Module 30 Precipitation from solid solution IInptel.ac.in/courses/113105023/Lecture30.pdf ·  ·...

23
NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || 1 Module 30 Precipitation from solid solution II Lecture 30 Precipitation from solid solution II

Transcript of Module 30 Precipitation from solid solution IInptel.ac.in/courses/113105023/Lecture30.pdf ·  ·...

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

Module 30

Precipitation from solid solution II

Lecture 30

Precipitation from solid solution II

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

Keywords : Meta‐stable precipitates, GP zones, Cu‐4.5%Cu alloy, critical thickness of coherent 

precipitates, kinetics of precipitation, precipitation hardening: mechanism, precipitate 

coarsening, spinodal decomposition 

Introduction  In  the  last module we  looked at  the stability of super saturated solid solution. Terminal solid 

solutions  where  the  solubility  decreases  with  temperature  can  be  transformed  to  a 

supersaturated state by homogenization and subsequent quenching. The process  is known as 

solutionizing  (solution  treatment). The  strength of  the alloy  increases on  subsequent aging  if 

the precipitates that form initially are coherent. The process is known as age hardening. There 

are  two modes of precipitation. These are homogeneous and heterogeneous. Heterogeneous 

precipitation occurs at the grain boundaries, edges and corners.  It does not contribute to the 

strengthening of the grains. This needs to be suppressed. Strengthening is more effective if the 

precipitates are uniformly distributed within the grains. This occurs in the case of homogeneous 

precipitation.  It  is  promoted  by  low  surface  energy  ()  and  low  coherency  strain  (Es).  The precipitates  that  fulfill  these  conditions  are  either  coherent  or  semi‐coherent  precipitates. 

Normal precipitates are  incoherent. The  surface energy of  such precipitates  is high.  It needs 

higher thermal activation for nucleation. We are also familiar with the characteristics of various 

types of precipitate that could form during age hardening. We would see in a little more detail 

the stability of such precipitates and the mechanism of strengthening. Besides nucleation there 

is  an  entirely  different  mode  by  which  precipitates  could  form.  It  is  known  as  spinodal 

decomposition. We would see under what conditions  it  is  likely to take place. We would also 

learn about a few commercial age hardenable alloys.   

Meta‐stable precipitates:  As the name suggests these are not the most stable forms of precipitates. They form because 

the nucleation of stable precipitates needs higher thermal activation to overcome the energy 

barrier for the  creation new high energy grain boundaries.  

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

Meta-stable precipitate

G

12

Meta-stable precipitates have higher volume free energy but lower surface free energy because of

favorable crystal structure.

A B A % B

TA

(a) (b)

T

1

2

L

+ L

 

The sketch (b) in slide 1 gives a part of the phase diagram of a hypothetical alloy made of two 

metals A & B. Let us consider the thermodynamic stability of an alloy at a temperature T shown 

by  the  horizontal  dotted  line  in  this  sketch.  This  is  best  described  by  the  free  energy 

composition diagram for the different phases that may be present at this temperature. These 

are given  in the sketch (a). Under normal equilibrium we can have only two solids  (which  is rich  in  A)  &    (which  is  rich  in  B)  in  this  system.  Let  us  consider  the  case  of meta‐stable 

precipitate ’. Its free energy composition plot has also been included in this sketch. Note that 

its  free  energy  at  all  compositions  is  higher  than  that  of  the  stable  phase  .  The  common 

tangents to the free energy plots of   ,  and   , ’ are shown by two dashed  lines. Note the compositions  of  the matrix    that  can  coexist with    or  ’  at  this  temperature.  1  is  the 

composition of the solvus representing the equilibrium between  & . 2 is the composition of 

the solvus representing the equilibrium between  & '. Note that % B in matrix  which is in equilibrium with  the meta‐stable phase  is higher  than  that of  which  is  in equilibrium with 

stable .  It means  that  the  phase  diagram  should  have  two  solvus  curves  one  representing 

composition  of    in  equilibrium    and  the  other  representing  the  composition  of    in equilibrium with ’. The  former  is shown with a  firm  line and the  latter with a dashed  line.  If 

there are three met‐stable precipitates there should be two additional solvus curves.   

Recall that the driving force for precipitation is the volume free energy (Gv) which depends on 

the degree of super saturation or the extent of super cooling. This is used up to overcome the 

activation  barrier.  In  the  last module  the  expressions  for  critical  radius  and  the  activation 

barrier were derived. These are as follows: 

∗∆

                       (1)   

Slide 1 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

∆ ∗∆

                  (2)

Note that �Gv is negative (< 0) however Es > 0. The magnitude of �Gv is greater than Es so that 

r*  is  positive.  Figure  1  illustrates  the  physical  significance  of  equation1 &  2 with  respect  to 

stable and meta‐stable precipitates.  

