Aluminium - leicht und hochfest für Flugzeug
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Aluminium – leicht und hochfest für Flugzeug und Automobil O. Keßler, Ch. Schick Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik Lehrstuhl für Werkstofftechnik Mathematisch Naturwissenschaftliche Fakultät, Institut für Physik Arbeitsgruppe Polymerphysik Interdisziplinäre Fakultät, Department LL&M Ringvorlesung LL&M 07.07.2009 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK • Aluminiumlegierungen • Ausscheidungshärten • Abschrecken • Gefüge, Härte • Kalorimetrie • Ausblick 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 2 Aluminium • silber-graues Metall, dritthäufigstes Element und häufigstes Metall in der Erdkruste • Periodensystem 3. Hauptgruppe, 3. Periode, OZ 13, rel. Atommasse 26,982 u • Dichte 2,70 g/cm³ Leichtmetall, Leichtbau ↑ • Kristallstruktur kubisch-flächenzentriert Umformbarkeit ↑ • Elastizitätsmodul 72.000 N/mm² Leichtbau ↑ • Schmelzpunkt 660 °C Gießbarkeit ↑, Warmfestigkeit ↓ • Elektrische Leitfähigkeit 37,8 m/Ω mm² Elektrotechnik • Wärmeleitfähigkeit 238 W/m K • Spezifische Wärme 0,917 J/g K • Ausdehnungskoeffizient 23,8 ⋅ 10-6 1/K 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 3 Wichtige Legierungssysteme des Aluminiums • Al – Cu (- Mg) • Al – Mn • Al – Si • Al – Mg • Al – Mg – Si • Al – Zn – Mg (-Cu) 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK typische Festigkeiten 400 N/mm² typische Festigkeiten 300 N/mm² typische Festigkeiten 500 N/mm² 4 Dichtebezogene Werkstoffkenngrößen ρ E Rm E/ ρ E1/2 / ρ E1/3 / ρ Rm / ρ kg/dm³ kN/mm² N/mm² Mg-Legierung 1,8 45 340 25 3,7 2,0 189 AlCuMg (T3) 2,8 72 420 26 3,0 1,5 150 AlZnMg (T6) 2,8 72 560 26 3,0 1,5 200 TiAl6V4 4,4 115 1000 26 2,4 1,1 227 Stahl (vergütet) 7,9 210 1600 27 1,8 0,8 203 Be-Legierung 1,8 310 630 172 9,8 3,8 350 GFK (UD60%) 2,0 40 800 20 3,2 1,7 400 CFK (UD60%) Holz (längs) 1,5 0,5 150 10 2000 80 100 20 8,2 6,3 3,5 4,3 1333 160 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 5 Aluminiumlegierungen im Automobilbau Zylinderkopf [Honsel] 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK Motorblock [Honsel] 6 Aluminiumlegierungen im Automobilbau Getriebegehäuse [Honsel] 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK Fahrwerk [Honsel] 7 Ausscheidungshärten Teilchenverfestigung z Reines Al: geringe Festigkeit, wenige 10 N/mm² z Legieren + Wärmebehandlung: signifikante Festigkeitssteigerung mehrere 100 N/mm z Festigkeitssteigernde Teilchen: Teilchengröße wenige 10 nm Behinderung der Versetzungsbewegung σ Al-Legierung, T6 reines Al ε 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 8 TEM-Aufnahme der Aluminiumlegierung EN AW-6060 Ausscheidungshärten: • 540°C 30min / Abschrecken / 175°C 600min • GP-Zonen (nadelförmig) bzw. β‘ Mg2Si (stäbchenförmig) • Härte 90 HV Al <100> 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK ←→ 200 nm 9 Ausscheidungshärten T Lösungsglühen ≈ 500°C Abschrecken Auslagern ≈ 150-200°C Diffusion doppelt übersättigter MK 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK t festigkeitssteigernde Teilchen 10 Abschreckverfahren Flüssigkeitsabschrecken Gasabschrecken Bsp. Wasserabschrecken Bsp. Düsenfeldabschrecken 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 11 Wärmebehandlungssimulation Abschrecken EN AW-6082 Temperatur nach 5s [°C] Axialeigenspannungen [N/mm²] Verformung -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 12 optimierte Abschreckbedingungen So schnell wie nötig! So langsam wie möglich! - vollständige Übersättigung des Mischkristalls - Eigenspannungen und Verzug vermeiden legierungsspezifische kritische Abschreckgeschwindigkeit 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 