Einfluss von Deformationsbandinstabilitäten auf die Mg-Ausbeute im kleinen Maßstab

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 5767 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Mithilfe digitaler Bildkorrelation wird beobachtet, dass sich ausbreitende Verformungsbänder der anfänglichen Plastizität in einer unter Spannung extrudierten Mg-1,5-Nd-Legierung anpassen. Die sich ausbreitenden Bänder verursachen ein ungewöhnliches Plateau in der Spannungs-Dehnungs-Reaktion der Legierung, bevor bei weiterer Dehnung eine allgemein abnehmende Kaltverfestigung wiederhergestellt wird. Die Auswirkungen der Verformungsstreifenbildung und des zugrunde liegenden Plateaus in der Fließspannung auf die Streckgrenze im kleinen Maßstab werden während der Kurzzeitermüdung (LCF) und der Spannung gekerbter Proben untersucht. Es wurde beobachtet, dass die abwechselnde Bildung/das Verschwinden von Verformungsbändern im Messbereich von extrudierten LCF-Proben während der Prüfung die Lebensdauer im Vergleich zu getemperten Proben, die keine Instabilitäten aufweisen, verkürzt. Im Gegensatz dazu lenken die Bänder die plastische Zone vor der Kerbe von der Hauptebene orthogonal zur aufgebrachten Belastung ab, was einen positiven Effekt auf die Zähigkeit der Legierung hat.

Legierungen, bei denen das sogenannte Fließgrenzenphänomen auftritt, weisen ein charakteristisches Plateaustadium auf, dh eine nahezu konstante Fließspannung beim Fließen1,2. Die plastische Verformung im Plateau erfolgt lokal durch Instabilitäten, beispielsweise in Verformungsbändern, die oft als Lüders-Bänder bezeichnet werden3,4. Während solche plastischen Instabilitätsphänomene bei Weichstählen während der Zugverformung häufig beobachtet werden5,6, sind sie bei Mg-Legierungen weniger häufig7,8,9. Traditionell war der inhomogene plastische Fluss in Mg-Legierungen weitgehend mit der Lawine lokaler Extension-Twining-Aktivität verbunden 10,11. Die Zwillingsbildung als wichtiger Verformungsmechanismus bei Mg hängt vom Belastungspfad relativ zur Kornkristallorientierung ab12,13,14,15. Insbesondere wird die Verformung von stark strukturierten Mg-Legierungen unter Druck entlang der Extrusions- oder Walzrichtung durch Dehnungszwillinge dominiert16,17,18. Es könnten auch Zwillingskaskaden auftreten, bei denen Zwillinge in einem Korn Zwillinge in den benachbarten Körnern über die Korngrenze hinweg stimulieren11,19,20,21,22. Da Ausdehnungszwillinge in Mg-Legierungen zu einer geringen Kaltverfestigung führen23,24,25,26, könnte das Auftreten einer starken Zwillingsbildung, auch Zwillingsstreifenbildung genannt, zu einem Plateau in der mechanischen Reaktion führen27.

Anstelle von Zwillingen wurden kürzlich in einigen Mg-Legierungen, insbesondere solchen, die Seltenerdelemente enthalten, versetzungsinduzierte plastische Instabilitätsphänomene festgestellt7,9,28,29,30,31. Wie bei Stählen kann die Wechselwirkung zwischen gelösten Atomen und/oder kleinen Ausscheidungen und Versetzungen in Mg das Fließverhalten stark beeinflussen und zu plastischen Instabilitäten führen, die auf der makroskopischen Skala erkennbar sind28. Obwohl erstmals vor mehr als 150 Jahren beschrieben, wurden Studien zu plastischen Instabilitäten hauptsächlich an Stählen32 und anderen kubisch-raumzentrierten (bcc)33 Metallen durchgeführt. Die Anzahl der Studien zu diesem Thema in Mg-Legierungen ist begrenzt. Angesichts des wachsenden Interesses an Leichtbaulegierungen34,35,36,37 ist es nun von Interesse, die Natur und die Folgen der plastischen Instabilitätsphänomene in Mg-Legierungen zu verstehen.

