Micromechanisms governing plastic instability in Al–Li based alloys
Creators: name: Ovri, Henry
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2015
Subjects: subject: Plastic instability, Al-Li alloys, strengthening mechanisms, dynamic strain aging, pseudo locking mechanism
classificationCode: 600
subject: Technik

description: Die Erforschung der zugrundeliegenden mikroskopischen Mechanismen, die plasti- sche Instabilität in mischkristall– und ausscheidungsverfestigten Aluminium–Legierungen bestimmen, ist Gegenstand verschiedener Untersuchungen gewesen. Diese Studien sind weitgehend motiviert durch die Notwendigkeit, Strategien zur Abschwächung uner- wünschter Effekte wie Duktilitätsminderung und Ausbildung von Oberflächenriefen, wel- che in eben solchen Legierungen auftreten, zu entwerfen. Während der mikroskopische Ursprung von plastischer Instabilität in mischkristallverfestigten Al–Legierungen ziemlich gut bekannt ist, gibt es immer noch kein überzeugendes Modell welches eine klare mechanistische Beschreibung im Einklang mit experimentellen Beobachtungen für plastische Instabilität in ausscheidungsverfestigten Al–Legierungen anbietet. In der vorliegenden Arbeit wurden detaillierte experimentelle Untersuchungen un- terschiedlicher Härtestufen der Mehrkomponenten–Aluminium–Lithium (Al–Li) Legie- rung AA2198 durchgeführt. Sowohl mechanische als auch mikrostrukturelle Charakteri- sierungstechniken wurden verwendet, um mikrostrukturelle Eigenschaften globalem und lokalem mechanischem Verhalten zuzuordnen. Insbesondere wurden hochauflösende Nanoindentations– und Mikrozugverfahren zur mechanischen Untersuchung verwendet; die relevanten mikrostrukturellen Eigenschaften dagegen wurden mit Methoden basierend auf Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht, einschließlich in–situ TEM Zugbelastung zusammen mit Hochenergie–Röntgenbeugung und Atomsonden– Tomographie. Die experimentellen Ergebnisse zeigten eindeutig, dass das Auftreten von plastischer Instabilität in AA2198 nicht ausreichend erklärt werden kann durch dynamische Reckalte- rung von temporär durch Li Atome blockierte mobile Versetzungen, welches der weitge- hend akzeptierte zugrundeliegende Mechanismus in Al–Li basierten Legierungen ist. Dar- über hinaus zeigten theoretische Analysen von Verfestigungsmechanismen in den unter- suchten Wärmebehandlungszuständen, dass die Verformung nur im überalterten Zustand durch Ordnungshärtung bestimmt ist – auch plastische Instabilität tritt lediglich in diesem Wärmebehandlungszustand auf. Mit Hilfe der Fülle der experimentell erzielten Resultate wurde ein mechanistisches Modell entwickelt, welches die der plastischen Instabilität zugrundeliegenden mikroskopi- schen Mechanismen in ausscheidungsverfestigten Al–Li basierten Legierungen beschreibt. In diesem wird beschrieben wie, entgegen bisheriger Annahmen, plastischen Instabilität durch einen diffusionskontrollierten Pseudo–Sperrmechanismus bestimmt wird, welcher die Ordnungshärtung bei niedrigen Verformungsraten begleitet. Die Anwendbarkeit des Modells auf andere AL–Li basierte Legierungssysteme wurde untersucht. Durch kritische Untersuchung des Instabilitätsverhaltens einer Anzahl von in der Literatur beschriebenen binären und mehrkomponentigen Al–Li basierten Legierungen wurde demonstriert, dass plastische Instabilität nur dann in diesen Systemen auftritt wenn die Festigkeit durch Ord- nungshärtung bestimmt wird.
description: The investigation of the underlying microscopic mechanisms that govern plastic in- stability in solution strengthened and precipitation strengthened Al alloys has been the subject of several studies. These studies are largely motivated by the need to devise strategies to mitigate the undesirable effects, such as reduction in ductility and formation of surface striations, which occur in alloys that exhibit this phenomenon. While the microscopic origin of plastic instability in solution strengthened alloys Al alloys is fairly well established, there is yet no convincing model that is consistent with experimental observations and gives a clear mechanistic description of the origin of the phenomenon in precipitation strengthened Al alloys. In this work, detailed experimental investigations of several tempers of a multi– component Al–Li based alloy, AA2198, have been carried out. Both mechanical and mi- crostructural characterization techniques were employed in order to correlate microstruc- tural characteristics to global and local mechanical behaviour. Specifically, high resolution nanoindentation and micro–tensile testing were used for mechanical testing, while trans- mission electron microscopy based methods – including in situ TEM tensile straining, along with high energy x–ray diffraction and atom probe tomography were used to inves- tigate the relevant microstructural characteristics. The experimental results clearly showed that dynamic strain aging of temporarily trapped mobile dislocations by Li atoms, widely accepted as the underlying mechanism for plastic instability in Al–Li based alloys, cannot sufficiently account for the occurrence of plastic instability in AA2198. Moreover, theoretical analyses of strengthening mecha- nisms in the investigated tempers showed that only the overaged temper, which is also the only temper that displayed plastic instability, is governed by order hardening. In light of the wealth of experimental results, a mechanistic model describing the microscopic mechanisms underlying plastic instability in precipitation strengthened Al–Li based alloy systems was developed. It is proposed that the phenomenon is governed by an altogether different mechanism than what has so far been considered, namely a diffusion controlled pseudo–locking mechanism that accompanies order hardening at low strain rates. The applicability of the model to other Al–Li alloy based systems was also examined. It was demonstrated, by critical examination of the instability behaviour of a number of binary and multi–component Al–Li based alloy systems reported in literature, that plastic instability only occurs in these alloy systems when strength is governed by order hardening.