Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5962
Main Title: Optimierung der mechanischen Eigenschaften von 7xxx-Aluminiumlegierungen durch gezielte Einstellung der Mikrostruktur
Translated Title: Improvement of the mechanical properties of 7xxx-aluminum alloys due to the systematical design of the microstructure
Author(s): Paulisch, Melanie Cornelia
Advisor(s): Reimers, Walter
Referee(s): Reimers, Walter
Skrotzki, Birgit
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: In der vorliegenden Arbeit werden die Einflüsse des Strangpressens und Wärmebehandelns auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften vier verschiedener ausscheidungshärtbarer 7xxx-Legierungen (7108, 7020, 7021B und 7175) untersucht. Darüber hinaus wurde das quasistatische und dynamische Verformungsverhalten bezüglich Veränderungen in der Kornmorphologie und Textur analysiert. Dazu wurden Untersuchungen mittels dynamischer Differenzkalorimetrie, röntgenographischer Texturanalysen, Elektronenrückstreubeugung, Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie und dreidimensionaler Atomsondentomographie durchgeführt. Für die mechanische Charakterisierung wurden Härtetests, quasistatische Zug- und Druckversuche sowie dynamische Druckversuche eingesetzt. Beim Strangpressen wurden die Pressverhältnisse, die Produktgeschwindigkeiten sowie die Bolzeneinsatztemperaturen variiert, um deren Auswirkungen auf die Pressbarkeit sowie auf die Kornmorphologien, kristallographischen Texturen und die Bildung und Verteilung von Ausscheidungen und Partikeln zu analysieren. Dabei zeigte sich, dass die Legierungen 7108, 7020 und 7021B in einem weiten Parameterfeld pressbar sind. Im Fall der Legierung 7175 entwickelt sich aufgrund der höheren Pressgeschwindigkeit eine eutektische Phase, die sich negativ auf weitere Bearbeitungen ausübt und die Pressbarkeit dieser Legierung stark einschränkt. Die mechanischen Eigenschaften der 7xxx-Legierungen lassen sich maßgeblich durch Wärmebehandlungen beeinflussen, wodurch in dieser Arbeit signifikante Steigerungen der Duktilität einhergehend mit Steigerungen in der Festigkeit erreicht werden konnten. Die Atomsondenuntersuchungen zeigen darüber hinaus, dass die chemische Zusammensetzung und der Volumenanteil der Härtungsphasen in der Matrix wesentlich von der chemischen Zusammensetzung der Legierungen abhängig sind. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass 7xxx-Legierungen, die vor der Ausscheidungshärtung natürlich gealtert wurden, nicht zur Versprödung neigen. Vielmehr sind die Bruchdehnungen und die Festigkeitskennwerte dieser Proben auf einem Niveau mit jenen, die ohne natürliche Alterung ausscheidungsgehärtet wurden. Diese Untersuchungen zeigen, dass 7xxx-Legierungen, die simultan beim Strangpressen lösungsgeglüht und in Wasser abgeschreckt wurden, an Raumtemperatur gelagert werden können, ohne dass dadurch die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflusst werden. Dahingegen führen Lösungsglühungen zu Veränderungen in der Kornmorphologie der Strangoberflächen und infolge von Erholungsprozessen tendenziell zu geringeren Festigkeiten. Untersuchungen an den zugverformten Proben zeigen, dass die ausscheidungsgehärteten Legierungen 7108 und 7020 transkristallin brechen, während die Legierungen 7021B und 7175 zusätzlich interkristallin brechende Bereiche aufweisen. Darüber hinaus konnte bei den quasistatischen und den dynamischen Druckversuchen infolge der Belastung innerhalb der durch das Strangpressen induzierten Fasermorphologie die Bildung von Scherbändern beobachtet werden, welche abhängig von der kristallographischen Textur und der Verformungsgeschwindigkeit ist.
In the present study the influences of different extrusion processes and heat treatments on the microstructure and the mechanical properties were investigated for four different 7xxx alloys (7108, 7020, 7021B, 7175). Furthermore, the quasi-static and dynamic deformability behaviors were analyzed regarding the changes in the grain morphology and the texture. For the different investigations dynamic differential scanning calorimetry, X-ray diffraction analyses, electron backscatter diffraction, optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and atom probe tomography were applied. For the mechanical characterization hardness test, quasi-static tensile and compression tests as well as dynamic compression tests were used. The extrusion processes were carried out using different extrusion ratios, product speeds and billet temperatures to analyze their influences on the extrudability, the grain morphology, crystallographic texture as well as formation and distribution of precipitates and particles. It is shown, that the alloys 7108, 7020 and 7021B are extrudable within a wide field of extrusion parameters. In case of alloy 7175 an eutectic phase occur due to the high product speed, which has a negative influence on subsequent processing. Therefore, the extrudability is limited to lower extrusion speeds. The mechanical properties of the 7xxx alloys are mainly influenced by heat treatments. Therefore, in this work a significant increase in the ductility was achieved, while the strength was increased at the same time. Using atom probe tomography it is shown, that the chemical composition and the volume fraction of the hardening phases in the matrix depends on the chemical composition of the alloy. Furthermore, the present work reveals that 7xxx alloys, which were natural aged before the artificial aging, do not embrittle. In fact the ductility and the strength of these specimens are at the same level like those which where artificial aged without a prior natural aging. The results show that 7xxx alloys, which got a simultaneous solution annealing during the extrusion process and were water quenched, are storable at room temperature, without getting negative influences on the mechanical properties. In contrast solution annealing processes lead to changes of the morphology at the strand surfaces and show a tendency to lower strength due to recovery processes. The analyses of the specimens deformed by tensile tests show, that the artificial aged alloys 7108 and 7020 show transcrystalline fracture behavior and 7021B and 7175 intercrystalline fracture behavior, additionally. Furthermore, within the fibre grains, which occur due to the extrusion process, the formation of shear bands were observed in case of quasi-static and dynamic compression tests. The formation of shear bands is dependent on the crystallographic texture and the deformation rate.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6415
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5962
Exam Date: 24-Jan-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 29-Jun-2017
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Aluminiumlegierungen
Mikrostruktur
Strangpressen
Wärmebehandlungen
Verformungsmechanismen
aluminium alloys
microstructure
extrusion
heat treatments
deformation mechanisms
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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