Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Improvement of mechanical strength and electrical conductivity in 6xxx series aluminum conductor alloys

Nikzad Khangholi Siamak. (2021). Improvement of mechanical strength and electrical conductivity in 6xxx series aluminum conductor alloys. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

The industrial requirement for low density, high strength, and desirable electrical conductivity (EC) have led to the development of Al-Mg-Si conductor alloys for the power transmission line. The precipitates, dislocations, solute atoms, and grain boundaries result in strengthening the Al-Mg-Si conductor alloys. However, these give rise to electrical resistivity due to disruptions in atomic periodicity in a crystal structure. Accordingly, the parameters improving the strength cause the electrical resistivity in Al-Mg-Si conductor alloys, showing conflicting behaviors of strength and EC. Therefore, the concurrent improvement in strength and EC turns out as a challenging issue. In this study, better combinations of strength and EC in Al-Mg-Si conductor alloys were obtained through (a) optimum principal alloying elements (Mg and Si); (b) natural aging and the modification of the thermo-mechanical treatment; (c) additional alloying elements (Ag and Cu). In the first part of this study, the effect of the various Mg/Si ratios (2, 1.5, 1, 0.86) on the strength and EC of Al-Mg-Si conductor alloys was investigated. The Mg content was kept constant (0.65 wt.%) while the Si amounts were changed. It was found that the peak strength increased with decreasing the Mg/Si ratio while the corresponding EC reduced. Therefore, a longer aging time was required for the alloys with a lower Mg/Si ratio to fulfill the minimum required EC (52.5 %IACS). The alloy with an Mg/Si ratio of 0.86 showed the highest peak strength among all alloys. However, prolonging the aging time (>34 h) was essential to exceed EC (52.5 %IACS), causing a significant drop in the strength with a narrow window of strength and EC. The alloy with Mg/Si ratio of ~ one showed the highest strength in the range of EC (52.5-54 %IACS). The developed strength model exhibited that the higher strength of this alloy could correspond to the higher contributions of the precipitate strengthening, strain hardening, and solute hardening. However, if EC is the main concern, the alloy with Mg/Si ratio of ~ 1.5 showed a better trade-off between strength and EC at high end EC (54-56 %IACS). In the second part, the impacts of natural aging and the modified thermomechanical treatment on the strength and EC of the drawn Al–Mg–Si conductor alloys were studied. The natural aged samples is referred to those exposed to 70 °C for 10 h or 20 h followed by two weeks at room temperature. The modified thermomechanical treatment is referred to the pre-aging for 5 h at 180 °C before wire drawing. DSC results showed that natural aging had a negative influence on precipitation before the drawing process. However, wire drawing could neutralize the detrimental effect of natural aging on precipitation hardening. In other word, the naturally aged samples exhibited a higher strength above EC (52.5 %IACS) relative to those of the samples without natural aging. The TEM analysis revealed that the naturally aged samples had the higher precipitate number densities relative to those of the samples that were not exposed to natural aging. The strength model also showed the higher precipitate strengthening in the naturally aged samples relative to the samples without natural aging. The thermomechanical treatment was modified with applying the pre-aging (5h at 180 °C) before the wire drawing. Accordingly, the modified thermomechanical treatment led to the highest ultimate tensile strength (369 MPa) with a desirable EC (53% IACS) among all conditions. The strength and electrical resistivity models showed that the modified thermomechanical treatment resulted in a remarkably higher precipitate strengthening with a medium electrical resistivity. It was also found that strain hardening contribution reduced with the modified thermomechanical treatment. However, it revealed that the superior precipitate strengthening overcame the inferior strain hardening in the modified thermomechanical treatment. In the third part, the effects of Ag and Cu additions on strength and EC of Al-Mg-Si conductor alloys were studied under the conventional and modified thermomechanical treatment. Similar to the second part, the modified thermomechanical treatment is referred to a treatment in which pre-aging was applied to the samples before wire drawing. The Ag-/Cu-added alloys showed a slightly higher strength relative to the base alloy above EC (52.5 %IACS) under the conventional thermomechanical treatment. However, the modification of the thermomechanical treatment remarkably improved the strengthening effect of Ag and Cu additions above 52.5 %IACS. In addition, the modified thermomechanical treatment shortened the post-aging time to reach the minimum required EC (52.5 %IACS) compared to the conventional thermomechanical treatment (especially for Cu-added alloys). The strength model showed that modifying the thermomechanical treatment increased the precipitate hardening for the base alloy by 60%, although it deteriorated the strain hardening. The Ag and Cu additions further improved the precipitate hardening under the modified thermomechanical treatment. In spited of the reduced strain hardening, the precipitates are the promising factors to strengthen the materials under the modified thermomechanical treatment. The electrical resistivity model exhibited that precipitates gave rise to the medium electrical resistivity. For all parts of the project, the microstructural features were quantitively tailored to the mechanical strength and EC using the strengthening and electrical resistivity models.

