guest ::
Mechanical behaviour and deformation mechanisms of Zn-Al-Cu-Mg alloys
2018
Dissertation, RWTH Aachen University, 2018
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak05
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-09-05
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-227995
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/735105/files/735105.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/735105/files/735105.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
- Lehrstuhl für Werkstoffphysik und Institut für Metallkunde und Metallphysik (523110)
- Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (520000)
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
DIC (frei) ; Zn alloy (frei) ; creep (frei) ; mechanical property (frei) ; microstructure (frei) ; nanoindentation (frei) ; plasticity (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Zn-Al Basis Legierungen werden für dekorative und strukturelle Bauteile eingesetzt sowie für Anwendungen mit komplexer Geometrie und hohen Anforderungen an die geometrische Fertigungspräzision, insbesondere als Druckgusslegierungen. Zn-Al Legierungen leiden jedoch unter einer geringen Kriechfestigkeit und einer langfristigen mechanischen Instabilität. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen zu untersuchen und Möglichkeiten zur Überwindung dieser Nachteile zu erforschen. Zu diesem Zweck wurden drei eutektische ZnAl4Cu1-Legierungen mit unterschiedlichen Mg-Gehalten (0,04 Gew.-%, 0,21 Gew.-% und 0,31 Gew.-%) umfassend hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften, Mikrostrukturen und Verformungsmechanismen vom makroskopischen bis zum mikroskopischen Maßstab untersucht. Die verwendeten experimentellen Methoden reichten von makroskopischen Ex-situ / In-situ-Zugversuchen zu mikromechanischen Tests in Verbindung mit Rasterelektronenmikroskopie (REM), Elektronenrückstreubeugung (EBSD), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Atomsonden-Tomographie (APT).Kapitel 4 stellt die makro-mechanischen Eigenschaften und die aktiven Verformungsmechanismen der drei untersuchten eutektischen ZnAl4Cu1-Legierungen vor. Zugabe einer geringen Menge Mg erhöht die Streckgrenze und Duktilität von ZnAl4Cu1-Basislegierungen. Uniaxiale Zugversuche zeigten zwei unterschiedliche Verformungsregime in den untersuchten Legierungen: (i) Kaltverfestigung und Sprödbruch bei niedrigen Temperaturen und / oder hohen Verformungsgeschwindigkeiten mit basalem Gleiten und {10-12}[10-1-1] Zwillingsbildung als vorherrschenden Verformungsmechanismen der primären η-Zn-Phase; (ii) Entfestigung und duktiles Versagen bei erhöhten Temperaturen und / oder niedrigen Verformungsgeschwindigkeiten mit Deformationszwillingsbildung und Versetzungsbewegung in der primären η-Zn-Phase und Korn / Phasengrenzengleitung in den eutektischen und eutektoiden Strukturen als vorherrschende Verformungsmechanismen.Das makroskopische Kriechverhalten der ZnAl4Cu1 Legierungen sowie das lokale Kriechverhalten der einzelnen Gefügebestandteile sind in Kapitel 5 dargestellt. Zugkriechversuche im Temperaturbereich von 25 bis 105°C und Spannungsbereich von 61 bis 130 MPa ergaben Spannungsexponenten von 6.9 - 8.0 und Kriechaktivierungsenergien von 93 - 104 kJ / mol, was darauf hindeutet, dass das Kriechverhalten dieser Legierungen primär durch Versetzungsbewegung erfolgt. Die primäre η-Zn-Phase zeigte die höchste Kriechbeständigkeit und η-Zn + α-Al eutektoide Strukturen mit Mg2Zn11 Ausscheidungen zeigten die geringste Kriechfestigkeit der mikrostrukturellen Bestandteile während der Nanoindentation-Kriechtests. Darüber hinaus verursachte Mg-Zugabe eine beschleunigte Kriechgeschwindigkeit von ZnAl4Cu1 Legierungen aufgrund von erhöhten Korn / Phasengrenzen-Aktivitäten und reduzierten geometrischen Beschränkungen der eutektischen und eutektoiden Kolonien.Darüber hinaus wurden die lokalen mechanischen Eigenschaften und Verformungsmechanismen der einzelnen Gefügebestandteile in der Legierung ZnAl4Cu1Mg0.31 unter Verwendung von Nanoindentationstests bei Raumtemperatur (25°C) und 85°C systematisch untersucht (siehe Kapitel 6). Die Aktivierungsvolumina wurden anhand von Nanoindentations-Dehnungsratenwechselversuchen ermittelt und weisen auf eine vorherrschende Verformung durch Versetzungs mechanismen in der primären η-Zn-Phase und durch Korn- / Phasengrenzengleiten in den eutektoiden Strukturen hin. Dies wurde später mittels SEM-EBSD und AFM Untersuchungen verifiziert. In Kapitel 6 wird darüberhinausgehend die Rolle der einzelnen mikrostrukturellen Bestandteile in der Legierung ZnAl4Cu1Mg0.31 während der Zugverformung bei 85 ° C mittels quasi-in-situ Mikro-Digital-Bildkorrelation (μ-DIC) im SEM untersucht. Diese Untersuchungen zeigten, dass die eutektischen / eutektoiden Kolonien eine höhere Dehnung aufweisen als die primären η-Zn-Körner und zeigten den Verformungstransfer über Zn-Al Phasengrenzen und eutektische / eutektoide Koloniegrenzen.Kapitel 7 widmet sich dem Verständnis des lokalen Ausscheidungsverhaltens der Legierung ZnAl4Cu1Mg0.31 und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Die