Title: Precipitation kinetics in al-alloys observed by dilatometry
Language: English
Authors: Mohammadian Semnani, Hamid Reza 
Qualification level: Doctoral
Keywords: Dilatometrische Untersuchung; DSC; Ausscheidungskinetik; Al-Legierung
Dilatometry; DSC; Precipitation Kinetics; Al-alloys
Advisor: Degischer, Hans-Peter
Issue Date: 2009
Number of Pages: 128
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Aluminium wird in vielen industriellen Arbeitsfeldern verwendet.
Angefangen von Getränkedosen und Aluminiumfolie bis hin zu großen Containern und Flugzeugstrukturen ist die Gewichtsreduzierung der Produkte die treibende Kraft. Dies wird durch kontinuierliche Verbesserung der Aluminiumlegierungen hinsichtlich Zusammensetzung, Herstellungstechnologien und Wärmebehandlungen bewerkstelligt.
Aluminiumlegierungen zeichnen sich durch gute Umformbarkeit aus. Dies ermöglicht wirtschaftliches Walzen, Extrudieren und Schmieden in die gewünschte Form. Mechanische Eigenschaften wie zum Beispiel die Festigkeit werden durch Kaltumformung, Anlassen und/oder Ausscheidungshärtung signifikant gesteigert. Aushärtbare Aluminiumlegierungen enthalten ein oder mehrere lösliche Bestandteile, wie Kupfer, Magnesium, Silizium und Zink, welche individuell oder als Verbindung ausgeschieden werden. Diese gelösten Atome sammeln sich stellenweise innerhalb der Matrix der Legierung an, wodurch die Ausscheidung eingeleitet wird. Eine solche Phasentransformation wird durch die Tatsache hervorgerufen, dass die Legierung in ihrem Ausgangszustand weit entfernt vom Gleichgewichtszustand ist und, dass bei ausreichender Zeit und Temperatur, Diffusion dieser Atome schrittweise zum Gleichgewicht führt. Ingenieurwerkstoffe werden während der Umformung hohen Temperaturen ausgesetzt was, thermische Ausdehnungverursacht. In dieser Arbeit werden Dilatometerversuche eingesetzt, um Wärmeausdehnungseffekte durch Ausscheidungen zu messen.
Ausgangspunkt dieser Arbeit ist die Studie der Ausscheidungsfolge von Al-Ge, Al-Ge-Si mittels Dilatometrie und der Vergleich dieser Ergebnisse mit den Werten der Differential Scanning Kalorimetrie (DSC).
Dilatometrie wird für die Bestimmung der Formation und Auflösung von Ge, Si oder Si-Ge Ausscheidungen erfolgreich eingesetzt. DSC der gleichen Proben belegen die Temperaturen der Ausscheidungsbildung und -Auflösungen. Weiters werden unterschiedliche Al-Legierungen (3XXX, 4XXX, 5XXX, 6XXX, 7XXX) untersucht, um die Temperaturabhängigkeit des linearen Ausdehnungskoeffizient (CTE) mit Ausscheidungsvorgängen zu korrelieren. Entsprechend den Dilatometermessungen von AW3003 ist die Ausscheidung von Mn zwischen 300 und 380°C, und seine Auflösung über 450°C in CTE(T) -Kurvenerkennbar. Isotherme Dilatometrieexperimente bei 200°C von Al-Mg-Legierungen (5XXX) zeigen eine Expansion entsprechend der Bildung von Beta´´/ Beta´-Phasen, wobei eine Volumenreduktion eine Auflösung bei 300°C zeigt. Die Festigkeitssteigerung von Al-Mg-Si-Legierungen (6XXX) wird den GP Zonen und Beta´´-Phasen zugeschrieben. In diesen Legierungen erzeugt überschüssiges Si Ausscheidungen und somit Wärmeausdehnungen. Die DSC Thermogramme zeigen Mg2Si und Si Ausscheidungen, während CTE(T) von Si Ausscheidungen dominiert wird. Mittels Dilatometrie ist es nicht möglich den Ausscheidungsvorgang von Mg2Si darzustellen. DSC und Dilatometrie Versuche an Al-Zn-Mg-Legierungen (7XXX) zeigen die Auflösung von GP(I) Zonen und die Bildung und spätere Auflösung von Eta´ and Eta Ausscheidungen. Die Dilatometrie erlaubt die Beschreibung der Temperatur- und Zeitabhängigkeit der Si, Ge, Al6Mn, Al8Mg5 Ausscheidungen und von Modifikationen von Zn2Mg in Aluminium legierungen. Isotherme Kalorimetrie kann eingestzt werden, um die Zeitabhängigkeit der Ausscheidungs und/oder Auflösung in Legierungen bei konstanter Temperatur zu untersuchen, was mit Kalorimetrie nicht möglich ist.

