Investigation of solid solution effects on texture and dislocation activity in wrought lean-alloyed ternary Mg-Al-Ca alloys

Delis, Wassilios Johannes; Springer, Hauke Joachim; Korte-Kerzel, Sandra

doi:10.18154/RWTH-2024-03843

Investigation of solid solution effects on texture and dislocation activity in wrought lean-alloyed ternary Mg-Al-Ca alloys

Delis, Wassilios Johannes^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Wassilios Johannes Delis, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Korte-Kerzel, Sandra (Thesis advisor)^RWTH* ; Springer, Hauke Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-03-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-03843
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/984074/files/984074.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mg-alloys (frei) ; cold rolling (frei) ; electron miscroscopy (frei) ; mechanical properties (frei) ; solid solution (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Entwicklung von hochfesten und duktilen Mg-Legierungen ist aufgrund der Leichtbaueigenschaften von Mg, die es in Branchen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie wertvoll machen, sowie aufgrund seines Potenzials zur Verringerung der Treibhausgasemissionen ein wichtiger Schwerpunkt. Allerdings stehen Mg-Legierungen vor der Herausforderung, bei Raumtemperatur verformbar zu sein. In der Forschung wurden verschiedene Parameter untersucht, darunter die Veränderung der Textur und die Legierung mit Elementen wie Y und seltenen Erden zur Verbesserung der Duktilität. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass der Zusatz von Y und Seltenen Erdennicht-basale Gleitsysteme aktiviert und dadurch die Umformbarkeit verbessert. Eine gemeinsame simulative und experimentelle Studie ergab, dass das Mg-Al-Ca-System vielversprechend ist und ähnliche Eigenschaften mit kostengünstigen Elementen bietet. Daher zielt diese Arbeit auf ein tieferes Verständnis des Mg-Al-Ca-Systems ab, indem die Auswirkungen der Elemente auf die mechanischen Eigenschaften, die Textur und die Aktivität der Gleitsysteme untersucht werden. Es wurden verschiedene Legierungen mit identischen Verarbeitungsparametern hergestellt und analysiert. Es zeigt sich, dass die Zugabe von Al und Ca die Festigkeit und Duktilität von Mg deutlich erhöht, wobei jedoch nur die Kombination von Al und Ca zu den höchsten Werten führt. Ca führt intrinsisch zu einer Kornfeinung der Legierung, indem es die Korngrenzen fixiert und so zu weicheren basalen Textur führt. Auch die Menge an Ca ist wichtig, da Al die Löslichkeit von Ca in Mg verringert. Die Einstellung von Ca und Al ermöglicht nicht nur weiche Texturen im rekristallisierten Zustand, sondern auch die Beibehaltung weicher Texturen beim weiteren Kaltwalzen. Im Allgemeinen ist der Einfluss von Ca auf die Kornfeinung und die Textur bei sehr geringen Ca-Zugaben (0,005 Gew.-%) zu erkennen. Allerdings erhöht die Abhängigkeit von Al und Ca die Komplexität des Legierungssystems erheblich. Al wirkt sich nicht nur auf die Mischkristallverfestigung aus, sondern erhöht auch die Präsenz von 〈c+a〉-Versetzungen. APT an einer pyramidalen Gleitlinie 2. Ordnung zeigt auch eine Al-Segregation an der Versetzung. Die Messung von kritischen Schubspannungen nicht-basaler Gleitsysteme mit MP-Kompression war nicht erfolgreich, da basales Gleiten selbst bei sehr niedrigen Schmid-Faktoren aktiv war. TEM-Untersuchungen zeigen, dass nicht-basale Gleitsysteme zwar aktiv waren, aber hauptsächlich in der Matrix gespeichert wurden. Es wurde auch festgestellt, dass 〈c + a〉-Versetzungen in der Nähe von Grenzflächen wie Korn- oder Zwillingsgrenzen häufiger vorkamen, was darauf hindeutet, dass diese Defekte günstige Dehnungsfelder aufweisen, die dort eine leichtere Aktivierung von〈c + a〉-Versetzungen ermöglichen als in der Matrix. Weitere Untersuchungen mit HR-STEM sindim Gange, um den Einfluss von Al auf die Aktivierung des Gleitsystems zu untersuchen. Zusammenfassend vermittelt diese Arbeit ein grundlegendes Verständnis des LegierungssystemsMg-Al-Ca, wobei seine praktische Anwendung jedoch von der Optimierung des Legierungsgehalts und weiteren Forschungen zur Verbesserung der Duktilität abhängt. Dazu gehört insbesondere die Untersuchung der Auswirkungen des Al:Ca-Verhältnisses, um den vorteilhaften Ca-Effekt zu maximieren und gleichzeitig den Al-Effekt beizubehalten, sowie ein besseres Verständnis der Mechanismen hinter der Aktivierung von 〈c + a〉-Versetzungen.

The development of high strength and ductile Mg alloys is a major focus due to Mg’s lightweight properties, which make it valuable in industries such as automotive and aerospace, as well as ist potential to reduce greenhouse gas emissions. However, Mg alloys face challenges in terms of room temperature formability. Research has explored various parameters, including texture modification and alloying with elements like Y and rare-earth elements to improve ductility. Recent studies suggest that the addition of Y and rare-earth elements activates non-basal slip systems, thereby improving formability. A joint computational and experimental study found the Mg-Al-Ca systemto be promising, offering similar properties with low cost elements.This work aims at a deeper understanding of the Mg-Al-Ca system by investigating the elemental effects on mechanical properties, texture and slip system activity. Different alloying compositions were synthesised and analysed while maintaining the same processing parameters. It was shownthat the addition of Al and Ca significantly increases the strength and ductility of Mg, but onlythe combination of both Al and Ca gives to the highest values of both. Ca has an intrinsic grainrefinement effect on the alloy, pinning the grain boundaries and therefore leading to weaker basaltextures. Also, the amount of Ca is important as Al reduces the solubility of Ca in Mg. Adjustingthe alloying contents of Ca and Al not only allows weak as-recrystallised textures but also allowsweak textures to be maintained during further cold rolling. In general, the effect of Ca on bothgrain refinement and texture can be seen at very low Ca additions (0.005 wt.-%). However, theco-dependence of Al and Ca significantly increases the complexity of the alloy system. Al shows notonly an effect on solid solution strengthening, but also increases the presence of 〈c + a〉 dislocations. APT at a 2nd order pyramidal slip line also shows Al segregation at the dislocation. Access to the CRSSs of non-basal slip systems with MP compression was not successful, because basal slip was ubiquitous even at very low Schmid factors. Consecutive TEM shows that non-basal slip was active but mainly stored in the matrix. It was also found, that 〈c + a〉 dislocations were more abundant near boundaries such as grain or twin boundaries, suggesting that these defects have favourable strain fields allowing easier activation of 〈c + a〉 slip there than in the matrix. Further investigations using HR-STEM are underway to investigate the effect of Al on the activation ofthe slip system. In summary, this work provides a fundamental understanding of the Mg-Al-Ca alloy system, butits practical application depends on optimising the alloy content and further research to improve ductility. This includes, in particular, exploring the effect of the Al:Ca ratio in order to maximisethe beneficial Ca effect while maintaining the Al effect, and also to gain a better understanding of the mechanisms behind the activation of 〈c + a〉 dislocations.

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