Search

Magnesium-Knetlegierungen haben hohe spezifische Festigkeiten und bieten somit ein hohes Potential für Gewichtseinsparungen in Leichtbauanwendungen. Aufgrund der Mikrostruktur, die durch die Warmumformung entsteht, weisen sie jedoch häufig starke Asymmetrien der mechanischen Eigenschaften auf. Insbesondere unterscheiden sich die Dehngrenzen bei Druck- und Zugbelastung (engl.: Strength Differential Effect, SDE), aufgrund der aktiven Verformungssysteme. Durch Zusätze von Elementen der Seltenen Erden (SE) kann die Mikrostruktur und damit die mechanischen Eigenschaften positiv beeinflusst werden. Im Rahmen dieser Arbeit 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 einem polykristallinem Plastizitätsmodell (engl.: Elastic Plastic Self Consistent, EPSC) untersucht. Durch das Zulegieren der Seltenen Erden Neodym (Nd), Ytterbium (Yb) und Yttrium (Y), dem Anpassen der Prozessparameter des Strangpressens und unter Variation der Wärmebehandlungen wurden die mikrostrukturellen Parameter Korngröße, Textur und Ausscheidungszustand der Legierungen Mg2Nd, Mg2Yb, Mg2Y, Mg4Y und Mg8Y beeinflusst. Diese mikrostrukturellen Parameter haben Einfluss auf das Verformungsverhalten, insbesondere auf die mechanische Zwillingsbildung. Als Ziel der Arbeit sollen die Festigkeiten und Duktilität der Strangpressprodukte über weite Grenzen eingestellt werden können, wobei diese zeitgleich eine geringe Anisotropie und Asymmetrie der mechanischen Eigenschaften aufweisen sollen. Der Zusatz von Nd hat einen starken Einfluss auf die Textur, sodass sich vorteilhafte Kristallorientierungen ausbilden und in Druckversuchen eine für Mg Legierungen ungewöhnlich geringe Zugzwillingsaktivität beobachtet wird. Dies wiederum führt zu geringen SDEs. Durch Anpassung der Strangpressparameter kann die Korngröße der Mg2Nd-Legierung schrittweise verringert werden, wodurch sich die Festigkeit deutlich erhöht. Nachfolgende Wärmebehandlungen führen zur Bildung feiner Ausscheidungen, die ebenfalls einen erheblichen verfestigenden Effekt haben und die Dehngrenzen bei Druck und Zugbelastung auf bis zu 200 MPa erhöhen. Die Asymmetrie der Streckgrenze wird dabei auf ein Minimum reduziert und es werden immer noch Bruchdehnungen von etwa 0,2 erreicht. Bei niedrigeren Festigkeiten werden Bruchdehnungen von bis zu 0,41 erreicht. Die Mikrostruktur der Mg2Yb-Strangpressprofile neigen zu größeren Korngrößen und unvorteilhaften Texturen. Dies führt zu intensiver Zugzwillingsbildung unter Druckbelastung, was zu hohen SDEs führt. Nachfolgende Wärmebehandlungen sind weniger effektiv als bei Mg2Nd, können die Dehngrenzen aber dennoch erhöhen. Da die verfestigende Wirkung auf die Gleitsysteme stärker ist als auf die Bildung von Zugzwillingen, führt dies zu einer weiteren Erhöhung der SDEs. Durch Anpassung der Strangpressparameter kann jedoch eine vorteilhafte SE Textur eingestellt und die Korngröße reduziert werden. Dies geht mit einer deutlichen Erhöhung der Dehngrenzen einher. Da insbesondere die Zugzwillingsbildung sehr empfindlich auf die Korngröße reagiert, steigt die Stauchgrenze stärker an als die Streckgrenze. Daher ist es auch möglich, für die Mg2Yb-Legierung einen SDE nahe 0 zu erreichen. Y weist eine höhere Löslichkeit in Magnesium auf als Nd und Yb. Die Legierung Mg2Y zeigt ähnliche Ergebnisse wie für die Mg2Yb Stränge. Jedoch sind die Korngrößen kleiner und daher die Festigkeiten höher. Y begünstigt die Aktivierung des pyramidalen Gleitsystems, was zu höheren Bruchdehnungen führt. Mit steigendem Y-Gehalt sinkt jedoch die Bruchdehnung, die Festigkeiten steigen im Gegenzug signifikant an. Weiterhin kann die Festigkeit effektiv mit Wärmebehandlungen gesteigert werden. Durch die Anpassung der Strangpressparameter kann die SE Textur der Mg2Y Strangpressprofile verstärkt und die Zugzwillingsbildung auf diesem Weg reduziert werden. Die Legierungen mit höherem Y Gehalt mit unvorteilhaften Texturen zeigen weiterhin hohe Aktivitäten von Zugzwillingsbildung, jedoch hat die Mischkristallverfestigung einen starken Effekt auf die kritischen Schubspannungen, 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, sodass diese Produkte ebenfalls geringe SDEs und hohe Festigkeiten erzielen., Wrought magnesium alloys have high specific strengths and thus offer high potential for weight savings in lightweight