Einfluss der thermomechanischen Behandlung auf die
Mikrostruktur und Textur von Magnesiumflachhalbzeugen
vorgelegt von
M.Sc.
Maria Johanna Nienaber
von der Fakultät III – Prozesswissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktorin der Ingenieurwissenschaften
- Dr.-Ing. -
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Dietmar Auhl
Gutachter: PD Dr.-Ing. Sören Müller
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Karl Ulrich Kainer
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 15.12.2022
Berlin 2023
Danksagung
I
Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Doktorandin am Helmholtz-Zentrum
Geesthacht, in der Abteilung Magnesium-Knetlegierungen. An dieser Stelle danke ich allen, die mich
dabei unterstützt und zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben.
Insbesondere danke ich meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Karl Ulrich Kainer für die Möglichkeit und
Unterstützung zur Erstellung dieser Dissertation. Herrn PD Dr. Sören Müller möchte ich herzlich für die
Übernahme eines Gutachtens und das Interesse an dieser Arbeit danken. Ferner bedanke ich mich bei
Prof. Dr.-Ing. Dietmar Auhl für die Übernahme des Vorsitzes im Promotionsausschuss.
Meinem Chef Dr. Dietmar Letzig, der mich vor mehr als zehn Jahren als Hiwi eingestellt und dadurch
mein Interesse für die Materialwissenschaften geweckt hat, gilt mein besonderer Dank für seine
Förderung, Ermutigung und Beratung in allen Lagen.
Zudem danke ich Dr. Jan Bohlen und Dr. Gerrit Kurz, die mich immer unterstützt, beraten und
unermüdlich motiviert haben und auch noch Zeit und Lust an der Korrektur dieser Arbeit hatten.
Ich möchte mich bei Dr. Sangbong Yi und Dr. Jose Victoria-Hernandez für ihre wissenschaftliche
Unterstützung und inspirierenden Diskussionen bedanken.
Allen Kollegen Jonas Isakovic, Danai Giannopoulou, Merle Braatz, Dr. Changwan Ha, Dr. Guadalupe
Cano, Dr. Xun Zeng, Dr. Sangkyu Woo danke ich für ein freundliches Umfeld und die Unterstützung.
Ein besonderer Dank geht an meine Zimmerkollegin Dr. Sumi Jo für motivierende und nicht
wissenschaftliche Gespräche, hauptsächlich über gutes Essen. Zudem danke ich Vicky Kurz für ihre Hilfe
und die vielen unterhaltsamen Stunden in der Metallographie.
Frau Petra Fischer, Herrn Gert Wiese und Frau Yu Kyung Shin danke ich für ihre Hilfestellungen bei
allen metallographischen Belangen. Ich möchte mich bei Herrn Günter Meister für die vielen
Gießversuche sowie bei Herrn Alexander Reichert und Herrn Stefan Koch für die technische
Unterstützung bedanken.
Ein großer Dank geht an meine Freundinnen, die mich vor allem moralisch unterstützt haben.
Ein ganz besonderer Dank geht an meinen Vater, meine Mutter und meinen Bruder, die mich immer
unterstützt, an mich geglaubt und ermutigt haben und an meinen Mann, der mich motiviert und
umsorgt hat.
Abstract
II
Abstract
The low density of magnesium alloys makes them an ideal material for reducing the weight of
structural components. The use of magnesium flat products is difficult due to the limited formability
at room temperature and the anisotropy of the mechanical properties. The reason for the limited
formability is the hexagonal crystal structure of magnesium and the formation of a strong
crystallographic texture resulting from the massive forming. Therefore, to improve the mechanical and
forming properties of flat products, it is necessary to know precisely how the microstructure and
texture are influenced by alloying elements as a function of the manufacturing process.
In the present thesis, flat products have been produced by varying the process temperature, on the
one hand, via the conventional rolling process and, on the other hand, by direct extrusion. The
supporting mechanisms for microstructure development are static recrystallization (SRX) during rolling
and dynamic recrystallization (DRX) during extrusion. The influence of alloying was analyzed on the
basis of a magnesium alloy containing yttrium and alloyed in small amounts with Zn, Mn, Ca (W1,
WZ10, WZM100, WZX100 and WZMX1000). AZ31 has been chosen as a comparative alloy to exclude
the influence of RE on the RX mechanisms. A systematic analysis of all conditions was carried out by
metallographic microstructural analysis and XRD texture measurements. EBSD measurements on
selected conditions were used to distinguish between relevant microstructural fractions and their
textures. The microstructural fractions and the textures were correlated with the recrystallization
mechanisms. The mechanical properties at room temperature of the semi-finished products were
determined by uniaxial tensile tests in the longitudinal and transverse directions and by biaxial
Erichsen cupping tests.
