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Deformation and recrystallization mechanisms of Mg-Al-Nd and Mg-Zn-Nd alloys

Zeng, Xun

In the present study, the influence of the rare earth (RE) elements addition on the deformation and recrystallization mechanisms of Mg alloys were investigated using Mg-Nd based alloys. The main focus of the study was given to unveil the interrelationship between the alloy compositions, microstructure and texture developments during deformation and recrystallization annealing, and the resulting mechanical properties. To reach the complex goals, the quasi in-situ tension and annealing experiments were carried out in combination with the electron backscatter diffraction (EBSD) measurements on the Mg-Nd based alloys with the addition of Al (AN12) or Zn (ZN12). The contributions of different deformation modes could be determined by analyzing the slip traces and the twin variant selections occurred during the uniaxial tension. The microstructure and texture evolution during recrystallization annealing were investigated with respect to the distinct nucleation and grain growth processes between the examined alloys. The main conclusions are summarized as follows: the ZN12 alloy shows better formability with a higher fracture strain and strain hardening exponent than those of the AN12 alloy. When comparing the grains with similar sizes and Schmid factor (SF) values, higher activities of dislocation slip and twinning are observed in the ZN12 than the AN12. Basal slip is the dominant slip mode in both samples. Non-basal slip and tensile twinning are already activated in the early deformation stage (ε = 0.02) in the ZN12 sample, whereas they are rarely observed in the AN12 sample. It is supposed that the ZN12 sample has a lower CRSS for basal slip and CRSS ratio of non-basal to basal slip compared with the AN12 sample. The strain accommodation is more difficult in the AN12 sample due to insufficient deformation modes, leading to premature cracks. During the recrystallization annealing, the strong basal-type texture is retained in the hot-rolled AN12 sample, while the RD spread texture component becomes less distinct in the ZN12 sample. Secondary twins act as the preferred sites of the nucleation in the AN12, and the nuclei grow rapidly by consuming the twins. The recrystallization nuclei show the orientation corresponding to the RD spread texture, which is similar to the secondary twin orientation. Apart from the twin induced nucleation, the strain induced grain boundary migration is also observed in the AN12 sample which strengthens the deformation texture. On the contrary, the ZN12 sample shows a retarded recrystallization process due to the precipitation at the grain and twin boundaries. The precipitates at twin boundaries restrict the growth of recrystallization nuclei within the secondary twins. Apart from secondary twins, ternary twins are found in the ZN12 sample, which result in the recrystallization nuclei with scatter basal poles and a weak texture. In the early annealing stage, the formation of dislocation cells is also found in the ZN12 sample. The merging of the dislocation cells is difficult owing to the low dislocation density within the cells.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des Zusatzes von Seltenen Erden (RE) auf die Verformungs- und Rekristallisationsmechanismen von Mg-Legierungen anhand von Mg-Nd-Basislegierungen untersucht. Der Fokus dieser Studie lag auf der Untersuchung der Zusammenhänge zwischen den Legierungszusammensetzungen, der Mikrostruktur- und Texturentwicklung während der Verformungs- und Rekristallisationsglühung und den daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften. Um die komplexen Ziele zu erreichen, wurden die quasi in-situ Zugversuche und Wärmebehandlungen in Kombination mit den Elektronenrückstreuungsbeugungsmessungen (EBSD) an den Mg-Nd-Basislegierungen mit dem Zusatz von Al (AN12) oder Zn (ZN12) durchgeführt. Die Beiträge der verschiedenen Verformungsmodi konnten durch die Analyse der Gleitlinien und der verschiedenen Zwillinge, die während der einachsigen Zugversuche auftraten, bestimmt werden. Das Mikrostruktur und die Texturentwicklung während des Rekristallisationsglühens wurden im Hinblick auf die unterschiedlichen Keimbildungs- und Kornwachstumsprozesse zwischen den untersuchten Legierungen analysiert. Die wichtigsten Schlussfolgerungen sind: Die ZN12-Legierung zeigte eine verbesserte Umformbarkeit mit einer höheren Bruchdehnung und einem höheren Verfestigungsexponenten als die AN12-Legierung. Selbst beim Vergleich der Körner mit ähnlichen Größen und Schmid-Faktor (SF)-Werten wurden höhere Aktivitäten des Versetzungsgleiten und der Zwillinge in der ZN12 als in der AN12 beobachtet, während basales Gleiten der dominante Gleitmodus in beiden Proben ist. Nichtbasales Gleiten und Zugzwillinge werden in der ZN12-Probe bereits in der frühen Verformungsphase (ε = 0,02) aktiviert, während sie in der AN12-Probe nur selten beobachtet werden. Es wird vermutet, dass die ZN12-Probe im Vergleich zur AN12-Probe ein geringeres CRSS des basalen Gleiten und ein geringeres CRSS-Verhältnis von nichtbasalem zu basalem Gleiten aufweist. Die Dehnungsaufnahme ist in der AN12-Probe aufgrund unzureichender Verformungsmodi schwieriger, was zu den vorzeitigen Bruch führt. Während des Rekristallisationsglühens wird die starke basale Textur in der warmgewalzten AN12-Probe beibehalten, während die in Walzrichtung gekippte Texturkomponente in der ZN12-Probe weniger deutlich wird. Sekundäre Zwillinge fungieren als die bevorzugten Orte der Keimbildung im AN12, und die Keime wachsen schnell, indem sie die Zwillinge aufbrauchen. Die Rekristallisationskeime zeigen die der in Walzrichtung gekippte Textur entsprechende Orientierung, die der Orientierung der sekundären Zwillinge ähnlich ist. Abgesehen von der zwillingsinduzierten Keimbildung wurde in der AN12-Probe auch die dehnungsinduzierte Korngrenzenwanderung beobachtet, die die Verformungstextur verstärkte. Im Gegensatz dazu zeigte die ZN12-Probe einen verzögerten Rekristallisationsprozess aufgrund von Ausscheidungen an Korn- und Zwillingsgrenzen. Die Ausscheidungen an den Zwillingsgrenzen schränken das Wachstum der Rekristallisationskeime innerhalb der sekundären Zwillinge ein. Neben den sekundären Zwillingen wurden in der ZN12-Probe auch ternäre Zwillinge gefunden, die zu Rekristallisationskeimen mit zerstreuten Basalpolen und einer schwachen Textur führten. In der frühen Glühphase wurde die Bildung von Versetzungszellen auch in der ZN12-Probe gefunden. Die Verschmelzung der Versetzungszellen ist aufgrund der geringen Versetzungsdichte innerhalb der Zellen schwierig.