4 Werkstoffcharakterisierung

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1 4 Werkstoffcharakterisierung 33 4 Werkstoffcharakterisierung 4.1 Gefügeausbildung In Bild 5 und 6 sind lichtmikroskopische Aufnahmen des Gefüges der Aluminiumlegierungen 7075 und 7050 im Anlieferzustand in zwei zueinander senkrechten Ebenen gezeigt. Bild 5 zeigt das Gefüge in der Walzebene. Im Fall der Legierung 7075 weisen die Körner in Walzrichtung eine mittlere Sehnenlänge von 200 µm auf. Senkrecht zur Walzrichtung beträgt die mittlere Sehnenlänge 100 µm (Bild 5 a). Die Legierung 7050 besitzt ein teilweise rekristallisiertes Gefüge mit einer bimodalen Korngrößenverteilung (Bild 5 b). Die nicht rekristallisierten größeren Körner haben eine mittlere Sehnenlänge von 50 µm in Walzrichtung und 30 µm senkrecht zur Walzrichtung. Die rekristallisierten Bereiche bestehen aus globularen Körnern mit einer mittleren Sehnenlänge von 5 µm. Das durch den Walzvorgang zeilig gestreckte Gefüge senkrecht zur Walzebene und parallel zur Walzrichtung zeigt Bild 6. Die mittlere Sehnenlänge der Körner der Legierung 7075 beträgt in Walzrichtung 200 µm, senkrecht zur Walzrichtung 8 µm (Bild 6 a). Die Legierung 7050 weist auch in dieser Schliffebene eine bimodale Korngrößenverteilung auf (Bild 6 b). Die mittlere Sehnenlänge der nicht rekristallisierten Körner beträgt 50 µm in Walzrichtung und 10 µm senkrecht dazu. Die feineren Körner der rekristallisierten Bereiche weisen mittlere Sehnenlängen von 5 µm in Walzrichtung und 3 µm senkrecht dazu auf. Bild 5 Gefüge der Aluminiumlegierungen in der Walzebene: (a) Legierung 7075; (b) Legierung 7050

2 4 Werkstoffcharakterisierung 34 Bild 6 Gefüge der Aluminiumlegierungen senkrecht zur Walzebene und parallel zur Walzrichtung: (a) Legierung 7075; (b) Legierung 7050 Die bei der Auslagerung von Al-Zn-Mg Legierungen ablaufenden Vorgänge sind gut bekannt (Deschamps et al. [1999], Li et al. [1999]). Für die Aushärtung wird die feindisperse Ausscheidung von Zn-Mg reichen metastabilen Phasen verantwortlich gemacht. Die hexagonale Gleichgewichtsphase MgZn 2 wird als η-phase bezeichnet. TEM Aufnahmen des warm ausgelagerten unteralterten Gefüges (T 4 W) sowie des überalterten Gefüges (T 7) der Aluminiumlegierungen 7075 und 7050 zeigt Bild 7. In beiden Gefügen der Legierung 7075 sind bis zu 100 nm große Ausscheidungen erkennbar (Bild 7 a und b). Hierbei handelt es sich um die Cr haltige intermetallische E-Phase Al 18 Cr 2 Mg 3 (Chen und Knott [1981]). Diese Phase bildet sich beim Erstarren der Legierung. Sie wird durch die angewandten Wärmebehandlungen nicht verändert und hat damit keinen Einfluß auf den Verlauf der Aushärtung der Legierung. Die für die Aushärtung verantwortlichen Zn-Mg reichen Ausscheidungen sind im überalterten Gefüge als globulare inkohärente Partikel mit einem Durchmesser von bis zu 50 nm zu erkennen (Bild 7 b). Im Fall der nahezu Cr-freien Aluminiumlegierung 7050 tritt keine E-Phase auf (Bild 7 c und d). Die Aushärtung wird wie im Fall der Legierung 7075 durch Zn-Mg reiche Ausscheidungen verursacht, die im Fall des überalterten Gefüges als bis zu 50 nm große globulare inkohärente Partikel erkennbar sind (Bild 7 d).

