M3 Ausscheidungshärtung

Thema

Die in diesem Metall ausgefällten Zweitphasenpartikel, die in der gesamten metallischen Matrix verteilt sind, blockieren die Bewegung von Versetzungen, die versuchen, diese zu durchqueren. Genau diese Blockade bewirkt die in diesem Modell beschriebene Ausscheidungshärtung: Je schwieriger es für eine Versetzung ist, diese Verteilung von Zweitphasenpartikeln zu durchdringen, desto größer ist die zusätzliche mechanische Festigkeit, die durch diesen Härtungsmechanismus erzielt wird. Die geringere Dichte dieser Zweitphasenpartikel und der damit verbundene geringere Abstand zwischen den Ausscheidungen führen dazu, dass eine sich bewegende Versetzung häufiger auf sie trifft und folglich die durch diesen Härtungsmechanismus bewirkte Festigkeit zunimmt.

Wenn jedes dieser Zweitphasenpartikel ausreichend klein und kohärent mit dem umgebenden Matrixgitter ist, umgeht die darauf treffende Versetzung das Partikel nicht, sondern durchdringt es direkt und spaltet es in zwei Teile: Dies ist der Schermechanismus, und die dadurch erzielte zusätzliche Festigkeit hängt davon ab, wie viel zusätzliche Energie die Versetzung benötigt, um die neue Fehlausrichtungsfläche zu erzeugen, die sie beim Durchtrennen des Partikels hinterlässt. Die Tatsache, dass diese kleinen, zusammenhängenden Partikel im gleichen Scherregime größer sind, erhöht den zusätzlichen Widerstand dieses Schermechanismus.

Wenn diese Zweitphasenpartikel jedoch wachsen, bis sie zu groß werden oder nicht mehr mit der umgebenden Matrix zusammenhängen, kann die auf sie treffende Versetzung sie nicht mehr abscheren. Stattdessen muss sie zwischen den Partikeln hin und her wandern, bis sie jedes vollständig umschließt und eine Versetzungsschleife um jedes Partikel hinterlässt: Dies ist der Orowan-Mechanismus. Der dadurch entstehende zusätzliche Widerstand hängt in diesem Fall vom Abstand zwischen den Ausscheidungen ab, den die Versetzung durchwandern muss. Da diese großen, nicht abscherbaren Partikel enger beieinander liegen und der Abstand zwischen den Ausscheidungen geringer ist, muss die Versetzung mehr Schleifen beschreiben, um jedes Partikel zu umschließen, und folglich ist der zusätzliche Widerstand dieses Orowan-Mechanismus größer.

Daher legt dieses Modell mit seinem anfänglichen Versetzungsblockierungsmechanismus einen Übergangsradius für die Größe dieser Zweitphasenpartikel fest. Dieser Radius markiert den Punkt, an dem Versetzungen die Partikel leichter abscheren und umgehen können. Unterhalb dieses Übergangsradius dominiert der Schermechanismus, oberhalb der Orowan-Mechanismus. Folglich wird die maximale Festigkeit durch Ausscheidungshärtung genau dann erreicht, wenn die Größe der Zweitphasenpartikel diesem Übergangsradius nahekommt. Da dieser Mechanismus der Versetzungsblockierung durch Zweitphasenpartikel in wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen und Superlegierungen dominant ist, stellt dieses Modell den relevantesten Härtungsmechanismus in diesen Legierungsfamilien dar.

ID:4435