L'exigence industrielle de faible densité, de haute résistance mécanique et de conductivité électrique (CE) a mené au développement d'alliages conducteurs Al-Mg-Si pour la ligne de transport d'énergie. Les précipités, les dislocations, les atomes de soluté et les joints de grains augmentent les résistances mécaniques des alliages conducteurs Al-Mg-Si. Cependant, ceux-ci augmentent résistivité électrique à cause des perturbations de la périodicité atomique dans une structure cristalline. En conséquence, les paramètres améliorant la résistance mécanique engendrent la résistivité électrique dans les alliages conducteurs Al-Mg-Si, montrant que la résistance mécanique et la conductivité électrique sont de comportement contradictoire. Par conséquent, l'amélioration simultanée de la résistance mécanique et la conductivité électrique représente un défi à relever. Dans cette étude, de meilleures combinaisons de résistances mécaniques et de CE dans les alliages conducteurs Al-Mg-Si ont été obtenues grâce à (a) des éléments d’alliage principaux optimaux (Mg et Si); b) le vieillissement naturel et la modification du traitement thermomécanique; c) des éléments d’alliage supplémentaires (Ag et Cu). Dans la première partie de cette étude, l'effet des différents rapports Mg/Si (2, 1.5, 1, 0.86) sur la résistance mécanique et la CE des alliages conducteurs Al-Mg-Si a été étudié. La valeur du Mg a été maintenue constante (0,65 % en masse) et les quantités de Si ont été modifiées. Il est constaté que la résistance mécanique maximale augmentait avec la diminution du rapport Mg/Si tandis que la CE correspondante diminuait. Par conséquent, un temps de vieillissement plus long a été nécessaire pour que les alliages ayant un rapport Mg/Si inférieur répondent au minimum requis en CE (52,5 % IACS). L'alliage avec un rapport Mg/Si de 0,86 a montré la résistance mécanique maximale la plus élevée parmi tous les alliages. Cependant, il était essentiel de prolonger le temps de vieillissement (>34 h) pour dépasser la CE (52,5 % IACS), ce qui entraînait une baisse significative de la résistance mécanique avec une marge étroite de résistances mécaniques et d'CE. L'alliage avec un rapport Mg/Si de ~ un a montré la résistance mécanique la plus élevée dans la gamme CE (52,5-54 % IACS). Le modèle de résistances mécaniques développé a montré qu’une résistance mécanique plus élevée de cet alliage pouvait correspondre aux contributions plus élevées du durcissement par précipité, du durcissement par l'écrouissage et du durcissement par solutés. Cependant, si la CE est la priorité, l'alliage avec un rapport Mg/Si de ~ 1,5 a montré un meilleur compromis entre la résistance mécanique et la CE à une CE élevée de (54-56 % IACS). Dans la deuxième partie, les impacts du vieillissement naturel et du traitement thermomécanique modifié sur la résistance mécanique et la CE des alliages conducteurs Al-Mg-Si étirés ont été étudiés. Les échantillons vieillis naturellement sont ceux exposés à 70 °C pendant 10 h ou 20 h suivis de deux semaines à température ambiante. Le traitement thermomécanique modifié est appelé pré-vieillissement pendant 5 h à 180 °C avant tréfilage. Les résultats du DSC ont montré que le vieillissement naturel avait une influence négative sur les précipitations avant le processus de tréfilage. Cependant, le tréfilage a pu neutraliser l'effet néfaste du vieillissement naturel sur le durcissement par précipitation après le tréfilage et le post-vieillissement. En d'autres mots, les échantillons naturellement vieillis présentaient une résistance mécanique plus élevée à une CE au dessus de (52.5 % IACS) par rapport à ceux des échantillons sans