Microstructural relationships of strength and ductility in a newly developed Mg-Al-Zn alloy for potential automotive applications

Pei, Risheng; Raabe, Dierk; Korte-Kerzel, Sandra

doi:HT020559052

Microstructural relationships of strength and ductility in a newly developed Mg-Al-Zn alloy for potential automotive applications

Pei, Risheng^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von vorgelegt von M.Sc. Risheng Pei

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Korte-Kerzel, Sandra (Thesis advisor)^RWTH* ; Raabe, Dierk (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-06-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-06096
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/792413/files/792413.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
impeded grain growth (frei) ; magnesium alloys (frei) ; mechanical properties (frei) ; next-generation (frei) ; optimal microstructure (frei) ; recrystallization mechanism (frei) ; weak texture (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die gezielte Kontrolle der Mikrostruktur und Textur von Magnesiumknetlegierungen ist entscheidend zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften, insbesondere bei solchen aus dem AZ (Al-Zn) System, welche aufgrund ihrer spezifischen Steifigkeit und Festigkeit zunehmend zur Nutzung in der Automobilindustrie im Betracht gezogen werden. Innerhalb dieser Legierungsklasse zeigt AZ31B (Mg-3Al-1Zn Gew.-%) nachweislich folgende, vielversprechende mechanische Eigenschaften: eine Streckgrenze von 200 MPa, eine Zugfestigkeit von 260 MPa und eine Dehnung von 15%. Allerdings entwickelt sich in diese Legierung nach thermomechanischen Prozessen, wie Walzen oder Strangpressen, eine scharfe Basal Textur, welche die Blechproduktion und damit eine umfangreiche Nutzung in der Industrie einschränkt. Ziel der aktuellen Forschung ist daher, die Mikrostruktur und Textur von AZ31B Legierungen durch Mikrolegieren zu modifizieren und ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Unter Berücksichtigung von Löslichkeit und ausgeschiedenem Volumenanteil wurde der Legierung AZ31B 0,3 Gew.% Ca hinzugefügt (im Folgenden AZX310 genannt). In dieser wurde die Mikrostruktur- und Texturentwicklung nach dem Warmwalzen und Glühen bei variablen Temperaturen und Zeiten untersucht. Anschließend wurden die Proben mit modifizierter Mikrostruktur und Textur in einachsigen Zugversuchen geprüft, um die Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wahl der Legierungselemente und der Legierungszusammensetzung in Kombination mit der angewendeten Prozessführung äußerst wirksam sind um die Mikrostruktur und Textur einzustellen. In der AZX310 Legierung trug die Zugabe von Ca dazu bei, die Textur abzuschwächen und die Korngröße zu verfeinern, wodurch die mechanischen Eigenschaften verbessert wurden. Das herausragende Eigenschaftsprofil resultiert aus einem Zusammenspiel von Lösungs- und Ausscheidungsvorgängen. Um den Effekt der Ca Atome optimal nutzen zu können wurde die AZX310 Legierung vor dem Warmwalzen einer Lösungsglühung unterzogen. Durch das Lösungsglühen wurde ein Großteil der zuvor vorhandenen Al2Ca Ausscheidungen in der Matrix gelöst. Darüber hinaus kam es zu einer erhöhten Segregationskonzentration von Zn und Ca an Korngrenzen. Dies resultierte wiederum in einer langsameren Rekristallisationskinetik und einer schwächeren Textur nach vollständiger Rekristallisation und anschließendem Kornwachstum. Diese Texturmodifikation kann dem begünstigten Wachstum von nichtbasalen, insbesondere in Querrichtung geneigten Körnern zugeschrieben