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Effects of alloying elements on the microstructure and properties of 8xxx electrical conductor alloys

Pan Lei. (2016). Effects of alloying elements on the microstructure and properties of 8xxx electrical conductor alloys. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

8xxx series aluminum conductor alloys are very attractive materials for their applications in overhead transmission and distribution, which progressively replace copper conductors in electrical application due to their significant advantages such as low density, high conductivity to weight ratio and low cost over copper. For a wide application of aluminum conductors, it is necessary to satisfy the overall requirement of properties in electrical industry, notably the electrical conductivity, tensile strength and creep resistance. To optimize the comprehensive properties of aluminum conductor materials, a better understanding of the effect of alloying elements on the microstructure and material properties is required. Therefore, in the present study, the effect of Fe, Cu and Mg additions on microstructure, electrical conductivity, mechanical and creep properties of the 8xxx alloys were systematically investigated. In the first part, the effect of Fe contents (0.3−0.7 wt.%) on the microstructure evolution, electrical conductivity, mechanical and creep properties of 8xxx aluminum alloy conductors were investigated. The as-cast microstructure of 8xxx alloys was consisted of equiaxed α-Al grains and secondary Fe-rich intermetallics distributed in the interdendritic region. The extruded microstructure showed partially recrystallized structure for 0.3% Fe alloy but only dynamically recovered structures for 0.5% and 0.7% Fe alloys. With increasing Fe contents, the ultimate tensile strength (UTS) and yield strength (YS) were remarkably improved while the electrical conductivity (EC) was slightly decreased. Moreover, the creep resistance was greatly improved, which is attributed to the larger volume fraction of fine intermetallic particles and smaller subgrain size in the higher Fe contained alloys. The creep threshold stress was found to increase from 24.6 to 33.9 MPa with increasing Fe contents from 0.3% to 0.7%, respectively. The true stress exponent values were close to 3 for all three experimental alloys, indicating that the creep mechanism of 8xxx alloys was controlled by dislocation glide. In the second part, the role of Fe-rich intermetallic particles and Fe solutes on compressive creep behaviour of 8xxx aluminum conductor alloys was explored. The creep resistance of the alloys is significantly improved by a large number of Fe-rich particles and high Fe solutes in solid solution states, restricting and impeding the dislocation movement. At 100 °C, Fe solutes (0.023 wt.%) in aluminum matrix had stronger effect in increasing the creep resistance than FeAl3 particles (2.5 vol.%), while with increasing temperature to 150 and 200 °C, the high amount of FeAl3 particles (2.5 vol.%) had a stronger effect than Fe solutes (0.023 wt.%). The threshold stress was found to increase with increasing of FeAl3 particles and Fe solutes but decrease with increasing temperature. The increment of threshold stress due to FeAl3 particles and Fe solutes is independent and the value is equal to sum of the individual contribution. By incorporating the threshold stress into the analysis, the true stress exponent was calculated to be 3.1, 3.8, and 4.5 with increasing creep temperature from 100 to 150 and further to 200 °C, respectively. In the third part, the effects of minor Cu (0−0.29 wt.%) and Mg (0−0.1 wt.%) additions on the microstructure, electrical conductivity, mechanical and creep properties of 8xxx aluminum conductor alloys were studied. The results reveal that additions of minor Cu and Mg reasonably improved the UTS, but slightly reduced EC. The effects of Cu, Mg and Fe on the UTS and EC are quantitatively evaluated. Addition of Cu remarkably decreases the primary creep strain but has a negligible effect on the minimum creep rate, leading to a beneficial effect on the short-term creep resistance but no advantage to the creep resistance under the long-term creep process. The minor addition of Mg greatly reduces both primary creep strain and minimum creep rate, resulting in a significant and effective improvement on the creep resistance of 8xxx aluminum conductor alloys.