13 kontinuierliche Zeit-TemperaturAusscheidungs-Diagramme liefern wichtige Werkstoffdaten z optimiertes Abschrecken: kritische Abschreckgeschwindigkeit z Wärmebehandlungssimulation Temperatur angelehnt an ZTU-Diagramme von Stählen α Æ α+ β Zeit kritische Abkühlgeschwindigkeit keine Ausscheidungen beim Abschrecken maximales Ausscheidungspotenzial beim Auslagern 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 14 Methoden zur Untersuchung von Ausscheidungsvorgängen in Aluminiumlegierungen nach kont. Abkühlung während isoth. Halten Gefüge, LM, REM X - - > ca. 1 µm Gefüge, TEM X - - aufwendig Röntgenbeugung X X (X) Messeffekte im Vergleich Dilatometrie - X (X) zu Stählen Kalorimetrie - X X sehr gering elektr. Widerstand X X (X) Härte X - - - Zugversuch X - - - 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK während kont. Bemerkungen Abkühlung 15 EN AW-6005A Sekundärausscheidungen nach Abkühlen Abkühlratenabhängigkeit z nur bei <10 K/min mit LM/REM nachweisbar z Größe sinkt mit steigender Rate (maximal ~ 30 µm) z 0,05 K/min – 0,5 K/min: Anzahl steigt; > 0,5 K/min: Anzahl sinkt steigende Abkühlrate 0,05 K/min 0,5 K/min 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 5 K/min 50 K/min 16 EN AW-6005A Sekundärausscheidungen nach Abkühlen Formen 10 µm intragranular: • geometrisch bestimmte Formen - Stäbe oder Platten - von kfz Al- Gitter umgeben - vermutlich daran ausgerichtet 10 µm 10 µm Intergranular: • keine geometrisch bestimmten Formen 10 µm 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 10 µm 17 EN AW-6005A Sekundärausscheidungen nach Abkühlen chemische Zusammensetzung laut EDX Verbindung aus Mg und Si (Gleichgewichtsphase β, Mg:Si = 2:1 At%) Mittelwerte abhängig von Ausscheidungsform EDX Platten Stäbe KG Mg : Si in At% 1,69 : 1 1,80 : 1 1,75 : 1 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 18 EN AW-6005A Sekundärausscheidungen nach Abkühlen Kristallstruktur XRD: integraler Nachweis Mg2Si kfz, a = 0,639 nm EBSD: lokaler Nachweis einkristallines Mg2Si sechs Messungen an einer Sekundärausscheidung Pos. 7 Pos. 8 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK Pos. 9 Pos. 10 Pos. 11 Pos. 12 19 Härte nach Auslagern B. Milkereit, O. Kessler, Ch. Schick, Recording of continuous cooling precipitation diagrams of aluminium alloys, Thermochimica Acta, (2009), doi:10.1016/j.tca.2009.01.027 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 20 Methoden zur Untersuchung von Ausscheidungsvorgängen in Aluminiumlegierungen nach kont. Abkühlung während isoth. Halten Gefüge, LM, REM X - - > ca. 1 µm Gefüge, TEM X - - aufwendig Röntgenbeugung X X (X) Messeffekte im Vergleich Dilatometrie - X (X) zu Stählen Kalorimetrie - X X sehr gering elektr. Widerstand X X (X) Härte X - - - Zugversuch X - - - 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK während kont. Bemerkungen Abkühlung 21 T in °C 600 LGT 400 200 RT 0 T S α+S diffusionsgesteuerte Ausscheidungsreaktion • lange Dauer bei T> 200 °C • grobe Ausscheidungen → exotherme Reaktion α α+β t C0 CB 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 22 T in °C 600 LGT 400 200 RT 0 T S α+S Diffusion eingeschränkt • Dauer bei T> 200 °C kürzer • feinere Ausscheidungen → schwächere exotherme Reaktion α α+β t C0 CB 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 23 T in °C 600 LGT 400 200 RT 0 T S α+S Unterdrückung Diffusion • Dauer T> 200 °C sehr kurz • keine Ausscheidungen → keine exotherme Reaktion α α+β t C0 CB übersättigter Mischkristall 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 24 Kalorimetrie - Messung der Ausscheidungswärmen Grundlagen (Thermodynamik) T Enthalpie H = ∫ C p dT 0 T Entropie S = T Energie U = ∫ CV dT 0 Cp ∫T dT 0 Gibbs Energie G = H − TS Freie Energie F = U − TS Grundlagen Kalorimetrie ∂Q = m c p ΔT Grundlagen Kalorimetrie d dt ∂Q = m c p ΔT dQ dT = m cp dt dt HF = m c p q dQ dT = HF =q dt dt ⇒ HF cp = mq Phasenumwandlungskalorimeter Mischungskalorimeter Mischungskalorimeter Differential Scanning Calorimeter (DSC) Sample Platinum Alloy Reference PRT Sensor Platinum Resistance Heater Heat Sink Power Compensation DSC ΔP -> cp Messung der Wärmekapazität mit 20 K/min Messung der Wärmekapazität mit 20 K/min 5 4 -1 cp in J g K -1 3 PEEK melting, Tm glass transition, Tg cp amorphous from ATHAS-DB 2 cp crystalline from ATHAS-DB 1 msapphire ⋅ β 0 c p = c p saphire -1 blue = K (T ) -2 msample ⋅ β ⋅ HFsample − HFempty HFsapphire − HFempty cold crystallization, Tcc -3 150 200 250 300 T in °C Fehler für cp 2.5% (zwischen 0 °C und 600 °C) 350 Excess-Wärmekapazität für EN AW-6005A beim Abkühlen Wärmekapazität der Legierung – Wärmekapazität von Al Charakteristische Reaktionsdaten Jg-1K-1 temperature in °C start- temperature: 377°C end- temperature: 283°C Charakteristische Reaktionsdaten specific precipitation heat: 0,73J/g temperature in °C Jg-1K-1 start- temperature: 377°C end- temperature: 283°C cooling: 150 K/min sample 32 mg EN AW-6005A Charakteristische Reaktionsdaten Jg-1K-1 precipitation heat: 0,15 J/g end- temperature: 304 °C start- temperature: 368 °C temperature in °C Beispiel nahe an der Nachweisgrenze Vollständiges Ausscheidungsdiagramm B. Milkereit, O. Kessler, Ch. Schick, Recording of continuous cooling precipitation diagrams of aluminium alloys, Thermochimica Acta, (2009), doi:10.1016/j.tca.2009.01.027 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 38 Ausscheidungswärmen B. Milkereit, O. Kessler, Ch. Schick, Recording of continuous cooling precipitation diagrams of aluminium alloys, Thermochimica Acta, (2009), doi:10.1016/j.tca.2009.01.027 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 39 Ausblick Wie zu höheren Abkühlraten? Nicht-adiabatische Dünnfilmkalorimetrie Chip-Sensor sample film heater cold junction membrane r0 Si frame hot junction thermostat 2 mm Chip DSC (TS - TR) Controller (P) Das Bild k ann nicht angezeigt werden. Dieser Computer v erfügt möglicherweise über zu wenig A rbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. TR Temperature signals Reference ΔP Sample Δ T HF(t) Das Bild k ann nicht angezeigt werden. Dieser Computer v erfügt möglicherweise über zu wenig A rbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. TS Temperature Program T(t) P av Reference Temperature Controller (PID) P av dT = Pav − ξ ref (T (t ) − T0 ) dt dT (C + Cempty ) = ( Pav + Pdifference ) − ξ sample (T (t ) − T0 ) dt Reference: Cref Sample: dT C = Pdifference dt Unterkühlung von Zinn 10 3 Tm-Tc in K Supercooling of pure Sn DSC, FastScanning and Differential Fast Scanning data 10 10 2 FS, ca. 1 μm FS, ca. 2 μm DFS, ca. 2 μm DSC, ca. 100 μm 1 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 Cooling rate in K/s 10 4 10 5 10 6 10 7 Zusammenfassung und Ausblick • nanoskalige Teilchen wesentlich für Festigkeit Al-Legierungen • Kalorimetrie: leistungsfähige Methode zur Untersuchung der Ausscheidung von nanoskaligen Teilchen in Al-Legierungen • Wärmebehandlung, kritische Abschreckgeschwindigkeit, Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramme • Stoffwerte für Wärmebehandlungssimulation • Charakterisierung der nanoskaligen Teilchen • höherfeste Aluminiumlegierungen: Erhöhung der Abschreckgeschwindigkeit von einigen 100 K/min auf einige 1000 K/min 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Danksagung H. Milkereit, E. Zhuravlev D. Zohrabyan (gemeinsam beteuter Doktorand) 08.07.2009 © 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK 45