applications. However, due to the microstructure formed by hot working, they often exhibit strong asymmetries in mechanical properties. In particular, the yield strength in compression and tension (Strength Differential Effect, SDE) differ due to the active deformation systems. Additions of rare earth elements (RE) can positively influence the microstructure and thus the mechanical properties. In this work, the influence of different rare earth elements on the deformation behavior and mechanical properties of extruded magnesium products was investigated by means of microscopy (SEM, TEM), mechanical testing, diffraction, and simulations with a polycrystalline plasticity model (Elastic Plastic Self Consistent, EPSC). By adding the rare earths neodymium (Nd), ytterbium (Yb) and yttrium (Y), adjusting the extrusion process parameters and varying the heat treatments, the microstructural parameters of grain size, texture, and precipitation state of the alloys Mg2Nd, Mg2Yb, Mg2Y, Mg4Y and Mg8Y were affected. These microstructural parameters affect the deformation behavior, especially the mechanical twinning. As an aim of this research, the strength and ductility of the extruded products should be adjustable over a wide range, while at the same time exhibiting low anisotropy and asymmetry of the mechanical properties. The addition of Nd has a strong effect on texture, resulting in the formation of advantageous textures. In compression tests, unusually low tensile twinning activity is observed. This in turn leads to low SDEs. By adjusting the extrusion parameters, the grain size of the Mg2Nd alloy can be gradually reduced, resulting in a significant increase in yield strength. Subsequent heat treatments lead to the formation of fine precipitates, which also have a significant strengthening effect and increase the yield strengths in compression and tension up to 200 MPa. The asymmetry of the yield strength is thereby reduced to a minimum and elongations to fracture of about 0.2 are still achieved. At lower strengths, elongations to fracture of up to 0.41 are achieved. The microstructure of extruded Mg2Yb tends to have larger grain sizes and unfavorable textures. This leads to intense tensile twinning under compressive stress, resulting in high SDEs. Subsequent heat treatments are less effective than for Mg2Nd but can still increase yield strengths. Since the strengthening effect on the slip systems is stronger than on the formation of tensile twins, this leads to a further increase in SDEs. However, by adjusting the extrusion parameters, a more advantageous RE texture can be achieved, and the grain size reduced. This is accompanied by a significant increase in the yield strengths. Since tensile twinning is particularly sensitive to grain size, the compressive yield strength increases more than the tensile yield strength. Therefore, it is also possible to achieve an SDE close to 0 for the Mg2Yb alloy. Y exhibits higher solubility in magnesium than Nd and Yb. The Mg2Y alloy shows similar results as for the Mg2Yb. However, the grain sizes are smaller and therefore the yield strengths are higher. Y favors the activation of the pyramidal slip system, resulting in higher elongations to fracture. However, as the Y content increases, the elongation to fracture decreases and, in turn, the yield strengths increase significantly. Furthermore, the yield strength can be effectively increased with heat treatments. By adjusting the extrusion parameters, the RE texture of the Mg2Y extrusions can be strengthened and the tensile twinning can be reduced. The alloys with higher Y content with unfavorable textures still show high activities of tensile twinning, but solid solution strengthening has a strong effect on the critical shear stresses required to activate tensile twinning. Consequently, under compressive stress, despite higher activity of tensile twinning, the compressive yield strength is increased and is then at comparable level with the tensile yield strength, so that these products also achieve low SDEs and high strengths.

Das Hochtemperaturverformungsverhalten oxidpartikelverstärkter Stähle wurde untersucht und mit den resultierenden mikrostrukturellen Veränderungen korreliert. Aus den Ergebnissen wurde ein viskolpastisches Stoffgesetz abgeleitet und das Verformungsverhalten modelliert.