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Mechanical properties and hot workability of Al-15%B4C metal matrix composites with Sc and Zr for elevated temperature applications

Qin Jian. (2016). Mechanical properties and hot workability of Al-15%B4C metal matrix composites with Sc and Zr for elevated temperature applications. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

The study presented in this thesis focuses on mechanical properties and hot workability of Al‒15vol.% B4C metal matrix composites (MMCs) with scandium and zirconium for elevated temperature applications. The mechanical properties and their thermal stability, strengthening mechanisms, microstructure features, heat treatment, hot deformation and processing maps of as-cast and hot deformed Al‒B4C composites with scandium and zirconium was investigated. In this study, the mechanical properties and long-term thermal stability of the composites at ambient and elevated temperatures were evaluated by Vickers’ hardness measurements, tensile and compression tests, respectively. A transmission electron microscope, a scanning electron microscope and an optical microscope equipped with an image analysis system were employed to observe and quantitatively analyze the precipitation, grain and sub-grains structure, dislocations and tensile fractures of the composites. To examine the hot deformation and workability of the composites, uniaxial compression tests were performed at various strain rates and deformation temperatures using a Gleeble-3800 thermo-mechanical simulation unit. The results of the present thesis are divided into three parts. In the first part, scandium and zirconium as alloying elements were introduced into Al‒15 vol.% B4C composites to examine the effect of precipitates and B4C particles on the mechanical properties and their thermal stability of as cast Al‒B4C composites at ambient and elevated temperatures. It was found that the presence of B4C particles with microscale dimension has a moderate but stable strengthening effect on Al‒B4C composites at ambient and elevated temperatures, while the precipitates of nanoscale Al3Sc and Al3(Sc, Zr) in the composite matrix provides a predominate contribution to the composite strength, which is varied by tested temperatures. The Al3Sc precipitates in Al‒15vol.%B4C‒0.4wt.%Sc composite remain coarsening resistant at 250°C, whereas the Al3(Sc, Zr) precipitates in Al‒15 vol.% B4C‒0.4 wt.% Sc‒0.24 wt.% Zr are thermally stable at 300 °C during 2000 h of annealing. At higher annealing temperatures, 300 °C for the composite containing Sc and 350 °C for the composite containing Sc and Zr, both Al3Sc and Al3(Sc, Zr) precipitates become coarsening with prolonged annealing time. The yield strength of the two composites at ambient temperature decreases with increasing recipitate size, which can be explained by the classical precipitate shearing and Orowan bypass mechanisms. At elevated temperatures (250‒350°C), considerably lower yield stresses, which approximately are independent of precipitate coarsening, are observed compared to those at ambient temperature. It invokes a dislocation climb mechanism. A strengthening model based on the combination of dislocation climb and Orowan mechanisms is established. The predicted yield strengths with the strengthening model at elevated temperatures are in good agreement with the experimental data. In the second part, the mechanical properties and their thermal stability of the hot rolled Al‒15 vol.% B4C composite sheets with 0.4 wt.% Sc, and 0.4 wt.% Sc plus 0.24 wt.% Zr were investigated. The results demonstrate that under an appropriate post-rolling heat treatment, the hot-rolled sheets regained a significant precipitation hardening, due to the precipitation of fine nanoscale Al3Sc and Al3(Sc,Zr) that uniformly distributed in aluminum matrix. The UTS at ambient temperature of the deformed composite sheets with Sc and Sc plus Zr can reach 197 MPa and 210 MPa, respectively. During 2000 h annealing at 300 ºC, the strengths at ambient temperature of both composites decreased slowly with increasing annealing time. However, the UTS and YS at 300 ºC of all deformed composite sheets remained almost unchanged and they were less sensible with annealing time and more tolerable for precipitate coarsening, showing an excellent long-term thermal stability of both composites at elevated temperature. The tensile fracture at ambient temperature of the Al‒15 vol.