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Effects of Zr and V on microstructure and hot deformation behavior of 7150 aluminum alloys

Shi Cangji. (2014). Effects of Zr and V on microstructure and hot deformation behavior of 7150 aluminum alloys. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

7xxx series aluminum alloys are very attractive materials for their applications in the automotive and aerospace industries due to their excellent combination of properties such as high strength-to-density ratio, high fracture toughness and resistance to stress corrosion cracking. These aluminum alloys are generally subjected to hot forming processes such as rolling, extrusion and forging. To optimize the mechanical properties and processability of hot-formed alloys, a better understanding of the effect of micro-alloying elements on deformation behavior and microstructural evolution during hot deformation is required. Therefore,in the present study, the hot deformation behavior of the 7150 aluminum alloys containing Zr ranging from 0 to 0.19 wt%, and V ranging from 0.01 to 0.19 wt% was studied using uniaxial compression tests conducted at various temperatures (300 to 450 °C) and strain rates (0.001 to 10 s-1), respectively. The hot deformation behavior and microstructural evolution of the 7150 base alloy (Zr free) were studied. A decline ratio map of flow stresses was proposed and divided into five deformation domains, in which the flow stress behavior was correlated with different microstructures and dynamic softening mechanisms. The results reveal that the dynamic recovery is the sole softening mechanism at temperatures of 300 to 400 °C with various strain rates, and at temperatures of 400 to 450 °C with strain rates between 1 and 10 s-1. At the high deformation temperature of 450 °C with strain rates of 0.001 to 0.1 s-1, a partially recrystallized microstructure was observed and dynamic recrystallization (DRX) provided an alternative softening mechanism. Two kinds of dynamic recrystallization (DRX) might operate at the high temperature, in which discontinuous dynamic recrystallization was involved at higher strain rates and continuous dynamic recrystallization was implied at lower strain rates. After being alloyed with Zr from 0 to 0.19 wt%, the results show no significant variation in the peak flow stress or activation energy between the 7150 base alloy and the alloy containing 0.04 wt% Zr. With a further increase in the Zr content to 0.19 wt%, the values of peak flow stress and activation energy increased significantly. The solved constitutive equations yielded good predictions of the peak flow stress over wide temperature and strain-rate ranges for 7150 alloys with different Zr contents. The dynamic recovery level of the materials was reduced after being alloyed with Zr, which was associated with a decrease in the mean misorientation angle of boundaries and a decrease in subgrain size. The addition of Zr promoted the retardation of dynamic recovery and the inhibition of dynamic recrystallization during hot deformation due to the pinning effect of Al3Zr dispersoids on dislocation motion and to restrained dynamic restoration. When the material was alloyed with V from 0.01 to 0.19 wt%, the peak flow stress of the 7150 alloy significantly increased. The alloys containing 0.03-0.05 wt% V displayed higher values of peak flow stress than those with 0.11-0.19 wt% V at low temperatures, whereas they displayed comparable values at higher temperatures. The activation energy for hot deformation increased from 229 kJ/mol for the base alloy to approximately 270 kJ/mol for the alloys containing 0.03-0.05 wt% V. With further increases in V contents up to 0.19 wt%, the activation energy returned to approximately 250 kJ/mol. The vanadium-solute diffusion acted as the deformation rate-controlling mechanism for the alloys containing up to 0.05 wt% V. resulting in enhanced work hardening and improved subgrain strengthening effects. The precipitation of Al21V2 dispersoids in the alloys containing 0.11 to 0.19 wt% V promoted the retardation of dynamic recovery and the inhibition of dynamic recrystallization. The effects of Zr (0.04 to 0.15 wt%) and V additions (0.05 to 0.15 wt%) on the processing map of 7150 aluminum alloys were investigated. The results reveal that the processing map for the 7150 base alloy exhibits a single domain (Domain I), associated with dynamic recovery and partially dynamic recrystallization. With increasing Zr and V additions, Domain I shrinks towards higher temperatures and higher strain rates with decreases in efficiency of power dissipation, due to a restrained level of dynamic recovery caused by the pinning effect of Al3Zr and Al21V2 dispersoids. When the added Zr and V contents reach 0.15%, another domain (Domain II) is formed, corresponding to the cavity formation in microstructure. The flow instability during hot deformation of 7150 alloys is attributed to the formation of adiabatic shear bands and deformation bands. The instability region extends toward lower strain rates when alloyed with Zr and V. The optimum hot-working parameters for those alloys are determined to be the deformation temperature of 450 °C and strain rate of 0.01 s-1. Furthermore, a revised Sellars’ constitutive equation was proposed, which considered the effects of the deformation temperature and strain rate on the material variables and which provided an accurate estimate of the hot deformation behavior of the 7150 aluminum alloy. The results reveal that the activation energy for the hot deformation of the 7150 aluminum alloy is not a constant value but rather varies as a function of the deformation conditions. The activation energy for hot deformation decreased with increasing deformation temperature and with increasing strain rate. The peak flow stresses under various deformation conditions were predicted by a revised constitutive equation and correlated with the experimental data with excellent accuracy.