 

 

 

 

Note that the critical radius (r*) and the activation barrier (G*) for meta‐stable precipitate (’) is  lower  than  that of  the  stable precipitate  (). This  is because  the meta‐stable precipitate  is 

either coherent or semi‐coherent. Therefore  its surface energy ()  is significantly  lower than that of the incoherent stable precipitate.   

Precipitation from super saturated solid solution of Cu in Al:   Let us take a specific case of Al ‐ 4.5% Cu. Slide 2 shows the relevant portion of the Al‐Cu phase 

diagram and a free energy composition diagram at a given ageing temperature. Note that  is the  stable  phase.  It  is  an  inter‐metallic  compound  whose  chemical  formula  is  CuAl2. 

Precipitation  in this alloy begins with the formation of clusters of Cu atoms. This  is commonly 

known as Guiner Preston Zone  (GPZ). Later  it dissolves and a new precipitate denoted as ’’ nucleates. Later  it  is  replaced by ’ and   in successive stages.   Amongst  these   is  the most 

stable phase  it has the  lowest  free energy whereas GPZ has  the highest  fee energy. Note the 

relative position of  the  free energy  composition plots of  the  four different phases.  The  free 

energy composition plot given  in slide 2 has a set of dotted  lines that are tangent to the free 

energy  composition  plots  of  different  precipitates  and  that  of  the matrix  .  This  gives  the composition  of    that  coexists  with  the  respective  precipitates.  For  example  4  is  the 

composition of the solvus curve for , 3 is the composition of the solvus for ’ & so on.  This gets  reflected  in  the  form of additional  solvus  curves  in  the phase diagram. Note  that  these 

plots are schematic. These are not to scale. 

rrr

G

r0

’ 

r*’  r*

G*’ 

G* 

Fig 1 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

Al-Cu terminal solid solution

Al 4.5 Cu

L+L

660

520

= CuAl2

T

G

4.5

’’

GPZ

0 → 1+ GPZ→ 2+’’→3+’ →4+

GPZ’’

1

 

The main features of the precipitates are given  in a tabular form  in slide 3. GP Zones are disk 

shaped clusters consisting of a  few Cu atoms within  the matrix of . These are  too  thin and small  to be  considered as precipitates having a  specific  crystal  structure. These are perfectly 

coherent with the matrix. ’’ too is a disk shaped precipitate. Its crystal structure is tetragonal. One of its lattice parameters (a) is nearly same as that of aluminum which is FCC. Therefore the 

cube planes of  are  its habit plane. The precipitate  is  coherent with  the matrix. The  lattice 

parameter in the direction perpendicular to the habit plane is large. Therefore its growth in this 

direction is restricted. It remains coherent as long as it is small. The third met‐stable precipitate 

’ too has tetragonal crystal lattice. Its lattice parameter ‘a’ is nearly same as that of the matrix 

. This too is coherent along the crystal directions [100] & [010]. Its lattice spacing along [001] is not as large as that of ’’. It is plate shaped and partially coherent with the matrix. Note that 

the stable precipitate  too has tetragonal lattice. Its lattice parameters are very much different 

from that of the matrix. Therefore these are totally in coherent. 

Slide 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

Precipitates in Al-4.5 Cu alloy

GP zones coherent disk Cu cluster

’’ coherent disk Tetragonal a=4.04 c=7.68

’ Partially coherent

plates Tetragonal a=4.04 c=5.80

Incoherent Tetragonal a=6.07 c=4.87

Al: FCC a=4.04 Angstrom

 

Critical thickness of coherent / semi‐coherent precipitate:  The  driving  force  for  precipitation  is  the  degree  of  super  saturation  or  the  extent  of  super 

cooling.  The  forces  opposing  it  are  the  strain  energy  (Es)  and  the  surface  energy  ().  The energy balance would  critically depend on  the  size of  the precipitate. The  total  volume  free 

energy increases as the cube of the radius (r). Therefore in the initial stages the net increase in 

the strain energy is likely to be less than that of the net surface energy. However at a later stage 

when the precipitate becomes large the net surface energy is likely to be greater than that due 

to strain.   Let us  try  to estimate  the  total strain energy and  the surface energy of a disk or a 

plate  shaped  precipitate.  Figure  2  gives  the  shape  of  the  two  common  forms  of  coherent 

precipitates. Slide 4 gives the expressions for the two forms of energy. 

 

 

 

 

 

 

 

Slide 3

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

 

 

 

 

 

Precipitate shape & size

22 2

2 2

2

1 3

1 2

2 2

4 11

3

S

crit

E V E At t E

Area At At

tE A

Factors inhibiting precipitation: strain energy: coherent ppt & surface energy for incoherent ppt

En

erg

yES

Area

coherent

incoherent

Coherent precipitates tend to have disk or plate morphology because of strain energy associated with

lattice mismatch.

t

 

The key to the symbols used in slide 4 for Es & Area are as follows:  = average volume of the 

disk shaped precipitates,   effective elastic modulus,  = lattice miss‐match,  = Poisson ratio = 0.33,  t =  thickness of  the precipitate,  r =  radius of  the disk shaped precipitate, and A =  r/t. 

