| dc.description.abstract | I denne masteroppgaven blir de mekaniske egenskapene, kornstrukturen og anisotropien i tredjegenerasjons Al-Li legeringen AA2196 undersøkt etter en foreslått varmebehandlingsprosess. Hensikten med rapporten er å undersøke om legeringen er egnet som materiale i fremdriftssystemer for romfartsapplikasjoner.
Oppgaven innbefatter både strekkprøving og Charpy testing for prøver kaldbearbeidet 0-56.3%. Prøvene har blitt sammenlignet med AA7090, en annen romfartslegering, for å ha sammenligningsgrunnlag. Strekkprøving av AA2196-T8511, tilstanden som levert, ga gjennomsnittlig flytespenning på 656 MPa, strekkfasthet på 663 MPa og forlengelse på 5,68%. Størst styrke etter varmebehandling av AA2196 ble funnet etter cirka 10% kaldvalsing. De gjennomsnittlige verdiene var 435 MPa i flytespenning, 525 MPa i strekkfasthet og 7,84% forlengelse. AA7090 utviste høyere styrke, men lavere forlengelse enn AA2196. Høyest styrke ble funnet for AA7090 ved 9.2 %CW, og de respektive gjennomsnittsverdiene var på 691 MPa i flytespenning, 707 MPa i strekkfasthet and en forlengelse på 3,37%.
Under Charpy testing viste AA2196 seg å ha en bruddseighet på 7,50 til 23,59 J, mens AA7090 hadde verdier i området 1,34 til 2,86 J. Økt kaldbearbeiding av AA2196 resulterte i en lavere absorbert bruddenergi. Overflaten av en Charpy test ble hardhetstestet, fikk mikrostrukturen undersøkt og ble sammenlignet med kjernen av prøven. Kjernen viste seg å ha en marginalt høyere hardhet og en finere kornstruktur enn overflaten, noe som tyder på inhomogene prøver. Bruddflatene til AA2196 var mer fiberaktive, mens bruddflatene til AA7090 var mer granulære. Grunnet høyere duktilitet i AA2196, vil noe av energien i Charpy testingen gå med til å forplante bruddet, og dermed føre til en høyere målt bruddenergi.
AA2196, både før og etter varmebehandling, ble undersøkt i EBSD for å se etter tekstur. I begge tilfeller ble det observert en ekstruderingstekstur. Økt kaldbearbeiding resulterte i en mindre definert tekstur, og dermed også mindre anisotropi. Ved 55,5% kaldpressing i ekstruderingsretning ble det observert enakset kompresjonstekstur. Kaldpressing av materialet 40,1% og 58,7% i den tverrgående retningen resulterte i tendenser til rekrystalliseringstekstur, noe som er antatt å skyldes subkorn dannelse.
Kornstørrelsen ble funnet ved hjelp av EBSD og viste seg å synke med økende grad av kaldbearbeiding. Den initielle kornstørrelsen ble funnet til å være 10,8 µm i ekstruderingsretningen og 3,1 µm i tverrgående retning. Etter 55,5 % kaldpressing i ekstruderingsretningen og 58,7% i tverrgående retningen ble kornstørrelsen respektivt 7,8 µm og 7,6 µm. Lysoptiske bilder ble studert og indikerte ingen rekrystallisasjon, noe som tyder på at reduksjonen i målt kornstørrelse skyldes kimdanning av subkorn.
Oppvarmingstiden og holdetiden ved mykgløding, innherding og utherding ble undersøkt ved hjelp av en data logger. Det ble oppdaget at holdetiden for innherding ikke var 60 minutter på 530°C, men at materialet bare opplevde 5 minutter over 500°C, hvor det er antatt det eksisterer en grense for et enfaseområde. Dermed var det betydelig mindre Cu og Li i fast løsning, noe som kan ha ført til at mindre presipitater ble utfellet under utherdingen. Det ble også oppdaget et avvik opp mot 30°C mellom temperaturen på displayet i en varmluftsovn og på den faktiske temperaturen inne i ovnen. Utherdingskurver er blitt laget for AA2196 ved 150°C, 160°C og 180°C og for AA7090 ved 120°C. Grunnet temperaturavviket mellom display og faktisk ovnstemperatur, anbefales det at utherdingskurvene bare brukes som en indikasjon på trender.