Les alliages d'aluminium de la série 7xxx sont des matériaux très attractifs pour leurs applications dans les industries automobile et aéronautique en raison de leur excellente combinaison des propriétés telles que le haut rapport résistance-densité, la haute ténacité et la résistance à la fissuration par corrosion sous contraintes. Ces alliages d'aluminium sont généralement soumis à des procédés de formage à chaud tels que le laminage, l'extrusion et le forgeage. Pour optimiser les propriétés mécaniques et l'aptitude au traitement des alliages formés à chaud, une meilleure compréhension de l'effet des éléments de micro-alliage sur le comportement de déformation et de l'évolution de la microstructure durant la déformation à chaud est nécessaire. Par conséquent, dans cette étude, le comportement à la déformation à chaud des alliages d'aluminium 7150 contenant du Zr allant de 0 à 0,19% en poids, et du V allant de 0,01 à 0,19% en poids a été étudié en utilisant des essais de compression uniaxiale réalisés à différentes températures (300 à 450 ° C) et de la vitesse de déformation (0,001 à 10 s-1), respectivement. Le comportement à la déformation à chaud et l'évolution de la microstructure de l'alliage de base 7150 ont été étudiés. Un contour du rapport diminué de contraintes a été proposé et divisée en cinq domaines de déformation dans lesquelles le comportement des contraintes d'écoulement a été mis en corrélation avec différentes microstructures et mécanismes d'adoucissement dynamiques. Les résultats révèlent que la restauration dynamique est le seul mécanisme d’adoucissement à des températures de 300 à 400°C avec différentes vitesses de déformation, et à des températures de 400 à 450°C avec des vitesses de déformation comprises entre 1 et 10 s-1. A la température élevée de déformation de 450°C avec un taux de contraintes de 0,001 à 0,1s-1, une microstructure partiellement recristallisée a été observée et la recristallisation dynamique (DRX) a fourni un mécanisme alternatif d’adoucissement. Deux types de recristallisation dynamique (DRX) pourraient fonctionner à la température élevée, l’une dans laquelle la recristallisation dynamique discontinue a participé à la hausse des vitesses de déformation et l’autre, la recristallisation dynamique continue qui a été impliquée à des vitesses de déformation plus faibles. Après avoir été allié avec du Zr de 0 à 0,19% en poids, les résultats ne montrent pas de variation significative du pic de la contrainte d'écoulement ou de l'énergie d'activation entre l'alliage de base 7150 et l'alliage contenant 0,04% en poids de Zr. Avec une augmentation supplémentaire de la teneur en Zr jusqu’à 0,19% en poids, les valeurs du pic des contraintes d’écoulement et de l'énergie d'activation ont augmenté de manière significative. Les équations constitutives résolues ont donné de bonnes prédictions du pic de la contrainte d’écoulement sur des gammes de température et de vitesse de déformation plus large pour les alliages 7150 ayant différentes teneurs en Zr. Le niveau de restauration dynamique des matériaux a été réduite après avoir été allié avec le Zr, qui a été associée à une diminution de l'angle moyen de désorientation des limites et d'une diminution de la taille des sous-grains. L'addition de Zr a favorisée le retard de la reprise dynamique et l'inhibition de la recristallisation dynamique pendant la déformation à chaud à cause de l'effet de restriction des précipités Al3Zr sur le mouvement des dislocations et la maitrise de la restauration dynamique. Lorsque le matériau a été allié avec du V de 0,01 à 0,19% en poids, la pic des contraintes d'écoulement de l'alliage 7150 a augmenté de manière significative. Les alliages contenant de 0,03 à 0,05% en poids de V ont montré des valeurs du pic de la contrainte à l’écoulement plus élevés que ceux qui contiennent une teneur de V de 0,11 à 0,19% en poids à basse