Janko Auerswald - Grundlagen der Funktionswerkstoffe für Studium und Praxis

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 Ni 3Al-Ausscheidung in einer Superlegierung für Turbinenschaufeln (b, TEM-Aufnahme).

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. Wird die Glühzeit überschritten, kommt es zu einer Kornvergröberung. Dies ist in der Regel nicht erwünscht, weil damit die Sprödigkeit zunimmt.

Je höher der Verformungsgrad, desto mehr Versetzungen liegen als Energiezentren für die Keimbildung vor, desto feinkörniger wird das Gefüge nach der Rekristallisation ( Abb. 2.26).

Die Rekristallisationstemperatur T Rek rals 0.4-Faches der Schmelztemperatur T M(in Kelvin gerechnet) ist ein Unterscheidungsmerkmal zwischen Kalt- und Warmumformung:

Eine Umformung oberhalb der Rekristallisationstemperatur ist definitionsgemäß eine Warmumformung, unterhalb der Rekristallisationstemperatur eine Kaltumformung. In diesem Sinne ist eine Umformung von Eisen bei 400 °C eine Kaltumformung, eine Umformung von Zinn bei 40 °C hingegen eine Warmumformung. Auf der Kalt- bzw. Warmumformung basieren einige wichtige Umformverfahren, z. B. Kaltwalzen (Verfestigung der Bleche) und Warmwalzen (,,beliebige“ Umformgrade möglich).

Abb. 2.26 Rekristallisierter Zugstab aus Aluminium. Im Bereich nahe der Bruchstelle (rechts) warderQuerschnittam kleinsten und die mechanische Spannung, die Versetzungsdichte und der Verformungsgrad am größten. Daher sind die Kristalle des Rekristallisationsgefüges dort kleiner als in derwenigerverformten Zone mitgrößerem Querschnitt, kleinerer mechanischer Spannung und Versetzungsdichte, wo die Körner nach der Rekristallisation größer sind (links).

Keramiken und anorganische Gläser sind spröde. Plastische Verformung durch Versetzungsgleiten findet nicht statt. Möglich hingegen ist Kriechen, d. h. Diffusion bei hohen Temperaturen. Keramiken besitzen eine hohe Druckfestigkeit, auch bei hohen Temperaturen. Die Zug- und Biegefestigkeit ist wegen der Öffnung von Rissen unter Zugspannung und Sprödbruch wesentlich geringer und streut sehr stark entsprechend der Weibull-Statistik. Keramiken haben einen großen E-Modul und eine geringe Wärmedehnung.

Kunststoffe bestehen aus Makromolekülen. (Man kann sich Makromoleküle als Teller voller Spaghetti vorstellen!) Es gibt also keine atomare Kristallstruktur wie in Metallen und deshalb auch kein Versetzungsgleiten. Die plastische Verformung erfolgt durch das Abgleiten der Makromoleküle gegeneinander. Die Festigkeit wird somit nicht definiert durch die starken Primärbindungen in der Polymerkette, sondern durch die wesentlich schwächeren Sekundärbindungen zwischen den Ketten.

Einfluss des VernetzungsgradesMit zunehmender chemischer Vernetzung (,,Zu-sammenkleben der Spaghetti“) wird das Abgleiten der Makromoleküle schwieriger, d. h., ein hoher Vernetzungsgrad bedingt eine hohe Festigkeit. Thermoplaste besitzen keine chemischen Vernetzungen zwischen den Makromolekülen und sind wieder einschmelzbar. Elastomere besitzen einen geringen Vernetzungsgrad (z. B. Gummi, stark reversibel dehnbar). Duroplaste weisen einen sehr hohen Vernetzungsgrad auf. Ihre Festigkeit ist relativ hoch, aber immer noch wesentlich niedriger als jene von Metallen.

Einfluss der sterischen BehinderungVor allem in unvernetzten Thermoplasten hat die sterische (räumliche) Behinderung der Makromoleküle beim Abgleiten einen hohen Einfluss auf die Festigkeit. Eine starke sterische Behinderung führt zu einer hohen Festigkeit. Als sterische Behinderungen gelten:

Abb. 2.27 Polyimid mit sterischen Behinderungen (Benzolringe in der Hauptkette).

• große Seitengruppen (Chloratome in PVC, Methylgruppen in Polypropylen PP, Benzolringe in Polystyrol PS)

• verzweigte Seitenketten

• Benzolringe in der Hauptkette (zum Beispiel Polyimid, Abb. 2.27)

• sehr lange Makromoleküle

Qualitativer Vergleich der Festigkeiten verschiedener Werkstoffklassen

Der folgende Vergleich ( Abb. 2.28) ist qualitativ, da unter anderem die Belastungsart (Druck, Zug, Biegung, Torsion, statisch, dynamisch, Temperatur etc.) sowie der Herstellungsprozess, die Qualität, Verfestigung, Wärmebehandlung und Abmessungen des Materials eine große Rolle spielen.

Abb. 2.28 Qualitativer Vergleich von Festigkeit und E-Modul der Werkstoffklassen Polymere, Metalle und Keramiken. Festigkeitsangaben von Keramiken unterliegen der Weibull-Statistik und können je nach Gefügezustand stark streuen. Die Druckfestigkeit von Keramik ist deutlich höher als die Zugfestigkeit. Bei Kunststoffen sind die Festigkeitskennwerte wegen des viskoelastischen Verhaltens (Kriechen) und der vielen möglichen Additive ebenfalls mit Unsicherheiten behaftet.