Dynamic strain aging of Al-Mg alloys after severe plastic deformation

Meng, Chenlu; Gottstein, Günter; Hirt, Gerhard Kurt Peter

doi:10.18154/RWTH-2018-223417

Dynamic strain aging of Al-Mg alloys after severe plastic deformation

Meng, Chenlu^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc Chenlu Meng

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (109 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Gottstein, Günter (Thesis advisor)^RWTH* ; Hirt, Gerhard Kurt Peter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-03-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-223417
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/722117/files/722117.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
dynamic straing aging , Al-Mg alloys , severe plastic deformation , elevated temperature (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Untersuchung war befasst mit der dynamischen Reckalterung (DSA), bzw. dem Portevin-Le Chatelier (PLC) Effekt, und dem Verformungsverhalten von ultrafein-körnigen Al-Mg Mischkristallen bei Umgebungstemperatur und verschiedenen höheren Temperaturen. Die ultrafein-körnigen Materialien wurden durch Schmieden unter beschränkter Formänderung (CCDP) hergestellt. TEM Untersuchungen belegten, dass die Mikrostruktur der Al-Mg Legierungen durch sehr starke Umformung (SPD) erheblich verfeinert wurde. Die minimale Korngröße verringerte sich mit zunehmendem Magnesiumgehalt. Das durch CCDP hergestellte Material wurde anschließend mittels mechanischer Prüfung untersucht mittels dynamischer Zug- und Druckversuche bei konstanter Dehngeschwindigkeit und Dehngeschwindigkeits-Wechselexperimenten bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen bis 200°C. Das Material wurde hinsichtlich Mikrostruktur, kristallographischer Textur und mechanischen Eigenschaften nach den jeweiligen Prozessschritten charakterisiert. Die Studie zeigt, dass CCDP einen starken Einfluss auf den PLC Effekt der Al-Mg Legierungen nimmt, der sowohl auf die verformungsgenerierte starke Zunahme der mobilen Versetzungen und der immobilen Waldversetzungen als auch auf die wesentliche Kornfeinung zurückgeführt werden kann. Die entsprechende Verringerung des Hindernisabstandes für die Versetzungsbewegung verstärkt den PLC Effekt durch Erhöhung der Rückhaltespannung und Verlängerung der Wartezeit der aufgehaltenen mobilen Versetzungen vor den Hindernissen, wodurch die Spannungssprünge sich verstärken und der Beginn der DSA sich verzögert. Die diffusionsgesteuerte Segregation von Legierungsatomen zu den Versetzungen verursachte eine Asymmetrie des instantanen Spannungssprungs bei Aufwärts- und Abwärtswechseln der Dehngeschwindigkeit, die mit der Anzahl der CCDP Durchgänge zunahm. Dieses Verhalten wurde quantitativ analysiert und erfolgreich mit den Vorhersagen eines neu entwickelten mechanischen Modells verglichen, welches die Größe der DSA verursachten Rückspannung in Abhängigkeit von der Dehngeschwindigkeit betrachtet. Es wurde festgestellt, dass ein erhöhter Magnesiumgehalt den Einfluss der Vorverformung auf die DSA von Al-Mg Legierungen noch verstärkt. Die mechanischen Eigenschaften des Materials wurden auch durch mechanische Prüfung bei verschiedenen erhöhten Temperaturen bis zu 200°C untersucht. Nach kurzer Glühzeit bei mäßig erhöhten Temperaturen (zB. 30 min bei 100°C) blieb das Gefüge als Ganzes feinkörnig, aber lokale Mikrostrukturänderungen durch Erholung oder Rekristallisation waren messbar anhand einer Abnahme der Streckgrenze mit zunehmender Anzahl von CCDP Durchgängen. Dehngeschwindigkeits-Wechselexperimente belegten eine deutliche Änderung der Fließspannungsreaktion mit steigender Verformungstemperatur, die sich merklich vom Raumtemperaturverhalten unterschied. Die Asymmetrie des Spannungsprungs für Aufwärts- und Abwärtswechsel verschwand zugunsten einer mehr kontinuierlichen Spannungstransiente hin zu den neuen Verformungsbedingungen. Aus den Kurzzeitänderungen des Spannungssignals wurde abgeleitet, dass die Dehngeschwindigkeitsempfindlichkeit, bzw. das Aktivierungsvolumen sich merklich mit der Verformungstemperatur und der Vorverformung änderte. Eine theoretische Analyse wies nach, dass dieses Verhalten mit einer Änderung des Verformungsverhaltens verbunden war, nämlich von gleitkontrollierter Versetzungsbewegung zu klettergesteuerter Verformung bei höheren Temperaturen. Das Modell prognostizierte richtig, dass der Übergang nicht nur von der Temperatur, sondern auch von der Vorverformung abhängt. Als fundamentales Ergebnis wurde gezeigt, dass thermische und mechanische Energie austauschbar sind, um das gleiche mechanische Verhalten zu erzeugen. Eine größere Anzahl von CCDP Durchgängen oder eine Temperaturerhöhung beschleunigen erheblich den Übergang. Letztlich wird die Bedeutung der Ergebnisse für die Blechherstellung von Materialien mit Neigung zu DSA behandelt. Aus der theoretischen Analyse kann die kritische Dehnung für den Beginn des PLC Effekts hergeleitet werden. Für praktische Anwendungen wird ein DSA Diagramm berechnet, das die kritische Dehnung in Abhängigkeit von Temperatur, Dehngeschwindigkeit und Vorverformung darstellt. Alternativ kann die Aktivierungsenergie für DSA in Abhängigkeit vom Vorverformungsgrad vorhergesagt werden.

