(Electro)plasticity of the Al$_{2}$Cu phase and its Al-Al$_{2}$Cu eutectics

Andre, Doreen; Korte-Kerzel, Sandra; Scheu, Christina

doi:41055

(Electro)plasticity of the Al$_{2}$Cu phase and its Al-Al$_{2}$Cu eutectics

Andre, Doreen^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Doreen Andre, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Korte-Kerzel, Sandra (Thesis advisor)^RWTH* ; Scheu, Christina (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-01-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-01212
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/840362/files/840362.pdf

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Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Al-Cu Legierungen (frei) ; Al-Cu alloys (frei) ; Al2Cu (frei) ; Nanoindentierung (frei) ; TEM (frei) ; intermetallic phases (frei) ; intermetallische Phasen (frei) ; micropillar compression (frei) ; nanoindentation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die intermetallische Al2Cu θ-Phase wird häufig als Ausscheidungsphase in Al-Legierungen oder als Bestandteil von eutektischen Al Al2Cu Gusslegierungen verwendet. Obwohl erstgenannte Al-Legierungen häufig in der Luft- und Raumfahrt- sowie der Automobilindustrie verwendet werden, ist nur wenig über die Eigenschaften der Al2Cu θ-Phase, insbesondere im Raumtemperatur- und mittleren Temperaturbereich, bekannt. Aufgrund dessen wurde im ersten Teil dieser Arbeit die Plastizität der Al2Cu θ-Phase bei Raumtemperatur mittels Mikrosäulen Kompressionsversuch in Verbindung mit einer geometrischen Analyse der potenziell aktivierten Gleitsysteme sowie MS-Simulationen untersucht. Diese Methodik ermöglicht es die aktivierten Gleitsysteme zu bestimmen und ein grundlegendes Verständnis der versetzungsbedingten Mechanismen der Plastizität zu gewinnen. Darauf basierend wurde eine neue Ordnung von leicht zu aktivierenden Gleitsystemen vorgeschlagen. Diese neue Ordnung beläuft sich, in absteigender Reihenfolge, auf {211}½<111>, {022}½<111> und {022}<100>, {110}<001>, {310}<001>, {022}<011>, {110}½<111>, {112}<110> und {112}½<111> und stimmt mit den gewonnenen Daten der kritischen Schubspannungen überein. Es besteht jedoch nicht nur ein mangelndes grundlegendes Verständnis der Plastizität der Al2Cu θ-Phase bei Raumtemperatur, sondern auch an den Mechanismen, welche die Plastizität über größere Temperaturbereiche steuern. Um dies herauszufinden, wurden Indentationsversuche bei verschiedenen Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 300°C durchgeführt. Ab Temperaturen von über 150°C konnte ein Abfall der Härte sowie der Verlust der dynamischen Reckalterung beobachtet werden. TEM-Untersuchungen der verformten Mikrostruktur ergaben, dass die hauptsächlich auftretenden Versetzungen sowohl nach Raumtemperatur als auch nach Hochtemperaturverformung dem {202}<-101> Gleitsystem entsprachen. Deshalb wurde angenommen, dass der zugrundeliegende versetzungsbasierte Verformungsmechanismus für beide Temperaturen der gleiche ist, dieser jedoch ab Temperaturen von über 150°C thermisch aktiviert wurde. Da die hohe Festigkeit intermetallischer Phasen meist mit einer geringen Duktilität einhergeht, ist ihre Anwendbarkeit zumeist noch limitiert. Aufgrund dessen wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Ansätze verfolgt, welche den Anwendbarkeitsbereich vergrößern können. Ein Ansatz dabei ist die Kombination mit einer duktilen, metallischen Phase zu einem sog. Verbundwerkstoff. Weiterhin kann durch die Verformung unter gleichzeitiger Anwendung von elektrischen Strompulsen die Umformbarkeit von Werkstoffen erhöht und gleichzeitig die zur Umformung erforderlichen mechanischen Spannungen gesenkt werden. Dieses Phänomen, welches auch als Elektroplastizität bezeichnet wird, ist seit Anfang der 1960er Jahre bekannt. Die Mechanismen des elektroplastischen Effekts sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Anwendbarkeit des elektroplastischen Effekts an eutektischem Al-Al2Cu-Gusslegierungen zu untersuchen. In den durchgeführten makroskopischen Druckversuchen wurde eine deutlich erniedrigte Fließspannung sowie eine erhöhte Bruchdehnung unter Verwendung von elektrischen Stromimpulsen erzielt. Diese Effekte ließen sich nicht ausschließlich auf den Einfluss der Temperaturerhöhung zurückführen. Um diesbezüglich ein tieferes Verständnis der ablaufenden Mechanismen auf der mikroskopischen Ebene während des elektroplastischen Verformens zu erlangen, wurde ein Nanoindentationsaufbau entwickelt, welcher es erstmalig erlaubt elektrische Strompulse während der Nanoindentation und damit auf gewünschte mikrostrukturelle Komponenten anzuwenden. Die resultierenden Last-Verschiebungskurven wiesen strombedingte Verschiebungen in Richtung höherer Tiefen bei Durchfluss eines entsprechenden elektrischen Strompulses auf. Die erste dieser Verschiebungen erwies sich als jeweils größer als die darauffolgenden Verschiebungen, was im Sinne von Versetzungsloslösung von Hindernissen interpretiert wurde. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die strombedingten Verschiebungen mit der Stromstärke, dem Pulsintervall und der Belastungsrate zunahmen, weshalb angenommen wurde, dass der Effekt durch eine erhöhte Versetzungsmobilität zusammen mit einer erleichterten Versetzungsloslösung verursacht wird. Da die strominduzieren Verschiebungen während des Entlastens ihre Richtung änderten, kann angenommen werden, dass dies durch die weitreichenden internen Spannungsfelder innerhalb des verformten Materials verursacht wird und ist somit gleichermaßen ein weiterer Hinweis auf die nicht ausschließlich thermische Natur des elektroplastischen Effekts.