This work highlights the fundamental importance of understanding both the influences of the process
and the alloying elements on the deformation and recrystallization mechanisms. A clear correlation
can be shown between process parameters, microstructure or texture development and the resulting
forming properties for the alloys used in this work. It can be seen that alloying elements can have
different effects on microstructure and texture development depending on the process. This is due to
the prevailing dynamic or static recrystallization mechanisms depending on the manufacturing route.
The comprehensive study of the alloy influence shows that Ca is not suitable as an alloying element
for the WZ10 alloy in terms of improving the semi-finished product properties at room temperature.
This is valid for flat products which were produced by both rolling process and direct extrusion. And it
could be demonstrated for the first time on an accelerated static and dynamic recrystallization
behavior by Ca and the resulting changed texture developments. Furthermore, this work clearly
distinguishes for the first time between the static (double peak in TD) and dynamic RE texture
components (double peak in ED/RD) and discusses the development of the quadruple texture in detail.
Kurzfassung
III
Kurzfassung
Die geringe Dichte von Magnesiumlegierungen macht diese zu idealen Werkstoffen für die
Gewichtsreduzierung von Bauteilen. Der Einsatz von Magnesiumflachprodukten ist aufgrund der
begrenzten Umformbarkeit bei Raumtemperatur und der Anisotropie der mechanischen
Eigenschaften schwierig. Der Grund für die limitierte Umformbarkeit ist die hexagonale Kristallstruktur
von Magnesium und die bei einer Massivumformung entstehende Ausbildung einer starken
kristallographischen Textur. Für eine Verbesserung der Umformeigenschaften von Flachprodukten ist
es daher wichtig zu verstehen, wie die Mikrostruktur und Textur durch die Legierungselemente in
Abhängigkeit des Herstellungsprozesses beeinflusst wird.
In der vorliegenden Arbeit wurden Flachprodukte unter Variation der Prozesstemperatur zum einen
über den konventionellen Walzprozess und zum anderen mittels direktem Strangpressverfahren
hergestellt. Der tragende Mechanismus für die Gefügeentwicklung ist beim Walzen die statische
Rekristallisation (SRX) und beim Strangpressen die dynamische Rekristallisation (DRX). Der
Legierungseinfluss wurde auf Basis einer yttriumhaltigen Magnesiumlegierung, der Zn, Mn, Ca in
geringen Mengen zulegiert wurden, analysiert (W1, WZ10, WZM100, WZX100, WZMX1000). Als
Vergleichslegierung wurde AZ31 gewählt, um den Einfluss von SE auf die RX-Mechanismen
auszuschließen. Eine systematische Analyse aller Zustände fand mittels metallographischen
Gefügeanalysen und XRD-Texturmessungen statt. EBSD-Messungen an ausgewählten Zuständen
dienten dazu, zwischen relevanten Gefügefraktionen und deren Texturen zu unterscheiden. Die
Gefügefraktionen und die Texturen wurden mit den Rekristallisationsmechanismen korreliert. Die
Ermittlung der mechanischen Halbzeugeigenschaften bei Raumtemperatur erfolgte zum einen durch
uniaxiale Zugversuche in Längs- und in Querrichtung und zum anderen durch biaxiale
Erichsenversuche.
Diese Arbeit macht deutlich, von welcher zentralen Bedeutung es ist, sowohl den Einfluss des
Prozesses als auch den Beitrag die der Legierungselemente auf die Verformungs- und
Rekristallisationsmechanismen zu verstehen. Es kann eine klare Korrelation zwischen
Prozessparametern, Mikrostruktur- bzw. Texturentwicklung und den daraus resultierenden
Umformeigenschaften für die in dieser Arbeit verwendeten Legierungen aufgezeigt werden. Es zeigt
sich, dass Legierungselemente in Abhängigkeit des Prozesses unterschiedliche Wirkungen auf die
Mikrostruktur- und Texturentwicklung haben können. Dies liegt an den vom Prozess abhängigen,
vorherrschenden dynamischen oder statischen Rekristallisationsmechanismen. Die hier dargestellte
umfassende Studie des Legierungseinflusses zeigt, dass sich Ca in Hinblick auf eine Verbesserung der
Halbzeugeigenschaften bei Raumtemperatur als Zulegierungselement für die WZ10-Legierung nicht
eignet. Dies gilt für Flachprodukte, die sowohl durch den Walzprozess als auch durch das Strangpressen
hergestellt werden. Der Grund hierfür ist ein beschleunigtes, statisches und dynamisches
Rekristallisationsverhalten durch Ca in Y-Zn-haltigen Legierungen und den dadurch resultierenden,
veränderten Texturentwicklungen. Zudem wird in dieser Arbeit detailliert zwischen der statischen
(Doppelpeak in QR) und dynamischen SE-Texturkomponente (Doppelpeak in SR/WR) unterschieden
und die Entwicklung der quadrupolen Textur ausführlich erörtert.
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