Quantifying the grain boundary segregation strengthening induced by post-ECAP aging in an Al-5Cu alloy

Abstract

Hardening on annealing (HOA) has been frequently observed in nanostructured metals and alloys. For nanostructured materials obtained by severe plastic deformation (SPD), HOA has been attributed to the reduction of dislocation sources within grains and grain boundary relaxation during annealing. In the present work, it is shown that when a bimodal grain structured (a mixture of micronsized and ultrafine grains) Al-5Cu alloy prepared by equal channel angular pressing (ECAP) was subjected to a post-ECAP natural and artificial aging treatments, the alloy shows a completely different precipitation behaviour with an accelerated precipitation kinetics. No coherent θꞌꞌ or semicoherent θꞌ precipitates form in the bulk of grains, while a large fraction of stable incoherent θ precipitates form along high angle boundaries. After artificial aging at low temperatures for a short time, a significant improvement of both ultimate tensile strength and uniform elongation was achieved without sacrificing the yield strength. A systematic microstructure characterization by EBSD, TEM and APT has been carried out to investigate the evolution of grain size, dislocation density and solid solution level of Cu as well as the precipitation of Al-Cu precipitates during natural and artificial aging treatments. A quantitative evaluation of different supposed strengthening mechanisms revealed that the segregation of Cu elements at grain boundaries plays a more important role than grain boundary relaxation and the dislocation source-limited strengthening to compensate the yield strength reduction caused by the decrease in dislocation density and solute content of Cu in solid solution.

Strain Induced Segregations in Severely Deformed Materials

“…It is also interesting to note that in an Al5Cu alloy processed by ECAP, both mechanisms have been reported, namely simultaneous precipitation and GB segregation during low temperature annealing. 71) Thus, in precipitation hardening aluminum alloys, the thermal stability of the UFG structure achieved by means of SPD is deeply influenced by strain induced GB segregations and could be dependent of various factors such as the processing route, the annealing temperature and the chemical composition of the alloy. This complexity makes any prediction rather difficult but on the other hand it opens the way to a large room for microstructure optimization.…”

Revealing the Subsurface Basal 〈a〉 Dislocation Activity in Magnesium Through Lattice Rotation Analysis

“…Accordingly, the lowest density of GND necessary to be detected by IGMA method can be roughly estimated by using the equation q = h/bd, where q is dislocation density, h misorientation angle within a distance of d, and b magnitude of Burgers vector. [31] With the 1.2 deg cutoff angle and the step size of EBSD scanning (0.5 lm in Reference 26), it can be calculated that only when the local density of GND is larger than 1.3 9 10 14 m À2 , the dislocation slip can be distinguished. It means that IGMA method is only valid for metals subjected to high deformation strains or even severe plastic deformations.…”

Влияние отжига и дополнительной деформации на механические свойства ультрамелкозернистого сплава Al-1.5Cu

“…Известно, что чистые металлы не имеют широкого применения в промышленности, поэтому активно исследуется влияние интенсивной пластической деформации на прочностные свойства сплавов на основе Al, таких как Al−Mg [9], Al−Mg−Si [10,11] и в ряде случаев Al−Zr [12], Al−Cu [13][14][15][16][17][18] и др. В связи с этим важно понимать, проявляются ли упомянутые выше эффекты упрочнения отжигом и увеличения пластичности в результате дополнительной ИПД после отжига также и в сплавах в УМЗ-состоянии и каковы их особенности в легированных системах по сравнению с чистым Al.…”

“…Многочисленные работы различных научных групп показали, что в сплавах на основе алюминия в процессе ИПД возможна сегрегация примесных атомов в ГЗ [10,[13][14][15][16]20]. В частности, было показано, что в алюминиевом сплаве 6061 (система Al−Mg−Si) в процессе обработки ИПДК образуются зернограничные сегрегации атомов Cu, Mg, Si, которые были выявлены методом пространственной атомной томографии [10].…”

“…Повышение концентрации Cu в ГЗ при увеличении степени деформации было продемонстрировано на примере сплава системы Al−Zn−Mg−Cu (с содержанием меди 2.5 wt.%), подвергнутого четырем и восьми проходам равноканального углового прессования при 200 • C [20]. В процессе ИПД деформационноиндуцированный рост концентрации вакансий и плотности дислокаций приводит к ускорению процессов зернограничной сегрегации и преципитации [16], сегрегация Cu в ГЗ способствует снятию решеточных напряжений и снижению общей энергии системы [14], после ИПДК в сплаве устанавливается химическое рановесие, как это было показано, например, для Al−3 wt.% Cu [14]. Другими словами, сегрегация примесей в ГЗ является механизмом релаксации неравновесной структуры, возникающей в процессе ИПД.…”