Development of Al-Er-Zr alloys : a model to predict aging response

The aging strengthening behavior and coarsening process of Al3X precipitates with L12 structure was investigated in Al–0.04Er (%at) and Al-0.09Er-0.14Zr (%at) alloys aged isothermally at 400°C, 450°C and 500 °C, using Vickers microhardness measurement. The alloys were homogenized at 640°C for 24 h, water quenched and then aged. The hardness curves show a dependence of the peaks on the temperature: increasing it, the time to peak and the magnitude of the strengthening decrease. Additional useful information for the development of the model predicting alloy strengthening was gathered by scanning electron microscopy (SEM) observations. To evaluate nucleation, classical nucleation theory (CNT) was used for binary alloys. As a result, at eutectic/peritectic concentration, the critical radius to start the nucleation in the temperature range 400-500°C ranged from about 0.4 to 0.6 nm for Al-Zr and from 0.5 to 1 nm for Al-Er. For the same concentrations, the corresponding nucleation rates were computed: in both cases, it decreases as temperature increase while the difference in values for Er and Zr increase with temperature. Nucleation is easier in Al-Zr with respect to Al-Er. To evaluate the coarsening resistance, LSW theory was used, indicating a better resistance of Al-Zr alloys with respect to Al-Er until 570°C. The strength increment caused by Al3X particles was evaluated using precipitation strengthening theory. It was found that when the particle radius was large, the Orowan bypass mechanism dominates. At the very first stage of precipitation, when the particles are very small, the increase of strength is due mainly to modulus and coherency hardening. There is an interval of radii values where the maximum strength is achieved (peak) due to order strengthening. So, the radius of precipitates determine which kind of mechanism is dominant. Further, it was observed that Al3Er particles switch to Orowan mechanism of interaction with dislocations at lower particle size than Al3Zr. The volume fraction of precipitate affects the magnitude of strengthening effect: within the solubility limits, the same volume fraction of Al3X dispersoids induce a higher strengthening effect in Al-Zr alloys.

Il rafforzamento dovuto all’invecchiamento e l’accrescimento di precipitati Al3X aventi struttura L12 è stato studiato per leghe Al–0.04Er (%at) e Al-0.09Er-0.14Zr (%at) dopo invecchiamento isotermo a 400°C, 450°C e 500°C utilizzando misurazioni di microdurezza Vickers. Le leghe sono state omogeneizzate a 640°C per 24 ore, temprate in acqua e infine invecchiate. L’evoluzione della durezza nel tempo mostra una dipendenza dei picchi dalla temperatura: aumentandola, il tempo per arrivare al picco e la magnitudine del rafforzamento diminuiscono. Ulteriori informazioni per lo sviluppo del modello sono state ricavate da analisi tramite microscopio a scansione elettronica (SEM). Per valutare la nucleazione è stata utilizzata la teoria classica di nucleazione (CNT). Alle concentrazioni di eutettico/peritettico, il raggio critico per l’inizio della nucleazione nell’intervallo di temperature 400-500°C varia 0.4 a 0.6 nm per Al-Zr e da 0.5 a 1 nm per Al-Er. Alle stesse concentrazioni, il tasso di nucleazione allo stato stazionario è stato valutato: in entrambi i casi, decresce all’aumentare della temperatura mentre la differenza tra i valori di Er e Zr aumenta aumentando la temperatura. La nucleazione risulta favorita per lo zirconio rispetto all’erbio. Per stimare la resistenza all’accrescimento dei precipitati è stata utilizzata la teoria LSW, la quale indica una migliore resistenza dei precipitati di zirconio rispetto a quelli di erbio fino a 570°C. Il rafforzamento dovuto a trialluminati Al3X è stato stimato utilizzando la teoria di rafforzamento per precipitazione. Questa indica che, quando le particelle eccedono un certo raggio, il meccanismo principale di rafforzamento è quello di Orowan. Nelle prime fasi di precipitazione, quando le particelle sono molto fini, il rafforzamento è dovuto principalmente alla differenza di modulo di taglio e dal rafforzamento per coerenza. Esiste un intervallo di grandezza dei precipitati dove si ha il massimo di rafforzamento (picco) dovuto al rafforzamento per ordine. È, quindi, il raggio dei precipitati a determinare quale meccanismo domini. Le particelle Al3Er passano al meccanismo di Orowan a raggi minori rispetto alle particelle Al3Zr. La frazione volumetrica dei precipitati influenza la magnitudine del rafforzamento: entro i limiti di solubilità, pari frazioni volumetriche di precipitati inducono un rafforzamento maggiore nelle leghe Al-Zr.