Fracture modes in naturally aged aluminium alloys and an investigation of accelerated age hardening by incremental stretching

Abstract

En tidligere undersøkelse av effekten av syklisk elding på 7xxx aluminiumslegeringer fra flate ekstruderte profiler fant at både naturlig elding og visse kombinasjoner av syklisk elding førte til tidlige duktile skjærbrudd under strekktesting. Årsaken til disse tidlige bruddene er ukjent, men dynamisk tøyningselding har blitt utelukket. Denne avhandlingen undersøkte den potensielle sammenhengen mellom tekstur og tidlige duktile skjærbrudd, med hypotesen om at prøver med valsetekstur ville oppleve tidlige duktile skjærbrudd mens prøver med aksesymmetrisk tekstur ville oppleve necking før brudd. Den potensielle forekomsten av lokal necking ble også undersøkes ved å teste to ulike prøvegeometrier. I tillegg ble muligheten for å oppnå store tøyninger i strekkprøver ved bruk av inkrementell forlengelse undersøkt og denne avhandlingen fokuserte på effekten av tøyningshastighet for å se om dynamisk tøyningselding, som tidligere har vært et problem, kan unngås.

For å undersøke effekten av tekstur ble strekkprøver med et tverrsnitt på 6x6 mm tatt fra midten og kantene av et naturlig eldet 7108 massivt ekstrudert profil, hvor midt-prøvene da ble antatt å ha en aksesymmetrisk tekstur og kant-prøvene en valsetekstur. To ulike prøvegeometrier ble og tatt fra et 7108 flatt ekstrudert profil, den første med et kvadratisk tverrsnitt på 3x3 mm og den andre med et rektangulært tverrsnitt på 3x24 mm. Strekktester ble utført på alle prøvetypene og bruddflatene ble undersøkt ved bruk av lysmikroskopi, SEM og EDS-analyse. EBSD scan ble gjort av midt- og kant-prøver for å avgjøre teksturen.

Ingen av prøvene opplevde necking, verken diffus eller lokal. Alle bruddene var skjærbrudd og det mistenkes at grunnen var forekomst av en lokal plastisk instabilitet, i dette tilfelle et skjærbånd, som gjorde materialet svakere i retningen av maximum skjærspenning. Bruddflaten til kant-prøvene ble fastslått å ha en duktil karakter, mens bruddflatene til midt-, kvadrat- og rektangulærprøvene hadde en sprø karakter. Det ble mistenkt at midt-prøvene opplevde en kombinasjon av et transgranulært og intergranulært brudd på grunn av presipitatfrie soner langs korngrensene som førte til tidlige brudd før necking. SEM bildene viste partikler på bruddflaten til alle prøvene, og disse ble bestemt å være konstitutive partikler basert på EDS-analysen. EBSD scannene viste også at kant-prøvene, slik som med midt-prøvene, hadde en relativt aksesymmetrisk tekstur i motsetning til hva som var forventet. Effekten av tekstur ble derfor ikke observert her, både på grunn av manglende teksturforskjeller og presipitatfrie soner.

For den inkrementelle forlengelsestestingen ble strekkprøver tatt fra 6082 og 7003 flate ekstruderte profiler. Tre ulike tøyningshastigheter ble testet for hver legering, 0,05, 0,07 og 0,1 s^-1. Alle prøvene ble innherdet rett før testing. Tøyningene oppnådd her ble sammenlignet med de uniforme tøyningene oppnådd på innherdede prøver utsatt for vanlig strekktesting og prøver eldet til T6 fra litteraturen. For 6082-prøvene var den lengste uniforme tøyningen oppnådd ved en tøyningshastighet på 0,05 s^-1, sammenlignet med 12% og 6% for innherdede og T6 strekktestede prøver. For 7003-prøvene var den lengste uniforme tøyningen oppnådd ved en tøyningshastighet på 0,1 s^-1, sammenlignet med 10% og 9% for innherdede og T6 strekktestede prøver. Dynamisk tøyningselding forekom derimot i alle tilfellene, og førte til ujevne overflater og skjærbrudd. Bruddflaten av en 7003-prøve ble undersøkt ved bruk av samme metoder som for 7108-prøvene nevnt over. Bruddflaten hadde en duktil karakter med partikler observert i bunden av dimpler, funnet å være konstitutive partikler basert på EDS-analysen. Den inkrementelle forlengelsestestingen viste at tøyningshastighetene som var oppnåelig på utstyret brukt i dette forsøket ikke var høye nok til å unngå dynamisk tøyningselding.