3 4 Werkstoffcharakterisierung Bild 7 35 TEM Aufnahmen unterschiedlicher Gefüge der Aluminiumlegierungen: (a) 7075 unteraltert (T 4 W); (b) 7075 überaltert (T 7); (c) 7050 unteraltert (T 4 W); (d) 7050 überaltert (T 7) In Bild 8 sind Aufnahmen der unterschiedlichen im Stahl 40 CrMnMo 7 eingestellten Gefüge gezeigt. Sowohl das martensitische Gefüge als auch der angelassene Martensit weisen ein feines nadeliges Gefüge ohne erkennbare Korngrenzen auf (Bild 8 a und b). Die mittlere Sehnenlänge der durch eine Ätzung mit FeCl3 sichtbar gemachten ehemaligen Austenitkörner beträgt etwa 20 µm. Das perlitische Gefüge ist feinlamellar aufgebaut, der senkrecht zu den Lamellen gemessene Lamellenabstand beträgt zwischen 0,1 µm und 0,3 µm (Bild 8 c). Die mittlere Sehnenlänge der Lamellenpakete beträgt etwa 10 µm. Das Weichglühgefüge (globularer Perlit) weist eine mittlere Sehnenlänge der Ferritkörner von 10 µm auf (Bild 8 d). In beiden Duplexgefügen (ferritisch-martensitisch und ferritisch-perlitisch) beträgt der Volumenanteil des Ferrits 10% bei einer mittleren Sehnenlänge der Ferritkörner von 5 µm (Bild 8 e und f). Die näherungsweise globularen Ferritkörner

4 4 Werkstoffcharakterisierung 36 werden von der martensitischen bzw. perlitischen Matrix vollständig umschlossen, die Kontiguität des Ferrits beträgt Null. Bild 8 Eingestellte Gefüge im Stahl 40 CrMnMo 7: (a) Martensit; (b) angelassener Martensit; (c) lamellarer Perlit; (d) globularer Perlit; (e) ferritischmartensitisches Duplexgefüge; (f) ferritisch-perlitisches Duplexgefüge

5 4 Werkstoffcharakterisierung Statische mechanische Eigenschaften In Tabelle 4 sind die an beiden Aluminiumlegierungen für die unterschiedlichen Auslagerungszustände gemessenen Härtewerte angegeben. Zusätzlich ist für jeden Zustand die Härte als Bruchteil der Härte des maximal ausgehärteten Zustands (T 6) der jeweiligen Legierung angegeben. Die Wärmebehandlungen wurden so gewählt, daß die unteralterten und überalterten Zustände jeweils ein möglichst konstantes Verhältnis zur Härte des maximal ausgehärteten Zustands der jeweiligen Legierung erreichen. Legierung Zustand Härte HV 1 Härteverhältnis HV / HV T6 [%] 7075 T 4 K T 4 W T T T 4 K T 4 W T T Tabelle 4 Härte der unterschiedlichen Auslagerungszustände der Aluminiumlegierungen 7075 und 7050 Der Einfluß der Aushärtung auf die Zugversuchskennwerte der Aluminiumlegierung 7075 ist in Tabelle 5 zusammengefaßt. Der maximal ausgehärtete Zustand T 6 zeigt die höchsten Werte bei 0,2 %-Dehngrenze und Zugfestigkeit und weist gleichzeitig die geringste Bruchdehnung auf. Der überalterte Zustand T 7 weist demgegenüber eine um etwa 50% reduzierte 0,2%-Dehngrenze und eine um mehr als 100% erhöhte Zustand R p0,2 [MPa] R m [MPa] σ f [MPa] A [%] T 4 W ,7 T ,8 T ,9 Tabelle 5 Zugversuchskennwerte der Aluminiumlegierung 7075