This investigation addressed the dynamic strain aging (DSA) and the deformation behavior of ultrafine grained (UFG) solid solution Al-Mg alloys at ambient and various elevated temperatures. UFG materials were produced by confined channel die pressing (CCDP). TEM observations revealed that the microstructure of Al-Mg alloys was significantly refined by the applied severe plastic deformation (SPD). The minimum grain size decreased with increasing Mg content. The CCDP processed material was subsequently subjected to constant strain rate mechanical tests in compression or tension and to strain rate jump tests at room temperature and elevated temperatures up to 200°C. The material was characterized with respect to microstructure, crystallographic texture and mechanical properties after the various stages of processing. At room temperature the study revealed a strong influence of CCDP processing on the PLC effect of Al-Mg alloys, which could be attributed to a deformation generated increase of the mobile and forest dislocation densities as well as an obviously substantially refined grain size. The corresponding reduction of the obstacle spacing for the mobile dislocations intensified the PLC effect by increasing the pinning stress and prolonging the aging and waiting time of arrested mobile dislocations at obstacles and consequently, amplifying the flow stress serrations and retarding the onset of serrated flow. The diffusion controlled segregation of solute atoms to dislocations caused an asymmetry of the instantaneous stress response for upward and downward strain rate changes, which grew with higher number of CCDP passes. This behavior was analyzed quantitatively, and it compared well to the predictions of a newly developed mechanical model which considered the magnitude of a DSA generated back stress at different strain rates. An increasing Mg content was found to strengthen the influence of SPD on dynamic strain aging of Al-Mg alloys. The mechanical properties of the material were also investigated during deformation at various elevated temperatures up to 200°C. During short time, annealing at moderately elevated temperatures (e.g. 30 min at 100°C) the overall microstructure remained in the ultrafine range, but local microstructural restauration by recovery and recrystallization was obvious by a decrease of the elevated temperature yield stress with rising number of passes. Strain rate jump tests revealed a significant change of the flow stress response with increasing temperature, which substantially differed from room temperature behavior. The asymmetry of the stress differential for upward and downward strain rate changes disappeared and a more continuous stress transition, characteristic for the new deformation conditions, was observed. From the short term stress differential during strain rate changes it was found that the strain rate sensitivity, respectively the activation volume, markedly changed with temperature and SPD prestrain. A theoretical analysis proved that this behavior was associated with a change of deformation mechanisms from glide dominated dislocation motion at ambient temperature to climb controlled deformation at elevated temperatures. The model properly predicted that the transition was influenced not only by temperature but by the SPD prestrain as well. Essentially, it was shown that the thermal energy and the mechanically expended energy can be interchanged to engender the same mechanical material behavior. A larger number of CCDP passes or an increase in temperature substantially accelerate the transition. Eventually, the impact of the results on sheet metal processing of materials liable to undergo DSA was addressed. From the theoretical analysis the critical strain for the onset of DSA can be derived. For practical applications a DSA diagram can be theoretically constructed that relates the critical strain to temperature, strain rate and prestrain. Alternatively, the activation energy for DSA in dependence on SPD prestrain can be predicted.

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