Die plastischen Instabilitäten gelten aufgrund der von ihnen erzeugten Oberflächenunregelmäßigkeiten, die als Streckdehnungen, Luders- oder Hartman-Bänder bekannt sind, als unerwünschte Phänomene bei Formgebungsvorgängen38. Es bleibt abzuwarten, ob diese Instabilitäten positive Auswirkungen auf das Verhalten von Mg-Legierungen haben könnten. Bei Tests zur niedrigzyklischen Ermüdung (LCF) werden die Dehnungsamplituden normalerweise auf unter 3 % eingestellt39,40,41. Bei Bruchzähigkeitsprüfungen wird die plastische Zone vor der Rissspitze zur Beurteilung der Eigenzähigkeit herangezogen42. Bei diesen beiden Tests handelt es sich um eine geringe plastische Verformung bzw. eine lokalisierte plastische Verformung. Da die plastischen Instabilitätsphänomene solche Fließeigenschaften im kleinen Maßstab wahrscheinlich beeinflussen, untersucht diese Arbeit hier den LCF und die Zähigkeit der Mg-1,5-Nd-Legierung, die die beobachteten Phänomene aufweist28.

Die Legierung mit 1,5 Gew.-% Nd wurde konventionell gegossen und anschließend bei 300 °C heiß zu Stäben mit 12 mm Durchmesser extrudiert. Während wir zur Herstellung der Legierung reines Mg mit einer Reinheit von 99,95 % verwendeten, ist in Tabelle 1 die Zusammensetzung der Legierung aufgeführt. Die anfängliche Mikrostruktur der extrudierten Legierung ist in Abb. 1 dargestellt. Die Mikrostruktur besteht aus gleichachsigen Körnern mit einer durchschnittlichen Korngröße von ~ 4,3 μm, die überwiegend in einer sogenannten „Seltenerd“-Textur ausgerichtet sind. Weitere Einzelheiten zur Mikrostruktur, die aus der Elektronenrückstreubeugung (EBSD), der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und der Synchrotron-Röntgenbeugung abgeleitet wurde, finden Sie in28. Einige Proben wurden 15 Minuten lang einem kurzen Glühen bei 375 °C unterzogen. Die Idee hinter diesem Glühen bestand darin, den Effekt des Scherbandes zu eliminieren oder zumindest zu minimieren, ohne die Streckgrenze zu beeinträchtigen. Da die Glühzeit relativ kurz war, kam es im Vergleich zum extrudierten Material nicht zu nennenswerten Veränderungen in der Kornstruktur und Textur. Daher wird keine Karte des geglühten Materials bereitgestellt. Das Tempern reichte jedoch aus, um die gelösten Stoffcluster und metastabilen Niederschläge über die kritische Größe hinaus zu verändern und so die Fixierung von Versetzungen zu verringern. Somit wurde durch den Glühschritt das Phänomen der Streckgrenze effektiv beseitigt, ohne die Festigkeit der Legierung zu beeinträchtigen. Die Versetzungsfixierung in der Legierung wird durch kleine metastabile Niederschläge und gelöste Stoffcluster mit einer Größe von ca. 5 nm verursacht, wie in unserer früheren Arbeit beschrieben18. Das Material wurde außerdem 15 Minuten, 30 Minuten und 60 Minuten lang bei 400 °C und 485 °C geglüht und auf Zug bis zum Bruch getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Festigkeit mit der Glühtemperatur und der Glühzeit abnimmt.

Karte der inversen Polfigur (IPF), die die anfängliche Mikrostruktur der Mg-1,5Nd-Legierung zeigt. Die Probenrichtung senkrecht zu den Karten ist senkrecht zu ED, wie im Standard-IPF-Dreieck angegeben. Die Farben in den IPF-Karten stellen die Ausrichtung senkrecht zur ED-Probenachse in Bezug auf den Kristallgitterrahmen entsprechend der Färbung im Standard-IPF-Dreieck dar.

