Verformung und Bruch von Metallen mit nichtmetallischen Einschlüssen

Transkript

1 Verformung und Bruch von Metallen mit nichtmetallischen Einschlüssen Prof. Dr. rer. nat. Siegfried Schmauder, Dr. rer. nat. Ewa Soppa Universität Stuttgart Staatliche Materialprüfungsanstalt Pfaffenwaldring 32 D Stuttgart (MPA) 1 Abstract In diesem Beitrag werden Gefügeeinflüsse aufgrund unterschiedlich starker zeiliger Anordnungen der Teilchen in der Matrix im Hinblick auf ihre makro-, meso- und mikromechanischen Auswirkungen am Beispiel einer SiC-teijchenverstärkten Aluminium1egierung Ai(6061) untersucht. Ein Vergleich der Ergebnisse verschiedener Gefüge zeigt wesentliche Unterschiede hinsichtlich der Ausbildung von Scherbändern, Spannungsspitzen und von Dehnungskonzentrationen im Werkstoffgefüge. Die Maxima und die Verteilung dieser Feldgrößen sind nicht nur abhängig davon, wie die Teilchen in den ZeHen angeordnet sind, sondern auch davon, ob einzelne Teilchen in reinen Matrixbereichenvorhanden sind. Die Zeiligkeit des Gefüges führt zu einem stark anisotropen Verhalten hinsichtlich Spannungs- und Dehnungsverteilungen. 2 Einleitung Metallmatrixverbundwerkstoffe in Form einer Al-Matrix verstärkt durch keramische Teilchen wie z. B. SiC oder. Al203 weisen sehr interessante mechanische Eigenschaften auf: Sie verbinden Leichtigkeit rnit Festigkeit und verbesserten Kriech- und Verschleißeigenschaften bei ausreichender Duktilität und erhöhter Steifigkeit [1, 2]. Häufig werden diese Werkstoffe pulvermetallurgisch mit anschließendem Strangpressen hergestellt 'und zeigen daher eine zeilenförmige Anordnung der Teilchen, welche die Eigenschaften der Werkstoffe stark beeinflussen können [3]. Diese Gefügeausbildung kann im Rahmen hierarchischer Wetkstoffmodelle auf unterschiedlichen.längenskaleij. erfaßt werden. Insbesondere der Mesomechanik kommt dabei die Rolle zu, die Anordnung von Teilchen in Zeilen mit und ohne Clusterungen zu beschreiben [4]. In 'diesem' Beitrag werden die Auswi~kungen unterschiedlich stark zeilig angeordneter nichtmetallischer Teilchen in metallischer Matrix auf die10kalen mechanischen Eigenschaften aufgezeigt. Nichtmetalle in Metallen 31

2 3 " Problem' Bild 1 zeigt das Gefügebild eines AI/SiC- Verbund werkstoffes mit zeiliger Anordnung der Keramikteilchen aufgrund des Strangpress-Herstellungsverfahrens, Das Gefüge besteht aus einer AI~Matrix mit SiC-Teilchen; die in unterbrochenen Streifen angeordnet sind. In, den Streifen sind die Teilchen unregelmäßig verteilt und bilden teilweise Cluster. In den Matrixbereichen befinden sich ebenfalls einzelne keramische Teilchen. Es ist zu erwarten, daß sich gefügeabhängige anisotrope Eigenschaften dieses Werkstoffes ergeben. Bild 1: Gefügebild eines Al/lOvol. %SiC-Metallmatrixverbundwerkstoffes mit zeiliger Anordnung der Kenimikteilchen durch Strangpressen. Vergrößerung 360x. 4 Methode In dieser Arbeit wird ein mesomechanischer Ansatz im Rahmen der Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet, um die Eigenschaften der Al-Matrix mit nichtmetilllischen 'Einschlüssen numerisch zu simulieren. Mesomechanik bedeutet in diesem Zusammenhang, daß ein Gefügeausschnitt untersucht wird, der nicht nur ei,nen kleinen mikroskopischen Bereich weniger Körner umfaßt, sondern einen Ausschnitt mit deutlich mehr "als 10 einschlüssen; im vorliegenden Beispiel sind es sogar über 100 Keramikteilchen, die im Modell abgebildet werden. Es werden vier verschieden stark zeilig angeordnete künstlich erzeugte Gefüge betrachtet (Bild 2). Der unterschiedliche Grad"der Zeiligkeit ist direkt sichtbar in den jeweiligen Häufigkeitsverteilungen "der vier "Gefüge": Der Abstand der Zeilen - gemessen in 45 -(Scher)Richtung - zeigt sich als Absatz in der Verteilung. Die Lücken in den Verteilungen zeigen den Über~ang von Abständen zwischen Teilchen in den Zeilen zu Teilchen benachbarter Zeilen (in 45 -Diagonalrichtung). 32 Nichtmetalle in Metallen

