Mechanische Eigenschaften unterkühlter Aluminiumlegierungen und deren Implementierung in die Wärmebehandlungssimulation

Bei der Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen gewinnt die Verzugs- und Eigenspannungsproblematik an Bedeutung, der durch eine Wärmebehandlungssimulation begegnet werden kann. In besonderem Maße ist das Abschrecken nach dem Lösungsglühen für die Ausbildung von Verzügen verantwortlich.

Die sorgsame Betrachtung aller Einflussgrößen auf die Ausbildung von Eigenspannungen und Verzügen an Aluminiumbauteilen in einem Wärmebehandlungsprozess führt zu einem vereinfachten Simulationsmodell, da viele Wechselwirkungen zwischen der thermischen, metallurgischen und mechanischen Simulation nicht in dem Maße vorhanden sind, wie es von Stählen bekannt ist.

Eine metallurgische Simulation des Abschreckvorganges ist nicht notwendig, wenn die mechanischen Eigenschaften direkt als Funktion der Prozessparameter bekannt sind.

Für eine Abschrecksimulation werden die mechanischen Eigenschaften für unterkühlte Aluminiumlegierungen benötigt, die für diesen Zustand für keine Aluminiumlegierung aus der Literatur bekannt sind.

Für die Analyse des Verfestigungsverhaltens an unterkühlten Aluminiumlegierungen ist ein Abschreck- und Umformdilatometer geeignet, mit dem das Abschrecken einer Werkstoffprobe zu einer beliebigen Temperatur für einen Belastungsversuch unterbrochen werden kann, um Fließkurven zu bestimmen.

Die in dieser Arbeit ermittelten mechanischen Eigenschaften an unterkühlten Aluminiumproben aus EN AW-6082 und EN AW-7020 unterscheiden sich deutlich von denen, die an ausgelagerten Proben charakterisiert worden sind und damit von denen wie sie teilweise der Literatur entnommen werden können.

Die Verringerung der Fließspannungen mit der Abnahme der Abkühlgeschwindigkeit ist ein Beleg dafür, dass die dabei entstehenden relativ großen Ausscheidungsteilchen keinen wesentlichen Beitrag zur Verfestigung liefern. Hauptsächlicher Mechanismus in unterkühlten Zuständen ist demnach die Mischkristallverfestigung.

Die berechneten Verläufe der Spannungen und Dehnungen unterstreichen die Notwendigkeit einer sorgsamen Auswahl von isotroper, kinematischer oder aus beiden kombinierter Verfestigung, was zu einer notwendigen Bewertung des Bauschinger Effekts an unterkühlten Aluminiumlegierungen führt.

Mit den Wechselbelastungsversuchen im Abschreck- und Umformdilatometer kann gezeigt werden, dass für EN AW -6082 der Anteil an kinematischer Verfestigung insbesondere von der plastischen Vordehnung und der Temperatur abhängt.

Durch die Implementierung des Verfestigungsverhaltens kann eine zuverlässige Simulationsmethode zur Vorhersage von Eigenspannungen und Verzügen infolge eines raschen Abkühlens von Bauteilen der Aluminiumlegierung EN AW-6082 entwickelt werden.

Durch die numerische Simulation wird nachgewiesen, dass das Abschrecken der drei untersuchten Profile (Ø20mm, Ø30mm, L-Profil) im Gasdüsenfeld keine relevanten Eigenspannungen und Verzügen verursacht, hingegen das Abschrecken in Wasser zu Eigenspannungen sowie Maß- und Formänderungen in für Aluminiumlegierungen relevanter Größenordnung führt.

Der Vergleich der Berechnungsergebnisse mit Messwerten aus Abschreckversuchen (Temperaturverläufe, Eigenspannungen und Wärmebehandlungsverzüge) kann grundsätzlich die Zuverlässigkeit der Simulationsmethodik nachweisen.

Ein zukünftig folgender Entwicklungsschritt muss sein, die Wärmebehandlungssimulation im Sinne des Distortion Engineering in die ganzheitliche Betrachtung der Fertigungskette einzugliedern. Verzug und Eigenspannungen werden nie einzig durch einen Fertigungsschritt bestimmt, sondern erfahren eine deutliche Beeinflussung durch die vorangestellten Prozesse.