Work hardening in heterogeneous alloys—a microstructural approach based on three internal state variables

Abstract

A new work-hardening model for homogeneous and heterogeneous cell-forming alloys is introduced. It distinguishes three internal state variables in terms of three categories of dislocations: mobile dislocations, immobile dislocations in the cell interiors and immobile dislocations in the cell walls. For each dislocation population an evolution law is derived taking into account dislocation generation, annihilation and storage by dipole and lock formation. In particular, these rate equations take into account the number of active glide systems and, thus, introduce texture in the model in addition to the Taylor factor. Microstructure is represented by the dislocation cell structure as well as second-phase particles, which may undergo changes by precipitation and Ostwald ripening. Interaction of mobile dislocations with the microstructure is taken into account through an effective slip length of the mobile dislocations. For the same set of parameters, the predictions are in excellent agreement with measured stress–strain curves of both a precipitation-hardened aluminium alloy (Al–4.16 wt% Cu–1.37 wt% Mg, AlCuMg2) and a precipitation-free model alloy (Al–0.35 wt% Cu–0.25 wt% Mg), the composition of which corresponds to the matrix of the two-phase alloy. Ein neues Verfestigungsmodell für homogene und heterogene Legierungen wird vorgestellt. Es werden drei innere Zustandsvariablen in Form von drei Versetzungsklassen unterschieden, mobile Versetzungen, immobile Versetzungen im Zellinnern und immobile Versetzungen in den Zellwänden der Substruktur. Für die Dichte jeder dieser Versetzungsklassen wird eine Evolutionsgleichung hergeleitet, die Versetzungsproduktion, -annihilation und -speicherung durch Bildung von Dipolen und seßhaften Versetzungsreaktionsprodukten berücksichtigt. Insbesondere wird dabei die Zahl der aktiven Gleitsysteme berücksichtigt, wodurch die Textur zusätzlich zum Taylorfaktor in das Modell einfließt. Die Mikrostruktur wird durch die Versetzungszellstruktur und Sekundärphasen repräsentiert, wobei letztere Ausscheidungs- und Reifungsprozessen unterworfen sind. Die Wechselwirkung der mobilen Versetzungen mit der Mikrostruktur wird durch eine effektive freie Weglänge der mobilen Versetzungen berücksichtigt. Die Modellvorhersagen stimmen bei gleichem Parametersatz sehr gut mit gemessenen Spannungs-Dehnungs-Kurven einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung (Al–4.16 wt% Cu–1.37 wt% Mg, AlCuMg2) und einer ausscheidungsfreien Modellegierung (Al–0.35 wt% Cu–0.25 wt% Mg), die der Matrix des zweiphasigen Werkstoffs entspricht, überein.