Aus den Extrusionsstäben wurden mithilfe von Elektrowerkzeugen flache Proben mit den Abmessungen 5,0 mm (L) × 4,0 mm (B) × 2,0 mm (T) und runde Proben mit den Abmessungen 25,0 mm (L) × 7,0 mm (T) geschnitten Entladungsbearbeitung (EDM) bzw. Drehen. Alle Proben wurden anschließend einer allseitigen Schleifoberflächenbehandlung unterzogen, bei der SiC-Papiere mit einer Körnung von bis zu 1200 verwendet wurden. Zusätzlich wurde eine Kerbe mit einem Radius von 1 mm in einen Satz flacher Proben eingearbeitet. Die Tests wurden mindestens zweimal wiederholt, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse eine ausreichende Ähnlichkeit der mechanischen Eigenschaften und beobachteten Phänomene aufweisen. Die Belastungsachse verlief parallel zur Extrusionsrichtung (ED). Flache Proben wurden mit einem Gatan-Mikrotisch getestet, während runde Proben mit einer servohydraulischen MTS-Maschine Landmark 270 getestet wurden. DIC wurde zur Aufzeichnung der Verschiebungs-/Dehnungs-/Dehnungsratendaten verwendet. Zu diesem Zweck wurde mit Rust-Oleum-Sprühfarbe ein Sprenkelmuster mit schwarzen Punkten auf weißem Hintergrund auf die Oberflächen aufgetragen. Die Bilder wurden mit einer Point-Gray-Kamera mit Festbrennweitenobjektiv und Verlängerungsabstandshaltern zur Variation der Gesamtbrennweite aufgenommen. Für die Bildrekodierung wurde die Software PointGrey FlyCap2 und für die Nachbearbeitung der Daten VIC-2D v.6 verwendet. Die Dehnungsrate betrug für alle Tests in der vorliegenden Arbeit 0,001/s.

Wir beginnen mit der Darstellung der Ergebnisse einfacher Spannungstests an flachen Proben in Verbindung mit einem DIC-System, um die Verformungsmerkmale plastischer Instabilitätsphänomene zu charakterisieren. Abbildung 2a zeigt eine typische Spannungs-Dehnungs-Kurve der Legierung bei quasistatischer Zugbelastung. Abbildung 2b vergrößert den Teil in der Nähe des Nachgebens. Aus der Spannungs-Dehnungs-Kurve beim Fließen lässt sich ein Plateaustadium erkennen, das mit der inhomogenen Verformung der Legierung einhergeht. Abbildung 2c–f zeigt mit DIC aufgezeichnete Dehnungsfelder, die die Nachgiebigkeit und die sich entwickelnden Verformungsbänder korrelieren. Zungenförmige Dehnungslokalisationen entwickeln sich zunächst im Bereich nahe dem Übergang vom Griffabschnitt zum Messabschnitt der Probe, während sie sich der makroskopischen Nachgiebigkeit nähern (Abb. 2d). Bei mehreren solchen Lokalisierungen (Abb. 2e) breitet sich ein Band in einem Winkel von ~ 45° zur Belastungsrichtung über die gesamte Breite der Probe aus und verbindet die Lokalisierungen von unten nach oben (Abb. 2e). Schließlich überwiegt die Biegung, wodurch die lokale Dehnung auf 0,012 ansteigt, während der Rest der Lokalisierungen abklingt.

(a) Spannungs-Dehnungs-Kurve der Mg-1,5Nd-Legierung zusammen mit (b) einem vergrößerten Teil, der durch das Phänomen der Streckgrenze bestimmt wird. (c–f) DIC-Dehnungsfelder (εyy) über den gesamten Messabschnitt der Probe, in dem die gestrichelten Ovale zungenförmige elasto-plastische Dehnungslokalisationen vor der Bildung eines dominanten Verformungsbandes hervorheben.

Da die Bilder in Abb. 2d – f mit einer bekannten Zeitauflösung von 143 ms (ms) aufgenommen wurden, wurde die Geschwindigkeit der Bandausbreitung geschätzt. Da die mit DIC gemessene Länge des Bandes etwa 6 mm betrug, kann die Geschwindigkeit dann auf 6 mm in 286 ms = 0,021 m/s geschätzt werden. Dieser Wert ist mindestens eine Größenordnung niedriger als die Geschwindigkeit der Zwillingsausbreitung, die früher mit 0,1–10 m/s ermittelt wurde43. Während es sich sowohl bei der Zwillingsbildung als auch bei der Streifenbildung um Scherverformungen handelt, wird der Unterschied in den Geschwindigkeiten auf die unterschiedlichen Maßstäbe der Phänomene zurückgeführt. Bei der Zwillingsbildung handelt es sich um einen Mechanismus, der die Ausbreitung von Scherkräften durch ein einzelnes Korn oder Unterkorn beinhaltet, während das Band eine kaskadenartige „Entfestigung“ von Versetzungen und eine kollektive Ausbreitung von Scherkräften durch ein polykristallines Aggregat beinhaltet, wie in28 gezeigt.

