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Effect of homogenization and alloying elements on hot deformation behaviour of 1XXX series aluminum alloys = Effet des éléments d'alliage et d'homogénéisation sur le comportement à la déformation à chaud des alliages d'aluminium de la série 1XXX

Shakiba Mohammad. (2015). Effect of homogenization and alloying elements on hot deformation behaviour of 1XXX series aluminum alloys = Effet des éléments d'alliage et d'homogénéisation sur le comportement à la déformation à chaud des alliages d'aluminium de la série 1XXX. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

The 1xxx series of aluminum alloys are widely used for applications in which excellent formability and thermal and electrical conductivity are required such as heatexchanger tubing and coaxial cable sheathing. The demand for high productivity during processing leads to the requirement for an increase in hot workability to provide low flow stress with desirable final mechanical properties. Commercially, D.C cast billets are typically homogenized prior to extrusion or rolling to improve hot workability and mechanical properties. However, there is very limited prior work on the effectiveness of the homogenization treatment in 1xxx alloy production. Furthermore, no systematic investigation of the influence of different alloying elements (Fe, Si, Mn and Cu) on the hot deformation behavior of dilute Al-Fe-Si alloys is available in the literature. In the present study, the effect of different alloying elements as well as the homogenization treatment on the hot workability and microstructure of dilute Al-Fe-Si alloys was investigated using hot compression tests, optical microscopy, SEM, electron EBSD, TEM, electrical conductivity measurements. The effect of the homogenization treatment on the microstructure and hot workability of two dilute Al-Fe-Si alloys was first investigated. Homogenization promoted the phase transformation from the metastable AlmFe or α-AlFeSi phase to the Al3Fe equilibrium phase and induced a significant change in solute levels in the solid solution. Homogenization at 550°C significantly reduced the solid solution levels due to the elimination of the supersaturation originating from the cast ingot and produced the lowest flow stress under all of the deformation conditions studied. An increase in the homogenization temperature from 550 to 630°C increased the flow stress by 10 to 23% and 15 to 45% for the Al-0.3Fe-0.1Si and Al-0.3Fe-0.25Si alloys, respectively, over the range of deformation conditions examined. The hot deformation behavior of dilute Al-Fe-Si alloys containing different amounts of Fe (0.1 to 0.7 wt%) and Si (0.1 to 0.25 wt%) was studied by uniaxial compression tests conducted at various temperatures (350-550 °C) and strain rates (0.01-10 s-1). The flow stress of the 1xxx alloys increased with increasing Fe and Si content. Increasing the Fe content from 0.1 to 0.7% raised the flow stress by 11-32% in Al-Fe-0.1Si alloys, whereas the flow stress increased 5-14% when the Si content increased from 0.1 to 0.25% in Al-0.1Fe-Si alloys. The experimental stress-strain data were employed to drive constitutive equations correlating flow stress, deformation temperature and strain rate considering the influence of the chemical composition. The microstructural analysis results revealed that dynamic recovery is the sole softening mechanism during hot deformation of dilute Al-Fe-Si alloys. Increasing the Fe and Si content retarded dynamic recovery and resulted in a decrease in the subgrain size and mean misorientation angle of the boundaries. Furthermore, the hot deformation behavior of dilute Al-Fe-Si alloys containing various Mn (0.1 and 0.2 wt%) and Cu (0.05, 0.18 and 0.31 wt%) contents was also investigated. It was found that both manganese and copper in solid solution have a significant influence on the hot workability of dilute Al-Fe-Si alloys. On a wt% basis, Mn exhibits a stronger strengthening effect compared to Cu. The activation energies for deformation were calculated from experimental data for all the alloys investigated. With a 0.2 wt% Mn addition, the activation energy increased from 161 and 176 kJ/mol for low-Fe (0.1wt%) and high-Fe (0.5wt%) base alloys to 181 and 192 kJ/mol, respectively. The addition of