Vliv parametrů tváření rotačním kováním a podmínek umělého stárnutí na mechanické vlastnosti a strukturu vytvrditelné hliníkové slitiny řady 2024

Ing. Jan NACHÁZEL

Doctoral thesis

Effects of rotary swaging parameters and artificial ageing on mechanical properties and microstructure of 2024 precipitation-hardenable aluminium alloy

Abstract:

Dizertační práce se zabývá mechanickými vlastnostmi v kontextu s mikrostrukturními změnami vytvrditelné hliníkové slitiny EN AW-2024 ve stavu po tváření a tepelném zpracování. Ve zpracovaném materiálu se tak projevuje synergie tří mechanismů zpevnění: zpevnění hranicemi zrn, deformační (dislokační) zpevnění a precipitační zpevnění. První dva mechanismy zpevnění byly v experimentálním materiálu vyvolány tvářením rotačním kováním, tedy SPD metodou s vysokým potenciálem průmyslového využití, například v leteckém průmyslu, kde se tyče z tohoto materiálu používají v konstrukci sedadel. Precipitační zpevnění bylo vyvoláno díky schopnosti tohoto materiálu vytvrzovat stárnutím. Primárně byl materiál tepelně zpracován umělým stárnutím v peci při teplotách od 140 do 180 °C, sekundárně byl ponechán přirozenému stárnutí. Materiál, který byl podroben experimentálnímu programu, byl následně studován z hlediska mechanických vlastností a mikrostrukturních dějů především pomocí elektronové mikroskopie a DSC analýzy. Jako nejlepší varianta zpracování se ukázal postup: rozpouštěcí žíhání 500 °C/1 hod. + ochlazení do vody + rotační kování (E=0,103) + umělé stárnutí 160 °C/21 hod. Tímto postupem zpracování bylo dosaženo meze kluzu blížící se 640 MPa, meze pevnosti přes 660 MPa, při zachování dostatečné tažnosti na úrovni 8 %. Pomocí elektronové mikroskopie bylo zjištěno, že v tomto stavu je poměr nízkoúhlových ku vysokoúhlovým hranicím zrn 80:20. Ve struktuře se nachází jak T-fáze (Al20Cu2Mn3) přítomná v objemu zrn, která má převážně oválný tvar a velikost 10 - 100 nm, tak S-fáze (Al2CuMg) přítomná ve dvou morfologiích: ve formě malých oválných částic nebo koherentních jehlic orientovaných ve směrech <100>.

Abstract:

This work concerns mechanical properties in relation to microstructural changes in hardenable EN AW-2024 aluminium alloy in wrought and heat treated condition. The treated material benefits from synergistic effects of three hardening mechanisms: grain boundary strengthening, work hardening and precipitation hardening. In this material, the first two mechanisms were activated by rotary swaging. Rotary swaging is an SPD method which shows great promise for industrial use. For instance, aircraft seats are made of bars from this material. Precipitation hardening was achieved thanks to the material's age hardening ability. First, the material was artificially-aged in a furnace at 140-180 °C. Second, natural ageing was used. Mechanical properties of the as-treated material were studied and microstructural processes were explored using electron microscopy and DSC. The treatment route which delivered the best results was as follows: solution annealing 500 °C/1 hour + water cooling + rotary swaging (E=0.103) + artificial ageing 160 °C/21 hours. It led to a yield strength close to 640 MPa, an ultimate strength above 660 MPa, and sufficient elongation of 8%. Electron microscopic observation revealed that in this condition, the ratio of low-angle to high-angle boundaries is 80:20. The microstructure contains both T-phase (Al20Cu2Mn3) in the interior of grains, whose particles are normally oval-shaped with a size of 10 - 100 nm, and S-phase (Al2CuMg) which is present in two shapes: small oval particles or coherent needles aligned to <100> direction.

Keywords

Hliníková slitina, EN AW-2024, rotační kování, umělé stárnutí, EBSD, TEM

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 11. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 5. 12. 2019
• Supervisor: Dr. Ing. Zbyšek Nový

University of West Bohemia

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Mechanical Engineering / Materials Engineering and Engineering Metallurgy