Um die Ausbreitung des Bandes unter Spannung zu veranschaulichen, stellen wir in Abb. 3 DIC-Dehnungsratenfelder (dεyy/dt) dar. Die Abbildung veranschaulicht die weitere Entwicklung der plastischen Instabilität bei der Bildung. Offensichtlich breitet sich das Band in beide Richtungen aus (Abb. 3c). Die Momentanfelder zeigen, dass die Verformung zwischen den beiden Vorderseiten des Bandes (also innerhalb des Bandes) stattfindet, während der Rest des Materials elastisch bleibt. Dennoch ist die Dehnungsrate an den Vorderseiten des Bandes etwa doppelt so hoch wie im Inneren des Bandes. Wenn das Band den gesamten Messbereich einnimmt (Abb. 3g), stellt die Legierung bei weiterer plastischer Dehnung eine allgemein abnehmende Kaltverfestigungsrate wieder her. Daher wird die Verformung innerhalb des Plateaus durch die Ausbreitung des Bandes ausgeglichen. Wie in 28 gezeigt, haben die Keimbildung und Ausbreitung des Bandes keinen Einfluss auf die Deformationszwillinge. Der Mechanismus wurde hauptsächlich auf die Kaskadenlösung immobilisierter Versetzungen zurückgeführt. Ein solches Verhalten von Versetzungen führt zur Keimbildung und Ausbreitung des Bandes, wie in den Abbildungen dargestellt. 2f bzw. 3b–f.

DIC-Dehnungsratenfelder (dεyy/dt), die die Entwicklung plastischer Instabilitäten von (a) ε = 0 bis (b) ε = 0,00183, (c) ε = 0,00188, (d) ε = 0,0045, (e) ε = 0,009 veranschaulichen , (f) ε = 0,01, (g) ε = 0,025 und (h) ε = 0,1.

Abbildung 4 vergleicht die Spannungsfelder, die sich unter Spannung einer Probe im extrudierten Zustand entwickeln, mit denen einer Probe, die getempert wurde. Es ist bekannt, dass das Glühen das Fließgrenzenphänomen beseitigt, außer bei einigen ultrafeinkörnigen oder nanokörnigen Materialien, die durch starke plastische Verformung mit Korngrößen von weniger als 1 µm44 hergestellt werden. Die Felder bestätigen, dass sich die nicht geglühte Probe durch die Bildung eines Verformungsbandes verformt, das in einem Winkel von ~ 45° zur Belastungsrichtung ausgerichtet ist, während die geglühte Probe keine Bildung eines Verformungsbandes, sondern eine regelmäßige Dehnungslokalisation in der Mitte des Messabschnitts zeigt aufgrund der höchsten Triaxialität in der Probenmitte.

DIC-Dehnungsfelder εyy unter Spannung bis ~ 0,01 wahre Dehnung, die die Unterschiede in der Verformung zwischen (a) einer Mg-1,5-Nd-Legierung im extrudierten Zustand und (b) einer 15-minütigen geglühten Mg-1,5-Nd-Legierung bei 375 °C veranschaulichen.

Die Rolle von Deformationsstreifeninstabilitäten bei der Streckgrenze einer Mg-Nd-Legierung im kleinen Maßstab wird durch die Durchführung von LCF-Tests und der Spannung gekerbter Proben untersucht. Zunächst untersuchen wir das Verhalten der plastischen Instabilität unter zyklischer Belastung und ihren Einfluss auf den LCF der Legierung. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse eines vollständig umgekehrten Zug-Druck-LCF-Tests für eine nicht geglühte runde Probe aus einer Mg-1,5-Nd-Legierung. Die Belastung erfolgte mit einer Dehnungsamplitude von 0,0125. In Abb. 5a entspricht die rote Kurve dem ersten vollständig umgekehrten Zyklus und die roten Buchstaben be entsprechen den in Abb. 5b – e dargestellten DIC-Dehnungsfeldern. Die schwarzen Kurven in Abb. 5a entsprechen nachfolgenden Zyklen. Das Fließplateau trat sowohl bei der ersten Vorwärtszugbelastung als auch bei der ersten umgekehrten Druckbelastung auf und verschwand danach. Das geglühte Material zeigt kein solches Plateau.

