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Main Title: From mechanically milled powders to Mg-SiC nanocomposites: relationships between processing, microstructure and mechanical properties
Translated Title: Von kugelgemahlenem Pulver zu Mg-SiC-Nanokompositen: Zusammenhänge zwischen Herstellung, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften
Author(s): Hübler, Daniela Stefanie
Advisor(s): Kamrani, Sepideh
Fleck, Claudia
Referee(s): Fleck, Claudia
Gurlo, Aleksander
Riedel, Ralf
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13861
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12634
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Abstract: Magnesium nanocomposites are promising for use as lightweight components in the automotive and aviation industries, since reinforcing pure magnesium with ceramic nanoparticles not only increases strength, but also improves ductility. SiC nanoparticles are particularly suitable as a reinforcement phase due to their high specific fracture toughness and their stable behaviour towards magnesium. However, the production of magnesium nanocomposites has some challenges, such as the achievement of a homogenous distribution of the nanoparticles and an ultra-fine structure in the completely dense material. These requirements were met via a new powder metallurgical production route, which includes mechanical milling, cold isostatic pressing, sintering and indirect hot extrusion. Initially, powder composites with a uniform SiC distribution and a nano- to sub-microcrystalline structure were produced by mechanical milling. The composite powder was then pressed into green compacts by cold isostatic pressing followed by sintering. The density increased up to 93 %, but hot extrusion was required to completely densify the magnesium nanocomposites. By achieving a sub-microcrystalline microstructure by hot extrusion, all challenges were overcome by the new processing route. However, extrusion also leads to a textured material, which is the reason why hot isostatic pressing was carried out as alternative last consolidation step. The achieved microstructure did not meet the requirements. Therefore, the mechanical properties were only investigated on the extruded Mg-SiC nanocomposites. An increase in hardness was observed with an increasing reinforcement content. Compression and tensile tests of the extruded nanocomposites showed a compression up to 41.5 %, however, the influence f the texture on the tensile elongation behaviour resulted in only minimal elongation of at most 2.5 %. Fatigue tests on macro and nano scale suggest that conclusions on plastic deformability of pure Mg can be drawn from nano fatigue to macro fatigue. Furthermore, nanocomposites showed less plastic strain than pure Mg produced in the same way. Using the new powder metallurgical production route, significantly higher fatigue endurance limits were achieved for milled Mg and its nanocomposites than for non-milled Mg.
Der Einsatz von Magnesium-Nanokompositen als Leichtbaukomponenten ist in der Automobil- und Flugindustrie vielversprechend, da aufgrund der Verstärkung des reinen Magnesiums nicht nur die Festigkeit erhöht, sondern auch die Duktilität verbessert werden kann. SiC-Nanopartikel sind relativ inert gegenüber Magnesium und eignen sich als Verstärkungsphase besonders aufgrund ihrer hohen spezifischen Bruchzähigkeit. Die Herstellung der Magnesium-Nanokomposite birgt allerdings einige Herausforderungen, wie zum Beispiel die gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel und ein ultrafeines Gefüge im vollständig dichten Material. Über eine neue pulvermetallurgische Herstellungsroute konnten diese Anforderungen durch hochenergetisches Kugelmahlen, kalt-isostatisches Pressen, Sintern und indirektes Warm-Strangpressen erfüllt werden. Zunächst konnten Pulverkomposite mit gleichmäßiger SiC-Verteilung und nano- bis submikroskristallinem Gefüge hergestellt werden. Das Kompositpulver wurde über kalt-isostatisches Pressen zu Grünlingen gepresst und anschließend gesintert, wodurch die Dichte auf 93% erhöht werden konnte. Um die Nanokomposite vollständig zu verdichten, wurde indirektes Warm-Strangpressen genutzt. Da Strangpressen allerdings auch zu einem texturiertem Material führt, wurden die Nanokomposite zudem über einen alternativen Verfahrensschritt, dem heiß-isostatischen Pressen, verdichtet. Allerdings entsprach die Mikrostruktur nicht den oben genannten Anforderungen, sodass die mechanischen Eigenschaften nur an den stranggepressten Mg-SiC-Nanokompositen untersucht wurden. Mittels Nanoindentation konnte zusätzlich die Härte der Kompositpulverpartikel nach dem Kugelmahlen ermittelt werden, die mit steigendem SiC-Gehalt stieg. In den Druck- und Zugversuchen konnten die stranggepressten Nanokomposite Stauchungen von bis zu 41.5 %, jedoch nur geringe Dehnungen von maximal 2.5 % erreichen, was auf den Einfluss der Textur zurückzuführen ist. Die Ermüdungsversuche legen nahe, dass Rückschlüsse zur plastischen Verformbarkeit von der Nano- zur Makroermüdung gezogen werden können. Unter Verwendung des neuen pulvermetallurgischen Produktionsweges wurden für Mg und seine Nanokomposite signifikant höhere Ermüdungsfestigkeiten erreicht als für reines, nicht kugelgemahlenes Mg.
Subject(s): Mg-SiC nanocomposite
powder metallurgy
mechanical properties
fatigue behaviour
nanoindentation
Mg-SiC-Nanokomposit
Pulvermetallurgie
mechanische Eigenschaften
Ermüdungsverhalten
Nanoindentation
Issue Date: 2022
Date Available: 10-Jan-2022
Exam Date: 28-Oct-2021
Has Part: 10.14279/depositonce-11606
10.14279/depositonce-9900
Language Code: en
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Sponsor/Funder: DFG, 280646214, Herstellung, Gefügebildung und mechanischen Eigenschaften (unter quasi-statischer und zyklischer Belastung) von Mg-SiC-Nanokompositen
TU Affiliation(s): Fak. 3 Prozesswissenschaften » Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien » FG Werkstofftechnik
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