Leerstellen Gefängnis Mechanismus“ erklären lässt. Zur Untersuchung der Keimbildung von β´´ kam eine Kombination aus Atomsonden-tomographie, Transmissionselektronenmikroskopie, Messung des elektrischen Widerstandes und der Härte sowie dynamische Wärmestromdifferenzkalorimetrie zum Einsatz. Die Ergebnisse belegen, dass Leerstellen eine besondere Bedeutung in der Unterstützung der Keimbildung von β´´ einnehmen, wobei dies auch ein wesentlicher Grund für die Wirkung der Kaltaushärtung ist. Der Legierungseinfluss wurde mittels einer Messung der Auflösungskinetik von Mg,Si-Co-Clustern in verschiedenen Legierungssystemen untersucht. Gekoppelt mit theoretischen Überlegungen zur Annihilation von Ungleichgewichtsleerstellen während der Warmaushärtung gelang eine Verallgemeinerung des Leerstellen-Gefängnis-Modells auf die gesamte Gruppe der Al-Mg-Si-Legierungen. Weiters konnte gezeigt werden, dass die Abhängigkeit der Warmaushärtungskinetik von der thermodynamischen Übersättigung eine Funktion der thermischen Vorgeschichte ist, wobei dies eine Abweichung von den gängigen Theorien zur Beschreibung diffusionskontrollierter Ausscheidungsreaktionen darstellt, jedoch bestens mit dem „Leerstellen-Gefängnis-Mechanismus“ in Einklang steht. Das vorgestellte Modell zum Verständnis der Wirkung einer Kaltaushärtung auf die Warmaushärtung von Al-Mg-Si-Legierungen beschreibt die beobachteten Phänomene in einem weiten Temperatur- und Zusammensetzungsbereich und ist in der Lage, Antworten auf viele industrielle Fragestellungen zu liefern. Basierend auf den Erkenntnissen konnte daher eine modifizierte Abschreckung als neue industrielle Wärmebehandlungsstrategie zur Vermeidung des negativen Effekts der Kaltaushärtung, welche gänzlich ohne zusätzlichen Wärmebehandlungsschritt auskommt, vorgestellt werden. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Wirkung der Kaltaushärtung durch die Zugabe von leerstellenaktiven Spurenelementen beinahe nach Belieben gesteuert werden kann, womit ein 70 Jahre lang unverstandener Effekt nun beherrschbar wird.
Titel in ÜbersetzungNeue Konzepte zum Verständnis der Wirkung einer Kaltaushärtung auf die Warmaushärtung von Al-Mg-Si Legierungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Uggowitzer, Peter, Beurteiler A (extern)
  • Antrekowitsch, Helmut, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2012

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Aluminium-Legierungen
  • Al-Mg-Si-Legierungen
  • Auslagern
  • Auscheidungskinetik
  • Leerstellen

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