Til slutt ble ulike forbedringsforslag for varmebehandlingsprosessen lagt frem. Disse var blant annet å forvarme materialet før mykgløding, å ha lengre holdetid ved innherding for å få mer legeringselementer i fast løsning og å bruke en ovn med lavere volum luft relativt til areal, og på den måten få en ovn med lavere temperaturgradient i luften. Et deformasjonssteg ble også foreslått for å få dannet flere T1-presipitater og på den måten øke styrken og seigheten til materialet. | |
| dc.description.abstract | An initial evaluation of the mechanical properties, anisotropy and grain structure of AA2196 has been conducted for a proposed heat treatment process in order to determine the applicability of the process and to determine whether the third-generation Al-Li alloy AA2196 is a suitable material for aerospace applications, particularly for propulsion systems.
Tensile testing and Charpy testing have been conducted for cold rolled samples to determine the mechanical properties following cold work ranging from 0-56.3%. Additionally, these results have been compared with another aerospace alloy, AA7090, to establish a baseline for comparison. Initial tensile testing of AA2196-T8511 as delivered showed an average of yield strength of 656MPa, an average tensile strength of 663 MPa and an average elongation of approximately 5.68%. After heat treatment, the highest strength obtained for AA2196 was at approximately 10%CW, with an average yield strength of 435 MPa, an average tensile strength of 525 MPa and an average elongation of 7.84%. AA7090 exhibited higher strength and a lower elongation than AA2196. The highest strength for AA7090 was found after 9.2% cold work with averaged values for yield strength, tensile strength and %elongation at 691 MPa, 707 MPa and 3.37%, respectively.
Charpy testing revealed that the fracture energies for AA2196 were in the range of 7.5-23.59J, while the fracture energy for AA7090 ranged from 1.34-2.86J. Generally, the fracture energies decreased as a result of cold work. A minor hardness increase and a finer grain structure were found when comparing the core of a Charpy sample with hardness values and grain structure close to the surface of the sample, thus implying inhomogeneous samples. Generally, the fractures of AA2196 were fibrous, while the fracture surfaces of AA7090 were more granular. It is likely that a reason for the higher fracture energy of AA2196 is due to some energy being absorbed in order to propagate the fracture, thus giving higher fracture energy.
The anisotropy both prior to and following heat treatment has been investigated. In both cases, there were observed an extrusion texture. Cold pressing generally resulted in a decrease in texture, but an extensive cold pressing of 55.5% in the extrusion direction resulted in a compression texture. Both 40.1% and 58.7% cold pressing in the transverse direction resulted in a recrystallisation texture that is thought to be due to the presence of sub-grains.
The grain size was found using EBSD, Electron Backscatter Diffraction. Increased amounts of cold work resulted in a decrease in grain size. The initial grain size was found to be 10.8 µm in the extrusion direction and 3.1 µm in the transverse direction. The finest grains obtained after cold working were found at 55.5%CW in the extrusion direction and 58.7%CW in the transverse direction and were 7.8 µm and 7.6 µm respectively. Investigation of OM, optical microscope, images indicated no recrystallisation, and hence the reduction in grain size was most likely due to the nucleation of sub-grains.
The heating and holding time for various stages were investigated using a data logger. Heat treatment steps included were annealing, solid solution heat treatment and aging. It was found that the alloy was not solid solution heat treated for 60 minutes at 530°C, but rather experienced a holding time of only 5 minutes above 500°C, in which there is thought to exist a single-phase area. Consequently, there were less Cu and Li in solid solution than previously anticipated, which may have been detrimental to the precipitation hardening. Additionally, the temperature discrepancy between the furnace display temperature of N11/R and the air temperature were logged and found to be almost 30°C during aging at 160°C. Aging curves were created for AA2196 at 150°C, 160°C and 180°C and for AA7090 at 120°C, but due to the temperature deviation between the display and actual temperature experienced, the curves should be used as an indication only.
Lastly, several improvements for the heat treatment process has been proposed, including the usage of a lower volume of air to area furnace, causing a more uniform temperature gradient within the furnace, pre-heating prior to annealing and an increased solutionising holding time. Furthermore, it has been suggested to introduce a deformation step to increase the strength and toughness of AA2196 due to the formation of T1 particles. | |