% B4C deformed composites with 0.4 wt.% Sc, and 0.4 wt.% Sc plus 0.24 wt.% Zr was dominated by the brittle B4C particle fracture, while the interfacial decohesion of B4C particles became the prominent characteristic of the fracture at 300 ºC. In the third part, the focus is on the hot deformation behaviours and processing maps of Al‒15 vol.% B4C composites with and without Sc and Zr additions. The results show that the flow stress of the composites increases with the additions of Sc and Zr, attributing to the synthetic effect of dynamic precipitation and solute atoms. The additions of Sc and Zr moderately increase the activation energy for hot deformation of Al‒B4C composites. The constitutive equations of the three composites, Al‒15 vol.% B4C, Al‒15 vol.% B4C composite with 0.4 wt.% Sc, and 0.4 wt.% Sc plus 0.24 wt.% Zr, were established to describe the effect of the temperature and strain rate on hot deformation behaviors. Using the proposed constitutive equations, the predicted flow stresses on various deformation conditions are in good agreement with experimental data for all three composites. The processing maps of three composites were established to understand the hot workability of the composites. Two safe domains in the processing map were recommended for each composite, in which dynamic recovery and dynamic recrystallization were involved as softening mechanism. The additions of Sc and Zr limit the dynamic softening process, especially for dynamic recrystallization during hot deformation. The microstructure analysis reveals that the flow instability is attributed to the void formation, cracking and flow localization during hot deformation of the composites.

Cette thèse met l'accent sur les propriétés mécaniques et à l'usinage à chaud des alliages d’aluminium composites à matrice métallique à 15 vol.% de B4C avec du scandium et du zirconium pour des applications à température élevée. Des études sur leurs propriétés mécaniques, leur stabilité thermique, leurs mécanismes de durcissement, leurs caractéristiques des microstructures, les traitements thermiques, les précipitations et les déformations à chaud ont été effectuées. Les propriétés mécaniques et de stabilité thermique à long terme des composites, à températures ambiantes et élevées, ont été évaluées par des mesures de dureté et des essais de traction et de compression. Un microscope électronique à transmission, un microscope électronique à balayage et un microscope optique, équipé d’un système d’analyse d’images, ont été utilisés pour observer et analyser les précipitations de façon quantitative, la structure des grains et des sous-grains, les dislocations et les fractures sous tension des composites. Pour examiner la déformation à chaud et à l'usinage des composites, des essais de compression uniaxiale ont été effectués à des vitesses de déformation et à des températures de déformation variées en utilisant une unité de simulation thermomécanique Gleeble-3800. Les résultats de cette thèse sont présentés en trois parties. Dans la première partie, le scandium et le zirconium, comme éléments d'alliage, ont été introduits dans les composites Al‒15vol.%-B4C, pour examiner l'effet des précipités et des particules B4C sur les propriétés mécaniques ainsi que leur stabilité thermique brutes de coulée à températures ambiante et élevée. Nous avons constaté que la présence de particules B4C avec une dimension à l'échelle micrométrique a un effet de renforcement mécanique modéré, mais stable sur les composites Al‒B4C à températures ambiantes et élevées, tandis que les précipitations à l’échelle nanométrique, des composés Al3Sc et Al3(Sc, Zr) dans les composites, fournissent une contribution prédominante sur les propriétés de résistance mécanique des composites, qui varie selon les températures testées. Les précipitations d’Al3Sc dans le composite Al‒15 vol. % B4C‒ 0.4 wt. % Sc demeurent grossièrement résistantes à 250 °C, alors que les précipitations Al3(Sc, Zr) dans Al‒15 vol. % B4C‒0.4 wt. % Sc‒0.24 wt. % Zr sont stables thermiquement à 300 °C sur 2000 h de recuit. À de plus hautes températures de recuit, 300 °C pour les composites contenant Sc et 350 °C pour les composites contenant Sc et Zr, avec un temps de recuit