Magnesium- The Role of Crystallographic Texture, Deformation Conditions and Alloying Elements on Formability

Autor(en): Al-Samman, Talal TH Aachen, 01. August 2008 Seiten: 260 Auflage: 1 Aufl. Sprache: EN ISBN-10: 3867276633 ISBN-13: 9783867276634 Zugeordnete Fachbereiche: Bergbau- und Hüttenwesen Kategorie: Dissertation Bezugsmöglichkeiten Print Version 36,00 € 34,20 € In den Warenkorb eBook (15131.9 kB) 36,00 € In den Warenkorb

Kurzbeschreibung

Kurzzusammenfassung

Zu den Herausförderungen der heutigen technologisch hoch entwickelten Gesellschaft gehört sicherlich der Wunsch nach einer drastischen Gewichtsreduzierung auf dem Sektor der Transporttechnologien, die aufgrund ökonomischer und ökologischer Aspekte die Einsparung von Gewicht fordern. Magnesium weist als potentieller Konstruktionswerkstoff die geringste Dichte auf und besitzt gleichzeitig sehr gute Festigkeit.
Aufgrund der hexagonalen Kristallstruktur und der damit verbundenen, begrenzten Anzahl von Gleitsystemen ist das plastische Verhalten von Magnesiumwerkstoffen in der Regel sehr spröde und anisotrop. Das ist gleich der Grund warum Magnesium Knetlegierungen industriell eine noch kleine Produktpalette haben.

Das wesentliche Ziel dieser Arbeit war, praktikable Wege zu finden, die eine gezielte Einstellung der Mikrostruktur und der kristallographischen Textur ermöglichen, um dadurch das Umformverhalten von Magnesium zu optimieren. Ein feinkörniges Gefüge zusammen mit einer schwachen Textur tragen zur Verbesserung der Verformbarkeit und Reduzierung der plastischen Anisotropie bei. Bei allen experimentell durchgeführten Untersuchungen der vorliegenden Arbeit lag die Fragestellung zugrunde, (1) inwieweit lassen sich die Umformeigenschaften von Magnesium durch die Textur, die Umformbedingungen und die Legierungselemente beeinflussen, und (2) wie dadurch im Umkehrschluss die Textur- und Mikrostrukturentwicklung während der Umformung beeinflusst werden.
Unter Verwendung unterschiedlicher Ausgangstexturen der Proben und verschiedener Umformprozesse mit unterschiedlichen Temperaturen und Dehngeschwindigkeiten wurden systematische und umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. Bei den Umformversuchen handelte es sich um Walzversuche (einsinniges Walzen und Kreuzwalzen), Channel-die Verformung und einachsige Stauchversuche. Zur Verfügung standen als Versuchsmaterial sowohl Reinmagnesium als auch die Magnesiumlegierung AZ31, bei der es sich um eine sehr gängige und kommerziell erhältliche Knetlegierung handelt. Dokumentiert wurden die Umformversuche im Wesentlichen durch Spannungs-Dehnungs-Kurven, Licht- und Rasterelektronen-mikroskopische Untersuchungen der Mikrostrukturentwicklung sowie Texturmessungen auf makroskopischer und mikroskopischer Ebene.