Aluminum is used in many industrial fields. From soda cans and household foil to rigid containers, automotive and aircraft structures.
Demands for weight reductions of products are the driving force for continuous improvement of standard alloys in regard of composition, manufacturing technologies and heat treatments. Aluminum alloy systems are characterized by good workability. That enables these alloys to be economically rolled, extruded or forged into useful shapes. Mechanical properties such as strength are significantly altered by cold working, annealing, and/or precipitation hardening. Heat-treatable aluminum alloys contain one or more soluble constituents such as copper, magnesium, silicon and zinc that precipitate individually or as compounds. The solute atoms progressively cluster within the matrix grains of the alloy, this process initiates precipitation. Such a phase transformation responds to the fact that the alloy is initially in a state far from equilibrium (W.Q and T4 conditions) and, given sufficient time, diffusion of atoms occurs progressively to transform towards the equilibrium situation. Engineering materials exposed to elevated temperatures during manufacturing and service needs exact thermal expansion values. In this thesis dilatometric techniques are used to measure thermal expansion effects originated from precipitation, where phase transformations cause changes in the specific volume of the alloy.
The starting point of this research is to study the precipitation sequence of Al-Ge, Al-Ge-Si by means of dilatomety and to compare the results with differential scanning callorimetry. Dilatometry is used successfully to identify the formation and dissolution of Ge, Si or Si-Ge precipitates due to the change in atomic volume from solid solution to precipitates in diamond structure. Differential scanning calorimetry (DSC) on the same samples confirms the temperatures of precipitation and dissolution. Furthermore the different series (3XXX, 4XX.X, 5XXX, 6XXX, 7XXX) of Al alloys are investigated to look for volume changes related to precipitation. According to dilatometry measurements on AW3003, the precipitation of Mn between about 300 and 380°C and its dissolution above 450°C are evident in CTE(T). Isothermal dilatometry experiments at 200°C on Al-Mg (5XXX) alloy show an expansion corresponding to the formation of Beta´´/ Beta´, whereas shrinkage indicates dissolution at 300°C. Increase in hardness of Al-Mg-Si (6XXX) alloys is attributed to GP zones and Beta´´ phases. In these alloys excess Si precipitates as well which produces increased thermal expansion. The corresponding DSC thermograms show both Mg2Si and Si precipitation whereas CTE(T) is dominated by Si precipitation.
Dilatometry does not reveal the precipitation sequence of Mg2Si. DSC and dilatometry tests on Al-Zn-Mg (7XXX) alloys, both show the dissolution of GP(I) zones and the formation and later dissolution of Eta´ and Eta precipitates. Dilatometry allows to describe the temperature and time dependence of precipitation of Si, Ge, Al6Mn, Al8Mg5 and of modification of Zn2Mg. Isothermal dilatometry can be applied to alloys containing those phases in order to reveal the kinetics of precipitation and/or dissolution at constant temperatures which is not possible by calorimetry.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-37587
http://hdl.handle.net/20.500.12708/12566
Library ID: AC07805920
Organisation: E308 - Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
Appears in Collections:Thesis

Files in this item:

Show full item record

Page view(s)

13
checked on Feb 18, 2021

Download(s)

70
checked on Feb 18, 2021

Google ScholarTM

Check


Items in reposiTUm are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.