Precipitation kinetics in thermo-mechanical forming of aluminium alloys

Abstract

Die aushärtbaren Aluminiumlegierungen AW7020, AW6016, AW6061 und AW6082 haben eine gute Korrosionsbeständigkeit, hohe spezifische Biegesteifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht. Sie stehen mit Stahl in Konkurrenz für Bauteile in Verkehrsmitteln. Aushärtbare Aluminium-Legierungen haben bei Raumtemperatur schlechtere Formbarkeit als Stahl, was für Umform-Verfahren wie Hydroforming und Tiefziehen verbessert werden muss. Umformen bei höheren Temperaturen verbessert die Umformbarkeit dieser Al-Legierungen. In dieser Arbeit werden Zugversuche bei Temperaturen zwischen 0.3Tm und 0.5Tm (Halbwarmumformung) mittels einer Gleeble Apparatur mit Proben in verschiedenen Zuständen aus AW7020T1, AW6082T1, AW6016T4 und AW6016T4S durchgeführt. Die Proben werden vor Warmzugversuchen einer Reversionswärmebehandlung unterworfen, um Anfangszustände der verfestigenden Ausscheidungen aufzulösen und die Duktilität zu erhöhen. Der Einflüss der Dehnrate auf die Fließkurve wird untersucht und es werden geeignete Parameter für die thermo-mechanische Behandlung vorgeschlagen: 230°C/25s für AW6016, 250°C/30s für AW6082 und AW7020.<br />Wärmebehandlung und Halbwarmumformung verändern die Ausscheidungszustände der Legierungen. Differentialscanningkalorimetrie, Dilatometrie und Transmissionselektronenmikroskopie werden eingesetzt, um die Ausscheidungszustände der Legierungen zu untersuchen. Die Temperaturabhängigkeit der physikalischen, thermischen Ausdehnungskoeffizienten wird mit der Wärmeentwicklung in der Differentialscanningkalorimetrie korreliert. Dilatometrie zeigt, dass die Ausscheidung bzw. Auflösung von GPZ,eta', eta-MgZn2 Phasen in AW7020 eine Verlangsamung bzw. Beschleunigung der thermischen Ausdehnung gegenüber reinem Al bewirkt. Die Ausscheidung von Si führt zu einer Beschleunigung der Expansion in der AW6016 Legierung, während deren Auflösung eine verminderte Ausdehnung bewirkt. Mg2Si Ausscheidung und Auflösung wirken sich nicht auf die Dilatometrie-Kurven aus. Überlagerte endo- und exotherme effekte in den DSC-Thermogrammen werden mit Dilatometerkurven der Legierungen korreliert. Die Dilatometrie erweist sich als eine ergänzende Methode zur Differentialscanningkalorimetrie Zum studium der ausscheidungskinetik. Der Temperatur-Zeit-Verlauf bei der Halbwarmumformung wird mittels Auscheidungskinetik begründet. Die nachfolgende Warmaushärtburkeit wird belegt.<br />

Age hardenable AW7020, AW6016, AW6061 and AW6082 aluminium alloys have good corrosion resistance, high specific bending stiffness and strength at light weight. Al alloys compete with steel for structural parts in vehicles. On the other hands, age hardenable aluminium alloys have poor room temperature formability which needs to be improved for hydroforming and deep drawing. Forming at high temperatures can improve the formability. In this work, tensile tests at temperatures between 0.3Tm and 0.5Tm ( warm forming) are carried out by means of a GLEEBLE machine on AW7020T1, AW6082T1, AW6016T4 and AW6016T4S alloy conditions. Retrogression heat treatments are applied to the alloys before warm deformation under tensile loading to dissolve hardening precipitates and to reduce the flow stress. The effect of the temperature and the strain rate on the flow behavior is investigated.<br />Suitable parameters for thermo-mechanical forming are suggested:<br />230°C/25s for AW6016, 250°C/30s for AW6082 and 250°C/30s for AW7020.<br />Heat treatments and warm deformation change the precipitation state of the materials. Differential scanning calorimetry, Dilatometry and Transmission electron microscopy are used to investigate the precipitation state of the alloys after different heat treatments. The temperature dependence of the instantaneous thermal expansion coefficient is correlated with the heat evolution in differential scanning calorimetry. Dilatometry reveals that the precipitation and dissolution of GPZ,eta',eta-MgZn2 phases in an AW7020 alloy show retardation and acceleration in the expansion with respect to pure Al, respectively. Si precipitation produces an acceleration of the expansion of the AW6016 alloy during heating, while Si dissolution causes retardation of expansion. Mg2Si precipitation and dissolution do not affect the dilatometry curve. Superimposed endo- and exothermic effects from DSC thermograms can be interpreted by dilatometer curves of the alloys. The dilatometry proved to be a complementary technique for differential scanning calorimetry to distinguish some steps within the precipitation kinetics. Thus the parameter of warm deformation can be based on the achievable precipitation condition which allows re-ageing after forming.