Strontium additions in AZ31 magnesium alloy

Magnesium is a low density metal that is an attractive alternative to steel and aluminum for weight reduction in automotive design. Automotive applications of Mg have steadily grown since the early 1990s. Limited deformation mechanisms at moderate temperatures and resulting poor formability have been the major limitations to the development of Mg wrought alloys. Specialized alloys with improved deformation behaviour exist for aerospace applications, however these are based on expensive alloy systems containing silver and rare-earth (RE) elements such as yttrium and neodymium. Effective use in high volume applications such as automotive components requires a more cost effective solution.Conventional low cost extrusion alloys based on the Mg-Al-Zn and Mg-Zn-Zr systems offer a solution however, they suffer from major problems of extrudability and poor formability. Strontium (Sr) has been introduced to replace RE additions in Mg alloys with an alkali-earth element. Sr has been used as an effective alloying element for grain and second phase refinement as it precipitates as intermetallic phases with high thermal stability. A fw studies have been conducted on the behaviour of these Sr-containing thermally stable precipitates during high temperature deformation. The primary objectives of this research were to study the microstructure, mechanical properties and texture evolution of AZ31 alloy containing various levels of Sr during hot deformation. In the first part of this study, the precipitation and solidification of AZ31-Sr castings was studied by thermal analysis and numerical modeling as a background to understand the formation of secondary phases and microstructural development. This was achieved by casting AZ31 alloys containing various levels of Sr, recording the cooling curves and comparing the findings with computer simulated generated using FactSage (thermodynamic calculation software). In the second part of this study the recrystallization and texture evolution during hot bar extrusion of AZ31-Sr alloys in three sections is characterized. In the first section (3.1) it was shown that Particle-Stimulated Nucleation (PSN) occurred in the deformed regions around the precipitates in certain hot working conditions at 350oC. Increasing the amount of Al-Sr stringers in AZ31 increased the potential sites for PSN. In the following two chapters, the yield asymmetry of AZ31-Sr extruded bars (section 5.1) and the effect of annealing before hot extrusion (section 6.1) were examined. The tensile and compressive strengths of extruded AZ31 alloys containing different levels of Sr depended more on the extrusion temperature than on the Sr concentration and also the yield asymmetry of the AZ31+xSr alloys increased with increasing extrusion temperature. However, the increase was less when Sr was present in the alloy. Section 6 reports results obtained from AZ31+0.8Sr subjected to annealing prior to extrusion at four different times. An increase in the duration of the pre-deformation anneal switched the plane facing the extrusion direction from first order prismatic (100) to second order prismatic planes (110). In the final of part of this thesis, the microstructures and textures of hot extruded AZ31-Sr tubes were examined. Section 7.1 reports on seamed tubes that were extruded using a porthole die. The complex strain path inside the die could be divided into several simple curvatures which occur during ECAP (Equal Channel Angular Pressing). In section 7.2 the expansion behaviour of seamless AZ31-Sr tubes was studied by compressing the tubes with pure-copper cylinder-inserts. The texture of the extruded tube is comprised of two components: hoop direction (HD) and radial direction (RD), which behave differently during expansion. The HD component undergoes extension twinning while the contraction and double twinning occurs in RD grains.Le magnésium est un métal de faible densité qui est une alternative intéressante à l'acier et l'aluminium pour réduire le poids dans la conception automobile. Les applications automobiles de Mg n'ont cessé de croître depuis les années 1990. Mécanismes de déformation limitée à des températures modérées et résultant formabilité pauvres ont été les principales limites à l'élaboration des alliages de Mg forgé. Alliages spécialisés avec le comportement de déformation améliorée existent pour les applications aérospatiales, mais ceux-ci sont basées sur les systèmes d'alliage contenant de l'argent et coûteux de terre rare (RE) des éléments tels que l'yttrium et le néodyme. L'utilisation efficace dans les applications à volume élevé tels que les composants automobiles nécessite une solution plus rentable.Classiques à faible alliages d'extrusion coûts basés sur le Mg-Al-Zn et Mg-Zn-Zr systèmes offrent une solution cependant, ils souffrent de problèmes majeurs de extrudabilité et la formabilité des pauvres. Strontium (Sr) a été introduit pour remplacer les ajouts RE alliages de magnésium avec un élément alcalino-terreux. Sr a été utilisé comme élément d'alliage efficace pour le grain et le raffinement deuxième phase car il précipite sous forme de phases intermétalliques avec une grande stabilité thermique. Quelques études fw ont été menées sur le comportement de ces Sr contenant thermiquement stable précipités lors de la déformation à haute température. Les principaux objectifs de cette recherche était d'étudier la microstructure, propriétés mécaniques et évolution de la texture de la AZ31 alliage contenant différents niveaux de Sr lors de la déformation à chaud.Dans la première partie de cette étude, la précipitation et la solidification de AZ31-Sr moulages a été étudié par analyse thermique et la modélisation numérique comme toile de fond pour comprendre la formation de phases secondaires et le développement de la microstructure. Ceci a été réalisé par coulée AZ31 alliages contenant différents niveaux de Sr, l'enregistrement des courbes de refroidissement et en comparant les résultats avec simulé par ordinateur générées en utilisant FactSage.Dans la deuxième partie de cette étude, la recristallisation et évolution de la texture lors de l'extrusion à chaud de barre de AZ31-Sr alliages en trois sections est caractérisée. Dans la première section (3.1), il a été montré que des particules stimulée par nucléation a eu lieu dans les régions déformées à travers le précipite dans certaines conditions de travail chaudes à 350C.Dans les deux chapitres suivants, le rendement de l'asymétrie AZ31-Sr barres extrudées et l'effet du recuit avant l'extrusion à chaud ont été examinés. Les forces de traction et de compression de extrudés AZ31 alliages contenant différents niveaux de Sr dépendait plus de la température d'extrusion que sur la concentration en Sr et aussi le rendement de l'asymétrie AZ31 + alliages XSR augmente avec la température d'extrusion augmente. Toutefois, l'augmentation était inférieure lorsque Sr était présent dans l'alliage. Section 6 résultats des rapports obtenus à partir AZ31 0,8 Sr soumis à un recuit avant l'extrusion à quatre moments différents. Lors de la finale d'une partie de cette thèse, les microstructures et les textures de chaudes extrudés AZ31-Sr tubes ont été examinés. Section 7.1 des rapports sur les tubes qui ont été cousus extrudé en utilisant une matrice hublot. Le chemin de déformation complexe à l'intérieur de la filière pourrait être divisé en plusieurs courbures simples qui se produisent pendant l'ECAP. Dans la section 7.2 le comportement d'expansion sans soudure AZ31-Sr tubes a été étudiée par la compression des tubes avec pur-cylindre de cuivre-inserts. La texture du tube extrudé est constitué de deux composantes: la direction cerceau et la direction radiale La composante HD subit de jumelage d'extension tandis que le jumelage de contraction et double se présente en grains RD