Eine genaue Mikrostrukturcharakterisierung an versagten Proben, die bei Raumtemperatur verformt wurden, unterstützt durch Orientierungsmessungen (EBSD) im Rasterelektronenmikroskop zeigten, dass die {10-11}-{10-12}-Zwillingsbildung deutlich zur Ausbildung von Verformungsinhomogenitäten in Form von Scherbändern und Scherrissen führt und dadurch ein vorzeitiges Versagen des Werkstoffs verursacht. Diese Erkenntnis stellt eine wichtige Aussage dar, die im Rahmen einer Betrachtung der Umformbarkeit von Magnesium bei niedrigen Temperaturen bisher nicht bekannt war. Ferner konnte gezeigt werden, dass bei geeigneter Wahl der Ausgangstextur und der Umformbedingungen die Aktivität der Zwillingsbildung und somit auch der Basisgleitung erfolgreich unterdrückt werden kann. Dies führt dazu, dass die Verformung bei Raumtemperatur maßgeblich von der Prismengleitung dominiert wird, die wiederum zu einer signifikanten Duktilitätssteigerung führt.
Bei der Warmumformung wurden sehr hohe Umformgrade (ε~-2.2) durch die Aktivierung der -Pyramidengleitung und das Einsetzen dynamischer Rekristallisation erzielt. Dynamische Rekristallisation wurde sowohl an den Korngrenzen als auch innerhalb von Verformungszwillingen beobachtet, was bisher in der Literatur kaum berichtet wurde. Mit Hilfe von Orientierungsbildern (Mappings) scheint der Mechanismus der dynamischen Rekristallisation in {10-12}-Verformungszwillingen kontinuierlich abzulaufen (Kleinwinkel-korngrenzen konvertiert in Großwinkelkorngrenzen). Unter bestimmten Umformbedingungen in Kombination mit geeigneter Ausgangstextur war es möglich, die Textur- und Mikrostrukturentwicklung zu steuern, so dass ein Material mit feinkörnigem Gefüge (d ~ 16 µm) und nahezu regelloser Textur hergestellt wurde. Diese sehr wesentliche Erkenntnis gibt einen wichtigen Aufschluss darüber, zukünftig gezielte Eingriffsmöglichkeiten in den technischen Herstellungsprozess zu erkennen und umzusetzen.

Weiterhin wurden im Sinne einer Mechanismenstudie Kaltwalzversuche mit anschließender Wärmebehandlung und Warmumformversuche an einer Mg4Li-Legierung durchgeführt, um den Einfluss von Lithium auf die Kristallstruktur und damit auf das Umform- und Rekristallisationsverhalten festzustellen und zu charakterisieren. Im Verglich mit der kommerziellen Legierung AZ31 zeigte die binäre Legierung Mg4Li eine hervorragende Duktilität bei Raumtemperatur sowohl beim Walzen als auch bei der Channel-die Verformung. Interessanterweise zeigten die Ergebnisse noch, dass unabhängig von der Ausgangstextur, die normalerweise einen entscheidenden Einfluss auf die Verformung hat, das Umformverhalten (Fließkurven) und die Texturentwicklung der verschieden texturierten Mg4Li-Proben während der Channel-die Verformung nahezu identisch waren. Die Gefügeentwicklung bei höheren Temperaturen (400°C) zeigte eine sehr grobe Kornstruktur, was auf signifikantes Kornwachstum zurückgeführt werden kann. Aufgrund der Besonderheit der Mg-Li Legierungen können die so gewonnenen Ergebnisse in Zusammenhang mit dem Verhalten von reinem Magnesium und der kommerziellen Legierung AZ31 für die künftige Legierungsentwicklung von hohem Wert sein.

Abschließend wurden es mit Hilfe der Taylor-Simulation die Verformungstexturen berechnet und mit den experimentell bestimmten Makrotexturen verglichen. Die durchgeführten Berechnungen ermöglichten, Rückschlüsse auf die jeweils aktiven Verformungsmechanismen – Basisgleitung, Prismengleitung, Pyramidengleitung und mechanische Zwillingsbildung – zu ziehen. Weiterhin konnte sehr gut ermittelt werden, in welcher Form durch die einzelnen Verformungsmechanismen die Texturentwicklung gesteuert wird.

Die vorliegende Arbeit enthält neue und wichtige Erkenntnisse über das Verformungs-verhalten von Magnesium und bietet nützliche Hinweise für zukünftige Legierungs-entwicklung. Die systematischen, umfangreichen Umformexperimente haben in der Summe ein sehr großes Spektrum der plastischen Verformung von Magnesium abgedeckt. Die Bedeutung der unterschiedlichen Verformungsmechanismen – ebenso wie die Bedeutung der Textur, der Umformbedingungen und der Legierungselemente auf die Umformeigenschaften konnte herausgestellt werden.

Description

Short summary

During the last few decades magnesium alloys have been widely recognized as playing an increasingly important role in almost every field of today’s metal consuming industry. For structural and automotive applications the growing demand for magnesium has been largely due to an appealing set of properties, such as the lowest density among all metallic constructional materials and high specific strength.
However, the number of possible applications of magnesium alloys is strongly reduced by the limited ductility and the mechanical anisotropy of this material, mainly caused by its hexagonal crystal structure.