prolongé, les deux précipitations Al3Sc et Al3(Sc, Zr) deviennent grossières. La limite d'élasticité des deux composites à température ambiante diminue avec la taille croissante des précipitations, qui peut être expliquée par les théories de cisaillement classiques des précipitations et les mécanismes de dérivation d’Orowan. À des températures élevées (250–350 °C), des limites de contraintes considérablement moindres, qui sont presque indépendantes de précipitations grossières, sont observées comparées à celles à température ambiante. Cela montre donc un mécanisme de dislocation en escalade. Un modèle de renforcement a été établi sur la combinaison d’escalades de dislocations et le mécanisme d’Orowan. Les limites d'élasticité prévues avec le modèle de renforcement à températures élevées concordent bien avec les données expérimentales. Dans la deuxième partie, nous avons fait l'étude des propriétés mécaniques et de la stabilité thermique des composites déformés à chaud Al‒15 vol. % B4C avec 0.4 wt. % Sc, et 0.4 wt. % Sc plus 0.24 wt. % Zr. Les résultats démontrent que sous un traitement thermique postlaminage adéquat, les plaques laminées à chaud regagnent un important durcissement par précipitation, à l’échelle nanométrique, des composés Al3Sc et Al3(Sc,Zr), qui est répartie uniformément dans la matrice d'aluminium. Le UTS à température ambiante des feuilles composites déformées avec Sc et Sc-Zr peut atteindre 197 MPa et 210 MPa respectivement. Durant 2000 h de recuit à 300 °C, les résistances à température ambiante des deux composites diminuent lentement avec la croissance du temps de recuit. Toutefois, les UTS et YS à 300°C de toutes les feuilles composites déformées sont demeurés presque inchangés et ils étaient moins sensibles avec le temps de recuit et plus tolérables à la précipitation grossière, montrant une excellente stabilité thermique à long terme des deux composites à température élevée. La fracture sous tension à température ambiante des composites déformés Al‒15 vol. % B4C avec 0.4 wt. % Sc, et 0.4 wt. % Sc plus 0.24 wt. % Zr a été dominée par la fracture fragile des particules B4C, pendant que la décohésion interfaciale des particules B4C est devenue la cause majeure de la fracture à 300 °C. Dans la troisième partie, l'accent a été mis sur la déformation à chaud et les processus de traitements des composites Al‒15 vol. % B4C, avec et sans l’addition de scandium et de zirconium. Les résultats montrent que la contrainte de fluage des composites augmente avec les ajouts de Sc et Zr, attribué à l'effet synthétique de la précipitation dynamique et d'atomes en solution. Les ajouts de Sc et Zr augmentent modérément l'énergie d'activation pour la déformation à chaud des composites Al‒B4C. Les équations constitutives des trois composites, le composite Al‒15 vol. % B4C, Al‒15 vol. % B4C avec 0.4 wt. % Sc, et 0.4 wt. % Sc plus 0.24 wt. % Zr, ont été établies pour décrire l'effet de la température et la vitesse de déformation sur les comportements en déformation à chaud. En utilisant les équations constitutives proposées, la contrainte de fluage prévue sous les conditions variées de déformation concorde bien avec les données expérimentales pour les trois composites. Les processus de traitement a été établi pour les trois composites, en tenant compte du revenu et de la recristallisation dynamique afin de comprendre les mécanismes d’adoucissement. Les ajouts de Sc et Zr limitent le procédé dynamique d'adoucissement, spécialement pour la recristallisation dynamique durant la déformation à chaud. L'analyse de la microstructure révèle que l'instabilité de l'écoulement est attribuée à la formation de vides, à la fissuration et à la localisation des écoulements durant la déformation à chaud des composites.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Juin 2016
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:240
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
Zhan, Zhang
Mots-clés:B4C ceramic particles, hot deformation behavior, mechanical property, microstructure, thermal stability, workability, 8xxx aluminum conductor alloys, les alliages d'aluminium de la série 8xxx, electrical conductivity, conductivité électrique, creep property, propriétés de fluages
Déposé le:12 avr. 2017 14:27
Dernière modification:06 juin 2017 20:21
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