6 4 Werkstoffcharakterisierung 38 Bruchdehnung auf. Die Festigkeitskennwerte des unteralterten Zustands T 4 W haben dieselbe Größenordnung wie die des T 6 Zustands, während die Bruchdehnung deutlich erhöht ist. Die an den unterschiedlichen Gefügen des Stahls 40 CrMnMo 7 gemessenen Härtewerte sind in Tabelle 6 angegeben. Durch die Wärmebehandlung konnte die Härte zwischen dem Weichglühgefüge und dem martensitischen Gefüge um einen Faktor von 3,5 variiert werden. Die Härte des weichsten Stahlgefüges entspricht etwa der des maximal ausgehärteten Zustands der Aluminiumlegierung Gefüge M TM P S DFM DFP Härte HV Tabelle 6 Härte der untersuchten Gefüge des Stahls 40 CrMnMo 7 Der Einfluß des Gefüges auf die Zugversuchskennwerte ist in Tabelle 7 zusammengefaßt. Die unterschiedlichen Gefügezustände decken einen sehr weiten Bereich der mechanischen Eigenschaften ab. Das martensitische Gefüge weist eine um mehr als 1000 MPa höhere Zugfestigkeit als das Weichglühgefüge auf. Die Bruchdehnung variiert zwischen Null (ideal sprödes Verhalten des martensitischen Gefüges) und fast 20% im Fall des Weichglühgefüges. Gefüge R p0,2 [MPa] R m [MPa] σ f [MPa] A [%] M TM ,7 P ,6 S ,8 Tabelle 7 Zugversuchskennwerte des Stahls 40 CrMnMo Dynamische mechanische Eigenschaften Für die Aluminiumlegierung 7075 zeigte sich in den Druck-Scherversuchen eine deutliche Abhängigkeit des Verformungsverhaltens bei Belastung mit hohen Dehnraten vom Auslagerungszustand. Bild 9 zeigt eine makroskopische Ansicht von im Druck-Scherversuch verformten Proben des unteralterten und des überalterten

7 4 Werkstoffcharakterisierung 39 Zustands. Das überalterte Gefüge zeigt eine über das gesamte Probenvolumen homogene plastische Verformung. Es sind keine Anzeichen von Scherlokalisierung zu erkennen. Dagegen weist die Probe des unteralterten Gefüges schon bei einer geringeren Stauchung ein sich quer durch die gesamte Probe erstreckendes Scherband auf, das zum Probenbruch geführt hat. Bild 9 Makroskopische Ansicht der im Druck-Scherversuch verformten Proben der Aluminiumlegierung 7075, links: überaltertes Gefüge (T 7), rechts: unteraltertes Gefüge (T 4 W) Das Verformungsverhalten wurde quantitativ durch technische Spannungs- Stauchungs Diagramme beschrieben. Die Fließkurven des überalterten Gefüges sind in Bild 10 für die unterschiedlichen Neigungswinkel der Proben zwischen 0 und 10 und für unterschiedliche axiale Maximalstauchungen zwischen 50% und 80% dargestellt. Die größte axiale Stauchung von 80% wurde bei den Proben mit Neigungswinkeln von 8 bzw. 10 vorgegeben. Die Streckgrenze, die in allen Fällen bei etwa 250 MPa erreicht wird, ist gegenüber dem im Zugversuch gemessenen Wert geringfügig um etwa 25 MPa erhöht. Nach Erreichen der Streckgrenze erfolgt eine starke Zunahme der Last durch Werkstoffverfestigung und durch den durch die Stauchung vergrößerten Probenquerschnitt. Der anschließende Lastabfall wird nicht durch ein Versagen der Probe durch Scherlokalisierung verursacht, sondern durch ein Auftreffen des Fallgewichts auf die Wegbegrenzer, durch die die maximale axiale Stauchung der Probe vorgegeben ist. Die Verformung der Proben erfolgte in allen Versuchen homogen ohne Scherbandbildung. Auch im Fall der schärfsten Prüfbedingungen (Kombination von größter zugelassener Stauchung von 80% und

8 4 Werkstoffcharakterisierung 40 einem Neigungswinkel der Probe von 10 ) wurde die Stauchung vom überalterten Zustand durch homogene plastische Verformung aufgenommen. Axiale Druckspannung [MPa] Axiale Stauchung [%] Bild 10 Fließkurven des überalterten Gefüges (T 7) der Aluminiumlegierung 7075 im Druck-Scherversuch Axiale Druckspannung [MPa] Axiale Stauchung [%] Bild 11 Fließkurven des unteralterten Gefüges (T 4 W) der Aluminiumlegierung 7075 im Druck-Scherversuch

