Study of the microstructure and texture evolution during extrusion and their effect on the mechanical properties of Mg-Zn based alloys modified with Ca or Nd

dc.contributor.advisorFleck, Claudia
dc.contributor.authorCano-Castillo, Guadalupe
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeFleck, Claudia
dc.contributor.refereeKainer, Karl Ulrich
dc.date.accepted2022-01-05
dc.date.accessioned2022-03-25T11:38:27Z
dc.date.available2022-03-25T11:38:27Z
dc.date.issued2022
dc.description.abstractMagnesium based alloys are attractive materials to be used in the fabrication of structural and non-structural components of automobiles and casings for electronics. They are also becoming increasingly attractive for the aerospace industry. This is due to their combined low density with excellent specific properties. However, wrought magnesium alloys must be improved due to their often-strong crystallographic textures during processing which can result in low mechanical properties. This is mainly caused by the hexagonal closed packed crystal (HCP) structure and the lack of sufficient independent slip systems. The improvement of the mechanical properties can be achieved by the activation of different deformation modes, for this reason, special attention must be given to the understanding of their activity. The present work has been carried out to study the extrusion processing of the Mg-Zn, Mg-Zn-Ca and Mg-Zn-Nd alloys. A focus was given to the influence of the Neodymium (Nd) and Calcium (Ca) additions on the microstructural evolution, texture development and recrystallization behavior of the Mg-Zn based alloy. In that regard, the crystallographic texture formed in the wrought Mg alloys depends on the active deformation mechanisms during the thermomechanical processing but also during recrystallization. Mostly, two different recrystallization processes influence the microstructure and crystallographic texture, i.e. dynamic (DRX) and static recrystallization (SRX). DRX process takes place during the thermomechanical processing while SRX after processing. Both recrystallization processes were investigated in this work. Furthermore, a detailed analysis on deformation mechanisms has been carried out by applying a crystal plasticity model, i.e. the viscoplastic self-consistent (VPSC) model and by following the slip trace methodology combined with electron backscatter diffraction (EBSD) measurements in deformed tensile/compression samples. During processing, the binary Mg-Zn alloy showed a homogenous, coarse and completely recrystallized microstructure, whereas the ternary Ca containing alloy also exhibited a completely recrystallized but finer microstructure. Contrarily, the ternary Nd containing alloy displayed a partly recrystallized microstructure at some extrusion conditions. At the completion of the recrystallization process, a fine microstructure was formed which was finer than that observed in the Ca containing alloy. This result indicates that the Ca and Nd additions not only induce a delay in the DRX process but also in grain coarsening. In addition, the Mg-Zn alloy exhibited in general a basal crystallographic texture <1120>-<1010>, whereas in the Ca containing alloy the main texture component is the <1011> pole. Finally, in the Nd containing alloy, the <1121> pole dominates the texture. In contrast, if partly recrystallized microstructures are annealed, it was found that this distinctive behavior could be changed. The non-basal texture observed after the DRX process evolved to a basal texture after the SRX process. This leads to an increase of the importance of SRX and a different resulting texture while maintaining a similar grain structure. Uni-axial tensile and compression tests of the extruded alloys showed that the addition of Nd and Ca results in a significant increase ductility at room temperature. Additionally, there is a remarkable reduction of the tension-compression yield asymmetry. These properties are due to non-basal crystallographic textures and the activity of non-basal deformation modes. The VPSC simulations demonstrated that basal <a> slip and prismatic <a> dominate the tension deformation of the Mg-Zn alloy, whereas extension twining and basal <a> slip control the deformation in compression. In Mg-Zn-Ca and Mg-Zn-Nd alloys, additionally to basal <a> and prismatic <a> modes, evidence of pyramidal <a> was observed in tension. Although basal <a> slip and extension twinning accommodated the deformation in compression, pyramidal <a>, pyramidal I <c+a> and pyramidal II <c+a> played an important role during the deformation. The deformation modes activity observed during the slip trace analysis is comparable with the obtained during the VPSC simulations.en