(a) Spannungs-Dehnungs-Kurve, aufgezeichnet während der zyklischen Zug-Druck-Belastung der extrudierten Legierung. DIC-Dehnungsfelder εyy während des 1. Belastungszyklus: anfänglich (b), bei maximaler Spannung (c), entlastet bis zur Dehnung 0 (d) und bei maximaler Kompression (e). DIC-Dehnungsfelder εyy bei maximaler Spannung (f) und maximaler Kompression (g) während des 1., 2. und 10. Zyklus. Verteilungen der εyy-Dehnung entlang des Messabschnitts der Probe nach dem 1., 2. und 10. Zyklus bei (h) maximaler Spannung und (i) bei maximaler Kompression.

Das Verformungsband erschien im unteren Teil des Messabschnitts und breitete sich zum anderen Ende aus, wobei es ein lokales Maximum von ~ 0,02 Zug-εyy-Dehnung erreichte (Abb. 5c, h). Das Band verblasste während des Entladevorgangs zunehmend, bis es vollständig verschwand (Abb. 5d). Bei der Druckbelastung bildete sich im oberen Teil der Probe ein neues Druckband, das ein ähnliches lokales Maximum von –0, 02 εyy Dehnung erreichte (Abb. 5e, i). Das abwechselnde Auftreten der Zug- und Druckverformungsbänder während der folgenden zyklischen Belastungen wiederholte sich in einem ähnlichen Muster (Abb. 5f, g), aber das Ausmaß dieser plastischen Instabilität nahm zunehmend ab. Nach dem 10. Zyklus ist das Band „stabilisiert“ und lässt die maximale Belastung nicht mehr nach; Das wiederholte Erscheinen und Verschwinden der Bande wird bis zum Bruch der Probe beobachtet. Dieses einzigartige zyklische Verformungsverhalten, das mit den plastischen Instabilitäten verbunden ist, wurde in früheren Studien nicht berichtet. Interessanterweise spiegelt sich das von DIC beobachtete lokalisierte Verhalten der Bande ab dem 2. Zyklus nicht in der zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurve wider, da es in der Spannungs-Dehnungs-Kurve kein Fließplateau gibt.

Das beobachtete Verhalten resultiert aus dem Versetzungsgleiten in den Materialien, das für das Vorhandensein des Phänomens der Fließgrenze verantwortlich ist. Beim ersten Belastungszyklus werden Versetzungen durch die metastabilen Ausscheidungen festgehalten, und ihre kollektive Loslösung führt zu einem leichten Nachgeben. Ab dem zweiten Zyklus überwiegt das regelmäßige „unfixierte“ Gleiten. Nachdem sie sich während des ersten Zyklus gelöst haben, scheren die Versetzungen während der zyklischen Verformung wahrscheinlich immer wieder über denselben Weg, so dass die Ausscheidungen dem Gleiten der Versetzungen keinen Widerstand gegen die Fixierung bieten. Im Wesentlichen wird das Gleiten von Versetzungen mit den Zyklen immer einfacher, da im vorherigen Zyklus Hindernisse auf dem gleichen Weg überwunden wurden.

An geglühten und nicht geglühten Proben der Legierung wurde eine Reihe von LCF-Tests mit drei Dehnungsamplituden durchgeführt, um die Auswirkung plastischer Instabilitäten auf die Lebensdauer der Legierung zu bewerten. Die Ergebnisse, die die LCF-Lebensdauer zeigen, sind in Tabelle 2 zusammengefasst, während eine detailliertere Parametertabelle zusammen mit Diagrammen der Spannungsamplituden im ergänzenden Material der Arbeit gezeigt wird. Wie man sehen kann, ist die Ermüdungslebensdauer der nicht geglühten Proben, die sich aufgrund der plastischen Instabilitäten verformen, im Vergleich zur geglühten Legierung um 20–60 % kürzer, wobei der Unterschied bei niedrigeren Dehnungsamplituden größer ist. Wie in Abb. 5 dargestellt, bewirken die Verformungsbänder eine Dehnung von etwa der Hälfte des Messabschnitts auf ein etwa doppelt so hohes Dehnungsniveau als angewendet, anstatt die Dehnung gleichmäßig über den gesamten Messabschnitt zu verteilen. Letzteres ist ein normales Verhalten des geglühten Materials. Bei jedem Zyklus wird derselbe Probenbereich wiederholt stark beansprucht, während der Rest des Materials elastisch bleibt. Es kann eine Analogie zu einem bekannten Einfluss der mittleren Dehnung auf die Ermüdungslebensdauer gezogen werden. Bei einer gegebenen Dehnungsamplitude ist die Ermüdungslebensdauer am niedrigsten für eine Probe, die nur unter Spannung zyklisch belastet wird (mittlere Dehnung ist positiv), gefolgt von zyklischer Belastung mit mittlerer Dehnung gleich 0 (vollständig umgekehrte Spannung-Kompression), und die höchste Lebensdauer ergibt sich für Radfahren nur unter Kompression (mittlere Dehnung ist negativ)39,45. Daher wirkt sich das Verformungsverhalten bei plastischen Instabilitäten negativ auf die Ermüdungslebensdauer aus, da ein Teil der Probe nur Spannung erfährt.

