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Ausscheidungshärtung

1906
  • Alfred Wilm
Ein Metallurg analysiert eine Aluminiumlegierungsprobe und demonstriert dabei die Auswirkungen der Ausscheidungshärtung.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Precipitation hardening, or age hardening, is a heat treatment process that increases the Streckgrenze of malleable materials. It involves heating an Legierung to dissolve solute elements (solutionizing), rapidly cooling (quenching) to trap them in a supersaturated solid solution, and then aging at a lower temperature to allow fine particles of a second phase (precipitates) to form, which obstruct dislocation movement.

Die Entdeckung der Ausscheidungshärtung durch Alfred Wilm war ein Zufall. Bei der Untersuchung einer Aluminiumlegierung aus Kupfer, Magnesium und Mangan (später Duralumin genannt) bemerkte er, dass deren Härte nach dem Abschrecken mehrere Tage lang zunahm, sogar bei Zimmertemperatur. Dieses Phänomen wird heute als ein dreistufiger Prozess verstanden. Zuerst wird die Legierung bei der Lösungsglühung auf eine Temperatur erhitzt, die hoch genug ist, um alle gelösten Atome in einer einphasigen festen Lösung aufzulösen. Zweitens wird die Legierung rasch in einem Medium wie Wasser abgeschreckt, wodurch die Atome an Ort und Stelle gefrieren und eine übersättigte feste Lösung entsteht. Dieser Zustand ist thermodynamisch instabil. Drittens diffundieren die übersättigten gelösten Atome während der Alterung (entweder bei Zimmertemperatur oder erhöhter Temperatur) und ballen sich zusammen, um extrem kleine, zusammenhängende Partikel einer neuen Phase zu bilden, die als Ausscheidungen bezeichnet werden.

These precipitates act as powerful obstacles to the movement of dislocations, which are the primary carriers of plastic deformation in crystalline materials. The effectiveness of the strengthening depends on the size, shape, and distribution of these precipitates. Initially, as precipitates form and grow, the strength increases. However, if the aging process continues for too long (over-aging), the precipitates become too large and lose coherency with the matrix, allowing dislocations to bypass them more easily, which leads to a decrease in strength. This process allows for the precise tailoring of an alloy’s mechanical properties.

UNESCO Nomenclature: 3308
- Metallurgie

Typ

Chemischer Prozess

Störung

Revolutionär

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Entdeckung von Versetzungen in Kristallen durch Vito Volterra und andere
  • Verständnis der Festkörperdiffusion und der Arrhenius-Gleichung
  • Entwicklung von geregelten Wärmebehandlungsöfen
  • Metallographietechniken zur Beobachtung von Mikrostrukturen, entwickelt von Henry Clifton Sorby

Anwendungen

  • hochfeste Aluminiumlegierungen (z. B. 2024, 7075) für Flugzeugstrukturen
  • Maraging-Stähle für Werkzeuge, Raketengehäuse und Fahrwerke
  • Nickelbasierte Superlegierungen (z. B. Inconel 718) für Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken
  • Kupfer-Beryllium-Legierungen für funkenfreie Werkzeuge und Hochleistungsfedern
  • Spezialedelstähle (z. B. 17-4ph)

Patente:

  • German Patent 244554

Potenzielle Innovationsideen

  • 4D-Druck von Metallen, die sich durch kontrollierte Ausfällung im Laufe der Zeit oder als Reaktion auf Reize selbst verstärken
  • Legierungen mit mehreren Ausscheidungsstufen zur mehrstufigen Verstärkung
  • Mit Nanopartikeln besäte Legierungen zur hochpräzisen Kontrolle von Ausscheidungskeimstellen
  • in-situ precipitation hardening during additive Fertigung Prozesse
  • alloys designed for ‘dynamic’ precipitation hardening during operational stress
  • biomedizinische Implantate, die im Körper altersbedingt aushärten und sich mit der Zeit der Knochensteifigkeit anpassen
  • self-healing alloys where precipitates form to ‘pin’ crack tips
  • Legierungen mit Niederschlägen, die durch lokales Erhitzen aufgelöst und wieder ausgefällt werden können
  • thermoelectric materials whose efficiency is enhanced by precipitate-induced phonon Streuung
  • magnetische Legierungen, bei denen Niederschläge Fixierungsstellen für magnetische Domänen schaffen
Related to: precipitation hardening, age hardening, heat treatment, Streckgrenze, dislocation, precipitate, duralumin, superalloy, metallurgy, strengthening mechanism.

Historischer Kontext

Ausscheidungshärtung

1899-01-01
1900
1903
1906
1910
1910
1910
1897
1900
1900
1903-05-10
1910
1910
1910
1910

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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