Note  that  the  expressions  are  valid  for  disk  shaped  precipitates.  Similar  expressions  can  be 

derived  for  plate  shaped  precipitate  as well.  The  sketch  in  slide  4  gives  the  plots  for  strain 

energy and surface energy.  Initially  the  surface energy  is  less. Beyond a critical  thickness  the 

surface energy becomes greater than the strain energy. The expression  for tcrit  is obtained by 

rearranging the terms  in equation Es =  Area. Note that  it  is proportional to  and  inversely proportional  to  the  square  of  lattice miss‐match  ().  Coherent  precipitate  has  low  surface energy. It is extremely thin unless the lattice miss‐match is negligible. In most commercial alloys 

such precipitates are thin and these are either disk shaped or plate shaped.  

 

 

Slide 4 

Fig  2:  Shows  the  two  common  shapes  of  coherent 

precipitates. Volume & surface area can be represented  in 

terms of thickness  (t) and a dimensionless term A = r/t for 

2r 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

Kinetics of precipitation:  Thermodynamics gives only the stability of precipitates. However the kinetics of the process is 

governed by nucleation and growth. The  former depends on  the magnitude of  the activation 

barrier whereas the latter depends on the diffusivity of the solute in the matrix. This is why the 

rate of nucleation  is higher at  lower ageing  temperature since  it corresponds  to higher super 

cooling whereas the rate of growth  is higher at higher ageing  temperature because of higher 

diffusivity.  Therefore  the  time  it  takes  for  the  precipitate  to  form  initially  decreases  with 

decreasing ageing  temperature until  it reaches a minimum  thereafter  it starts  increasing. The 

shape of the time temperature plot corresponds to that of a  ‘C’.   Slide 5 gives a set of typical 

time – temperature plots for four different precipitates for an alloy having X % Cu. Its location is 

shown  in the phase diagram of the alloy given  in slide 5. The phase diagram  includes a set of 

four  solvus  curves  for  four  different  precipitates  (GP  zone,  ’,  ’’,  ).    Each  of  the  four precipitates  has  different  activation  barrier.  GP  zone  has  the  lowest  activation  barrier. 

Therefore the nose of the ‘C’ shaped plot occurs at the shortest time. The stable precipitate  has the highest activation barrier. It takes the longest time to form.  This clearly suggests that 

the sequence of precipitation would depend on the temperature of ageing.  Let us consider the 

ageing of the alloy having X% Cu after it is homogenized at a temperature within the  field and subsequently quenched to retain excess Cu in solid solution.  Note that the dashed vertical line 

at %Cu = X intersects the solvus curve for GP zone at T1. This means it can form only if it is aged 

at a temperature lower than T1. Imagine a horizontal line at temperature below T1 on the time 

temperature  transformation diagram given  in slide 5.  It would  first  intersect  the  ‘C’ curve  for 

the GP zone and subsequently intersect the extended parts of the ‘C’ curves for ’, ’’ and . It means, the precipitation would occur in the sequence GPZ → ’ → ’’ →  if the alloy is aged at a temperature below T1. The sequence of precipitation at a temperature above T2 but below T3 

would be ’’ → .      

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

Solubility of meta stable precipitates

T1

T2

T3T4

GP

’’’

% Cu

T1

T4

Log (time)

Precipitation sequence depends on composition and ageing temperature

L

+ L

GP

’’

x

  

 

 

 

 

 

 

Figure 3 explains the effect of composition on the sequence of precipitation at a temperature 

close to room temperature. GP zone forms only if % Cu is greater than a specific solubility limit. 

Slide 5

% Cu

GPZ 

’’’

 + L

X1  X2 

Fig 3: Gives a schematic phase diagram of Al – Cu showing 

a set of solvus curves for GPZ, ’’, ’, and . Note that the vertical  line  representing  alloy  X1  intersects  the  solvus 

curves for ’ and .  Therefore the expected sequence of precipitation here is ’ → The vertical line representing alloy X2 intersects the solvus curves for GPZ, ’’, ’ and . The sequence of precipitation for this alloy should be GPZ 

→ ’’ → ’ → . 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

10 

Effect of % Cu on pptn hardening

HV

40

140

Log (time) 100 days

GPZ’’’

Cu

2%

4.5%

 

The plots in slide 6 show the effect of composition on the hardness versus ageing time plots at 

a low (room) temperature.  The shape of the hardness versus time plots is a direct reflection of 

the  structural  changes  that  takes  place within  the matrix.  The  increase  in  hardness  in  the 

portion of the plots denoted by solid lines is due to the formation of GP zones or clusters of Cu 

atoms. The dashed line represents the effect of ’’ precipitates and the dotted line denotes the stage at which precipitation of ’ takes place.  