9 4 Werkstoffcharakterisierung 41 Die am unteralterten Zustand gemessenen Fließkurven sind in Bild 11 gezeigt. Die Streckgrenze ist im Vergleich zu dem im Zugversuch gemessenen Wert um nahezu 100 MPa auf etwa 500 MPa erhöht. Nach Erreichen der Streckgrenze erfolgt zunächst ein Anstieg der Last. Nach Erreichen der maximalen von der Probe ertragenen Last setzt ein starker Lastabfall ein. Dieser erfolgt für alle Proben vor Auftreffen des Fallgewichts auf die Wegbegrenzer durch ein Versagen der Probe in Form von Scherlokalisierung. Eine Scherbandbildung wurde im unteralterten Gefüge bereits bei reiner Druckbeanspruchung (Neigungswinkel 0 ) festgestellt. Verschärfen der Prüfbedingungen durch Vergrößern des Neigungswinkels führt zu einem schon bei geringeren Stauchungen und Lasten auftretenden Scherversagen der Proben. Das in Bild 12 dargestellte Fließverhalten des maximal ausgehärteten Zustands im Druck-Scherversuch entspricht qualitativ dem des unteralterten Gefüges. Die Streckgrenze ist gegenüber dem unteralterten Gefüge um etwa 50 MPa auf 550 MPa erhöht. Gegenüber der im Zugversuch gemessenen Streckgrenze wurde im Druck- Scherversuch für das maximal ausgehärtete Gefüge eine um etwa 70 MPa höhere Streckgrenze festgestellt. Das Versagen der Probe erfolgt in allen Fällen durch Axiale Druckspannung [MPa] Axiale Stauchung [%] Bild 12 Fließkurven des maximal ausgehärteten Gefüges (T 6) der Aluminiumlegierung 7075 im Druck-Scherversuch

10 4 Werkstoffcharakterisierung 42 Scherbandbildung vor Auftreffen des Fallgewichtes auf die Wegbegrenzer. Vergrößern des Neigungswinkels führt wie im Fall des unteralterten Gefüges zu einer bei geringeren Stauchungen und Lasten auftretenden Scherbandbildung. Der Scherbandverlauf in einer kurz vor dem Versagen gestoppten Probe des maximal ausgehärteten Gefüges ist in Bild 13 in zwei unterschiedlichen Vergrößerungen gezeigt. Die Breite des Scherbandes beträgt etwa 50 µm. Die Scherbandausbreitung erfolgt kristallographisch undefiniert durch Körner unterschiedlicher Orientierung hindurch. Die Korngrenzen stellen für die Scherbandausbreitung kein Hindernis dar (Bild 13 a). Der Übergang vom Scherband zum umgebenden Gefüge erfolgt durch plastische Verformung des Gefüges bis in eine Entfernung von maximal 15 µm vom Rand des Scherbandes (Bild 13 b). Ein senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Scherbandes gemessenes Härteprofil zeigt einen Anstieg der Härte im Scherband von etwa 20% gegenüber der Härte des umgebenden Gefüges (Bild 14). Bild 13 Scherbandverlauf im maximal ausgehärteten Gefüge (T 6) der Aluminiumlegierung 7075: (a) niedrige Vergrößerung; (b) hohe Vergrößerung In einer Entfernung von bis zu 500 µm vom Rand der Scherbänder wurde eine starke Bildung von Gleitlinien, die durch eine Lokalisierung der Versetzungsbewegung entstehen, festgestellt (Bild 15 a). Die Gleitlinien liegen annähernd unter einem Winkel von ±45 zur Probenlängsachse auf den Ebenen höchster Schubspannung. Das Auftreten der Gleitlinien ist häufig auf einzelne Körner begrenzt. Körner mit starker Gleitlinienbildung können an gleitlinienfreie Körner angrenzen (Bild 15 b).

