Analysis of precipitation hardening in metallic alloys by means of dislocation dynamics

Santos Güemes, Rodrigo (2021). Analysis of precipitation hardening in metallic alloys by means of dislocation dynamics. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.67606.

Description

Title: Analysis of precipitation hardening in metallic alloys by means of dislocation dynamics
Author/s:
  • Santos Güemes, Rodrigo
Contributor/s:
  • Segurado Escudero, Javier
  • Llorca Martinez, Francisco Javier
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El endurecimiento por precipitación es uno de los mecanismos de refuerzo más eficaces para aumentar el límite elástico de las aleaciones metálicas. La presencia de una distribución de precipitados intermetálicos en el material dificulta la propagación de las dislocaciones en sus planos de deslizamiento, aumentando la tensión cortante necesaria para producir deformación plástica. Los mecanismos de interacción entre las dislocaciones y los precipitados dependen de diferentes factores, entre los que se incluyen el tamaño, la geometría y la distribución espacial de los precipitados, la coherencia de su intercara, así como las distorsiones elásticas debido a la coherencia, la diferencia de módulo elástico entre la matriz y los precipitados, etc. y las dislocaciones pueden rebasar los precipitados mediante la formación de un bucle a su alrededor o cizallándolos. En las últimas décadas se han desarrollado diferentes propuestas para modelar este mecanismo de refuerzo, tanto de forma analítica como mediante métodos numéricos. Estos modelos han sido capaces, en general, de reproducir cualitativamente las tendencias que se observan experimentalmente. Sin embargo, todavía no se ha conseguido un modelo fiable que proporcione predicciones cuantitativas de la tensión crítica de cizalladura producida por el endurecimiento por precipitación en aleaciones metálicas debido a la complejidad de los mecanismos, que incluyen un gran número de fenómenos físicos. El objetivo de esta tesis doctoral es el desarrollo de una metodología capaz de proporcionar predicciones cuantitativas de la tensión crítica de cizalladura en aleaciones endurecidas por precipitación. Este es un paso necesario para optimizar de forma virtual este tipo de aleaciones o incluso diseñar otras in silico antes de fabricarlas en el laboratorio. Para ello, las interacciones entre dislocaciones y precipitados se han analizado mediante una aproximación multiescala basada en simulaciones de dinámica de dislocaciones. Los principales factores que controlan estas interacciones (heterogeneidad elástica, movilidad de las dislocaciones, frecuencia de deslizamiento cruzado, tamaño y forma de los precipitados, tensión necesaria para cizallar los precipitados, endurecimiento por solución sólida, deformaciones de coherencia, etc.) se han incluido en las simulaciones de manera rigurosa y su magnitud se obtuvo a partir de simulaciones atomísticas o de resultados experimentales independientes. La estrategia de simulación se aplicó para predecir la tensión crítica de cizalladura de dos aleaciones Al-Cu que contienen precipitados _0 o _00. Las predicciones de la tensión crítica de cizalladura coincidieron con resultados experimentales de compresión de micropilares en monocristales orientados para deslizamiento simple, validando la estrategia de simulación empleada. Además, se descubrió que las deformaciones de coherencia asociadas con la nucleación y crecimiento de los precipitados y el endurecimiento por solución sólida eran los mecanismos de endurecimiento principales en las aleaciones Al-Cu que contienen precipitados _0 impenetrables. En el caso de aleaciones Al-Cu que contienen precipitados cizallables _00, el endurecimiento estaba dominado por las contribuciones de solución sólida y del mecanismo de Orowan, mientras que las deformaciones de coherencia tenían un papel secundario. El efecto de la heterogeneidad elástica fue despreciable en ambas aleaciones. Por último, la herramienta de simulación basada en dinámica de dislocaciones se empleó para calibrar los parámetros de un modelo de tensión de línea generalizado, que es capaz de proporcionar estimaciones rápidas de la tensión crítica de cizalladura de una distribución aleatoria de precipitados esféricos teniendo en cuenta el efecto de su diámetro y fracción volumétrica, la diferencia de módulo elástico entre matriz y precipitados y la tensión necesaria para cizallar los precipitados. ----------ABSTRACT---------- Precipitation hardening is one of the most efficient strengthening mechanisms to increase the yield strength of metallic alloys. The presence of a dispersion of intermetallic precipitates within the material hinders the movement of dislocations, increasing the critical resolved shear stress to produce plastic deformation. The mechanisms of dislocation/ precipitate interaction depend on several factors such as the size, shape and spatial distribution of the precipitates, the coherency of their interface as well as the coherency strains, the elastic mismatch between matrix and precipitates, etc. Dislocations can overcome precipitates by either looping or shearing. Different approaches have been developed in the last decades to model these mechanisms, including analytical and numerical strategies. These efforts have led to different models that, in general, are able to reproduce qualitatively the experimental trends observed in precipitation hardened alloys. Nevertheless, accurate quantitative predictions of the critical resolved shear stress due to precipitation hardening in metallic alloys have not been obtained due to the complexity of the precipitation strengthening mechanisms, where many different physical phenomena are involved. The objective of this doctoral thesis is to develop a methodology capable of providing quantitative predictions of the critical resolved shear stress in precipitation hardened alloys. This is a necessary step towards the virtual optimization of such alloys or even the virtual design of new ones before they are actually manufactured. To this end, the dislocation/precipitate interactions have been analyzed through a multiscale approach based on dislocation dynamics simulations. The main factors that control the dislocation/precipitate interactions (elastic heterogeneity, dislocation mobility, crossslip rate, size and shape of precipitates, friction stress of the precipitate, solution hardening, coherency strains, etc.) were rigorously included in the simulations and their magnitude was obtained from either lower scale simulation techniques or independent experimental observations. The simulation strategy was applied to predict the critical resolved shear stress of two Al-Cu alloys containing either _0 or _00 precipitates. The predictions of the critical resolved shear stress were in good agreement with experimental results of micropillar compression tests in single crystals oriented for single slip, validating the simulation strategy. Moreover, it was found that the stress-free transformation strains and solution hardening were the main hardening mechanisms in Al-Cu alloys containing impenetrable _0 precipitates. In the case of Al-Cu alloys containing shearable _00 precipitates, the strength was dominated by the contributions of solution hardening and the Orowan mechanism while the coherency strains played a minor role. The effect of the elastic mismatch was negligible in both alloys. Finally, the dislocation dynamics simulation tool was used to calibrate the parameters of a generalized line tension model, which is capable of providing fast estimations of the critical resolved shear stress of random distributions of spherical precipitates taking into account the effect of the precipitate diameter and volume fraction, the elastic mismatch between matrix and precipitates, and the friction stress necessary to shear the precipitates.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainFPU16/00770UnspecifiedUnspecifiedUnspecified
Horizon 2020669141VIRMETALFUNDACION IMDEA MATERIALESVirtual Design, Virtual Processing and Virtual Testing of Metallic Materials

More information

Item ID: 67606
DC Identifier: https://oa.upm.es/67606/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:67606
DOI: 10.20868/UPM.thesis.67606
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 21 Sep 2021 06:49
Last Modified: 21 Sep 2021 06:49
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