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Influence of Sn addition on the ageing behavior of Al-Mg-Si alloys
Zhang, Xingpu
In this work, the ageing behavior of age hardenable Al-Mg-Si(Sn) alloys has been systematically studied by positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS), hardness measurements, differential scanning dilatometry (DSC), electrical resistivity measurements and transmission electron microscopy (TEM).
At room temperature, i.e. around 20 °C, vacancies, which can assist the diffusion of solute atoms, are bound by Sn atoms due to strong Sn-vacancy interactions. As a result, clustering is strongly retarded, thus mitigating the deleterious effect of natural ageing (NA) on subsequent artificial ageing (AA). The largest effect of Sn was gained in an alloy with low solute concentration solutionised at an increased temperature. The possibility of adding other elements with strong binding with vacancies such as In in inhibiting NA was also verified.
With the increase of temperature, binding between Sn and vacancies weakens but still delays the formation of pre-ageing (PA) clusters at 100 °C and 140 °C. Distinctive stages of positron lifetime evolution similar to the ones at room temperature are observed. At the standard ageing temperature of 180 °C, Sn addition shows the opposite effect on the ageing kinetics of lean and concentrated alloys. When temperature is further increased to 210 °C and 250 °C, accelerated kinetics with an enhanced hardening response were obtained after adding Sn.
A combination of Sn addition and PA at 100 °C or 180 °C was also studied. The results showed that PA can enhance the retarding effect of Sn on NA and improve the hardening response after 1 week of natural secondary ageing (NSA). For a better PA performance in Sn-added alloys, a higher PA temperature is required and the undesired high hardness after PA and NSA can be lowered by Sn addition. Moreover, natural pre-ageing (NPA) prior to PA can promote the effect of PA at 100 °C in Sn-added alloys.
The combination of five characterization techniques allows for an interpretation of the ageing behaviors in Sn-containing alloys from different viewpoints and shows that different vacancy behaviors in the presence of Sn during ageing at various temperatures control the different ageing processes.
In dieser Arbeit wurde das Alterungsverhalten von aushärtbaren Al-Mg-Si(Sn)-Legierungen systematisch mittels Positronen-Lebensdauerspektroskopie (PALS), Härtemessungen, Thermoanalyse (DSC), Messungen des elektrischen Widerstands und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht.
Bei Raumtemperatur (also ca. 20 °C) werden Leerstellen, die die Diffusion von gelösten Atomen unterstützen, aufgrund der starken Sn-Leerstellen Wechselwirkung an Sn-Atomen gebunden. Infolgedessen wird die Clusterbildung stark verzögert, wodurch die schädlichen Auswirkungen der Kaltauslagerung auf die nachfolgende Warmauslagerung gemindert werden. Der größte Effekt von Sn wurde in einer Legierung mit niedriger Konzentration von Legierungselementen bei erhöhter Temperatur erzielt. Die Zugabe von Indium zur Unterdrückung der Kaltaushärtung wurde ebenfalls überprüft.
Mit zunehmender Temperatur schwächt sich die Bindung zwischen Sn und Leerstellen ab, verzögert aber dennoch die Bildung von Clustern bei 100 °C und 140 °C. Die Positronen-Lebensdauer verhält sich dabei ähnlich wie bei Raumtemperatur. Bei der Standard-Alterungstemperatur von 180 °C zeigt die Sn-Zugabe einen entgegengesetzten Einfluss auf die Alterungskinetik von verdünnten und konzentrierten Legierungen. Wenn die Temperatur weiter auf 210 ºC und 250 ºC erhöht wird, wird durch Zugabe von Sn eine beschleunigte Kinetik mit einer verbesserten Härtungsreaktion erhalten.
Eine Kombination aus Sn-Zugabe und Vorauslagerung bei 100 °C oder 180 °C wurde ebenfalls untersucht. Vorauslagerung verstärkt die verzögernde Wirkung von Sn auf NA und verbessert die Härtungskinetik auch nach 1 Woche Raumtemperaturauslagerung. Für eine bessere Wirkung der Vorauslagerung in Sn-haltigen Legierungen ist eine höhere Temperatur erforderlich. Die unerwünschte hohe Härte nach Vorauslagerung und anschließender Raumtemperatur-Auslagerung kann durch Sn-Zusatz verringert werden. Darüber hinaus kann eine zusätzliche Raumtemperatur-Auslagerung vor der Vorauslagerung bei 100 ° C deren Wirkung in Legierungen mit Sn-Zusatz fördern.
Die Kombination von fünf Messtechniken ermöglicht die Interpretation des Alterungsverhaltens in den Sn-haltigen Legierungen aus verschiedenen Blickwinkeln und zeigt, dass das Verhalten der Leerstellen in Gegenwart von Sn während der Alterung bei verschiedenen Temperaturen die einzelnen Alterungsprozesse steuert.
