Grain boundary ductile fracture in precipitation hardened aluminum alloys

A.K. Vasudévan; R.D. Doherty

doi:10.1016/0001-6160(87)90001-0

Published microstructural studies of grain boundary (gb) fracture in precipitation hardened aluminum alloys are reviewed with respect to the three main ideas that have been developed to explain the gb fracture surfaces. The ideas are 1. (1) microvoid growth at large gb precipitates, 2. (2) strain localization in the soft, and sometimes solute-free, gb precipitate free zones (pfz) and 3. (3) the influence of matrix precipitate shear giving rise to inhomogeneous “planar” slip that may apply large stress concentrations to the gb at the end of slip bands. Although the last two processes have a supporting role in many cases, the published evidence strongly suggests that the first process is of overwhelming importance. This conclusion has been tested by reversion experiments in model Al-Li alloys in which microstructures with increasing area fractions, A f , of large stable δ precipitates (Al-Li) were produced, but with equivalent matrix structures and yield strengths. The materials show marked falls of toughness and of fracture strain as A f was increased. Studies of surface slip markings in the Al-Li alloys suggested that slip was initiated at the large gb δ precipitates. Only very limited evidence for a role of planar slip in the fracture of the Al-Li alloys was found in contrast to observations on high purity Al-Zn-Mg-Cu alloys where planar slip seemed to show more importance. Brief studies on a nickel based alloy, MAR-M200, suggested that even in the absence of a pfz, strong room temperature embrittlement by gb precipitates was produced. The results of this study suggest that the marked problems of gb fracture in Al-Li alloys are associated with large gb δ precipitates. Jensrud and Ryum [ Mater. Sci. Engng 64, 229 (1984)] have shown how gb precipitate growth is facilitated in this system as the gb δ phase is very much less soluble than the strengthening δ′ (Al 3Li) phase. Nous passons en revue les études microstructurales qui ont été publiées sur la rupture intergranulaire dans des alliages d'aluminium durcis par précipitation, en tenant compte des trois idées principales développées pour expliquer les surfaces de rupture intergranulaire. Ces idées sont les suivantes: 1. (1) croissance de microcavités sur les grands précipités intergranulaires, 2. (2) localisation de la déformation dans les zones vierges de précipités intergranulaires, molles, et parfois sans soluté, et 3. (3) l'influence du cisaillement des précipités de la matrice qui provoque un glissement “plan” non homogène pouvant appliquer de fortes concentrations de contraintes sur le joint de grains au niveau de l'extrémité des bandes de glissement. Bien que les deux derniers mécanismes aient un rôle déterminant dans de nombreux cas, les travaux publiés suggèrent fortement que le premier mécanisme est d'importance capitale. Nous avons testé cette conclusion à l'aide d'expériences de réversion réalisées sur des alliages modèles Al-Li dans lesquels on a produit des microstructures de grands précipités stables de δ (AlLi), avec des surfaces, A f , croissantes, mais pour lesquels structures de la matrice et limites élastiques étaient équivalentes. Ces matériaux présentent des chutes notables de la resilience et de la déformation de rupture lorsque A f augmente. L'étude des marqueurs superficiels du glissement dans les alliages Al-Li suggère que le glissement démarre sur les grands précipités intergranulaires δ. Le glissement plan ne semble jouer qu'un rôle très limité dans la rupture des alliages Al-Li, contrairement à ce que l'on observe dans les alliages Al-Zn-Mg-Cu de haute pureté où le glissement plan semble avoir plus d'importance. Une brève étude sur un alliage à base nickel, MAR-M200, suggère que même en l'absence d'une zone vierge de précipités, les preécipités intergranulaires provoquent une fragilisation importante à la température ambiante. Les résultats de cette étude montrent que les problèmes importants de la rupture intergranulaire dans les alliages Al-Li sont associés aux grands précipités intergranulaires de phase δ. Jensrud et Ryum [ Mater. Sci. Engng 64, 229 (1984)] ont montré comment la croissance de ces précipités est facilitée dans ce système parce que la phase intergranulaire δ est beaucoup moins soluble que la phase durcissante δ′ (Al 3Li). Die Veröffentlichungen sur Mikrostruktur des Korngrenzbruches in ausscheidungsgehärteten Aluminiumlegierungen werden im Hinblick auf die drei wichtigen Ideen zusammengefaβt, welche zur Erklärung der Bruchfläche bei Korngrenzbruch entwickelt worden sind. Diese sind 1. (1) Wachstum von Mikrohohlräumen an groβen Korngrenzausscheidungen, 2. (2) Dehnungslokalisierung in der weichen und manchmal Verunreinigungs-freien Zone, die frei von Korngrenzausscheidungen ist, und 3. (3) der Einfluβ der Scherung von Matrix und Ausscheidung, die zu einer inhomogenen ‘planaren’ Gleitung führt und dadurch hohe Spannungskonzentrationen an der Korngrenze am Ende der Gleitbänder erzeugen kann. Wenn auch die beiden letzten Prozesse in vielen Fällen den Bruch unterstützen, so zeigen doch die Veröffentlichungen, daβ der erste Prozeβ der bei weitem wichtigste ist. Diese Folgerung wurde in Umkehrversuchen an den Modell-Legierungen Al-Li geprüft. Hierzu wurden Mikrostrukturen in diesen Legierungen mit ansteigendem Flächenanteil A f der groβen stabilen δ-Ausscheidungen (AlLi), aber mit äquivalenten Matrixstrukturen und Flieβfestigkeiten hergestellt. Diese Legierungen wiesen deutliche Rückgänge in der Zähigkeit und der Bruchdehnung mit ansteigendem A f auf. Die Gleitlinien an der Oberfläche der Al-Li-Legierungen deuteten darauf hin, daβ die Gleitung an den groβen δ-Ausscheidungen beginnt. Nur wenig Hinweise wurden erhalten die auf eine Rolle der planaren Gleitung beim Bruch der Al-Li-Legierungen hinweist. Dieser Befund steht im Gegensatz zu Beobachtungen an hochreinen Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen, bei denen die planare Gleitung eine Gröβere Rolle zu spielen scheint. Eine kurze Untersuchung an einer Legierung auf Nickelbasis, MAR-M200, legte nahe, daβ auch bei nicht vorhandenen Ausscheidungs-freien Zonen eine starke Versprödung bei Raumtemperatur durch Korngrenzausschiedungen erzeugt wurde. Aus den Ergebnissen dieser Arbeut folgt, daβ die Frage des Korngrenzbruches in Al-Li-Legierungen mit den groβen δ-Ausscheidungen an den Korngrenzen zusammenhängt. Jensrud und Ryum [ Mater. Sci. Engng 64, 229 (1984)] haben geseigt, wie das Wachstum von Korngrenzausscheidungen in diesem System erleichtert wird, da die δ-Phase viel weniger löslich ist als die härtende δ′-(Al 3Li)-Phase.

Grain boundary ductile fracture in precipitation hardened aluminum alloys

Additional Links

Abstract

Metrics

Details

UN Sustainable Development Goals (SDGs)

InCites Highlights

Grain boundary ductile fracture in precipitation hardened aluminum alloys

Additional Links

Abstract

Metrics

Details

UN Sustainable Development Goals (SDGs)

InCites Highlights

Drexel University Social media