Aging response of az series magnesium alloys after thermo-mechanical processing

Abstract

The current study aims to investigate the effect of thermo-mechanical treatment utilizing both aging and stress aging on the mechanical behavior of warm rolled AZ31 magnesium alloy with inspecting the relationship between the microstructure evolution, tensile properties, and fracture morphology. The individual contributions of conventional and stress aging on the tensile properties and microstructure of the warm rolled AZ31 magnesium alloy are investigated in detail. The aging treatments were conducted at different temperatures of 120˚C and 180˚C for various durations ranging from 1h to 48h. Annealed AZ31 magnesium alloy was used as the as-received slab and homogenization treatment was conducted at 400˚C for 3h before the rolling process. Inspection of tensile test results revealed that the ultimate tensile strength (UTS) of the as-received AZ31 after 24h aging at 120˚C increased up to 300 MPa with a 2% reduction in failure strain. Whereas the yield strength (YS) of the specimen aged at 180˚C for 24h decreased to 190 MPa with the improvement of ductility near to 14% and the UTS up to 285 MPa. Also, stress aging at 120 ˚C for only 1h after rolling, increased the yield strength of the as-received sample to over 240 MPa. Microstructural observations displayed that the grain growth initially diminished the strength of rolled samples while improving the ductility. This is followed by the nucleation of recrystallized grains which improves the ultimate strength with satisfactory ductility as compared to the rolled specimens. Furthermore, the fracture morphology of stress aged samples presents nucleation-controlled fracture mechanisms with deeper void structures as a common ductile characteristic. It was also demonstrated that the utilization of stress aging process and thereby affecting the precipitation kinetics, a microstructure can be achieved with high level of yield strength and acceptable ductility. Also, treatment duration of stress aging process is much lower than the conventional aging and it can be an important factor for efficient utilization of resources in industrial applications. Moreover, the thermal conductivity of stress aged sample at 120˚C for 1h was increased up to about 99 W/mK which may be attributed to the existence of favorable precipitate formations during stress aging.

Bu çalışma, yaşlanma ve gerilme yaşlanmasından faydalanan termo-mekanik işlemenin, ılık haddelenmiş AZ31 magnezyum alaşımının mekanik davranışı üzerindeki etkisini, mikroyapı gelişimi, çekme altında özellikleri ve kırılma morfolojisi arasındaki ilişkiyi inceleyerek araştırmayı amaçlamaktadır. Geleneksel ve gerilme yaşlanmasının, ılık haddelenmiş AZ31 magnezyum alaşımının gerilme özelliklerine ve mikroyapısına katkıları ayrıntılı olarak incelenmiştir. Yaşlanma işlemi, 1 saat ila 48 saat arasında değişen süreler için 120°C ve 180°C olan farklı sıcaklıklarda gerçekleştirildi. Tavlanmış AZ31 magnezyum alaşımı, işlem görmemiş levha olarak kullanıldı ve homojenizasyon işlemi, haddeleme işleminden önce 3 saat 400°C'de gerçekleştirildi. Çekme testi sonuçlarının incelenmesi, 120°C'de 24 saat yaşlandırılılma sonrası elde edilen AZ31'in maksimum çekme dayanımının, kırılma uzamasında % 2'lik bir azalmaya karşın 300 MPa'ya yükseldiğini ortaya koymuştur. 180°C'de 24 saat boyunca yaşlanma işlemi uygulanan numunenin akma dayanımı, % 14 kadar sünekliliğinin iyileşmesi ile 190 MPa'ya düşmüştür ve çekme dayanımı 285 MPa'ya kadar yükselmiştir. Ayrıca, haddelenmiş numunenin 120˚C'de sadece 1 saat uygulanan gerilme yaşlanması nedeniyle işlem görmemiş numuneye göre akma dayanımını 240 MPa'nın üzerine çıkarmıştır. Mikroyapısal gözlemler, tane büyümesinin başlangıçta sünekliği geliştirirken, haddelenmiş numunelerde yumuşama meydana getirdiğini göstermiştir. Bu durum, haddelenmiş numunelere kıyasla tatmin edici süneklikle beraber çekme dayanımını geliştiren yeniden kristallenmiş tanelerin çekirdeklenmesiyle takip edilmiştir. Ayrıca, gerilme yaşlanması uygulanmış numunelerin kırılma morfolojisi ortak bir sünek karakteristik olarak derin boşluklu yapılara sahip çekirdeklenme kontrollü kırılma mekanizmaları sunmaktadır. Ayrıca, numunelerde gerilme yaşlanma işlemi kullanıldığında çökelme sertleşmesi kinetiklerine etki edilerek, yüksek akma dayanımı ve kabul edilebilir süneklik seviyesine sahip bir içyapı elde edilebildiği gösterilmiştir. Ayrıca, gerilim yaşlanması işleminin etki süresi, geleneksel yaşlanmaya göre çok daha düşüktür ve endüstrideki kaynakların verimli kullanımı için önemli bir faktör olabilir. Ayrıca, 1 saat boyunca 120˚C'de gerilme yaşlanması uygulanmış numunenin termal iletkenliği, gerilme yaşlanması sırasında uygun çökelti yapısı oluşumu ile 99 W/mK seviyesine yükseltilmiştir.