Evolution in Mechanical Behaviour in a Rolled 3xxx Aluminium Alloy during Lacquering

Abstract

Arbeidet i denne masteroppgaven ble utført for å undersøke en mulig herdene effekt i plater av en 3xxx aluminium legering etter en lakkeringsprosess. Hensikten var å undersøke endringen i mekanisk adferd og hvordan materialet blir påvirket av temperatureksponering relatert til tørking av lakken og tøyningsvei-endringer. Endringer i mekaniske egenskaper ble studert ved å gjennomføre strekktester av materialet før og etter lakkering, mens undersøkelsen av mulig mekanismer som kan gi endringer i egenskaper ble utført gjennom en litteraturstudie. Målinger av elektrisk ledningsevne ble utført for å estimere mengden Mn i fast løsning. I tillegg ble resultater fra karakteriseringen og fra varmeeksperimenter utført av forfatteren i et tidligere arbeid brukt for å kunne bestemme tilstanden til materialet før lakkering og se på effekten av korte varmeeksponeringer. Materialet som ble undersøkt i denne oppgaven er en 3005 legering med kjemisk sammensetning 1.13 vt% Mn, 0.57 vt% Fe, 0.45 vt% Si, 0.17 vt% Cu, 0.31 vt% Mg og 0.10 vt% Zn. På forhånd var materialet blitt støpt og forvarmet ved 570°C, etterfulgt av varm og kaldvalsing ned til en tykkelse på 0.3 mm og en deformasjonsgrad på 92%. Materielt ble videre glødet ved 224°C til H27 etterfulgt av lakkering. Under lakkeringsprosessen blir lakken tørket i to ovner, ovn 1 har en temperatur på 232°C og ovn 2 har en temperatur på 253°C. Varigheten på begge varmeeksponeringene er på 19 sekunder og blir etterfulgt av bråkjøling etter hver ovn. Resultatene fra strekktestingen viste at lakkeringsprosessen har endret de mekaniske egenskapene i legeringen, men endringen i styrke var vanskelig å tallfeste grunnet variasjoner i målingene. Reduksjon i uniform tøyning var den mest vedvarende endringen etter lakkering. Basert på disse resultatene, er det ikke noe som tilsier at lakkeringsprosessen kan føre til rekrystallisasjon og mengden gjenvinning som kan skje er neglisjerbar. Muligheten for «concurrent precipitation» av Mn-dispersoider og presipitering av Mg2Si ble vurdert som usannsynlig med bakgrunn i mikrokjemien til legeringen, tiden og temperaturen på varmeeksponeringen og relevante observasjoner fra litteratur. Likheter med et rapportert herdefenomen i starten av gløding av 3xxx legeringer ved lave temperaturer, tilsier at de observerte endringer i mekaniske egenskaper muligens kan være relatert til clustere av Mn og andre legeringselementer eller veldig små presipitater av Si. Det er vanskelig å fastslå om dette kan skje under lakkering, siden litteraturen ikke har klart å konkludere rundt mekanismen bak herdefenomenet. Et grunnlag for herding fra en tøyningsvei-endring er diskutert med bakgrunn i relevante observasjoner fra litteratur på påvirkningen av dislokasjonsstruktur og anisotropi på mekaniske egenskaper ved en tøyningsvei-endring.

The work in this master’s thesis was conducted to investigate a possible hardening effect in 3xxx aluminium alloy sheets from a lacquering process. The objective was to investigate the change in mechanical behaviour and the influence of the exposure to elevated temperatures related to the drying of the lacquer and strain path changes. The evolution in mechanical behaviour was studied by conducting tensile testing of the material before and after lacquering while the investigation on possible mechanisms that may lead to changes in mechanical properties were carried out through a literature review. Conductivity measurements were conducted to estimate the amount of Mn in solid solution. The results from a characterization and heat experiments performed by the author prior to this thesis were used to determine the state of the material prior to lacquering and to determine the influence of short heat exposures. The alloy investigated is a 3005 aluminium alloy with a chemical composition of 1.13 wt%Mn, 0.57 wt%Fe, 0.45 wt% Si, 0.17 wt% Cu, 0.31 wt% Mg and 0.10 wt% Zn. Prior treatment of the delivered material was casting and preheating to 570°C followed by hot and cold rolling down to a thickness of 0.3mm with a rolling reduction of 92%. The material was subsequently annealed at 224°C to H27, followed by lacquering. During the lacquering process, the lacquer is dried in two ovens, oven 1 has a temperature of 232°C and oven 2 has a temperature 253°C. The duration of the heat exposure in both ovens are at 19 seconds followed by quenching down to room temperature after each oven. The results from the tensile testing confirmed that the lacquering process had altered the mechanical behaviour, however, the increase in strength was not possible to determine due to variations in measurements. The most persistent change was a reduction in uniform elongation after lacquering. From these results, there is no indication that the lacquering process can lead to recrystallization and the softening contribution from recovery activities are negligible. The possibility for concurrent precipitation of Mn bearing dispersoids and precipitation of Mg2Si was determined as unlikely based on the microchemistry of the alloy, the time and temperature of the heat exposure and relevant observations from literature. Due to similarities with a reported hardening phenomenon at the onset of annealing of 3xxx alloy at low temperature, it is possible that the observed changes in mechanical behaviour is related to clusters of Mn and other alloying elements or precipitation of very small Si precipitates. However, it is difficult to determine the possibility for this to occur during lacquering, as the literature has not been able to conclude on the mechanism for the hardening phenomenon. The possibility for hardening from a strain path change is discussed with background in relevant observations from literature on the influence of dislocation structure and anisotropy, on the mechanical behaviour during a strain path change.