dc.description.abstractMagnesiumlegierungen sind attraktive Werkstoffe für die Herstellung von nicht-strukturellen Automobilbauteilen und Gehäusen für Elektronik. Auch für die Luft- und Raumfahrtindustrie werden sie immer interessanter. Dies liegt an der Kombination aus geringer Dichte und hervorragenden spezifischen Eigenschaften. Knetlegierungen aus Magnesium müssen jedoch verbessert werden, da sie bei der Herstellung oft starke kristallografische Texturen aufweisen, die zu schlechten mechanischen Eigenschaften führen können. Dies ist vor allem auf die hexagonale Kristallstruktur (HCP) und das Fehlen von ausreichend unabhängigen Gleitsystemen zurückzuführen. Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften kann durch die Aktivierung verschiedener Verformungsmechanismen erreicht werden, deshalb muss dem Verständnis ihrer Aktivität besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Die vorliegende Arbeit wurde durchgeführt, um die Strangpressbarkeit der Legierungen Mg-Zn, Mg-Zn-Ca und Mg-Zn-Nd zu untersuchen. Ein Schwerpunkt wurde auf den Einfluss von Neodym- (Nd) und Calcium- (Ca) auf die mikrostrukturelle Entwicklung, die Texturentwicklung und dass Rekristallisationsverhalten der Mg-Zn-Basislegierung gesetzt. Dabei hängt die kristallographische Textur, die sich in den Mg-Knetlegierungen ausbildet, von den aktiven Verformungsmechanismen während der thermomechanischen Verarbeitung, aber auch während der Rekristallisation ab. Meistens beeinflussen zwei verschiedene Rekristallisationsprozesse das Mikrostruktur und die kristallographische Textur, nämlich die dynamische (DRX) und die statische Rekristallisation (SRX). Der DRX-Prozess findet während der thermomechanischen Verarbeitung statt, während SRX nach dem Prozess erfolgt. Beide Rekristallisationsprozesse wurden in dieser Arbeit untersucht. Darüber hinaus wurde eine detaillierte Analyse der Verformungsmechanismen durch Anwendung eines Kristallplastizitätsmodells, d. h. des viscoplastic self-consistent (VPSC) model, und durch die Anwendung der slip trace Methode in Kombination mit electron backscatter diffraction (EBSD) Messungen an verformten Zug-/Druckproben durchgeführt. Während der Verarbeitung zeigte die Mg-Zn-Legierung ein homogenes, grobes und vollständig rekristallisiertes Mikrostruktur, während die Ca-haltige Legierung ebenfalls ein vollständig rekristallisiertes, aber feineres Mikrostruktur aufwies. Im Gegensatz dazu zeigte die Nd-haltige Legierung bei einigen Strangpressbedingungen ein teilweise rekristallisierte Mikrostruktur. Nach Abschluss des Rekristallisationsprozesses bildete sich ein feinkörniges Gefüge, das feiner war als dass in der Ca-haltigen Legierung beobachtete. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Ca- und Nd-Zusätze nicht nur eine Verzögerung des DRX-Prozesses, sondern auch der Kornvergröberung bewirken. Darüber hinaus wies die Mg-Zn-Legierung im Allgemeinen eine basale kristallographische Textur <1120>-<1010> auf, während in der Ca-haltigen Legierung die Haupttexturkomponente der <1011> Pole ist. In der Nd-haltigen Legierung dominiert der <1121> Pole die Textur. Werden dagegen teilweise rekristallisierte Mikrostruktur geglüht, so konnte dieses ausgeprägte Texturverhalten verändert werden. Die nach dem DRX-Prozess beobachtete nicht-basale Textur entwickelte sich nach dem SRX-Prozess zu einer basalen Textur. Dies führt zu einer Erhöhung der Bedeutung von SRX und einer anderen resultierenden Textur bei gleichbleibender Kornstruktur. Einachsige Zug- und Druckversuche an den stranggepressten Legierungen zeigten, dass die Zugabe von Nd und Ca zu einer signifikanten Erhöhung der Duktilität bei Raumtemperatur führt. Zusätzlich kommt es zu einer bemerkenswerten Verringerung der Zug-Druck-Asymmetrie. Diese Eigenschaften sind auf nicht-basale kristallographische Texturen und die Aktivität nicht-basaler Verformungsmechanismen zurückzuführen. Die VPSC-Simulationen zeigten, dass basales <a> Gleiten und prismatisches <a> die Verformung im Zugversuch der Mg-Zn-Legierung dominieren, während Dehnungszwillinge und basales <a> Gleiten die Verformung im Druckversuch kontrollieren. In Mg-Zn-Ca- und Mg-Zn-Nd-Legierungen wurden zusätzlich zu den basalen <a>- und prismatischen <a>-Modi Anzeichen von pyramidalem <a> in der Spannung beobachtet. Obwohl basales <a> Gleiten und Zugzwillinge die Verformung in der Kompression aufnahmen, spielten pyramidales <a>, pyramidales I <c+a> und pyramidales II <c+a> eine wichtige Rolle während der Verformung. Die Aktivität der Verformungsmoden, die während der Analyse der Gleitspuren beobachtet wurde, ist vergleichbar mit den Ergebnissen der VPSC-Simulationen.de
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/16353
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-15129
dc.language.isoenen
dc.relation.referenceshttps://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139527
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/en
dc.subject.ddc669 Metallurgiede
dc.subject.otherMg-Zn alloysen
dc.subject.otherextrusionen
dc.subject.othermicrostructureen
dc.subject.othercrystallographic textureen
dc.subject.otherVPSC simulationen
dc.subject.otherMg-Zn-Legierungende
dc.subject.otherStrangpressende
dc.subject.otherMikrostrukturde
dc.subject.otherkristallographische Texturde
dc.subject.otherVPSC-Simulationde
dc.titleStudy of the microstructure and texture evolution during extrusion and their effect on the mechanical properties of Mg-Zn based alloys modified with Ca or Nden
dc.title.translatedUntersuchung der Mikrostruktur- und Texturentwicklung während des Strangpressens und ihrer Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften von mit Ca oder Nd modifizierten Mg-Zn-Basislegierungende
dc.typeDoctoral Thesisen
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.accessrights.dnbfreeen
tub.affiliationFak. 3 Prozesswissenschaften>Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien>FG Werkstofftechnikde
tub.affiliation.facultyFak. 3 Prozesswissenschaftende
tub.affiliation.groupFG Werkstofftechnikde
tub.affiliation.instituteInst. Werkstoffwissenschaften und -technologiende
tub.publisher.universityorinstitutionTechnische Universität Berlinen
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