température, alors qu'ils montraient des valeurs comparables à des températures plus élevées. L'énergie d'activation pour la déformation à chaud est passé de 229 kJ/mol pour l'alliage de base à environ 270 kJ/mol pour les alliages contenant de 0,03 à 0,05% en poids de V. Avec de nouvelles augmentations des teneurs en V jusqu'à 0,19% en poids, l'énergie d'activation est revenue à environ 250 kJ/mol. La diffusion de la solution de vanadium a agi en tant que mécanisme de contrôle de la vitesse de déformation pour les alliages contenant jusqu'à 0,05% en poids de V, ce qui améliore l’écrouissage et le renforcement des effets de sous-grains. La précipitation of Al21V2 dans les alliages contenant de 0,11 à 0,19% en poids de V favorise la retardation de la restauration dynamique et l'inhibition de la recristallisation dynamique. Les effets de l’addition du Zr (de 0.04 à 0.15% en poids) et du V (0.05 à 0.15% en poids) sur la déformation à chaud et la cartographie du processus des alliages d'aluminium 7150 ont été étudiés en utilisant des essais de compression uniaxiale réalisés à différentes températures (300 à 450°C) et différents vitesses de contraintes (de 0.001 à 10 s-1). Les résultats révèlent que la carte de traitement de l'alliage de base 7150 présente un seul domaine (Domaine I), associé à la récupération dynamique et la recristallisation dynamique partielle. Avec l'augmentation de l’addition du Zr et du V, le domaine I rétrécit vers des températures plus élevées et des vitesses plus élevés de contrainte avec des baisses de l'efficacité de la puissance de dissipation, en raison d'un niveau restreint de la restauration dynamique provoquée par l'effet de l'épinglage des dispersoïdes Al3Zr et Al21V2. Lorsque le contenu ajouté de Zr et V atteint 0.15%, un autre domaine (Domaine II) est formée, correspondant à la formation de la cavité dans la microstructure. L'instabilité de l'écoulement durant la déformation à chaud des alliages 7150 est attribuée à la formation de bandes de cisaillement adiabatiques et des bandes de déformation. La région d'instabilité s'étend vers des taux de déformation inférieurs lorsqu'il est allié avec le Zr et le V. Les paramètres optimaux du formage à chaud pour ces alliages sont déterminés comme étant la température de déformation de 450°C et la vitesse de contrainte de 0.01 s-1. L’équation constitutive révisée de Sellars a été proposée, qui a considéré les effets de la température de déformation et la vitesse de déformation sur les constantes des matériaux et qui a fourni une estimation précise du comportement de la déformation à chaud de l'alliage 7150 en aluminium. Les résultats révèlent que l'énergie d'activation de la déformation à chaud de l'alliage d'aluminium 7150 n'est pas une valeur constante, mais plutôt varie comme une fonction des conditions de déformation. L'énergie d'activation de la déformation à chaud a diminué avec l'augmentation de la température de déformation et avec l'augmentation de la vitesse de déformation. Les pics des contraintes d’écoulement sous différente conditions de déformation ont été prédits par une équation constitutive révisée et mis en corrélation avec les données expérimentales avec une excellente précision.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Novembre 2014
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:212
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie industriel
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Chen, X-Grant
Mots-clés:7150 aluminum alloy, constitutive equation, decline ratio map, flow stress, hot compression deformation, microstructure, dynamic softening mechanism, Zr addition, V addition, activation energy, dispersion strengthening, solute effect, processing map, power dissipation efficiency
Déposé le:03 févr. 2016 08:38
Dernière modification:18 mai 2016 20:13
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