werden, welche durch die Segregationsatome vermehrt entstehen. Als Nebeneffekt tritt abnormales Kornwachstum bei hohen Temperaturen (350 °C) auf. Die Mechanismen des abnormalen Kornwachstums in der Lösungsgeglühten AZX310 Legierung hängen mit der stärkeren Segregationskonzentration von Zn und Ca an den Korngrenzen zusammen. Die meisten Korngrenzen werden von gelösten Atomen blockiert. Lediglich ein kleiner Anteil der Körner mit einem lokalen Größenvorteil können die Blockierungen überwinden und schnell bis zu einer außergewöhnlichen Korngröße wachsen. In hochreinem Magnesium wird abnormales Kornwachstum lediglich bei Glühungen bei 220 °C beobachtet, bei höheren Temperaturen liegt normales Kornwachstum vor. Kornwachstum basiert auf Wechselwirkungen zwischen Korngrenzmobilitäten, Tripelpunktwiderständen und gespeicherten Versetzungsenergien in Körnern unterschiedlicher Orientierung. Die niedrigere Versetzungsdichte in (0001)〈11-20〉 Körnern ermöglicht diesen einen Wachstumsvorteil in frühen Stadien und führt anschließend zu ihrem abnormalen Wachstum. Dieser Mechanismus wurde zusätzlich mit einem Level-Set Ansatz in Bezug auf Textur und Wachstumsverhalten bei verschiedenen Temperaturen simuliert. Des Weiteren wurden Walzkonzepte, charakterisiert durch hohe Dicken-reduktionen und niedrige Stichzahl, genutzt um die AZX310 Legierung unter stärkerer Belastung umzuformen und damit eine heterogene Verformungsmikrostruktur mit starken lokalen Unterschieden in der Defektdichte zu erzeugen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rekristallisation in Verbindung mit Scherbändern hauptsächlich durch die Ausbildung von rekristallisierten Ketten erfolgt, welche in Folge von Zyklen aus fortlaufender Subkornrotation und Subkornwachstum entstehen. Die gewalzten Proben weisen eine deutliche Anisotropie der Streckgrenze und maximalen Dehnung in der Blechebene, bedingt durch Mikrostrukturinhomogenitäten auf. Der geglühte Zustand zeigt mit seiner homogenen gleichachsigen Kornstruktur und schwächeren Textur wiederum ein nahezu isotropes plastisches Fließverhalten. An ausgewählten Legierungen mit modifizierter Mikrostruktur und Textur durchgeführt wurden einachsige Zugversuche. Die Ergebnisse zeigen, dass die AZX310 Legierungen vielversprechende mechanische Eigenschaften aufweist. Dazu zählen eine hohe Kaltverfestigung und maximalen Zugfestigkeit sowie eine hohe Zugdehnbarkeit und ausbleibenden Blechanisotropie. Die herausragende Dehnbarkeit und schwache mechanische Anisotropie kann der feineren Korngröße und schwächeren Textur zugeschrieben werden. Zusätzlich trägt die Aktivierung von nicht-basalen Versetzungen, hervorgerufen durch gelöste Ca Atome dazu bei, den Aufbau einer 3D Versetzungsstruktur zu ermöglichen und verbessert so die latente Härtung. Daraus resultiert wiederum eine hohe Härtbarkeit und maximalen Zugfestigkeit. Zusammenfassend wurde in dieser Dissertation gezeigt, dass Ca Zugabe zu einer Kornfeinung, Abschwächung der Textur und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften beiträgt. Die AZX310 Legierung zeigt eine gute Kombination aus Duktilität und Festigkeit mit geringer Blechanisotropie und einer hohen Kaltverfestigung. Die hier durchgeführte, gezielte, wissensbasierte Entwicklung eines Materials mit optimierter Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften, welches besser für zukünftige Automobilanwendungen geeignet ist, hebt das Potential einer neuen Generation von Magnesium Legierungen, welche sich durch die Steuerung von Materialausscheidungen und gelösten Stoffen auszeichnet, hervor.