bei Verformung bei 85°C stattfindenen Dekompositionsphänomene in der Legierung ZnAl4Cu1Mg0.31 wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie und Atomsonden-Tomographie untersucht. Eine Nichtgleichgewichts-Übergangsphase ZnxAl1-x (x≥0.7), welche sich während der Verformung bei 85°C auflöste, wurde identifiziert und strukturell und chemisch charakterisiert. Es wurde geschlussfolgert, dass die teilweise Auflösung dieser Ausscheidungen zu der langfristigen mechanischen Instabilität von Zn-Al-Legierungen beiträgt, die derzeit einen der Hauptnachteile ihrer Anwendung darstellt.Zn-Al based alloys are widely used as structural and decorative parts as well as machinery and equipment with a complex geometry or equipment needing a high manufacturing precision, particular in the die casting industry. However, Zn-Al based alloys suffer from low creep resistance and long-term mechanical instability. This thesis therefore aims to investigate the underlying physical mechanisms, as well as to explore possible methods to overcome these drawbacks. To this end, three eutectic ZnAl4Cu1 alloys with different Mg contents (0.04 wt.%, 0.21 wt.% and 0.31 wt.%) were comprehensively investigated from the macroscopic scale to the microscopic scale in terms of their mechanical properties, microstructures and deformation mechanisms using macroscopic ex-situ / in-situ tensile tests and micromechanical test in conjunction with scanning electron microscopy (SEM), electron backscatter diffraction (EBSD), atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM) and atom probe tomography (APT). Chapter 4 introduces the macro mechanical response and mechanisms of the three eutectic ZnAl4Cu1 alloys investigated. Dilute Mg alloying caused an improvement of the yield strength and ductility of ZnAl4Cu1 base alloys. Uniaxial tensile tests revealed two distinct deformation regimes of the alloys: (i) work hardening and brittle fracture at low temperatures and / or high strain rates with basal slip and {10-12}[10-1-1] twinning as predominant deformation mechanisms of the primary η-Zn phase; (ii) work softening and ductile failure at elevated temperatures and / or low strain rates where the predominant deformation mechanisms are deformation twinning, dislocation motion in the primary η-Zn phase and grain / phase boundary sliding in the eutectic and eutectoid structures. The creep behaviour of the bulk ZnAl4Cu1 alloys as well as the local creep behaviour of the individual microstructural constituents are presented in chapter 5. Tensile creep tests in the temperature range of 25 to 105°C and stress range of 61 to 130 MPa revealed stress exponents of 6.9 - 8.0 and creep activation energies of 93 - 104 kJ/mol in the bulk ZnAl4Cu1 alloys, suggesting that the creep behaviour of these alloys is controlled by dislocation movement. Primary η-Zn phase showed the highest creep resistance, and η-Zn + α-Al eutectoid structures containing Mg2Zn11 precipitates showed the lowest creep resistance of the microstructural constituents during nanoindentation creep tests. Moreover, dilute Mg alloying caused an accelerated creep rate of ZnAl4Cu1 alloys due to increased grain / phase boundary activities and reduced geometrical constraints of eutectic and eutectoid colonies.Furthermore, the local mechanical properties and deformation mechanisms of the individual microstructural constituents in alloy ZnAl4Cu1Mg0.31 were systematically studied using nanoindentation tests at room temperature (25°C) and 85°C, presented in chapter 6. Estimation of the strain rate sensitivities and activation volumes from nanoindentation strain rate jump tests suggested predominant deformation by dislocation-mediated mechanisms in the primary η-Zn phase and by grain / phase boundary sliding in the eutectoid structures. This was later verified using SEM-EBSD and AFM. Chapter 6 further provides information on the role of individual microstructural constituents in alloy ZnAl4Cu1Mg0.31 during bulk deformation obtained using quasi in-situ micro digital image correlation (µ-DIC) in the SEM during tensile deformation at 85°C. µ-DIC showed that eutectic / eutectoid colonies carried higher strain than the primary η-Zn phase grains, and confirmed strain transfer across Zn-Al phase boundaries and eutectic / eutectoid colony boundaries. Chapter 7 is focussing on the understanding of the local precipitation behaviour in alloy ZnAl4Cu1Mg0.31 and its influence on the mechanical properties. The precipitation and decomposition phenomena in alloy ZnAl4Cu1Mg0.31 were investigated using TEM and APT. A non-equilibrium ZnxAl1-x (x≥0.7) transition phase, which dissolved during deformation at 85°C, was identified and structurally as well as chemically characterised. The partial dissolution of these precipitates was proposed to contribute to the lack of long-term mechanical stability of Zn-Al alloys that currently poses one of the major drawbacks to their application.
OpenAccess: 
PDF 
PDF (PDFA)
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019810754
Interne Identnummern
RWTH-2018-227995
Datensatz-ID: 735105
Beteiligte Länder
Germany
