Reduzierung der Zwillingsbildung durch gelöste Legierungselemente zur Erzeugung isotroper Mg-Strangpressprodukte
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Forschungsprojekt wurde der Einfluss verschiedener Elemente der Seltenen Erden auf das Verformungsverhalten und die mechanischen Eigenschaften stranggepresster Magnesiumprodukte mittels Mikroskopie (REM, TEM), mechanischer Prüfung, Diffraktion und Simulationen mit dem polykristallinem Plastizitätsmodell EPSC untersucht. Durch das Zulegieren der Seltenen Erden Neodym, Ytterbium und Yttrium, dem Anpassen der Prozessparameter des Strangpressens und unter Variation der Wärmebehandlungen wurden die mikrostrukturellen Parameter Korngröße, Textur und Ausscheidungszustand beeinflusst. Diese mikrostrukturellen Parameter haben Einfluss auf das Verformungsverhalten, insbesondere die mechanische Zwillingsbildung. Es konnte gezeigt werden, dass mehrere Möglichkeiten bestehen, diese effektiv zu reduzieren. Anhand der Modifikation der Texturen durch Variation der Strangpressparameter, Vorverformung und Wärmebehandlung sowie anhand von Wärmebehandlungen zum Einstellen des Ausscheidungszustands konnten mechanisch isotrope Eigenschaften der Strangpressprodukte erzielt werden. Mg-Nd: Neodym hat einen starken Einfluss auf die Textur, welche stark modifiziert ist im Vergleich zu konventionellen (10.0)/(11.0)-Strangpresstexturen von Mg-Legierungen. EPSC-Simulationen zeigen, dass die hauptsächlich in (11.2) orientierten Körner -Gleitsysteme begünstigen und hohe kritische Schubspannungen für die die ansonsten leicht zu aktivierende Zugzwillingsbildung aufweisen. Die Stränge der Mg-Nd-Legierung haben außerdem die geringsten Korngrößen der untersuchten Legierungen. Das wirkt sich weiterhin positiv auf die Reduzierung der Zugzwillingsbildung aus, steigert gleichzeitig die Festigkeit und erfüllt die Ziele des Vorhabens in Gänze. Durch Wärmebehandlungen bei Temperaturen von 150 °C bis 300 °C können die Stauch- und Streckgrenze zusätzlich gleichmäßig gesteigert werden, wobei die mechanische Isotropie erhalten bleibt. Mg-Nd-Zn: Das Hinzufügen von Zink zur Mg-Nd-Legierung führt zu größeren Korngrößen und Anteilen konventioneller (10.0)/(11.0)-Texturkomponenten. Aufgrund von gesteigerter Aktivität von Zwillingsbildung und gesunkenen kritischen Schubspannungen sind die Stränge mechanisch anisotrop. Wärmebehandlungen haben durch eine verändertere Ausscheidungsbildung einen nur geringen Effekt. Die positiven Eigenschaften der binären Mg-Nd-Legierung konnten somit nicht wie beabsichtigt zusätzlich in den ternären Legierungen gesteigert werden. Mg-Yb: Magnesium-Ytterbium Strangpressprodukte zeichnen sich durch stark abgeschwächte Texturen aus, sodass jedoch auch Kornorientierungen vorliegen, welche bei Druckbelastung entlang der Extrusionsrichtung günstig für Zugzwillingsbildung orientiert sind. Das führt zu einer stark reduzierten Stauchgrenze. Bei den Vergleichsstrangpressparametern, die bei allen Legierungen gleich gewählt wurden, haben diese Stränge die größten Korngrößen aller untersuchten Legierungen und daher niedrige Festigkeiten. Anschließende Wärmebehandlungen zur Festigkeitssteigerung sind aufgrund der Ausscheidungssequenz nicht sehr effektiv. Wärmebehandlungen nach vorheriger Druckvorverformung können das weitere Zwillingswachstum erschweren. Sollte jedoch im Anschluss wieder unter Zugbeanspruchung verformt werden, ist die Streckgrenze im Vergleich zum as-extruded Zustand aufgrund von Zwillingsrückbildung stark reduziert und ähnlich hoch wie die Stauchgrenze. Ein besserer Weg zur Reduktion der Zug-Druck-Asymmetrie ist das Anpassen der Strangpressparameter, sodass die (11.2)-Seltenerdtextur verstärkt und die Korngröße gesenkt wird. Dieser Weg führte zu reduzierter Zugzwillingsaktivität, geringer mechanischer Anisotropie und gesteigerten Festigkeiten. Mg-Y: Yttrium weist eine höhere Löslichkeit in Magnesium auf als die anderen Seltenerdelemente. Niedrige Legierungsanteile zeigen ähnliche Ergebnisse wie für die Mg-Yb-Stränge. Jedoch sind die Korngrößen kleiner und daher die Festigkeiten höher. Diese können zusätzlich effektiv mit Wärmebehandlungen gesteigert werden. Durch die Anpassung der Strangpressparameter konnte die (11.2)-Seltenerdtextur verstärkt und die Zugzwillingsbildung auf diesem Wege reduziert werden. Alternativ erschwert die Erhöhung des Yttriumanteils ebenfalls die Zwillingsbildung, obwohl dadurch die Seltenerdtextur abgeschwächt wird und wieder verstärkt konventionelle (10.0)/(11.0)-Strangpresstexturen vorliegen. Grund ist hier, dass der erhöhte gelöste Yttriumanteil die kritischen Schubspannungen anhebt, die notwendig sind, um die Zugzwillingsbildung zu aktivieren. Folglich wird unter Druckbeanspruchung trotz höherer Aktivität von Zugzwillingsbildung die Stauchgrenze gesteigert und ist dann auf vergleichbarer Höhe mit der Streckgrenze. Somit konnte auch für das Mg-Y-Legierungssystem das Ziel der Realisierung der mechanischen Isotropie erreicht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
EDDI Workshop - HZB user meeting 2017, Berlin, Investigations performed at EDDI about the deformation mechanisms in hexagonal Mg alloys
J. Schmidt, M. Lentz, M. Huppmann, W. Reimers
