Aluminium - Mechanische Eigenschaften

Grundlagenwissen Mechanische Eigenschaften

Die chemische Analyse ist alleine nicht maßgebend für die Eigenschaften eines Werkstoffs, sondern je nach Behandlung ergeben sich für jeden Werkstoff verschiedene Zustände. Einen Zustand nennt man einen genau festgelegten, oftmals genormten Festigkeitsbereich mit dem dazugehörigen Fertigungsweg. Es gibt verschiedene Wege, die Festigkeit des Reinstaluminums (65 N/mm²) zu steigern. Grundsätzlich bringt jede Störung des idealen, regelmäßigen Atomgitters eine Erschwerung des Abgleitens der Atome mit sich; Makroskopisch macht sich dies durch eine höhere Härte und Fließspannung bemerkbar.

Die einfachste Art, das Gitter zu stören und zu verspannen, ist der Einbau von Atomen, deren Größe vom Al Atom abweicht. Hierher gehören beispielsweise das Mg und das Mn. Je mehr hinzulegiert wird, desto härter wird der Werkstoff. Man spricht hier von Legierungsverfestigung. Die Störung des Gitters durch Fremdatome ist thermisch stabil und wirkt bei Raumtemperatur wie bei höheren Temperaturen.

Eine weitere Art Störungen zu erzeugen, ist das Verformen des Werkstoffes bei Raumtemperatur. Dabei werden Gitterfehler erzeugt, indem Zwischengitteratome und hauptsächlich Versetzungen entstehen. Diese Fehler sind größer und weit reichender, es sind Baufehler über viele Gitterebenen. Je mehr kalt verformt wird, desto höher steigt die Festigkeit an. Man spricht hier von Kaltverfestigung. Die Kaltverfestigung ist thermisch nicht stabil; durch eine Glühung kann sie teilweise oder ganz wieder verloren gehen, dann liegt ein endfester Zustand oder wieder der weiche Ausgangszustand vor.

In diesem Zusammenhang ist nun der Begriff des „naturharten“ Werkstoffs zu erklären: Naturharte Werkstoffe sind solche, deren Festigkeit sich nur durch Umformung, d.h. in der Regel Walzen, gezielt steigern lässt. Es handelt sich im wesentlichen um die AlMg - Typen und AIMgMn - Typen.

Ein weiterer wichtiger Begriff ist der des „aushärtbaren“ Werkstoffs und damit wird die dritte Art der Festigkeitssteigerung beschrieben. Die Gitterbaufehler entstehen durch eine spezielle Wärmebehandlung, bestehend aus Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern. Die Legierungselemente werden bei der Lösungsglühung regellos im Al-Gitter verteilt. Beim Abschrecken bleibt die regellose Verteilung erhalten. Die Al-Werkstoffe sind aber nicht wie bei Stahl bereits unmittelbar nach dem Abschrecken hart, sondern brauchen dazu einige Zeit. Während dieser Zeit können sich die Legierungselemente durch Diffusion zu Partikeln zusammenlagern die nicht mehr verformt werden können. Geschieht die Festigkeitssteigerung innerhalb mehrerer Tage bis Wochen bei Raumtemperatur, so spricht man von Kaltaushärtung. Geschieht dies bei Temperaturen um 150 - 200 °C innerhalb von 8 bis 24 Stunden, so spricht man von Warmaushärtung. Auch diese Aushärtung ist thermisch nicht stabil; durch Glühen kann Überhärten oder der weiche Zustand eintreten.

Das Überhärten wird manchmal gezielt angewandt, um Werkstoffe mit geringfügig niedrigerer Festigkeit, aber deutlich höherer Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erhalten. Die komplette Wärmebehandlung kann wiederholt werden, die Aushärtung ergibt wieder gleiche Festigkeit ohne Formänderung.

Es sind jedoch mmer dieselben drei Vorgänge für die Festigkeitssteigerung, die alleine oder in Kombination angewandt werden:

  1. Legierungsverfestigung,
  2. Kaltverfestigung und
  3. Aushärtung.

Bei den nicht aushärtbaren oder auch naturharten Werkstoffen sind es nur die ersten beiden Arten. Diese Werkstoffgruppe wird in der Regel für Walzprodukte genutzt.

Die aushärtbaren Werkstoffe sind fast ausschließlich Strangpress- und Schmiedewerkstoffe. Fürs Ziehen und Kaltfließpressen werden hingegen beide Werkstoffgruppen eingesetzt.

Wichtig ist dabei der Begriff "selbsttätig aushärtend", der speziell bei den AlZnMg - Legierungen gebraucht wird. Gemeint ist folgendes: Die AlZnMg - Typen zeichnen sich durch eine geringe Abschreckempfindlichkeit aus, d.h. sie müssen nicht besonders rasch abgeschreckt werden, um hinterher wieder aushärten zu können. Diese Eigenschaft wirkt sich vor allem auf die Schweißbarkeit aus, weil sich bei diesen Werkstoffen nachher wieder eine Festigkeitserhöhung einstellt.

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