Effect of temperature on ageing

HV

40

140

Log (time) 100 days

GPZ’’’

Temp

 

Slide 6

Slide 7

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

11 

The plots in slide 7 show the effect of ageing temperature on the hardness versus ageing time 

plots of an alloy having a fixed composition (~4.5% Cu). The shape of the hardness versus time 

plots  is  a  direct  reflection  of  the  structural  changes  that  takes  place within  the matrix.  The 

increase in hardness in the portion of the plots denoted by solid lines is due to the formation of 

GP zones or clusters of Cu atoms. The dashed line represents the effect of ’’ precipitates and the dotted line denotes the stage at which precipitation of ’ takes place. 

Precipitation hardening:  The  strength of  a metal or  an  alloy depends on  the density  and  the mobility of dislocations 

present in the matrix. Dislocation density increases with the extent of cold work. This results in 

an  increase  in  its strength. This  is known as strain  (or work) hardening. The atoms of alloying 

elements in a metal are surrounded by elastic stress fields. The interaction between the stress 

fields of foreign atoms with those of the dislocations result in solid solution strengthening. The 

presence  of  precipitates  in  the  matrix  offers  additional  resistance  to  the  movement  of 

dislocation that result  in further strengthening. This  is why on ageing which  is associated with 

the  formation  of  an  array  of  fine  precipitates  the  hardness  of  Al‐4.5%  Cu  alloy  increases 

significantly  from  around  40HV  to  about  140HV.  Let  us  look  at  the  interactions  between 

precipitates and dislocations in a little more details. 

Precipitation hardeningStrength of a metal / alloy depends on the number & mobility of dislocation

Loop around a ppt & move

Shear & move

Cross slip

 

Slide  8  illustrates what  could happen when  a dislocation  encounters  a precipitate during  its 

glide on a  slip plane by a  set of  sketches. The  strength of  the precipitate  is higher  than  the 

Slide 8

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

12 

strength of the matrix.  It would need higher applied stress to overcome resistance offered by 

the precipitate. The first sketch shows how it bends around the precipitate. Usually there would 

be an array of precipitates on a slip plane. With  increasing stress  the dislocation would bend 

even more and move further by leaving a dislocation loop around the precipitate. This is shown 

with  the  help  of  the  second  sketch  in  slide  8.  The  dislocation  can  also  glide  through  the 

precipitate  if  it  is not strong enough. This  is  illustrated with the help of the third sketch. Note 

that  as  the  dislocation moves  through  the  precipitate  it  leaves  behind  shear  steps  on  the 

precipitate. Dislocation can also avoid the resistance offered by the precipitate by cross slip or 

climb. However  only  screw  dislocations  can  cross  slip.  This  is  favored  by  low  stacking  fault 

energy. The presence of alloying element is accompanied by lowering of stacking fault energy. 

Therefore  it would need additional  stress  to overcome  the barrier. Climb on  the other hand 

needs thermal activation. This  is possible only at high temperature and  it  is restricted to edge 

dislocations only.  

Particle looping

2

min 0 0

0.5ln ln

2 22

T Gb d Gb ddbR r d rb

0

1 1 3

2

3ln

2 2

f

d r

Gb f d

r r

d

f

r

 

Slide 9 shows the interaction between dislocation and a linear array of precipitates. It also gives 

the steps involved in the derivation of the expression relating the increase in the shear strength 

of  the  alloy  due  to  presence  of  precipitates.  The  force  acting  on  the  dislocation  is  given 

by where is the resolved shear stress on the glide plane and b is the Burgers vector of the dislocation.  This  tends  to  bend  the  dislocation  between  the  precipitates.  Because  of  the 

increase in the length of the dislocation there will be restoring force acting on the dislocation. 

This would  tend  to make  it  straight.  This  is  given  by  T/R where  T  is  the  line  tension  of  the 

dislocation and R is the radius of curvature of the dislocation. The elastic stored energy per unit 

Slide 9

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

13 

length  of  the  dislocation  is  a  measure  of  the  line  tension.  This  is  given  by 

0.5 where d  is the  inter particle spacing and r0  is the radius of the dislocation core. 

Note that the minimum radius of curvature is equal to half of the inter particle spacing (Rmin = 

d/2). What happens when the dislocation is forced to bend further is explained with the help of 

a set of sketches in fig 4. The arrows on the dislocation line represent the direction. The arrow 

labeled as b is its burgers vector. When the dislocation bends between the precipitates, a part 

of  it  becomes  a  positive  screw  and  a  part  becomes  a  negative  screw  dislocation.  The  two 

parallel segments having opposite characters would attract each other. The two would meet at 

a point and get annihilated leaving behind loops around each of the precipitates and the main 

dislocation would glide further and become straight.   