vieillissement naturel. L'analyse de la microscopie électronique en transmission (MET) a révélé que les échantillons naturellement vieillis avaient des densités numériques de précipités plus élevées par rapport à celles des échantillons qui n’étaient pas exposés au vieillissement naturel. Le modèle de résistances mécaniques a également montré un durcissement par précipité plus élevé dans les échantillons naturellement vieillis par rapport aux échantillons sans vieillissement naturel. Le traitement thermomécanique a été modifié par le pré-vieillissement (5h à 180 °C) avant le tréfilage. En conséquence, le traitement thermomécanique modifié a mené à la résistance mécanique la plus élevée (369 MPa) avec une CE acceptable (53% IACS) parmi toutes les conditions. Les modèles de résistances mécaniques et de résistivité électrique ont montré que le traitement thermomécanique modifié a mené à un durcissement par précipité remarquablement et plus élevé avec une résistivité électrique moyenne. Il a également été constaté que la contribution au durcissement par écrouissage diminuait avec le traitement thermomécanique modifié. Cependant, il s’est révélé que le durcissement par précipité était plus élevé et a surmonté le durcissement par écrouissage qui était moins élevé dans le traitement thermomécanique modifié. Dans la troisième partie, les effets des additions d'Ag et de Cu sur la résistance mécanique et la CE des alliages conducteurs Al-Mg-Si ont été étudiés par le traitement thermomécanique conventionnel et modifié. Semblable à la deuxième partie, le traitement thermomécanique modifié est référé à un traitement dans lequel le pré-vieillissement a été appliqué sur les échantillons avant le tréfilage. Les alliages avec Ag-/Cu ajoutés ont montré une résistance mécanique légèrement supérieure par rapport à l'alliage de base à une CE au dessus de (52,5 % IACS) sous le traitement thermomécanique conventionnel. Cependant, la modification du traitement thermomécanique a remarquablement amélioré l'effet de durcissement par ajout d'Ag et de Cu à une CE au-dessus de (52,5 % IACS). De plus, le traitement thermomécanique modifié a réduit le temps du vieillissement pour atteindre la CE minimale requise (52,5 % IACS) par rapport au traitement thermomécanique conventionnel (en particulier pour les alliages à Cu ajouté). Le modèle de résistance mécanique a montré que la modification du traitement thermomécanique augmentait le durcissement par précipité de l’alliage de base de 60%, bien qu’il ait détérioré le durcissement par écrouissage. Les ajouts d'Ag et de Cu ont encore amélioré le durcissement par précipité sous le traitement thermomécanique modifié. Malgré le durcissement par écrouissage réduit, les précipités sont les facteurs prometteurs pour faire durcir les matériaux sous le traitement thermomécanique modifié. Le modèle de résistivité électrique a montré que les précipités ont causé la résistivité électrique moyenne. Pour toutes les parties du projet, les caractéristiques microstructurelles ont été quantitativement adaptées à la résistance mécanique et à l'CE à l’aide des modèles de résistance mécanique et de résistivité électrique.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2021
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:187
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
Javidani, Moussa
Mots-clés:Ag and Cu additions, Al-Mg-Si conductor alloys, mechanical strength and electrical conductivity, Mg/Si ratio, strength and electrical resistivity models, thermomechanical treatment
Déposé le:23 févr. 2022 14:45
Dernière modification:08 mars 2022 01:20
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