Heat treatment optimization and advanced alloy design for enhanced mechanical properties of AlMgSi alloys

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Angesichts der steigenden Nachfrage nach Strukturwerkstoffen, die in allen Bereichen moderner Anwendungen zum Einsatz kommen, muss eine kontinuierliche Weiterentwicklung von Aluminiumlegierungen stattfinden, um gegenüber anderen Werkstoffen wie hochentwickelten Stahlsorten oder kohlenstofffaserverstärkten Polymeren konkurrenzfähig zu bleiben. Aufgrund extremer Festigkeitsverbesserungen dieser alternativen Materialien schwindet der Vorteil von Aluminium in Bezug auf ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis. Darüber hinaus weisen Aluminiumlegierungen keine so gute Umformbarkeit auf wie z.B. kohlenstoffarme Stähle, was die Verwendung als Karosserieaußenblech mitunter einschränkt. Getrieben durch diese Trends wird in der vorliegenden Arbeit versucht, die mechanischen Parameter von AlMgSi-Legierungen - den am häufigsten verwendeten aushärtbare Legierungen - zu verbessern. Zum einen wird eine verbesserte Stabilität bei einer Raumtemperaturzwischenlagerung in Verbindung mit einem hohen Warmaushärtungspotenzial angestrebt. Zum anderen soll durch einen neuartigen Ansatz der Clusterhärtung eine Erhöhung der Dehnungswerte bei vergleichsweise hohen Festigkeitswerten erreicht werden. Die Überprüfung dieser Maßnahmen erfolgt an Blechmaterial (ähnlich zur Norm EN AW-6016), welches industriell hergestellt wird. Zum anderen wird ein fortschrittliches Legierungsdesign, das sowohl eine Änderung der chemischen Zusammensetzung als auch eine Anpassung der Wärmebehandlungsparameter umfasst, angewendet. Dabei dient Plattenmaterial nach der Norm EN AW-6082 als Ausgangspunkt und Referenz. Moderne Elektronenmikroskopie sowie Atomsonden-Tomographie werden eingesetzt, um Ergebnisse zu interpretieren, die hauptsächlich aus Härte- und Zugversuchen gewonnen werden. Die wichtigsten Ergebnisse können zusammengefasst werden wie folgt. Eine Kombination aus Mikrolegierung von Sn zur Veränderung der Mobilität von eingeschreckten Leerstellen und einer Stabilisierungs-Wärmebehandlung erfordert eine Anpassung ebendieser Stabilisierungsparameter. Dies dient jedoch dazu, die Kaltaushärtung für mindestens sechs Monate zu unterdrücken, ohne das Warmaushärtungspotenzial einer EN AW-6016 zu verschlechtern. Eine Implementierung eines kurzzeitigen Hochtemperatur-Spikes beeinflusst die enthaltenen Leerstellen wesentlich und trägt zu einer noch größeren Stabilitätssteigerung bei. Das Konzept der Beeinflussung des Leerstellengehaltes mittels eines Spikes ermöglicht eine Kombination von 230 MPa Streckgrenze und 29 % in einer Blechlegierung nach EN AW-6016. Untersuchungen mit Hilfe von Atomsondentomographie und Rastertrans¬missionselektronenmikroskopie führen diese Ergebnisse auf enge ausscheidungsfreie Zonen und einen hohen Volumenanteil an Clustern zurück. Eine Kombination verschiedener Maßnahmen (Erhöhung des Anteils ausscheidbarer Elemente, Zugabe von Zirkonium in Kombination mit einer angepassten Homogenisierungsroute und unterbrochener Abschreckung) führt bei einer EN AW-6082 zu einer Steigerung der Streckgrenze um über 40 % auf 411 MPa. Fortschrittliche elektronenmikroskopische Charakterisierungsmethoden zeigen einen synergistischen Effekt. Zum einen wird das Aushärtungspotenzial durch die Zugabe von Mg, Si und Cu deutlich verbessert. Des Weiteren unterdrückt der Zusatz von Zirkonium die Versetzungs- und Korngrenzenbewegung in hohem Maße, was wiederum zu einer Subkornverfestigung führt. Zum anderen führt ein unterbrochenes Abschrecken zur effektiven Bildung von Keimen und festigkeitssteigernden Ausscheidungen.

Details

Titel in ÜbersetzungOptimierung der mechanischen Parameter von AlMgSi-Legierungen durch verbesserte Wärmebehandlungen und fortschrittliches Legierungsdesign
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2021