Cu up to 0.31 wt% only slightly increased the activation energy of low-Fe base alloy from 161 to 166 kJ/mol. Solute diffusion acted as the deformation rate controlling mechanism in these dilute alloys. Mn containing alloys have higher flow stress and higher activation energy due to the considerably lower diffusion rate of Mn in aluminum compared to Cu containing alloys. An addition of Mn and Cu also retarded the dynamic recovery and resulted in a decrease in the subgrain size and mean misorientation angle of the grain boundaries. In addition, based on hot compression tests, an artificial neural network model was developed to predict the high temperature flow behavior of Al-0.12Fe-0.1Si-Cu alloys as a function of chemical composition (with Cu contents of 0.002-0.31wt%) and process parameters. A three-layer feed-forward back-propagation artificial neural network with 20 neurons in a hidden layer was established in this study to predict the flow behavior of Al-0.12Fe-0.1Si alloy with various levels of Cu addition (0.002-0.31wt%) at different deformation conditions. The input parameters were Cu content, temperature, strain rate and strain, while the flow stress was the output. The performance of the proposed model was evaluated using various standard statistical parameters. An excellent agreement between experimental and predicted results was obtained. Sensitivity analysis indicated that the strain rate is the most important parameter, while the Cu content exhibited a modest but significant influence on the flow stress. The ANN model proposed in this study can accurately predict the hot deformation behavior of Al-0.12Fe-0.1Si alloys.

Les séries 1xxx des alliages d'aluminium sont largement utilisées pour des applications où une excellente aptitude au formage et de la conductivité thermique et électrique sont nécessaires, tels que les tubes d'échangeur de chaleur et les câbles coaxiaux de revêtement. La demande pour une productivité élevée pendant le traitement conduit à une augmentation de l'aptitude au formage à chaud pour fournir une contrainte d'écoulement faible avec les propriétés mécaniques finales souhaitées. Commercialement, les billettes coulées sont généralement homogénéisés avant l'extrusion ou le laminage à chaud, afin d'améliorer leur fluidité et leurs propriétés mécaniques. Cependant, les travaux de recherche antérieurs restent limités au sujet de l'efficacité du traitement d'homogénéisation dans la production des alliages 1xxx. De plus, aucune étude systématique de l'influence des différents éléments d'alliage (Fe, Si, Mn et Cu) sur le comportement de déformation à chaud des alliages diluées Al-Fe-Si est disponible dans la littérature. Dans la présente étude, l'effet des différents éléments d'alliage ainsi que le traitement d'homogénéisation sur le formage à chaud et la microstructure des alliages dilués Al-Fe-Si ont été étudiés en utilisant des tests de compression à chaud, la microscopie optique, SEM, EBSD, TEM, ainsi que les mesures de conductivité électrique. L'effet du traitement d'homogénéisation sur la microstructure et le formage à chaud de deux alliages diluées Al-Fe-Si a été étudiée. L'homogénéisation a favorisé la transformation de phase à partir de la phase métastable AlmFe ou -AlFeSi vers la phase d'équilibre Al3Fe, et induit un changement significatif des concentrations de soluté dans la solution solide. L'homogénéisation à 550 ° C a significativement réduit les niveaux de solution solide en raison de l'élimination de la sursaturation en provenance du lingot coulé et a produit une contrainte d'écoulement plus basse sous toutes les conditions de déformation étudiées. Une augmentation de la température d'homogénéisation de 550 à 630 ° C augmente la contrainte d'écoulement de 10 à 23% et de 15 à 45% pour les alliages Al-0.3Fe-0.1Si et Al-0.3Fe-0.25Si, respectivement, dans la plage des conditions de déformation examinées. Le comportement à la déformation à chaud des alliages diluées Al-Fe-Si contenant diverses quantités de Fe (0,1 à 0,7% en poids) et Si (0,1 à 0,25% en poids) a été étudié par des tests de compression uniaxiale réalisés à différentes températures (350-550 °C) et des vitesses de déformation (de 0,01 à 10 s-1). La contrainte d'écoulement des alliages 1xxx augmente avec l'augmentation de la teneur en Fe et