A previous investigation on the effects of cyclic aging on 7xxx aluminium alloys from flat extruded profiles found that both natural aging and certain combinations of cyclic aging lead to early slant ductile fractures during tensile testing. The cause of these early fractures is unknown, but the possibility of dynamic strain aging being the cause was ruled out. This thesis investigated the potential correlation between texture and the early ductile slant fractures, with the hypothesis being that specimens with a rolling texture would experience early slant ductile fractures while specimens with axis-symmetric textures would experience necking prior to fracture. The potential occurrence of local necking was also be checked using two different specimen geometries. In addition to this the ability of achieving large strains in tensile specimens using incremental elongation testing was investigated and this thesis also focused on the effect of strain rate to see if dynamic strain aging, previously found to be a problem with the incremental elongation testing, could be avoided.

To investigate the effect of texture tensile specimens with 6x6 mm cross sections were taken from the middle and edges of a naturally aged 7108 massive extruded profile, where the middle specimens were assumed to have an axis-symmetric texture and the edges a rolling texture. Two different specimen geometries were also taken from a naturally aged 7108 flat extruded profile, the first with a square cross section of 3x3 mm and the second with a rectangular cross section of 3x24 mm. Tensile tests were performed on all the specimen types and the fracture surfaces analysed using light optical microscopy, secondary and backscatter electron imaging and EDS analysis. EBSD scans were done on the middle and edge specimens to determine the texture.

None of the specimens experienced necking, neither diffuse or local. All fractures where slant fractures and the suspected cause was the occurrence of a local plastic instability, in this case the formation of a shear band, resulting in a softening along the direction of the maximum shear stress. It was determined that the fracture surfaces of the edge specimens had ductile characteristics, while the surfaces of the middle, square and rectangular specimens had a brittle character. It is suspected that the middle specimens experienced a mix of transgranular and intergranular fracture due to precipitation free zones around the grain boundaries leading to early fracture rather than necking. The backscatter imaging reviled particles embedded in the fracture surfaces identified as constituent particles using EDS analysis. The EBSD scans also reviled that the edge specimens, as with the middle specimens, had a fairly axis-symmetric texture contrary to what was assumed. The effect of texture was therefor not observed here both due to the lack of texture differences and the occurrence of precipitation free zones.

For the incremental elongation testing tensile specimens were taken from 6082 and 7003 flat extruded profiles with cross section of 6x6 mm. Three different strain rates for the increments were tested on each alloy, 0,05, 0,07 and 0,1 s$^^-1$. All specimens were solutionized right before the elongation testing. The strains achieved here were compared to the uniform strains achieved on solutionized specimens in a regular tensile test and specimens aged to T6 found in literature. For the 6082 specimens the largest uniform strain achieved was 44% using a strain rate of 0,05 s$^^-1$, compared to 12% and 6% for solutionized and T6 tensile tested specimens. For the 7003 specimens the largest uniform strain achieved was 55% using a strain rate of 0,1 s$^^-1$, compared to 10% and 9% for solutionized and T6 tensile tested specimens. However, dynamic strain aging occurred in all cases, leading to rough and uneven surfaces and slant fractures. The fracture surface of a 7003 specimen was investigated using the same methods as with the 7108 tensile specimens. The fracture surface had a ductile character with particles embedded in dimples reviled to be constituent particles through EDS analysis. The incremental elongation tests showed that the strain rates achievable on the equipment used was not great enough to avoid dynamic strain aging.