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Main Title: Charakterisierung der Verformungsmechanismen der stranggepressten Magnesiumlegierungen AZ31 und ME21 unter monotoner und zyklischer Belastung
Translated Title: Characterization of deformation mechanisms of the hot extruded magnesium alloys AZ31 and ME21 under monotonic and cyclic loading conditions
Author(s): Huppmann, Michael
Advisor(s): Reimers, Walter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Magnesiumknetlegierungen sind attraktiv als Leichtbauwerkstoff für die Automobil- und die Luft- und Raumfahrtindustrie. Der Einsatz ist jedoch aufgrund der hexagonalen Kristallstruktur von Magnesiumlegierungen und der damit verbundenen eingeschränkten Umformeigenschaften bei Raumtemperatur, der Asymmetrie der mechanischen Eigenschaften und der Anisotropie hinsichtlich der plastischen Verformung eingeschränkt. Für eine wirtschaftliche Nutzung von Magnesiumlegierungen müssen die Eigenschaften der Strangpressprodukte schon während des Umformprozesses optimiert werden. Zusätzlich ist die Kenntnis der Verformungsmechanismen und des Ermüdungsverhaltens für den technischen Einsatz von Magnesiumstrangpressprodukten von Bedeutung. Der Einfluss der Strangpressparameter und der Abkühlbedingungen auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften wurde für die zwei kommerziellen Magnesiumknetlegierungen AZ31 und ME21 detailliert charakterisiert. Die Korngrößen und die Fließgrenzen (Hall–Petch-Beziehung) der AZ31-Strangpressprodukte können durch die Variation der Pressbedingungen beeinflusst werden, die Textur bzw. die Duktilität wird hingegen kaum beeinflusst. Die Korngröße der ME21-Strangpressprodukte ist unabhängig von den Pressbedingungen, die Textur kann hingegen gezielt variiert werden und es bildet sich die sogenannte SE-Textur. Somit können basale Gleitsysteme einen größeren Beitrag der plastischen Verformung realisieren und es werden im Vergleich zu den AZ31-Strangpressprodukten größere Bruchdehnungen erreicht. Die SE-Textur der ME21-Strangpressprodukte kann durch eine Wärmebehandlung verstärkt und die Duktilität weiter gesteigert werden. Das Ermüdungsverhalten wurde für die Strangpressprodukte beider Magnesiumlegierungen im uniaxialen Schwingversuch für verschiedene Werkstoff-Mikrostrukturen untersucht. Die Lebensdauer der AZ31-Strangpressprodukte kann durch einen Basquin- und einen bilinearen Manson-Coffin-Ansatz beschrieben werden, wobei eine Dehnungsamplitude εA = 0,6 % den Übergang zwischen dem LCF- und dem HCF-Regime kennzeichnet. Die ME21-Strangpressprodukte weisen im Vergleich zu den AZ31-Strangpressprodukten für technisch relevante Belastungen niedrigere Bruchlastwechsel auf. Die Verformungsmechanismen unter Zug- bzw. Druckverformung und unter zyklischer Wechselbelastung parallel zur Strangpressrichtung wurden ex-situ mittels Licht- und Elektronenmikroskopie und in-situ mittels energiedispersiver Beugung charakterisiert. Unter Zugbelastung erfolgt die Verformung im Wesentlichen durch Versetzungsbewegungen. Die Druckverformung der AZ31-Strangpressprodukte wird vor allem durch die Bildung von Zugzwillingen realisiert. Die ME21-Strangpressprodukte verformen zusätzlich verstärkt durch basale Gleitsysteme. Im Schwingversuch wird die Verformung durch die Bildung von Zugzwillingen und deren Rückbildung bestimmt. Die Zwillingsaktivität der AZ31-Proben steigt für εA > 0,6 % und sinkt für εA < 0,6 % als Funktion der Lastwechsel.
Magnesium wrought alloys are attractive as lightweight structural materials for applications in the automobile, aircraft and space industries. But the applications are limited, due to the hexagonal crystal structure of magnesium alloys causing restricted formability at room temperature, an asymmetry of the mechanical properties and an anisotropic plastic deformation behavior. For the economic use of magnesium alloys it is necessary to optimize the properties of the extrusion products already during the forming process. Moreover, the knowledge of the deformation mechanisms and the fatigue behavior is crucial for the technical use of magnesium extrusion products. The influence of the extrusion parameters and the cooling conditions on the microstructure and the mechanical properties of the two commercial magnesium wrought alloys AZ31 and ME21 is investigated in detail. The grain size of the AZ31 extrusion products and therefore the yield strength (Hall–Petch-relationship) can be varied as a function of the extrusion parameters. However, the crystallographic texture and the ductility are influenced only to a small extent. The grain sizes of the ME21 extrusion products are almost independent of the extrusion parameters, but the texture can be systematically varied, whereby the so-called RE-texture is formed. Therefore, basal slip systems can realize a larger amount of plastic strain and hence, higher fracture strains are achieved in comparison to the AZ31 extrusion products. The strength of the RE-texture can be enhanced via heat treatments of the extrusion products and thereby, the ductility is further increased. The fatigue behavior of the extrusion products of both magnesium alloys was examined in uniaxial fatigue tests and the influence of the microstructure on the extrusion products is examined. The life¬time of the AZ31 extrusions can be expressed by a Basquin and a bilinear Manson-Coffin approach, whereby a strain amplitude εA = 0.6 % indicates the transition between the LCF and the HCF regime. The fatigue life of the ME21 extrusion products is lower compared to the AZ31 extrusion products. The deformation mechanisms under compression, tension and cyclic loading were characterized ex-situ by light and electron microscopy. Furthermore, in-situ investigations were performed by energy-dispersive diffraction. Under tension the deformation is mainly realized by the activation of different slip systems. The main deformation mechanism under compression for the AZ31 extrusion products is the activation of extension twinning. For the ME21 extrusion products the compressive strain is realized by the activation of basal slip systems and extension twinning. The deformation under cyclic loading conditions is characterized by the activation of extension twins under compression and detwinning under subsequent tensile deformation. The twinning activity of the AZ31 samples increases for εA > 0.6 % and decreases for εA < 0.6 % as a function of the loading cycles.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-30319
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3109
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2812
Exam Date: 11-Feb-2011
Issue Date: 4-May-2011
Date Available: 4-May-2011
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Magnesiumlegierungen
Mechanische Eigenschaften
Mikrostruktur
Strangpressen
Verformungsmechanismen
Deformation mechanisms
Extrusion
Magnesium alloys
Mechanical properties
Microstructure
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