 

 

 

 

 

 

 

 

Look  at  the expressions  given  in  slide 8. The  increase  in  shear  strength of  the  alloy  is  given 

by∆ .    It  is  inversely  proportional  to  the  average  spacing  between  the 

precipitates which  is a  function of  the shape,  the size  (r =  radius of  the precipitates) and  the 

amount  of  precipitates  (f  =  volume  fraction).  Assuming  the  shape  of  the  precipitates  to  be 

spherical  it  is possible to show that  it  is given by . Thus the  final expression  for the 

increase in the shear strength of the alloy is as follows: 

 ∆                              (3) 

The extent of strengthening is directly proportional to the square root of the volume fraction of 

precipitates and inversely proportional to the size of the precipitates.  

Positive 

screw 

Negative 

screw 

Positive 

screw Negative 

screw

(b) (a) 

Fig 4: Shows what happens when a dislocation 

is forced to loop around precipitates. Note that 

the  initial  straight  dislocation  is  an  edge 

dislocation.  Its  character  changes  when  it 

bends.  A  part  of  it  around  the  precipitate 

becomes  a  positive  screw  and  the  other  part 

becomes a negative screw dislocation. The two 

would  join  at  the  constriction  (b).  This  leaves 

behind  a  set  of  loops  around  the  precipitates 

when it moves further. 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

14 

Particle cutting

Cutting of precipitate generates

•APB

•New surface

1/3 1/2

1/2 1/2

:

:s

APB f r

f r

Particle before shearing

Particle after shearing

Top view of the Particle after

shearing

 

Slide 10 explains with the help of a set of sketches what happens when the dislocation moves 

through  the precipitate.  It would  result  in  the creation of new precipitate matrix  interface.  It 

can  also  form  anti phase domain boundary  (APB) within  the precipitate  if  it has  an ordered 

structure. Therefore  shearing of precipitate needs  additional energy  for  the  creation of new 

interfaces. The increase in strength depends on the size and the volume fraction of precipitates. 

Note that unlike looping the stress to cut a precipitate increases with its size.  

Particle looping vs cutting

Smaller precipitate: cutting more likely

Initial stage: small coherent particles form & f keeps increasing till its limiting

value. Strength increases due to both f & r

Once f reaches its limit particles coarsen & become large enough to allow looping

r

Looping f1/2/r

cutting f1/2 r1/2

CRSS

f

 

Slide 10

Slide 11

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

15 

The strength of particles or the precipitates are much higher than that of the matrix. The overall 

strength of an age harden‐able alloy will certainly be  lower  than  that of  the precipitate. The 

presence of  such hard particles on  the  slip planes of  the matrix  resists dislocation glide. The 

resistance  offered  can  be  overcome  either  by  looping  or  shearing.    The  sketch  in  slide  11 

illustrates the effect of particle size on the extent of strengthening due to the two competing 

strengthening mechanism. In the initial stage the increase in strength is due to the formation of 

tiny coherent precipitates. It  is proportional to / / .   It means the strength increases with 

the increase in the volume fraction of precipitates and their size. The effect of volume fraction 

(f) may cease once it reaches its limit. However the strength would continue to increase as the 

precipitate grows. This is shown by the dashed line. The upper limit is set by the strength of the 

array  of  precipitates  in  the  matrix  to  resist  the  formation  of  dislocation  loops.  This  is 

represented by the solid  line. It decreases as the radius of the precipitate  increases. The CRSS 

denotes the critical resolved shear strength of the hard precipitate. It is the upper limit of the 

contribution from hard precipitates towards strengthening. Note that there is an optimum size 

at which the alloy attains its maximum strength due to precipitation. The contribution from the 

volume fraction of precipitate towards strengthening is also important. However there is a limit 

to which it could grow. This is determined by the compositions of the precipitate and the alloy. 

The  volume  fraction  of  precipitate  can  be  increased  by  increasing  solute  concentration.  Its 

contribution is shown by set of dashed line in slide 11. 

Let us now  look at  the effect of  the size of precipitate on  its  thermodynamic stability. This  is 

illustrated with  the  help  of  a  set  of  free  energy  composition  plots  for  the matrix  and  the 

precipitate in slide 12. The matrix is denoted as  and the precipitate is denoted as . There are three plots marked as , r and . The suffix r and  have been used with  to denote the size of the precipitate. r represents phase  having radius r.  represents phase  having a very large radius approaching infinity.  Note that a coarse precipitate () is more stable than a fine 

precipitate (r). 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

16 

Over ageing: particle coarsening

3 3o

e

r r kt

k D X

r

XB

Low : Nimonic

Low Xe: TD Nickel (W)

Low D: Low alloy steel

G

0 112

 

Note  that  the  common  tangent  to  the plots  labeled  & r meets  the plot  for  at 2. This 

represents  the  composition  of  the  phase    surrounding  the  precipitate  r.    The  common 

tangent to the plots for  and  shows that the composition of  surrounding   is 1. Note 

that 2 > 1. This  shows  that  there  is  a  concentration gradient within  the matrix. Therefore 

solute would continue to diffuse from smaller precipitates to larger precipitates. In other words 

coarser precipitates would continue to grow at the expense of the finer ones. This phenomenon 

is known as particle  coarsening or Ostwald  ripening. This  is  responsible  for over‐ageing.  It  is 

accompanied by loss of strength.  

