Influence of dislocation density and distribution on the aging behavior of 6061 AlSiCw composites

Precipitation hardening metal-matrix composites (MMCs) are known to age more rapidly than the unreinforced matrix alloys. It has been proposed that the accelerated aging is due to some dislocation defect mechanism which enhances nucleation, growth or both. Theoretical Avrami-type precipitation curves were generated assuming dislocation density dependent nucleation only and dislocation density dependent nucleation and growth. Curves were generated for both uniform dislocation density (to model cold work) and a dislocation density gradient (to model MMCs). These theoretical results were compared to precipitation curves generated by differential scanning calorimetry of unstrained and plastically strained unreinforced 6061 Al and 10 vol.% SiC whisker reinforced 6061 Al MMC. It was found on aging that β′ precipitation in the MMC initiates earlier and is completed later than in the unreinforced alloy with the same amount of plastic work as the composite. The reaction rate order for β′ precipitation was also determined from the calorimetric studies. These experimental results were interpreted in terms of the theoretical calculations. It is concluded that the matrix dislocation density distributions of metal-matrix composites can strongly influence macroscopically observed nucleation and growth rates. On sait que les compositésàmatrice métallique durcie par précipitation (CMM) vieillissent plus rapidement que les alliagesàmatrice non renforcée. Il aétésuggéréque ce viellissement accéléréest dûàun mécanisme de dislocations qui favorise la germination, la croissance ou ces deux. Les courbes théoriques de précipitation de type Avrami ontététracées en supposant que la densitéde dislocations dépend uniquement de la germination ou bien qu'elle dépend de la germination et de la croissance. Ces courbes ontététracéesàla fois pour une densitéde dislocations uniforme (pour modéliser l'écrouissage) et pour un gradient de densitéde dislocations (pour modéliser les CMM). On compare ces résultats théoriques aux courbes de précipitation obtenues par calorimétrie en balayaga différentiel de deux matériaux—àl'état non déformé, ou déforméplastiquement—: un aluminium 6061, et un compositeàmatrice métallique d'aluminium 6061 renforcée par 10% en volume de whiskers de SiC. Lors du vieillissment, la précipitation de β′ dans le CMM commence plus toˆt et s'achiève plus tard que dans l'alliage non renforcésoumis au me˚me taux de déformation plastique que le composite. Ces résultats expérimentaux sont interprétésàpartir des calculs théoriques. Il en ressort que les distributions de densités de dislocations de matrica, dans les compositesàmatrice métallique, peuvent avoir une grande influence sur les vitesses expérimentales de germination et de croissanceàl'échelle microscopique. Ausscheidungsgehärtete Metallmatrix-Werkstoffe altern rascher—wie bekannt ist—als unverstärkte Matrixlegierungen. Es wurde vorgeschlagen, daβ die beschleunigte Alterung auf einigen Versetzungmechnismen beruht, die die Keimbildung, das Wachstum oder beides beschleunigen. Wir erhalten theoretische Ausscheidungskurven vom Avramityp unter der Annahme einer von der Versetzungsdichte abhängigen ausschlieβlichen Keimbildung und von dr Versetzungsdichte abhängigen Keimbildung und Wachstum. Kurven wurden erhalten sowohl für gleichmäβige Versetzungsdichte (Modellierung und Verfestigung) und für einen Gradienten der Versetzungsdichte (Modellierung des ausscheidungsgehärteten Werkstoffs). Diese theoretischen Ergebnisse werden mit Ausscheidungskurven verglichen, die aus der differentiellen Kalormetrie unverformtem und plastisch verformtem unverstärkten 6061 Al und an mit 10 Vol.-% SiC Whiskern verstärktem 6061 A l erhalten wurden. Es ergab sich, daβ bei der Alterung die β′-Ausscheidung in dem verstärkten Material früher einsetzt und später beendet ist als in der unverstärkten Legierung, die dieselbe plastische Dehnung gesehen hat wie der verstärkte Werkstoff. Die Ordnung der Reaktionsrate der β′-Ausscheidung wurde ebenfalls aus den kalorimetrischen Daten bestimmt. Diese Ergebnisse werden anhand der theoretischen Ergebnisse gedeutet. Es wird gefolgert, daβ die Verteilungen der Versetzungsdichte in der Matrix von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen die mikroskopisch beobachten Keimbildungs- und Wachstumsraten beträchtlich beeinflussen können.