3 Verformung und Bruch von Meuillen mit nichtmetallischen Einschlüssen Eine statistische Auswertung der Teilchenabstände in beide 45 -Richtungen zeigt, daß das Gefüge (iv) dem Realgefüge am nächsten kommt. Es handelt sich also bei dem vorliegenden AI/lOvol.%SiC-Verbundwerkstoffum ein zeiliges Gefüge mit Teilchenchistern und Lücken in den Zeilen (Tabel1e I) : a ~, 80 ~ ~ 40 :_._ a.-... : ~.: :.~:....: ::: ",' ii..~ _.: I..~.:... :.':.:.. ~ a -. rl' ".1.1.: -.-. iii,= :.:...:- I :;.. _I. :. -=-:. l-.-. a 1.. 'iv :: 100f bstand ~ ~:o0:5 <0 <5 2:0 2:5 3:Q'3,5 4, ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 :>,5 4,0 T eilchenabsland Teilchenabstand 100.' / " 1" 100 iviii 0.. E 40 0,0 Teilchenabstand o~ ,5 1.,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 r/.,(," Bild 2: Künstliche Gefüge mit Teilchen: (i) völlig zufällig verteilt, (ii) schwach zeilig angeordnet, (iii) stark zeilig angeordnet und (iv) zeilig angeordnet mit "Lücken" lind Clusterungen in den Zeilen, Im folgenden werden mesoskopische Finite-Elemente-Model1e erstel1t, um das lokale Verformungs verhalten von Metal1matrixverbundwerkStoffen mit zeiliger Einschlußanordming 'zu untersuchen. Um die hohe Anzahl von Teilchen abbilden zu kömlen, wird die Methode der Mehrphasenelemente verwendet [5], bei der ein regelmäßiges Finite-Elemente-Netz zur Abbildung beliebiger Mikrogefüge mehrphasiger Werkstoffe eingesetzt werden kann. Für die Berechnungen werden zwei verschieden fein vernetzte Modelle eingesetzt: Ein grobes Modell mit 1800 finiten Elementen zur Untersuchung mesoskopischer Effekte und ein feines Modell mit 7200 Elementen zur genaueren Ermittlung von Spannungsspitzen im betrachteten Gefügeausschnitt. Es werden im folgenden sowohl Realgefüge als auch Idealgefüge analysiert. Die idealisierten Gefüge mit grober Nichtmetalle in Metallen 33

4 Schmauder Vernetzung werden in eine homogene Verbundumgebung eingebettet, um möglichst realistische Randbedingungen zu simulieren. Tabelle 1: Statistik der Teilchenabstände für die idealisierten Gefüge und für das Realgefüge in +4S0(A)-und -4S0(B)-Richtung. Gefügetyp 28,3 28,1 28,5 33,8 28,2 29,3 28,9 32,0Normiert Maximalwert 3,89 2,9 3,0 3,4 2, , ,7 3,5 3, (/Mittelwert) Teilchenabstand Mittelwert Gefüge (i) Gefüge (ii) Gefüge (iii) Gefüge (iv) AI/SiC(lO%) 5 Ergebnisse und Disk~ssion Bild 3 zeigt die Unterschiede in den Verformungsmustern ajlervier Gefügetypen bei vertikaler äußerer Belastung (senkrecht zu den Teilchenzeilen). Es ist deutlich zu erkennen, daß eine regelmäßige Teilchenverteilung kaum Verformungskonzentrationen im Gefüge zur Folge hat und die zawreichen Fließ straßen und damit die plastische Verformung gleichmäßig im Gefüge verteilt sind und ~eine Konzentrationsspitzen aufweisen. Je stärker hingegen die Teilchen in Zeilen angeordnet sind und je mehr sie geclustert sind, umso stärker sind die Fließstraßen im Gefüge lokalisiert und es' treten starke Konzentrationen an den Schnittpunkten der Fließbereiche auf mit Maxima in Gebieten, wo einzelne Teilchen die Verformungsbänder zwingen, in einem engen Bereich zu verlaufen und vereinzelt aus der 45 -Richtung abzuknicken. 34 Nichtmetalle in Metallen

5 Verformung und Bruch von Metallen mit nichtmetallischen Einschlüssen ii iü iv Bild 3: Verteilung der effektiven plastischen Dehnung in den vier' idealisier"ten Gefügetypen (vgl. Bild 2) nach effektiver vertikaler äußerer Dehnung von 2,18%. Bild 4 zeigt das Binärbild der Mikrostruktur eines Ausschnittes des AlIlOvol.%SiC-Metallmatrix- verbundwerkstoffes. " " Nach einer horizontalen Belastung von 2,76% ergeben sich die dargestellten plastischen Verformungen: Es bilden sich Fließstraßen unter 45 aus, die im Matrixbereich "zwischen den Teilchen verlaufen. Dabei stellen sich Verformungskonzentrationen in den Bereichen der" Fließstraßen ein, wo eine zweite Fließstraße unter 90 kreuzt. Solche Fälle finden sich bevorzugt in der Nähe einzelner Teilchen in oder zwischen Teilchenzeilen.,"" Nichtmetalle in Metallen 35