 

 

 

   

 

 

From the above physical concept  it  is possible to derive expressions describing the kinetics of 

the growth of precipitates during ageing process.   The average  size of precipitates  (r) at any 

instant   (t) is given by: 

Slide 12

1 2 

2 > 1 

Solute flow  Fig 5:  Illustrates the flow of solute down the concentration 

gradient from a fine precipitate to a coarse precipitate. This 

is  responsible  for  the  dissolution  of  finer  precipitates  and 

the growth of coarser ones. The phenomenon  is known as 

Ostwald ripening. 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

17 

                                     (4) 

Note  that  r0  is  the  radius  of  the  precipitate  at  t  =  0.The  rate  constant  k  depends  on  the 

diffusivity (D) of the solute in the matrix, the energy of the precipitate matrix interface () and the solubility limit (Xe). This suggests that the most stable precipitate that does not grow is the 

one which is perfectly coherent. The interface energy of such a precipitate is negligible ( = 0). The ’ phase  in Ni base super‐alloy  is an excellent example. The – ’  interface  in this alloy  is coherent. Therefore  it  is extremely stable.  It can withstand prolonged  thermal exposure with 

minimal  loss  of  high  temperature  load  bearing  capacity.  It  is  one  of  the most  popular  high 

temperature alloys. Dispersion strengthened alloys such as TD nickel  is an example where the 

structural  stability  is derived  from  the  low  solubility of  the  constituents  in  the matrix.  It has 

ThO2  particles  dispersed  a matrix  of Ni.  Both  thorium  and  oxygen  have  low  solubility  in Ni. 

Therefore the growth rate of the dispersed phase is extremely low.  

Spinodal decomposition:  There are alloys where precipitation occurs by a process which  is entirely different from what 

we have learnt so far. The composition of a precipitate is significantly different from that of the 

matrix. The  atoms  in  an  alloy  are  in  constant motion. The  composition  at  a point may  keep 

changing or fluctuate from time to time. When the amplitude exceeds a critical value a stable 

precipitate  forms.  The  probability  of  a  large  fluctuation  in  composition  is  low.  However  it 

increases with increasing driving force (degree of super cooling or super saturation). This is the 

normal mode of precipitation. It is associated with a discontinuity  in the composition distance 

plot.  As  against  this  there  is  a mode  of  precipitation where  the  composition  changes  in  a 

manner shown in slide 13. It is called spinodal decomposition. It occurs under conditions where 

a  small  fluctuation  in composition  is  thermodynamically stable. There  is no critical amplitude 

barrier to be overcome for the transformation to take place.  

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

18 

Spinodal decomposition

G

(a) (c)

(b) A B

T

A B

x1 x2y1 y2

zy

z

z

z

t

y

y

y

1 2

Tc

y1 - y y1 + y

’y2 - y y1 + y

 

The sketch (a) in slide 13 shows the phase diagram of an alloy exhibiting a miscibility gap. The 

alloy consists of homogeneous above a critical temperatureHowever it breaks down into 1 

(rich  in A) and 2  (rich  in B) below a critical  temperature  (Tc). The  sketch  (b)  shows  the  free 

energy composition diagram at a temperature T. Note that the compositions of 1 and 2 that 

can coexist at this temperature are x1 and x2 respectively.  

Consider an alloy having a composition Y1 that has been quenched to a temperature T after  it 

has been homogenized at a temperature above Tc. The alloy therefore, is in a super saturated 

state  (’).  It would have a natural tendency to decompose  into a mixture of 1 & 2. Normal 

precipitation occurs through large fluctuation in composition. However let us examine whether 

a small fluctuation  in this alloy  is stable. Let the amplitude of small fluctuation  in composition 

be y. Assume that ’ decomposes into a mixture of alloys where atom fractions of B are y1‐y and y1+y respectively. The free energy of the mixture  is given by the point of  intersection of 

the  line  joining  the  two points marked  as  y1‐y  and  y1+y  (in  sketch b of  slide 13)  and  the vertical line at y1. This is higher than the free energy of the super saturated’. Therefore small 

fluctuation in composition in this case is not stable.  