Si. L'augmentation de la teneur en Fe de 0,1 à 0,7% a augmenté la contrainte d'écoulement de 11 à 32% dans les alliages Al-Fe-0.1Si, tandis que la contrainte d'écoulement a augmenté de 5 à 14% lorsque la teneur en Si est portée de 0,1 à 0,25% dans les alliages Al-0,1 Fe-Si. Les données de contrainte-déformation expérimentales ont été utilisées pour dériver les équations constitutives en corrélation entre la contrainte d'écoulement, la température de déformation et la vitesse de déformation, compte tenu de l'influence de la composition chimique. Les résultats de l'analyse de la microstructure a révélé que le recouvrement dynamique est le seul mécanisme de ramollissement lors de la déformation à chaud des alliages diluées Al-Fe-Si. L'augmentation de la teneur en Fe et Si a retardé le recouvrement dynamique et a entraîné une diminution de la taille des sous-grains et de la désorientation des joints des grains. En outre, le comportement en déformation à chaud des alliages dilués Al-Fe-Si contenant diverses teneurs en Mn (0,1 et 0,2% en poids) et en Cu (0,05, 0,18 et 0,31% en poids) a également été étudié. Il a été constaté que le manganèse et le cuivre en solution solide ont une influence significative sur le formage à chaud des alliages dilués Al-Fe-Si. Sur une base de pourcentage massique, le Mn présente un effet de renforcement plus fort par rapport au Cu. Les énergies d'activation pour la déformation ont été calculés à partir de données expérimentales pour tous les alliages étudiés. Avec l’ajout de 0,2% en pourcentage massique de Mn, l'énergie d'activation augmente de 161 et 176 kJ / mol, à faible Fe (0,1% en pourcentage massique) et de haut Fe (0,5% en pourcentage massique) Les alliages à base de 181 et 192 kJ / mol, respectivement. L'addition de Cu jusqu'à 0,31% en pourcentage massique n'a que légèrement augmenté l'énergie d'activation de faible alliage à base de Fe de 161 à 166 kJ / mol. La diffusion du soluté a agi en tant que mécanisme de contrôle des taux de déformation dans ces alliages dilués. Les alliages contenant du Mn ont une contrainte d'écoulement plus élevée et une énergie d'activation plus élevée en raison de la vitesse de diffusion considérablement plus faible dans l’aluminium de Mn par rapport aux alliages contenant du cuivre. Une addition de Mn et Cu a aussi retardé le recouvrement dynamique et a généré une diminution de la taille des sous-grains et une désorientation des joints de grains. En outre, sur la base des données expérimentales des essais de compression à chaud, un modèle base sur les réseaux de neurones artificiels a été développé pour prédire le comportement en écoulement à haute température de l'alliages Al-0.12Fe-0.1Si-Cu en fonction de la composition chimique (avec différentes teneurs en Cu de 0.002-0.31 en pourcentage massique) et les paramètres de procédé. Un réseau de neurones de type backpropagation à trois couches avec 20 neurones dans la couche cachée a été établi dans cette étude pour prédire le comportement de l'écoulement de l'alliage Al-0.12Fe-0.1Si avec différents niveaux de Cu (0.002-0.31 en pourcentage massique) à différentes conditions de déformation. Les paramètres d'entrée étaient la teneur en Cu, la température, la vitesse de déformation et la contrainte, tandis que la contrainte d'écoulement constitue la sortie. La performance du modèle proposé a été évaluée à l'aide des différents paramètres statistiques classiques. Un excellent accord entre les résultats expérimentaux et prédits a été obtenu. L'analyse de sensibilité a indiqué que le taux de déformation est le paramètre le plus important, tandis que la teneur en Cu présentait une influence modeste mais significatif sur la contrainte d'écoulement. Le modèle ANN proposé dans cette étude peut prédire avec précision le comportement de déformation à chaud des alliages Al-0.12Fe-0.1Si.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Février 2015
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:180
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
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
Parson, Nick
Mots-clés:Aluminium, alliage, 1XXX, formage à chaud, microstructure des alliages, traitement d'homogénéisation
Déposé le:03 févr. 2016 08:38
Dernière modification:18 mai 2016 20:13
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