Control of microstructure and texture is key to improve the properties of wrought magnesium alloys, particularly those of the AZ (Al-Zn) system, which are being increasingly considered for use in the automotive industry, due to their high specific stiffness and strength. Among these alloys, AZ31B alloy (Mg-3Al-1Zn wt.%) is reported to exhibit promising mechanical properties, namely, 200 MPa yield strength, 260 MPa ultimate tensile strength, and 15% elongation. However, after thermomechanical processing, like rolling and extrusion, this alloy shows sharp basal texture, which restricts the sheet production and the extensive industrial usage of it. The current research, therefore, aims to further improve the properties of AZ31B-based magnesium alloys by micro-alloying in order to modify the microstructure and texture of it. In this regard, taking solubility and precipitate volume fractions in to consideration, 0.3 wt.% Ca was added to the AZ31B alloy (hereafter, AZX310). Its microstructure and texture evolution was comprehensively investigated by annealing at different temperatures for different durations post hot rolling. Eventually, specimens with modified microstructure and texture were then examined by uniaxial tensile tests in order to characterize their effects on the mechanical properties. The obtained results demonstrated that the choice of alloying elements and their alloy compositions in combination with the applied processing was successful in tailoring the microstructure and texture. In the AZX310 alloy, Ca addition contributed to weakening the texture and refining the grain size, which in turn improved mechanical properties. The outstanding property profile resulted from an apt interplay between solute and precipitation effects. To better take advantage of Ca atoms as solutes, especially in terms of grain boundary segregation, the AZX310 alloy was subjected to solution heat treatment (SHT) prior to hot rolling. By SHT, most Al2Ca precipitates were observed to be dissolved into the matrix, and the segregation concentration of Zn and Ca on the grain boundaries was increased, compared with the condition without SHT. The higher co-segregation concentration resulted in slower recrystallization kinetics and a weaker texture after full recrystallization as well as further grain growth. The texture modification could be attributed to the preferential growth of non-basal grains induced by solute drag, especially TD-tilt grains, which eventually resulted in abnormal grain growth (AGG) during high-temperature annealing. The mechanisms of AGG in the solution treated AZX310 alloy is related to the stronger presence of Zn and Ca at the grain boundaries. Most of the boundaries are pinned by the solute atoms, while only a small amount of the grains with a local size advantage can break through the retarding atmosphere and grow fast to an overwhelming grain scale. This is different from the case of high-purity magnesium, where AGG was found readily upon annealing at 220 °C and normal grain growth upon annealing at 350 °C. In this case, it was found to occur because of the interplay of grain boundary mobility, triple junction drag, and the stored dislocation density in grains with different orientations. The lower dislocation density in (0001)〈11-20〉 grains granted a size advantage during the early stages of growth and leading to the AGG of them. Such a mechanism was also simulated in a formerly developed Level-set approach in terms of texture and growth behavior at different temperatures. Rolling schemes characterized by high reductions and a low number of passes were also employed to deform the AZX310 alloy to large strains in order to obtain a heterogeneous deformation microstructure with large local variations in defect density. The results demonstrated that recrystallization in conjunction with shear banding proceeded mainly by the formation of recrystallized chains by cycles of progressive subgrain rotation and subgrain growth. The as-rolled specimens exhibited evident planar anisotropy of the yield strength and maximum elongation, due to microstructure heterogeneity. However, the annealed condition with its homogeneous equiaxed grain structure and weak textures exhibited an almost isotropic plastic flow behavior. Uniaxial tensile tests were performed on selected alloys with modified microstructure and texture. Results illustrated that the AZX310 alloy exhibited promising mechanical properties, characterized as high strain hardening ability and ultimate tensile strength, high tensile ductility, and eliminated sheet anisotropy. The improved ductility and low mechanical anisotropy of this alloy could be attributed to the finer grain size and weakened texture. In addition, activation of non-basal slip, due to the solute Ca in the matrix, contributed to facilitating the build-up of a 3D dislocation structure and improved the latent hardening after yielding, resulting in a high hardening ability and ultimate tensile strength. As a summary, in this thesis, Ca addition was shown to contribute to grain refinement, texture weakening and improvement of the mechanical properties. The AZX310 alloy exhibits a good combination of ductility and strength with low sheet anisotropy and high work hardening. The development of a material with such microstructure and properties, that is much more suitable for future automotive applications, highlights the potential of knowledge-driven design of next generation Mg alloys by controlling the materials’ precipitates and solute.

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