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Main Title: High cycle fatigue behaviour of extruded magnesium alloys containing neodymium
Translated Title: Ermüdungsverhalten von stranggepressten Neodym-haltigen Magnesiumlegierungen
Author(s): Nascimento Silva Ferri, Ligia
Advisor(s): Kainer, Karl Ulrich
Referee(s): Reimers, Walter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In der vorliegenden Arbeit werden das Ermüdungsverhalten und die Zug- und Druckeigenschaften stranggepresster Profile aus neu entwickelten Magnesiumlegierungen untersucht, welche Nd als Element der Seltenen Erden enthalten. Die Arbeit beschäftigt sich mit den Schädigungsmechanismen unter dynamischer Beanspruchung im Dauerfestigkeitsbereich. Es wurden unterschiedliche Schädigungsmechanismen untersucht, deren Interaktionen sowie den Einfluss der Mikrostruktur (bsp. der kristallographische Textur, der Ausscheidungen und der Korngröße) auf ihre Ausbildung, welche einen signifikanten Einfluss auf die Rissentstehung und die Ermüdungsfestigkeit haben. Im Hinblick auf Schädigungsmechanismen im Dauerfestigkeitsbereich verursacht eine stark ausgeprägte Basaltextur, wie sie in der Referenzlegierung AZ31 gefunden wurde, eine erhebliche Ausbildung von {10-12} Zwillingen im Druckspannungszyklus. Die Zwillingskorngrenzen wirken im Verlauf der folgenden Zyklen als Hauptrissinitiatoren. Daher findet sich die höchste Dauerfestigkeit sowie das größte Ermüdungsverhältnis in dem Belastungsbereich der die Zwillingsaktivität am wenigsten begünstigt. Die neu entwickelte Legierung ZN11 mit Nd zeigt eine sehr schwache Textur, welche Basalgleitung, unabhängig von der Belastungsrichtung erlaubt, wodurch Gleitbänder als Hauptursache für die Rissbildung angesehen werden können. Für diese Legierung sind die besten Ermüdungseigenschaften in der Richtung zu finden, in der linienförmige Partikel (sogenannte „particle stringers“) die Mikrostruktur verstärken, statt in der zu erwartenden Richtung, in welcher die Verformungszwillingsaktivität begrenzt ist. Daraus ist zu schließen, dass trotz des signifikanten Einflusses der kristallographischen Textur auf die Ermüdungsschädigungsmechanismen dieser Effekt teilweise durch orientierte Ausscheidungen überlagert wird. Des Weiteren kann hinsichtlich des Einflusses von Form und Verteilung der Ausscheidungen gezeigt werden, dass platenförmige Ausscheidungen auf den Basalebenen der Zwillingsbildung ausweichen ohne die Basalgleitung zu behindern. Andererseits behindern stabförmige Ausscheidungen mit c-Achsen-Orientierung (sogenannte c-axis-rods“) die Gleitbänder und führen zu einer verfrühten Rissbildung. Ausscheidungen an den Korngrenzen wirken sodem als Keime für Verformungszwillinge, während in ausscheidungsfreien Körnen eine Gleitbandaktivität zu beobachten ist. Sowohl die Fülle an stabförmigen und „sphärischen“ Ausscheidungen an den Korngrenzen als auch innerhalb der Körner begünstigen eine massive {10-12}- Zwillingsbildung. Da die Verformungszwillinge als potentielle Rissinitiatoren bekannt sind, hebt deren umfangreiche Bildung den nützlichen Effekt der kleineren Korngröße auf, sodass insgesamt lediglich eine leichte Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit erzielt werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Ausscheidungen an Korngrenzen/ linienförmige Partikel (particle stringers), Verformungszwillinge und große Körner sowie inhomogene Korngrößenverteilungen einen negativen Einfluss auf das Ermüdungsfestigkeitsverhalten von stranggepressten Magnesiumlegierungen haben und deren Reduktion sich positiv auf die Ermüdungseigenschaften auswirkt.
In the present work the high cycle fatigue behaviour and quasi-static mechanical properties of extruded profiles of newly designed magnesium alloys containing rare earth element, Nd were investigated. The study mainly concerned the damage mechanisms under dynamic loading in the high cycle fatigue regime. The different damage mechanisms, interactions among them as well as their association with microstructural features (i.e. crystallographic texture, precipitates and grain size), which have a significant influence on crack nucleation and fatigue strength, were established. Regarding to damage mechanisms in the high cycle fatigue regime, a strong basal-type texture developed in the reference alloy AZ31 causes the extensive formation of {10-12} twinning in the half cycle under compression. The twin boundaries act as main crack initiators during the further loading cycles. As the {10-12} twinning is the main crack initiator in the AZ31 alloy, the best fatigue strength and fatigue ratio were found in the loading direction which less favours deformation twinning activity. The experimental alloy ZN11 shows a very weak texture which allows basal slip activity independent of the loading direction and, consequently, the cyclic slip is considered to be the main crack initiator. For the ZN11 alloy the best fatigue properties were found in the direction where the particle stringers reinforce the microstructure, rather than in the direction which the deformation twinning activity is restricted. It was concluded that despite the significant influence of the crystallographic texture on the fatigue damage mechanism, this effect can be partially overlapped by the precipitates stringers. Concerning the influence of shape and distribution of precipitates, it was found that the basal plate precipitates avoid twinning formation without hinder the basal slip activity. On the other hand the c-axis rods precipitates hinder the extrusion/intrusion bands activity leading then to premature crack formation. Moreover, the precipitates at the grain boundaries nucleated deformation twins whereas in the precipitates-free grains a high slip band activity was observed. The abundance of rod like and sphere precipitates, at the grain boundary as well as inside of the grains, promoted massive {10-12} twinning nucleation. As the deformation twins are known to be a potential crack initiator, their extensive formation countervails the beneficial effect of the finer grain size such that only a slight improvement on the fatigue strength is obtained. The results of the present work show that the following microstructural features should be reduced to obtain an improved high cycle fatigue behavior of extruded magnesium alloys: the precipitates at grain boundary/particles stringers, deformation twins and large/inhomogeneous grain size.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-49378
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4298
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4001
Exam Date: 18-Dec-2013
Issue Date: 8-Apr-2014
Date Available: 8-Apr-2014
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Magnesiumknetlegierungen
Ermüdungsverhalten
kristallographische Textur
Rissbildung
Wrought magnesium alloy
high cycle fatigue
crystallographic texture
crack initiation
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