Consider an alloy having a composition Y2 that has been quenched to a temperature T after  it 

has been homogenized at a temperature above Tc. The alloy is therefore is in a super saturated 

state  (’).  It would have a natural  tendency  to decompose  into a mixture of 1 & 2. Let us 

examine whether a small fluctuation in this alloy is stable. Let the amplitude of small fluctuation 

in  composition  be  y.  Assume  that  ’  decomposes  into  a  mixture  of  alloys  where  atom 

Slide 13

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

19 

fractions of B are y2‐y and y2+y respectively. The free energy of the mixture  is given by the 

point of intersection of the line joining the two points marked as y2‐y and y2+y (in sketch b of slide 13) and the vertical line at y2. This is lower than the free energy of the super saturated’. Therefore small  fluctuation  in composition  in this case  is stable. The composition of this alloy 

therefore,  can  change  continuously  as  shown  in  sketch  (c)  of  slide  13.  It  shows  that  the 

composition of the alloy as a function of distance at different times (t). Note that  initially the 

amplitude of fluctuation is less but it grows with time. In the end the compositions of the peak 

and  the  trough  corresponds  to  x2  and  x1  respectively.  It means  that  the  solutes  atoms  are 

diffusing from regions having  low concentration (trough) to regions having high concentration 

(peak). This is a case of uphill diffusion. Under normal conditions diffusion takes place down the 

concentration gradient. However alloys that exhibit miscibility gap are not  ideal solid solution. 

There  is a difference between activity  that  represents effective concentration and  the actual 

concentration. The direction of solute atoms due to diffusion is governed by activity gradient.  

There is a composition range within the miscibility gap where small fluctuation in composition 

in a super saturated solid solution  is stable. Figure 6  illustrates how this could be determined 

from  the  free  energy  (G)  composition  (XB)  diagram  at  a  given  temperature  (T).    There  is  an 

inflection point on the G versus XB plot where the change over takes place. Figure 6 (b) shows 

that  the  slope  of  the  plot  is  initially  negative.  It  becomes  positive  at  XB  =  X1  and  it  keeps 

increasing till it reaches a peak at XB = X’1. Subsequently it decreases passes through a minimum 

at XB = X’2. Figure 6 (c) shows the second differential of G is equal to zero at the two points of 

inflection. The exact location can be determined from the following equation. 

0                                (5) 

The  solution  of  equation  5  gives  a  set  of  values  for  the  inflection  points  as  a  function  of 

temperature. Slide 14 shows the location of these in the phase diagram. 

 

 

 

 

 

 

 

 

XB 

XB 

XB 

 

 

(a) 

(b)

(c) 

Fig 6 

X1  X2 X’1  X’2 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

20 

 

 

T

A B

Miscibility gap

Spinodal •Incoherent ?

•Coherent ?

Spinodal decomposition

Al 22.5 at % Zn 0.1 at% Mg

CuNiFe

 

The inflection points of the free energy composition diagram are shown in the form of a dashed line in slide 14. It defines the boundary of the domain where spinodal decomposition can take place. Two of the most common alloys where such a transformation can take place are Al‐Zn‐Mg & CuNiFe.  It gives a  fine homogeneous distribution of precipitates within  the matrix. The nature of the precipitate can be either coherent or incoherent. We know that the solvus curve for  a  coherent  precipitate  is  different  from  that  of  an  incoherent  precipitate.  Therefore  the spinodal  curve  for a  coherent precipitate  is  likely  to be different  from  that of an  incoherent precipitate.   Precipitation hardenable alloys: 

Slide 14

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

21 

A few age harden-able alloy system

Aluminum Al-Ag Zones → ’ : Ag2Al

Al-Zn-Mg Zones → M’ M: MgZn2

Al-Mg-Si Zones →’ : Mg2Si

Al-Cu GP→’’→’ : CuAl2Al-Mg-Cu Zones →S’ S: Al2CuMg

Copper Cu-Be Zones →’ : CuBe

Cu-Co Zones

Nickel Ni-Cr-Ti-Al ’ (cubes) : Ni3Ti/Al

 

Slide  14  gives  a  list  of  common  alloys  whose  strength  can  be  significantly  increased  by 

precipitation. The table includes the sequence in which precipitation takes place during ageing.  

In most  of  these  the  incoherent  precipitates  are  inter metallic  compounds  having  definite 

chemical formula. It is given in the last column. The intermediate precipitates are coherent. We 

looked at  the ageing behavior of Al‐Cu alloy  in details. The behavior of others  is expected  to 

follow the same trend.  

Summary:  In  this module we  looked at  the precipitation behavior of age hardenable alloys a  little more 

critically.  All  super  saturated  (terminal)  solid  solutions where  precipitation  occurs  in  stages 

through  at  least one  (meta‐stable)  coherent precipitate exhibit  age hardening behavior.  The 

precipitates  should  be  uniformly  distributed  within  the  grains.  This  is  promoted  by 

homogeneous precipitation. It is facilitated by low surface energy () and low strain energy (Es). The strength of the alloy  is a function of the volume  fraction and the size of the precipitates. 