6 Schmauder a b Bild 4: Binärbild. der Mikrostruktur des All 10 vol.%sic Metallmatrixverbundwerkstoffes mit "..," I plastischen Dehnungen nach einer makroskopischen Dehnung von 2,76% (a) senkrecht und (b) parallel zu den Teilchenzeilen. Der Pfeil zeigt die Belastungsrichtung an. Die nächsten Bilder zeigen die- effektiven Spannungen (Bild 5) sowie die hydrostatischen Spannungen (Bild 6) im Mesogefüge. Es ist gut zu erkennen, daß sich die Spannungen in den Zeilen konzentrjeren und dort auch maximale hydrostatische Spannungen verursachen. Während jedoch die Spannungen in Lastrichtung (hier nicht dargestellt) sowie die effektiven Spannungen in den Teilchen konzentriert sind, sind die höchsten hydrostatischen Spannungen weitgehend zwischen den Teilchen lokalisiert. Im Vergleich zu metalilschen Verbundwerkstoffen [5] ergeben sich beim vorliegenden metall-keramischen Verbundwerkstoff mit seinen stark unterschiedlichen Phaseneigenschaften extreme Überhöhungsfaktoren bei den plastischen Vergleichsdehnungen in Kreuzungsbereichen von Scherbändern sowie bei den hydrostatischen Spannungen in der Matrix gegenüber homogenen Phasenbereichen unter derselben äußeren Last. Diese lokalen "Spannungsketten" von Teilchen und hochverspannten Matrixbereichen können sich insbesondere auf die Schädigungsinitiierung im Gefüge auswirken. 36 Nichtmetalle in Metallen ".

7 Verformung und Bruch von Metallen mit nichtmetallischeneinschlüssen a b Bild 5: Effektive Spannungen (in MPa) für das Realgefüge (Bild 4) nach senkrechter (a) und paralleler (h) makroskopischer Dehnung von 2,76%. a b Bild 6: Hydrostatischer Druck (in MPa) für das Realgefüge (Bild 4) nach vertikaler (a) und paralleler (b) makroskopischer Verformung von 2,76%. Nichtmetalle in Metallen 37

8 6 Zusammenfassung Als anfällig für eine Schädigung müssen aufgrund der vorgestellten Ergebnisse neben den Einschlußteilchen sowohl die Matrixbereiche in Lastrichtungzwischen den Teilchen in Teilchenzeileh (aufgrund hoherhydrostatischer Verspannung durch Teilchenclusterung) als auch MatrixbereiChe in Fließstraßenkreuzungspunkten, die außerhalb der Zellenbereiche liegen und sich inder Nachbarschaft I eines einzelnen Teilchens befinden (aufgrund erhöhter plastischer Verformungen) angesehen werden, insbesondere.bei Belastung der Gefüge in' Richtung der Teilchenzeilen. 7 Literatur [1] A. WANG,HJ. RACK;Wear 147 (1991) 355. [2] A. WANG,H.J. RACK;Acta Metall. Mater. 40 (1992) [3] Information von der Universität Tokio und der Kobe-Steel Corporation, Japan. [4] A.F. PLANKENSTEINER, HJ. BÖHM,EG. RAMMERSTORFER, V.A. BURYACHENKO; Hierarchical Modelling of the Mechanical Behaviour ofhigh Speed Steels as Layer-Structured Particulate MMCs, J. de Physique III (1996) [5] E. SOPPA, S.SCHMAUDER;Verbundwerkstoffe und WerkstoHverbunde, Hrsg.: K. Friedrich, DGM InforIIlationsgesellschaft (1997) Danksagung Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG im Rahmen der Forscher,gruppe "Untersuchungen des Verformungsverhaltens heterogener Werkstoffe mittels enger Verbindung von Experiment und Rechnung" unter dem Kennzeichen DFG Schm 746/16-1 gefördert wofür an dieser Stelle herzlich gedankt wird. 38 Nichtmetalle in Metallen

9 Nichtmetalle in Metallen /98 Herausgegeben von Dieter Hirschfeld GDMB Gesellschaft für Bergbau, Metallurgie, Rohstoff- und Umwelttechnik

10 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Nichtmetalle in Metallen.. : V orlragstexte einer Tagung des Gemeinschaftsausschusses "Nichtmetalle in Metallen" der GDMB... fgdmb Informationsgesellschaft. -[Clausthal,Zellerfeld] : GDMB Informationsges. Teilw. in der DGM-Informationsges., Veri" Oher,ursel ISBN 3' x GDMB Clausthal-Zellerfeld 1998 Herausgeber Dr. rer. nat. Dieter Hirschfeld Leiter des Chemikerausschusses Paul-Ernst-Straße der GDMB 10, D Clausthal-Zellerfeld,~r;::/ Alle Rechte beim Herausgeber. Ohne schriftliche Genehmigung ist es nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf irgendwelche Weise zu vervielfältigen. Die Verantwortung für den Inhalt der Vorträge liegt bei den Autoren. Redaktion: Herstellung und Vertrieb: Offsetdruck: Petra Strobach GDMB- Informationsgesellschaft Oberharzer Druckerei mbh ISBN x