The intermetallic Al2Cu θ-phase is widely used as a precipitate phase in Al-alloys or as a component in the eutectic Al-Al2Cu cast alloy. Although the former alloy is frequently used in the aerospace and automotive industries, only little is known about the properties of the Al2Cu θ-phase itself, in particular on its ambient and intermediate temperature behaviour. Therefore, in the first part of this thesis, the ambient temperature plasticity of the Al2Cu θ-phase was investigated using micropillar compression in conjunction with a geometric analysis of the potentially activated slip systems together with molecular statics (MS) simulations. These methods allowed the unravelling of the occurring slip systems and a gain in the profound understanding of the underlying dislocation-mediated mechanisms of plasticity. Based on this, a new order of easy-to-activate slip systems was proposed. This new order of slip systems is {211}½<111>, {022}½<111> and {022}<100>, {110}<001>, {310}<001>, {022}<011>, {110}½<111>, {112}<110> and {112}½<111> in descending order. This order is further in agreement with the obtained data on the critical resolved shear stresses. However, as there is not only a lack of basic understanding of plasticity of the Al2Cu θ-phase at ambient temperature, but also on the mechanisms governing plasticity over a wider range of temperatures, the second part of this thesis attempts to understand the mechanisms governing plasticity over larger temperature ranges. Therefore, indentation experiments at several temperatures, ranging from ambient temperature to 300°C were conducted. Above temperatures of 150°C, a decrease in hardness and a loss of serrated yielding was observed. TEM studies of the deformed microstructure revealed that the most prominent dislocations after both, room temperature and high temperature deformation, correspond to the {202}<-101> slip system. Therefore, it was assumed that no change in the dislocation-based mechanism of deformation occurred, but a thermally activated transition in the mechanism controlling plasticity. Since intermetallic phases usually possess a high strength, which is often accompanied by a low ductility, their application is still limited. Therefore, two promising approaches to extend their application area are pursued within this thesis. One possibility to enhance ductility is the combination with a ductile, metallic phase to form a so-called composite material. The second is to use the fact that increased formability combined with a reduction of the required stresses can be obtained by deformation under the application of an electric current. This phaenomenon, which is also known as electroplasticity, has been known since the early 1960´s. However, the mechanisms of the electroplastic effect are not yet completely understood. A further aim of this work is therefore to investigate the applicability of the electroplastic effect on a eutectic Al-Al2Cu cast-alloy. The conducted macroscopic compression experiments clearly revealed a lowered flow stress together with an increased compression strain to fracture upon the usage of electric current pulses. These effects could not be exclusively attributed to the influence of the temperature increase. In order to gain a deeper understanding of the ongoing mechanisms of electroplasticity on a microscopical scale, a new nanoindentation setup was developed. This allowed the application of electric current pulses during nanoindentation of desired microstructural features for the first time. The resulting load-displacement response revealed displacement shifts upon electroplastic deformation. The first displacement shift was always larger than the subsequent ones, which was interpreted in terms of dislocation de-pinning from obstacles. Furthermore, the current-induced displacement shifts were found to increase with current intensity, pulsing interval and loading rate. This is assumed to be caused by an increased dislocation mobility together with easier current-assisted dislocation de-pinning. During unloading, the displacement shifts changed their direction from a shift towards higher displacements seen during loading to shifting instead towards lower displacements. This is assumed to be caused by the long-range internal stress fields within the deformed material and is also a further indication that the nature of the electroplastic effect is not exclusively a thermal one.

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