This  depends  on  the  composition  of  the  alloy,  ageing  temperature  and  ageing  time.  The 

precipitates act as barriers to dislocation glide. This results in strengthening.  A dislocation can 

overcome  the  barrier  either  by  shearing  or  by  looping.  There  is  an  optimum  size  of  the 

precipitate  that  gives  maximum  strengthening.  If  an  alloy  is  aged  beyond  this  stage  the 

precipitates that are coarse continue  to grow. Beyond this the average particle size  increases 

although the volume fraction of the precipitates remains constant. This is accompanied by loss 

of  strength  or  hardness.  The  phenomenon  is  known  as  over‐ageing.  There  are  several 

Slide 15

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

22 

commercial alloys where age hardening is the main mechanism of strengthening. Some of these 

have  precipitates  that  are  extremely  stable  and  do  not  grow  even  after  prolonged  thermal 

exposure.  These  are  suitable  high  temperature  applications.  

 

Exercise:  

1. Why non‐age hardenable aluminium alloys are chosen for beverage can?  

2. When can you get more than one peak in the hardness versus aging time plot of a given 

alloy at a given temperature? 

3. If in an alloy 1nm thick disk of ’’ has formed, estimate the critical diameter at which its 

coherency  is  likely  to  be  completely  lost.  Given    =  10%,    =  500  mJ/m2  and  E  = 70000MPa  

4. Ag rich GP zones can form in a dilute Al‐Ag alloy. Given that the lattice parameters of Al 

and Ag are 0.405nm and 4.09nm respectively. What is the likely shape of these zones? 

 

5. Under what heat treatment condition an age harden‐able alloy can be machined?  

 

6. Show  that  the  shear  stress  to move  a  dislocation  in  a matrix  by  cutting  dispersed 

spherical  particles  is  proportional  to  the  cube  root  of  f where  f  represents  volume 

fraction of particles.  

Answer:  

1. Beverage cans are maufactured by cold working. The alloy must have good ductility. Age 

hardenable alloys have relatively poor ductility. More over these are more expensive. 

 

2. It happens when more  than one coherent meta‐stable precipitates  form during aging. 

This  illustrated  in  the  following  sketch  where  there  are  two  intermediate  coherent 

precipitates ’ & ’’: 

 

 

 

 

 

Note if x2 is aged at T1 we get one peak for ’ another for  ’’  with  formation  of    which  is  incoherent hardness  starts  dropping.  Alloy  x1  lies  beyond  ’ solvus here only ’’ precipitate could  form  therefore 

only  one  peak  is  expected.  Similar  situation  would 

arise  for  a  given  alloy  when  aged  at  different 

temperatures. 

TA 

’ 

’’ 

x x

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||   

23 

3. Coherent  precipitates  have  disc  shape.  Its  elastic  stored  energy  is  given  by:

.  Assuming  Poisson  ratio  =1/3  and  volume  of  disc  shaped  precipitate 

 where  t  is  thickness of disc and A  is  its aspect  ratio. Therefore  radius of 

disc  =  At.    On  substitution  of  these  in  the  expression  for  elastic  stored  energy: 

.  Likewise  stored  surface  energy  is  given  by: 2  

Coherency  is  lost when Es exceeds S. By equating the two one gets an expressions  for 

critical thickness:   1  or; 1 10.

1  on soling this 

A = 20. This means critical diameter = 2*20 =40nm         

                                                                                                                                                                                         

 

 

 

4. Al  &  Ag  both  have  face  centered  close  packed  structure.  Their  atomic  radii  should  be 

proportional to their lattice parameters. Therefore lattice mismatch = 100 x (0.409‐0.405)/0.405 

= 0.99%.  If mismatch  is  less than 5%, the shape  is determined by  its surface energy. Spherical 

shapes have less surface energy. If it is greater than 5% it is likely to be disc shaped.  

 

5. It  is  easy  to machine  a material  alloy when  it  is  soft. Age  hardenable material  can  be  easily 

machined either when  it  is over aged  to a  low hardness or under  solution  treated  condition. 

Some  solution  treated  alloy would  age  harden  during machining  in  those  cases  the  former 

option is better. 

 

6. Imagine spherical particles of radius r0 are arranged in a regular fashion where the inter‐

particle spacing is x. The work done to move a dislocation through a distance 2r0 to cut a 

precipitate is given by  2  This is used up in creating new surface having energy = 

.  

 

 

 

 

 

Equating  these  two you get   . Volume  fraction  can be expressed  in  terms of  

precipitate  size  and  spacing  assuming  that  these  are  arranged  in  the  form of  a  cube 

lattice with spacing x such that  . On substituting this  in the expression for 

shear stress you get   or  ∝  

b  x 

2r0 

2At 

Volume of the disc =       

Surface area = 2