Recrystallization in a dispersoid-free Al-Mg-Si model alloy

Abstract

Dispersoide in Aluminiumlegierungen der 6xxx-Reihe sind intermetallische Phasen bestehend aus Al, Fe, Cr, Mn und Si mit einer Größe von 0,02-0,5m. Sie entstehen bei hohen Temperaturen und spielen eine wichtige Rolle in der thermomechanischen Verarbeitung. Die Dispersoide behindern die Versetzungsbewegungen und reduzieren dadurch Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum. Dieser Effekt, genannt Zener Drag, hat direkten Einfluss auf die resultierende Festigkeit und Duktilität des verarbeiteten Materials. Im Zuge dieser Diplomarbeit wurde im Speziellen das Rekristallisationsverhalten einer dispersoidfreien Aluminiumlegierung während der Warmumformung untersucht. Für diesen Zweck wurde eine Modelllegierung gesucht, in der keine Dispersoidbildung möglich ist und die im Weiteren als Referenz im Vergleich mit regulärem 6061 dient. Als Modelllegierung wurde ein Al-Mg-Si-Barren mit einem möglichst geringen Gehalt an dispersoidbildenden Elementen wie Fe, Cr und Mn hergestellt. Dieser wurde im Labor einer Wärmebehandlung unterzogen und daraufhin auf Dispersoidbildung untersucht. Mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie konnte nachgewiesen werden, dass die Dispersoidbildung erfolgreich unterdrückt werden konnte. Im nächsten Schritt wurden Proben des Materials in einem Dilatometer auf 550C erhitzt, homogenisiert, verformt und danach abgeschreckt. Dabei wurden der Verformungsgrad, die Verformungsgeschwindigkeit und die Haltezeit nach der Verformung schrittweise variiert. Anschließend wurde die Mikrostruktur der verformten Proben mittels 'electron backscatter diffraction' untersucht. Daraus ergaben sich Kristallorientierungen, woraus wiederum direkt auf die Korngröße und den Rekristallisationsgrad geschlossen werden konnte. Die Ergebnisse zeigten wie erwartet, dass mit größerem Verformungsgrad, höherer Verformungsgeschwindigkeit und längerer Haltezeit der Rekristallisationsgrad zunimmt. In nur wenigen Sekunden war die Rekristallisation im dispersoidfreiem Material vollständig abgeschlossen. Bei vergleichbaren Parametern in Anwesenheit von Dispersoiden benötigt die Rekristallisation ein Vielfaches der Zeit. Dank der neuen dispersoidfreien Legierung kann nun in weiteren Versuchsreihen der Beitrag des Zener Drags zur Rekristallisationskinetik in den verschiedenen Parametervariationen ermittelt werden.

Dispersoids in 6xxx-series aluminium alloys are intermetallic phases consisting of Al, Fe, Cr, Mn, and Si with a size of 0.02-0.5m. They form during high temperature heat treatments and play a significant role in thermomechanical processing. Dispersoids pin dislocations and therefore retard recovery, recrystallization, and grain growth. This effect, referred to as Zener drag, directly influences the resulting strength and ductility of the processed material. Special focus of this master's thesis lies on recrystallization in a dispersoid-free aluminium alloy during hot deformation. To gain further insight on the effect of dispersoids, it was necessary to develop a model alloy entirely free of dispersoid formation. This model alloy will serve as a reference for a comparison to regular 6061. In an attempt to avoid the formation of dispersoids, an Al-Mg-Si ingot was cast where the contents of Fe, Cr, and Mn were reduced to a minimum. Samples of the ingot underwent an industrial homogenization heat treatment and were then examined thoroughly with transmission electron microscopy. It was possible to confirm that dispersoid formation was successfully suppressed. As a next step, samples of the model alloy were placed in a dilatometer, heated to 550C, homogenized, deformed, and finally quenched. The degree of deformation, the rate of deformation, and the holding time after deformation were varied incrementally in a series of tests. The microstructure of the deformed samples was subsequently examined with electron backscatter diffraction. The resulting diffraction patterns translated into crystal orientations from which grain size and degree of recrystallization could be determined. As expected, the degree of recrystallization increased with larger degrees of deformation, higher rates of deformation, and longer holding times. It took only a few seconds for the samples of the dispersoid-free model alloy to fully recrystallize. Similar experiments with comparable parameters under the presence of dispersoids showed significantly slower recrystallization rates. With the help of the new dispersoid-free aluminium alloy it is now possible to accurately assess the impact of the Zener drag on the rate of recrystallization at different sets of parameters.