Aluminium algemeen deel 6; Uitscheiding, uitscheidingsharding, veroudering, vezelversterkt aluminium, mechanische eigenschappen

Uitscheiding

Uitscheiding (ook wel precipitatie genoemd) van een nieuwe fase uit een mengkristal is een omzetting in vaste toestand met verandering van de concentratie en structuur. Bezitten de uitscheidingsdeeltjes een rooster dat overeenkomt met, of identiek is aan, dat van het omringende basismetaal (matrix), dan lopen de roostervlakken van de matrix ook door de deeltjes heen: er is dan sprake van coherente uitscheiding. Op grond van verschillend diffusiegedrag kan er onderscheid worden gemaakt tussen continue en discontinue omzettingen.

Er kan uitscheiding optreden als de oplosbaarheid van een bepaalde atoomsoort in een mengkristal a afneemt met dalende temperatuur. Als de oplosbaarheidsgrens wordt overschreden, dan scheidt er zich ter behoud van het evenwicht van het mengkristal een B-rijke fase b uit (ontmenging). Hetzelfde doet zich voor als het mengkristal door snelle afkoeling oververzadigd raakt en aansluitend op een temperatuur wordt gehouden, waarbij thermische activering van b-kiemvorming mogelijk wordt. De continue uitscheiding wordt gekenmerkt door de betrekkelijk trage groei (bij constante temperatuur evenredig met tijd) van de afzonderlijke b-kristallen. De matrixkristallen behouden hun structuur, maar hun concentratie verandert voortdurend. De uitscheiding verloopt continu, als het verschil in vrije enthalpie tussen de beide fasen en daarmee ook de drijvende kracht van de omzetting hoog is, respectievelijk de oververzadiging van het metastabiele mengkristal gering is. De kiemvorming verloopt overwegend heterogeen en bij voorkeur op verzamelingen van overschotvacatures. In sommige legeringen komt de stabiele fase ook voort uit metastabiele tussenfasen.

Discontinue uitscheiding doet zich alleen in sterk oververzadigde mengkristallen voor, indien de kiemvormingssnelheid voor een continue omzetting te gering is. Hierbij vindt geen afzonderlijke kiemvorming van de b-fase plaats. De evenwichtsfasen a en b ontstaan afhankelijk van elkaar door heterogene kiemvorming
op de korrelgrenzen als lamellen die evenwijdig in de metastabiele matrixkristallen uitgroeien. De voor de omzetting benodigde concentratieveranderingen beperken zich uitsluitend tot de incoherente grensvlakken. Daar de diffusiecoëfficiënt van de grensvlakdiffusie machten van tien groter is dan die van de roosterdiffusie, verloopt de discontinue omzetting wezenlijk sneller dan de continue omzetting. Uitscheidingen hinderen het onder invloed van uitwendige belasting lopen van dislocaties en geven aldus een verhoging van de sterkte: er is dan sprake van uitscheidings- of precipitatieharding. De sterktetoename is in geval van fijn verdeelde uitscheidingen het hoogst.

Uitscheidingsharding

Verouderen in een heterogeen fasebereik. Naast oplosgloeien (homogeniseren) en afschrikken is verouderen de derde noodzakelijke stap bij de uitscheidings- of precipitatieharding. De mogelijkheid van uitscheidingsharding is alleen aanwezig bij die legeringen die beschikken over tenminste een fase met een temperatuursafhankelijke oplosbaarheid. Deze fase scheidt zich bij het verouderen uit in het verzadigde mengkristal, dat is gevormd na het oplosgloeien en afschrikken. Al naar gelang de verouderingstemperatuur ontstaan er oververzadigde vaste oplossingen van verscheidene metastabiele tussentoestanden, waarmee beduidende veranderingen in de eigenschappen kunnen worden verkregen. De metastabiele fasen kunnen tijdens het verouderen na elkaar optreden. Er bestaat echter geen volgorde, dat wil zeggen de vorming van een tussentoestand hoeft niet per se uit een bepaalde andere toestand afkomstig te zijn. In enkele gevallen verloopt de harding door coherente zones gedurende een bepaalde tijd al bij kamertemperatuur en wordt daarom aangeduid als koudharden. Koudharden kan ook bij verouderen tussen 100 en 150°C plaatsvinden.

Kenmerkend voor koudharden is de omkeerbaarheid door middel van een korte gloeibehandeling. Bij technische warmtebehandelingen moet de verouderingstijd binnen praktische grenzen plaatsvinden. Het komt er op aan om de juiste temperatuur voor het verouderen te kiezen en deze op het geschikte tijdstip door middel
van afkoelen naar kamertemperatuur te onderbreken. Zo bereiken bijvoorbeeld de treksterkte en de hardheid bij lage verouderingstemperaturen en korte gloeitijden hogere waarden dan bij hogere verouderingstemperaturen en kortere gloeitijden (zie afbeelding 8). Verscheidene eigenschappen, waaronder de hardheid, lopen na overschrijden van een maximum weer terug. Dit verschijnsel, oververoudering genaamd, berust op het feit dat de legering geleidelijk aan zijn evenwichtstoestand nadert, waarbij de uitgescheiden deeltjes in omvang toenemen (coaguleren). Het met de heterogene uitscheiding van de tweede fase verbonden proces wordt warmharding genoemd. De uitscheidingsharding en de daarmee gepaard gaande veroudering vormt een belangrijke methode om de sterkte van legeringen te verhogen en wordt met name toegepast voor het harden van aluminiumlegeringen.

Afbeelding 8. Verloop van de uitscheidingsharding als functie van temperatuur en tijd.

Veroudering

Zie uitscheidingsharding.

Vezelsterk aluminium

Vezelversterkt aluminium is materiaal waarbij vezels gericht worden ingebracht. De vezels dragen bij aan de sterkte van de matrix. De matrix moet over bepaalde eigenschappen beschikken, bijvoorbeeld lage dichtheid, maar daarentegen ook over lage sterkte en stijfheid. Vezels die bestaan uit verscheidene materiaalsoorten worden tot de hybride materiaalsoorten gerekend. Door het inbrengen van geschikt vezelmateriaal met hoge sterkte wordt er een vezelversterkt materiaal verkregen dat dan ook een hoge sterkte en soms ook hoge stijfheid bezit, bij een laag soortelijk gewicht. Daarmee is het zeer geschikt voor lichte bouwwerken.

Mechanische eigenschappen

In de onderstaande tabellen zijn van een aantal vaak voorkomende aluminiumlegeringen een aantal mechanische eigenschappen weergegeven. De opklimmende volgorde van de diverse waarden maakt het vinden van een bepaalde legering, plus de toestand waarin die legering verkeert die een dergelijke (ontwerp)waarde bezit, makkelijk.

Tabel 1. Rekgrenswaarden van een aantal legeringen in opklimmende volgorde.

Tabel 2. Treksterkten van een aantal legeringen in opklimmende volgorde.

Tabel 3. Afschuifsterkten van een aantal legeringen in opklimmende volgorde.

Tabel 4. Vermoeiingssterkten van een aantal legeringen in opklimmende volgorde.