Development of Al-Mn-Mg 3xxx alloys for applications at elevated temperature

The general objective of the present study is to develop a new aluminum wrought alloy which can be fabricated by conventional ingot metallurgy route for elevated-temperature applications (250°C-350°C). Al-Mn-Mg 3xxx alloys were chosen to be the base alloy. In order to improve the elevated-temperature mechanical properties, the compositions of materials need to be optimized. The influence of Mg, Si, Sc, Zr and Cu elements on the microstructure and mechanical properties at both ambient and elevated temperatures were investigated. More over, the nucleation mechanism of α-Al(MnFe)Si dispersoids was studied. In this study, transmission electron microscope, scanning electron microscope and optical microscope equipped with an image analysis system were used to observe and quantitatively analyze the material microstructure. The mechanical properties at ambienttemperature were evaluated by Vickers micro-hardness measurements and compression yield strength tests. The elevated-temperature mechanical properties as well as the creep properties were measured by compression yield strength tests and creep tests at elevated temperature. The results obtained were divided into following four parts. In the first part, the effects of magnesium and silicon addition on microstructure, elevated-temperature yield strength and creep resistance of Al-Mn-Mg 3xxx alloys were investigated. Results revealed that both magnesium and silicon had an important influence on the distribution and volume fraction of precipitated dispersoids in 3xxx alloys. Without Mg or Si addition, dispersoids could hardly form during the precipitation heat treatment; hence, the alloys free of Mg or Si possessed low yield strength and creep resistance at elevated temperature. A significant improvement in elevated-temperature yield strength and creep resistance was obtained over a wide range of Mg (0.5-1.5 wt%) and Si (0.25-1 wt%) content studied due to the precipitation of a large number of dispersoids. The best combination of yield strength and creep resistance at 300 ℃ was obtained by the alloy containing 1.0 wt% Mg and 0.25 wt% Si with the maximum volume fraction of dispersoids and the minimum volume fraction of dispersoid free zone. In the second part, the effect of metastable Mg2Si and dislocations on the formation of α-Al(MnFe)Si dispersoids were studied by a close examination of the dispersoid precipitation process using the quench technique and TEM observation. Special attentions were paid on the nucleation mechanisms. Mg plays an important role in promoting the formation of α-Al (Mn,Fe)Si dispersoids. The number density and volume fraction of dispersoids in the Mg containing alloy are much higher than that in the Mg-free control, resulting in a strong dispersoid strengthening effect. During heating process in the Mg containing alloy, metastable Mg2Si precipitated and dissolved, leaving local Si-rich areas on pervious metastable Mg2Si, which provide favorable nucleation sites for α-Al (Mn,Fe)Si dispersoids. It is found that β’-Mg2Si precipitates were more effective on the promotion of the dispersoid nucleation than β’’-Mg2Si. In the deformed sample, the dislocations become the preferable sites for the α-Al (Mn,Fe) Si dispersoid nucleation. By reducing dispersoid free zones, the dispersoid distribution became more uniform compared to the non-deformed sample. The dispersoid nucleation mechanisms based on both metastable Mg2Si and dislocations are proposed and discussed. In the third part, Sc and Zr were added in Al-Mn-Mg 3004 alloy to form two populations of strengthening particles (50-70 nm α-Al (Mn,Fe)Si dispersoids and 6-8 nm Al3(Sc,Zr)precipitates) and their strengthening effects on mechanical properties and creep resistance at ambient and elevated temperatures were studied. Results showed that the microhardness and yield strength at ambient temperature greatly increased due to the Sc and Zr addition. The creep resistance at 300 ℃ significantly improved due to the precipitation of fine Al3 (Sc,Zr). However, the yield strength at 300 ℃ did not change with increasing Sc andZr contents. The combined effects of α-Al (Mn,Fe)Si dispersoids and Al3(Sc,Zr) precipitates on the yield strengths at 25 ℃ and 300 ℃ were quantitatively analyzed based on the Orowan bypass mechanism and the dislocation climb mechanism. In the fourth part,the effect of Cu addition on the dispersoid precipitation, mechanical properties and creep resistance were investigated. Cu addition promotes the dispersoid precipitation by increasing the number density and decreasing the size of dispersoids. Metastable Q-AlCuMgSi and β’-Mg2Si precipitates were observed during heating process and both can provide favorable nucleation sites for dispersoids. The addition of Cu improves the thermal stability of dispersoids during a long-term thermal holding at 350 ºC for 500 h. Results of mechanical testing show that the addition of Cu significantly improves the hardness at ambient temperature as well as yield strength and creep resistance at 300 ºC, which is mainly attributed to the dispersoids strengthening and Cu solid solution strengthening. The yield strength contribution at 300 ºC is quantitativelyevaluated based on the analytical solution. L’objectif général de cette thèse est de développer un nouvel alliage d’aluminium forgé pouvant être fabriqué par la méthode conventionnelle de métallurgie des lingots pour des applications à haute température (250°C-350°C). Les alliages Al-Mn-Mg de la série 3xxx ont été sélectionnés comme base pour cette étude. Afin d’améliorer les propriétés mécaniques à haute température, les compositions de