Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4020
Main Title: Investigation of the negative and positive effect of natural aging on artificial aging response in Al-Mg-Si alloys
Translated Title: Untersuchungen des negativen und positiven Effekts einer Kaltvorauslagerung auf die Warmaushärtung von Al-Mg-Si Legierungen
Author(s): Yan, Yong
Referee(s): Banhart, John
Hirsch, Jürgen
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Der negative Effekt der Clusterbildung auf die Warmaushärtung von hochreinen Al-Mg-Si Legierungen, die einer Kaltvorauslagerung, einer Vorglühung, einer Vorverformung oder Kombinationen daraus ausgesetzt worden sind, wurde mittels Härte oder Widerstandsmessung, Thermoanalyse (DSC) oder Positronen- Lebensdauerspektroskopie (PALS) untersucht. Ein theoretisches Modell wird zur Erklärung der Warmaushärtung für all diese Zustände verwendet. Eine beeinträchtigte Warmaushärtung wird für Legierungen mit hohem Gehalt an Mg und Si (4-10, 6-8, 8-6 und 10-4) und für den niedrigen Gehalt 4-4 beobachtet, wobei “4-10” 0.4 wt.% Mg und 1.0 wt.% Si bedeutet. Der größte negative Effekt für Legierung 6-8 tritt für Kaltvorauslagerungen zwischen 300 Min. und 1 Tag auf. In der Woche danach geht der negative Effekt etwas zurück. Für Legierung 4-4 führt nur eine kurze Kaltauslagerung zu einem negativen Effekt, während eine Längere einen Positiven zur Folge hat. Kurzes Vorglühen bei relativ hohen Temperaturen (100 °C, 140 °C und 160 °C) kann die Bildung unerwünschter Cluster reduzieren und die Struktur für eine begrenzte Zeit stabilisieren. Die dabei gebildeten Cluster können während der Warmaushärtung aufgrund der Übersättigung an Legierungselementen in der Matrix leicht wachsen und dienen als Keime für die Ausscheidung von pre-β“. Diese Phase scheidet sich vor der β“ Phase mit einer niedrigeren Aktivierungsenergie aus, nämlich 105 kJ/mol statt ~118 kJ/mol für β“ im abgeschreckten Zustand. Nach dem Vorglühen ist die Aktivierungsenergie von β“ 110 kJ/mol, was durch die verstärkte Bildung von pre-β“ erklärt wird. Nach dem Vorglühen gebildete Cluster beeinflussen die Warmaushärtung auch nach einer Kaltvorauslagerung, und zwar negativ oder positiv je nach Länge der Kaltvorauslagerung. Clusterbildung kann auch durch Vorumformung reduziert werden, jedoch ist die Kinetik des Clusterns ähnlich wie nach dem bloßen Abschrecken. Gegenüber dem abgeschreckten Zustand verschieben sich nach dem Verformen die Peakpositionen von β“ zu niedrigeren Temperaturen, mit Aktivierungsenergien von ~102 kJ/mol. Der Wettbewerb zwischen Ausscheidung an Versetzungen und in der Matrix ist verantwortlich für die Warmaushärtung. Letztere tendieren zur Auflösung, wobei die Legierungsatome zu den Versetzungen diffundieren, was die Ursache für die kurze Dauer des Zustandes maximaler Härte ist. Der negative Effekt einer Raumtemperaturauslagerung hält jedoch immer noch an. Auch Kombinationen von Vorglühung und Vorumformung unterdrücken die Clusterbildung. Umformung vor dem Vorglühen nutzt die Vorteile beider Vorbehandlungen aus und führt zu einem positiven Einfluss einer Kaltvorauslagerung auf die Warmaushärtung, da Cluster, die nach den beiden Vorbehandlungen gebildet werden, aufgrund der hohen Übersättigung an Legierungselementen während dieser wachsen können. Für die umgekehrte Reihenfolge tendiert die Vorumformung dazu die Struktur zu destabilisieren, die während der Vorglühung gebildet wurde und führt zu mehr Clustern und einer kleineren Übersättigung an Legierungselementen. Diese Cluster lösen sich während der Warmaushärtung auf, was einen geringeren Härteanstieg zur Folge hat.
The negative effect of clustering on the artificial aging (AA) strength response of high-purity Al-Mg-Si alloys which have been subjected to natural aging (NA), pre-aging, pre-straining treatment and combinations thereof, have been studied by hardness and electrical resistivity measurements, differential scanning calorimetry (DSC) and positron annihilation lifetime microscopy (PALS). A theoretical model is used to explain the strength response for all the conditions. Negative strength response is observed for the alloys with high solute content (alloys 4-10, 6-8, 8-6 and 10-4) and low solute content alloy 4-4, where ‘4-10’ means 0.4 wt.% Mg and 1.0 wt.% Si. The maximum of the negative effect for alloy 6-8 is achieved for NA between 300 min--1 d, after which a recovery takes place for up to 1 w of NA. For alloy 4-4, a short NA time yields a negative effect on the initial AA process. A positive effect of NA can be observed for longer NA. Pre-aging at relatively high temperatures (100 °C, 140 °C and 160 °C) for a short time can suppress the formation of unwanted clusters and keep the structure stable for a certain time. Clusters formed during pre-aging (PA clusters) can grow easily during AA due to a high solute supersaturation in the matrix and act as nuclei for pre-β‘‘ precipitation. The pre-β‘‘ precipitates are formed prior to β‘‘ with a lower activation energy of about 105 kJ/mol compared to ~118 kJ/mol for β‘‘ in the as-quenched condition. The activation energy of β‘‘ formation after pre-aging is ~110 kJ/mol, which is attributed to an enhanced formation of pre-β‘‘. Clusters formed after pre-aging also influence subsequent AA after an intermediate NA step, with a negative or positive effect for short or long NA time, respectively. Cluster formation can also be reduced by pre-straining, but the kinetics of clustering shows a similar trend as in the as-quenched condition. Compared to the as-quenched state, after pre-straining, the peak positions of β’’ move to lower temperatures after pre-straining and have an activation energy of ~102 kJ/mol. Competition of precipitation on dislocations and in the matrix is responsible for the hardening response of AA. Precipitates in the matrix around dislocations tend to dissolve and solute atoms diffuse towards dislocations, which results in the observed short duration of the stage of peak hardness. However, the negative effect of natural ageing still persists after pre-straining. Combinations of pre-straining and pre-aging suppress cluster formation too. Pre-straining before pre-aging can take advantage of both techniques and produce a positive strength response since NA clusters formed after the combined treatment can grow with high solute supersaturation in the matrix during AA. For pre-straining after pre-aging, pre-straining tends to destabilize the structure created by pre-ageing and can yield more small clusters to grow with lower solute supersaturation. These clusters are able to dissolve during AA, which results in a negative strength response of AA.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-50068
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4317
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4020
Exam Date: 31-Mar-2014
Issue Date: 9-Apr-2014
Date Available: 9-Apr-2014
DDC Class: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
Subject(s): Al-Mg-Si Legierungen
negativer und positiver Effekt
Kaltvorauslagerung
Vorglühung
Vorverformung
Al-Mg-Si alloys
negative and positive effect
natural aging
pre-aging
pre-straining
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