Considering that a fine microstructure combined with a weak crystallographic texture should lead to better formability and reduced plastic anisotropy, the current work aims at finding feasible ways to control the texture and microstructure of magnesium alloys. The conducted experiments focused on investigating the influence of texture, deformation conditions and alloying elements on the deformation characteristics. Another aspect was to investigate the effect of these parameters on the texture and microstructure development during deformation. By using several different starting textures of the specimens and various deformation processes with various temperatures and strain rates, a wide range of investigations was covered. The deformation experiments comprised unidirectional and cross rolling, channel-die deformation and uniaxial compression. The materials used were pure magnesium and the most commonly used wrought magnesium alloy AZ31. The experimental methods included studying the mechanical response by measuring of flow curves, characterizing the microstructure development using optical and scanning electron microscopy, and texture measurements on macroscopic and microscopic levels by means of x-ray diffraction and electron back scatter diffraction (EBSD), respectively.

The microstructure evolution during deformation at room temperature to failure yielded important information on the failure mechanisms. EBSD analysis revealed that the onset of deformation inhomogeneties in form of shear bands and shear cracks was twin related, i.e. {10-11}-{10-12}-double twinning, which eventually caused premature failure of the specimens. This important finding shed a new light on how magnesium deforms and fails.
Investigating the influence of the starting texture on the deformation revealed that controlling the deformation mechanisms by controlling the starting texture and forming conditions is indeed useful to improve room temperature ductility. This is achieved by suppressing the activation of mechanical twinning and basal slip, thus enforcing the deformation to proceed mainly by prismatic slip, which in turn leads to enhanced formability.

Deformation at elevated temperatures was accompanied by the activation of -pyramidal slip and dynamic recrystallization (DRX), which rendered reaching high strains of ~ -2.2 possible. Dynamic recrystallization took place at grain boundaries (as expected) and inside of deformation twins, which is rarely reported in the literature. The mechanism of DRX in twins was found to be of a continuous nature, involving the formation of low angle boundaries and their conversion to high angle boundaries forming new, fine grains.
For a special configuration a processing window has been found where a fine microstructure (grain size of ~ 16 µm) and a nearly random texture can be established. This promising result can be useful in future developments of wrought magnesium production.

Further investigations focused on the influence of lithium addition on the crystal structure of pure magnesium and hence, on the deformation and recrystallization behavior. The addition of 4 wt% lithium to magnesium (Mg4Li) demonstrated an outstanding increase of ductility over pure magnesium and a commercial magnesium alloy AZ31 (with 3wt% Al and 1wt% Zn). Compared to AZ31, Mg4Li test series exhibited a similar stress-strain behavior and texture evolution irrespective of the initial texture. This came unexpected since usually the initial texture plays a major role in the deformation characteristics.
During deformation at 400°C the microstructure of Mg4Li specimens showed coarse grains with grain sizes between 100 µm and 150 µm, which was obviously and indication of grain growth. This concludes that in terms of ductility and anisotropy, Mg4Li (with 4 wt% Li) provides much better results than the standard alloy AZ31. However, in terms of thermal stability Mg4Li lacks some improvement and hence, AZ31 is the better choice.

The simulations of plane strain compression using various combinations of slip and twinning systems with different critical resolved shear stress ratios revealed the effect of the individual deformation mechanisms on texture development, which was very different for dominant basal, prismatic and pyramidal slip, besides twinning. The influence of slip led always to a splitting of the basal poles about the transverse direction TD, while the activation of prismatic slip gave rise to a spread of the texture about the rolling direction RD.

In conclusion, the current work contains new and important findings on the deformation behavior of magnesium alloys that can be very beneficial for future alloy developments. The large amount of conducted experiments covered a wide range of plastic deformation of magnesium and gave a better insight into the importance of crystallographic texture, deformation conditions and alloying elements on deformation and formability of magnesium and its alloys.

Keywords

Magnesium, Texture, Deformation, Recrystallization