matériaux ont été optimisées. L’influence des éléments Mg, Si, Sc, Zr et Cu sur la microstructure et les propriétés mécaniques aux températures ambiantes et élevées ont donc été étudiés. De plus, le mécanisme de nucléation des dispersoïdes α-Al (MnFe) Si a été étudié. Dans cette étude, le microscope électronique à transmission (TEM), le microscope électronique à balayage (SEM) et le microscope optique (MO), équipés de systèmes d’analyse d’images, ont été utilisés pour observer et analyser quantitativement la microstructure du matériau développé. Les propriétés mécaniques à température ambiante ont été évaluées par des mesures de microdureté Vickers et des tests de résistance à la compression. Les propriétés mécaniques ainsi que les propriétés de fluage à haute température ont été mesurées par des essais de résistance au cisaillement et des essais de fluage. Les résultats obtenus sont présentés dans les quatre sections suivantes. Dans la première section, les effets de l’addition des Dans la première section, les effets de l’addition des éléments Mg et Si sur la microstructure, la limite d’élasticité et la résistance au fluage à température élevée des alliages 3xxx Al-Mn-Mg ont été étudiés. Les résultats ont révélé que le Mg et le Si avaient une influence importante sur la distribution et la fraction volumique des dispersoïdes précipités dans ces alliages. Sans addition de Mg ou de Si, les dispersoïdes pouvaient difficilement se former pendant le traitement thermique par précipitation; par conséquent, les alliages exempts de Mg ou Si possédaient une faible limite d’élasticité et une faible résistance au fluage à température élevée. Une amélioration significative de la limite d’élasticité et la résistance au fluage à température élevée a été obtenue sur une large gamme de Mg (0.5 à 1.5% en poids) et de Si (0.25 à 1% en poids) contenus, en raison de la précipitation d’un grand nombre de dispersoïdes. La meilleure combinaison de limite d’élasticité et de résistance au fluage à 300°C a été obtenue avec un alliage contenant 1.0% en poids de Mg et 0.25% en poids de Si offrant ainsi une fraction volumique maximale des dispersoïdes et une fraction de volume minimum de la zone exempte de dispersus. Dans la deuxième section, l’effet du composé métastable Mg2Si et des dislocations sur la formation des dispersoïdes α-Al (MnFe) Si a été étudié par un examen attentif du processus de précipitation des dispersoïdes, en utilisant la technique de trempe et l’observation au TEM. Une attention particulière a été accordée aux mécanismes de nucléation. L’élément Mg joue un rôle important en favorisant la formation de dispersoïdes de α-Al (Mn, Fe) Si. La densité et la fraction volumique des dispersoïdes dans l’alliage contenant du Mg sont beaucoup plus élevées que celles du contrôle sans Mg, ce qui entraîne un forteffet de renforcement des dispersoïdes. Pendant le processus de chauffage dans l’alliage contenant du Mg, l’élément métastable Mg2Si a été précipité et dissous, laissant des zones riches en Si locales sur le Mg2Si métastable perméable, fournissant ainsi des sites de nucléation favorables à l’obtention de dispersoïdes α-Al (Mn, Fe) Si. On constate que les précipités de β’-Mg2Si ont été plus efficaces à favoriser la nucléation des dispersoïdes que le β’’-Mg2Si. Dans l’échantillon déformé, les dislocations deviennent des sites favorisant la nucléation de dispersoïdes α-Al (Mn, Fe) Si. En réduisant les zones exemptes de dispersus, la distribution des dispersoïdes est devenue plus uniforme par rapport à l’échantillon non déformé. Des mécanismes de nucléation desdispersoïdes, basés sur l’élément métastable Mg2Si et les dislocations, sont proposés et discutés. Dans la troisième section, les éléments Sc et Zr ont été ajoutés à l’alliage Al-Mn-Mg 3004 afin de former deux populations de particules de renforcement (dispersoïde de 50-70nm α-Al (Mn,Fe)Si et précipités de 6-8nm Al3 (Sc,Zr) ). Leurs effets de renforcement sur les propriétés mécaniques et la résistance au fluage à température ambiante et élevée ont été étudiés. Les résultats ont montré que la microdureté et la limite d’élasticité à la température ambiante augmentaient considérablement en raison de l’addition de Sc et Zr. La résistance au fluage à 300°C a été considérablement améliorée en raison de la précipitation de Al3 (Sc,Zr). Cependant, la limite d’élasticité à 300°C n’a pas changé en augmentant le contenu de Sc et Zr. Les effets combinés des dispersoïdes α-Al (Mn, Fe) Si et Al3 (Sc, Zr) précipités sur les limites d’élasticité à 25°C et 300°C ont été analysés quantitativement en fonction du mécanisme de dérivation Orowan et du mécanisme d’escalade des dislocations. Dans la quatrième section, l’effet de l’addition de l’élément Cu sur la précipitation des dispersoïdes, les propriétés mécaniques et la résistance au fluage a été étudié. L’addition de cuivre favorise la précipitation des dispersoïdes en augmentant leur densité, mais en diminuant leur taille. Les précipités métastables Q-AlCuMgSi et β’-Mg2Si ont été observés pendant le processus de chauffage et les deux peuvent fournir des sites de nucléation favorables aux dispersoïdes. L’addition de Cu améliore la stabilité thermique des dispersoïdes lors de tenue thermique à long terme, à 350°C pendant 500h. Les résultats des essais mécaniques montrent que l’addition de Cu améliore significativement la dureté à la température ambiante ainsi que la résistance au choc et la résistance au fluage à 300°C, ce qui est principalement attribué au renforcement des dispersoïdes et au renforcement de la solution solide de Cu. La contribution à la limite d’élasticité à 300°C est évaluée quantitativement en fonction d’une solution analytique