Authors: Kayser, Tobias
Title: Characterization of microstructure in aluminum alloys based on electron backscatter diffraction
Language (ISO): en
Abstract: Der Werkstoff Aluminium hat sich in den letzten Jahrzehnten als gängiges Konstruktionsmaterial insbesondere im Bereich des Transportwesens, der Luftfahrt und des allgemeinen Leichtbaus bewährt. Um zukünftige Material- und Energieeinsparungen umsetzen zu können, werden neben der optimierten Konstruktion zunehmend die Werkstoffeigenschaften an die benötigten Anforderungen angepasst. Dies umfasst nicht nur die Legierungszusammensetzungen, sondern im zunehmenden Maße auch die gezielte Beeinflussung der Materialmikrostruktur. Bei einer großen Zahl von Aluminiumlegierungen lässt sich die Festigkeit durch Verfahren des Auslagerns signifikant steigern. Im Rahmen des so genannten Grain Boundary Engineerings kann darüber hinaus die Korngrößenverteilung sowie der Verlauf und die Art der vorhandenen Korngrenzen gesteuert werden, wodurch eine weitere Festigkeitszunahme erreicht wird. Die Mikrostrukturentwicklung wird in dieser Arbeit exemplarisch für drei technologisch relevanten Aluminiumknetlegierungen EN AW-6060, EN AW-6082 und EN AW-7075 bei der thermo-mechanischen Umformung durch direktes Strangpressen untersucht. Als Proben dienen dabei teilverpresste Blöcke, die nach dem Trennen längs der Mittelachse die Mikrostrukturen in verschiedenen Umformzonen und bei unterschiedlichen Umformgraden offenlegen. Neben einer lichtmikroskopischen Betrachtung wird zusätzlich das Verfahren der Electron Backscatter Diffraction (EBSD) zur Analyse der Kornmikrostruktur eingesetzt. Diese Technik hat sich im Laufe der letzten Jahre zunehmend etabliert und erlaubt neben der Identifizierung der Korn- und Subkornstruktur auch die Bestimmung der relativenMissorientierung benachbarter Körner und die Untersuchung der Textur. Eine detailierte Betrachtung der Korngrenzentypen und ihrer Verläufe lässt Rückschlüsse auf die wirksamen dynamischen und statischen Entwicklungmechanismen von Erholung und Rekristallisation zu. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Programm Grainplot entwickelt und verifiziert, das ausgehend von vorliegenden EBSD-Messdaten eine Visualisierung der Kornmikrostrukturen und der beteiligten Korngrenzen ermöglicht. Die verwendeten Algorithmen insbesondere der Wiederherstellung unvollständiger Datensätze werden schwerpunktmäßig erläutert. Der einsehbare und ausführlich kommentierte Programmcode erlaubt so eine nachträglich Anpassung an verschiedene Aufgaben durch den Anwender. Unter Verwendung der neuen Software wird die Entwicklung der Mikrostruktur innerhalb der Deformationszonen in Hinblick auf Korn- und Subkorngrößenverteilung, relative Kornmisorientierung und Anteil der Korngrenzen im Gefüge statistisch erfasst und ausgewertet. Darüber hinaus werden die Texturentwicklungen an den Messpunkten als inverse Polfiguren dargestellt. Zudem wird das neu entwickelte Programm Graingen vorgestellt, mit dem – ausgehend von zuvor charakterisierten EBSD-Messergebnissen – künstliche 2-D und 3-D Mikrostrukturen mit definierten statistischen Eigenschaften erstellt werden können.
During the last decades, aluminum has been established as a common construction material especially in the fields of transportation, aircraft and light weight construction. In order to effect an economic efficiency in material and energy, not only the construction methods are continuously improved but also the material properties are adjusted according to the intended purpose. This includes the development of new alloy compositions and furthermore a controlled microstructure evolution inside the material. A large number of aluminum alloys facilitates a significant increase in strength by precipitation hardening. Through the techniques of grain boundary engineering the material’s grain sizes as well as the type and distribution of the grain boundaries are also controlled to achieve an additional increase in strength. The microstructure evolution is in this work exemplarily investigated for the three technological relevant aluminum wrought alloys EN AW-6060, EN AW-6082 and EN AW-7075 during thermo-mechanical processing by direct hot extrusion. The samples are prepared from partly extruded billets which are cut along the middle axis to reveal the microstructures in different deformation zones and at varying degrees of deformation. Besides the classic light optical microscopy, the electron backscatter diffraction (EBSD) technique is applied for the microstructure analysis. In recent years, EBSD was widely established in the field of materials science and gives direct access to the grain and subgrain structures. Furthermore, it allows the determination of the relative misorientation between individual (sub-)grains and the investigation of the texture at the sample’s surface. The final microstructure is the result of interacting dynamic and/or static evolution processes such as recovery and recrystallization. A detailed investigation of the type and distribution of the grain boundaries in the micrographs allows to identify the active microstructure evolution processes. Based on existing EBSD measurement data sets, the visualization of the grain microstructure and the corresponding grain boundaries is performed by the newly developed and verified inhouse program Grainplot. The main algorithms are explained in detail with a special focus on the restoring of incomplete data sets. The accessible and extensively commented program code then allows a further customization by the user. For the different deformation zones of the partly extruded billet, the microstructural evolution regarding grain and subgrain size distribution, relative grain misorientation and fraction of grain boundaries in the micrograph is determined and statistically evaluated. The texture evolution at the different measurement points is presented in the form of inverse pole figures. Furthermore, the newly developed program Graingen is presented which is used to generate synthetic 2-D and 3-D microstructures with defined statistical properties based on previously analysed EBSD measurement results.
Subject Headings: Aluminum alloys
Characterization
EBSD
Microstructure
URI: http://hdl.handle.net/2003/28970
http://dx.doi.org/10.17877/DE290R-8315
Issue Date: 2011-08-10
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