Les alliages d’aluminium de la série 8xxx sont des matériaux très attractifs pour leurs applications dans les transmissions et la distribution aériennes, qui remplacent progressivement des conducteurs de cuivre dans l’application électrique, en raison de leurs avantages significatifs tels que la faible densité, la conductivité élevée du rapport poids et le faible coût sur le cuivre. Pour une grande application de conducteurs en aluminium, il est nécessaire de satisfaire les exigences globales des propriétés de l’industrie électrique, notamment la conductivité électrique, la résistance à la traction et la résistance au fluage. Pour optimiser les propriétés complètes des matériaux conducteurs d’aluminium, une meilleure compréhension de l’effet des éléments d’alliage sur la microstructure et les propriétés des matériaux est nécessaire. Par conséquent, dans cette étude, l’effet des ajouts de Fe, Cu et Mg sur la microstructure, la conductivité électrique, les propriétés mécaniques et de fluage des alliages 8xxx ont été systématiquement étudiés. Dans la première partie, nous avons étudié l’effet des teneurs en Fe (0,3−0,7 wt. %) sur l’évolution de la microstructure, la conductivité électrique, les propriétés mécaniques et les propriétés de fluages des alliages conducteurs d’aluminium de 8xxx. La microstructure brute de coulée des alliages de 8xxx était composée de grains équiaxes α-Al et d’intermétalliques riches en Fe secondaires distribuent dans une région interdendritique. La microstructure extrudée montrait partiellement une structure recristallisée pour un alliage de Fe de 0,3 %, mais montrait seulement des structures dynamiquement récupérées pour des alliages de Fe de 0,5 % et 0,7 %. Avec l’accroissement des teneurs en Fe, la résistance à la traction (UTS) et la limite d’élasticité (YS) ont été remarquablement améliorées pendant que la conductivité électrique (EC) diminuait légèrement. De plus, la résistance au fluage a été grandement améliorée, qui était attribué au plus gros volumique de fraction de fines particules intermétalliques et à la plus petite taille de sous-grains des alliages très élevés en Fe teneurs. La limite d’endurance du fluage a augmenté de 24,6 à 33,9 MPa avec la croissance des teneurs en Fe de 0,3 % à 0,7 %. Les valeurs d’exposant de tension vrai étaient environ de 3 pour les trois alliages expérimentaux, indiquant que le mécanisme de fluage d’alliage 8xxx était contrôlé par un glissement de dislocation. Dans la deuxième partie, nous avons exploré le rôle des particules intermétalliques riches en Fe et solutés Fe sur le comportement du fluage compressif des alliages conducteurs d’aluminium de 8xxx. La résistance au fluage a été grandement améliorée par un grand nombre de particules riches en Fe et de solutés Fe élevés à l’état de solution solide, en restreignant et entravant le mouvement de dislocation. À 100 °C, Fe (0,023 wt. %) a eu un effet plus fort en augmentant la résistance au fluage que les particules FeAl3 (2,5 vol. %), tandis qu’en augmentant la température de 150 à 200 °C, le montant élevé de FeAl3 (2,5 vol. %) a eu un effet plus fort que les solutés Fe (0,023 wt. %). La limite d’endurance a augmenté en accroissant les particules FeAl3 et les solutés Fe, mais celle-ci a diminué avec une hausse de température. L’augmentation de la limite d’endurance due aux particules FeAl3, les solutés Fe sont indépendants et la valeur est égale à la somme de la contribution individuelle. En incluant la limite d’endurance à l’analyse, l’exposant de tension vrai a été calculé de 3,1, 3,8, et 4,5, en augmentant la température de fluage de 100 à 150 et ensuite à 200 °C. Dans la troisième partie, nous avons étudié l’effet des ajouts de micro Cu (0−0,29 wt. %) et de Mg (0−0,1 wt. %) sur la microstructure, la conductivité électrique, les propriétés mécaniques et de fluage des alliages conducteurs d’aluminium de 8xxx. Les résultats révèlent que l’effet des ajouts de micro Cu et de Mg a raisonnablement augmenté les UTS, mais a réduit légèrement EC. Les effets de Cu, Mg et Fe sur les UTS et EC ont été évalués quantitativement. L’ajout de Cu diminue remarquablement la première de tension de fluage, mais il a un effet négligeable sur la vitesse de fluage minimale, conduisant à un effet bénéfique sur la résistance au fluage sous le procédé de fluage à court terme, mais n’ayant aucun avantage pour la résistance au fluage sous le procédé de fluage à long terme. L’ajout mineur de Mg réduit grandement à la fois de la première de tension de fluage et vitesse de fluage minimale, dont le résultat est une amélioration significative et efficace sur la résistance au fluage des alliages conducteurs d’aluminium de la série 8xxx.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Août 2016
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:167
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
Mots-clés:8xxx aluminum conductor alloys, alloying elements, creep property, electrical conductivity, mechanical property, microstructure, les alliages d'aluminium de la série 8xxx, conductivité électrique, propriétés de fluages
Déposé le:18 avr. 2017 08:21
Dernière modification:19 avr. 2017 00:05
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