11 4 Werkstoffcharakterisierung Härte HV 0, Scherbandbreite Abstand zur Scherbandmitte [µm] Bild 14 Mikrohärteverlauf senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des in Bild 13 gezeigten Scherbandes Bild 15 Gleitlinienbildung im unteralterten Gefüge (T 4 W) der Aluminiumlegierung 7075: (a) Gleitlinienbildung unter ±45 zur Probenlängsachse; (b) auf einzelne Körner begrenzte Gleitlinienbildung Im Fall des Stahls 40 CrMnMo 7 besteht ebenfalls eine starke Abhängigkeit des Verformungs- und Versagensverhaltens vom Gefügezustand. Bild 16 zeigt die am weichgeglühten Gefüge für die unterschiedlichen Neigungswinkel der Proben gemessenen Fließkurven. Die Streckgrenze ist gegenüber dem im Zugversuch gemessenen Wert um mehr als 300 MPa auf etwa 600 MPa erhöht. Nach Überschreiten der Streckgrenze kommt es zu einer starken Zunahme der Last, die durch die Werkstoffverfestigung und den durch die Stauchung vergrößerten Proben-

12 4 Werkstoffcharakterisierung 44 querschnitt verursacht wird. Der anschließende Lastabfall wird durch das Auftreffen des Fallgewichts auf die Wegbegrenzer hervorgerufen. Wie im Fall des überalterten Gefüges der Aluminiumlegierung 7075 tritt für das Weichglühgefüge kein Probenversagen durch Scherlokalisierung auf. Auch im Fall der um einen Winkel von 10 zur Probenlängsachse gekippten Probe kann eine axiale Stauchung von bis zu 70% vom Werkstoff durch homogene plastische Verformung aufgenommen werden. Axiale Druckspannung [MPa] Axiale Stauchung [%] Bild 16 Fließkurven des Weichglühgefüges (S) des Stahls 40 CrMnMo 7 im Druck- Scherversuch Die Fließkurven des gehärteten Gefüges sind in Bild 17 gezeigt. Im Gegensatz zum einachsigen Zugversuch, in dem eine Bruchdehnung von Null gemessen wurde, kann das gehärtete Gefüge unter einachsiger Druckbeanspruchung (Neigungswinkel der Probe von 0 ) eine axiale Stauchung von nahezu 30% durch plastische Verformung aufnehmen, bevor ein Probenversagen in Form von Scherlokalisierung auftritt. Das Probenversagen erfolgt vor Auftreffen des Fallgewichts auf die Wegbegrenzer. Die Streckgrenze (2200 MPa) ist um mehr als 300 MPa höher als die im Zugversuch ermittelte Zugfestigkeit. Verschärfen der Prüfbedingungen durch Vergrößern des Neigungswinkels der Probe führt zu einem schon bei geringeren Stauchungen und Lasten auftretenden Scherversagen der Proben. Bei einem Neigungswinkel von 10 erfolgt das Probenversagen bereits nach einer axialen Stauchung von 6%.

13 4 Werkstoffcharakterisierung 45 Axiale Druckspannung [MPa] Axiale Stauchung [%] Bild 17 Fließkurven des gehärteten Gefüges (M) des Stahls 40 CrMnMo 7 im Druck-Scherversuch Lichtmikroskopische Aufnahmen des Scherbandverlaufs im gehärteten Gefüge zeigt Bild 18. Das Scherband läßt sich nicht ätzen und hebt sich vom umgebenden Gefüge deutlich als strukturlose weiße Zone mit einer Breite von etwa 15 µm ab. Die Ausbreitung des Scherbandes erfolgt kristallographisch undefiniert. Es besteht eine scharfe Abgrenzung zwischen dem Scherband und dem angrenzenden martensitischen Gefüge, in dem keine plastische Verformung zu erkennen ist (Bild 18 a). Im Bild 18 Scherbandverlauf im gehärteten Gefüge (M) des Stahls 40 CrMnMo 7: (a) nicht geätztes weißes Scherband; (b) Rißbildung im Scherband

14 4 Werkstoffcharakterisierung 46 Scherband kann ein Probenversagen durch Bruch erfolgen. Bild 18 b zeigt die Ausbreitung eines Risses in der Scherbandmitte. Ein senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Scherbandes gemessenes Härteprofil zeigt, daß die Härte im Scherband gegenüber dem umgebenden martensitischen Gefüge um etwa 45% von 900 HV 0,01 auf 1300 HV 0,01 erhöht ist. Dagegen weist das unmittelbar an das Scherband angrenzende Gefüge eine auf etwa 750 HV 0,01 reduzierte Härte auf (Bild 19) Härte HV 0, Scherbandbreite Abstand zur Scherbandmitte [µm] Bild 19 Mikrohärteverlauf senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des in Bild 18 a gezeigten Scherbandes