Um die Auswirkung der plastischen Instabilität auf die Zähigkeit der Legierung zu bewerten, wurden Zugversuche mit gekerbten Proben der extrudierten und geglühten Legierung durchgeführt. Die Last-Verschiebungs-Kurven sowie ein Vergleich zwischen den Feldern für die Proben im extrudierten Zustand und im getemperten Zustand sind in Abb. 6 dargestellt. Abbildung 7 zeigt die DIC-Dehnungsfelder εyy für die Probe im extrudierten Zustand. Ähnlich wie bei den Spannungsfeldern ungekerbter Proben wurde die Bildung zungenförmiger elasto-plastischer Lokalisationen unmittelbar vor der Bandausbreitung beobachtet. Eine Dehnungslokalisation vor der Kerbe wird erwartet, die unregelmäßige und asymmetrische Form ist jedoch nicht typisch42. Beim Erreichen der Nachgiebigkeit breitet sich das erste Band auf der dem Ort der Lokalisierung gegenüberliegenden Seite der Kerbe aus (Abb. 7). Aus der Last-Verschiebungs-Kurve lässt sich ein Lastabfall beobachten, dem ein kurzer Abschnitt einer linearen Verfestigung folgt. Als Folge solcher Instabilitäten wird ein Weg mit dem geringsten Widerstand von der Hauptebene des Modus I orthogonal zur Richtung der aufgebrachten Belastung abgelenkt. Anschließend bildet sich das zweite Scherband auf der anderen Seite einer Kerbe (Abb. 7d), was zu einem weiteren Lastabfall führt und mit zunehmender Dehnung beide Bänder breiter wird. Sobald beide Bänder vollständig entwickelt sind, nimmt die plastische Zone vor der Kerbe eine relativ symmetrische Form an, was bedeutet, dass sich die Legierung auf die gleiche Weise verhält und aushärtet, gefolgt von der Entstehung und Ausbreitung eines Risses im späteren Stadium der Verformung.

(a) Vergleich der Last-Verschiebungs-Kurven (P-δ), die während der Spannung gekerbter, extrudierter und geglühter Proben der Mg-1,5Nd-Legierung aufgezeichnet wurden. (b–e) DIC-Dehnungsfelder εyy zur Veranschaulichung der Felder zu Beginn der Verformung (b, c) und zu Beginn der Rissbildung (d, e). Diese sind in (a) in Klammern angegeben: als extrudierte Proben (links) und getemperte Proben (rechts). Beachten Sie die Ähnlichkeit der Spannungsfelder in (d und e) mit einer etwas höheren Spannungslokalisation in der getemperten Probe.

DIC-Dehnungsfelder (εyy) während der Spannung einer gekerbten Probe aus extrudierter Mg-1,5Nd-Legierung bei den folgenden Verschiebungen (δ): (a) δ = 0, (b) δ = 0,075, (c) δ = 0,076, (d) δ = 0,125, (e) δ = 0,75 und (f) δ = 0,8.

Die Last-Verschiebungs-Kurven der gekerbten Proben mit und ohne Glühen überlappen sich nach der anfänglichen Streckgrenze, was bestätigt, dass die Deformationsstreifenphänomene hauptsächlich das frühe Stadium der Verformung in der Nähe der Streckgrenze beeinflussen. Nachdem sich die Bänder vollständig ausgebreitet haben, verhält sich die extrudierte Legierung wie die getemperte Legierung ohne plastische Instabilitäten. Allerdings wird die Rissbildung in der geglühten Legierung früher beobachtet als in der extrudierten Legierung. Darüber hinaus ist in der getemperten Probe eine etwas höhere Dehnungslokalisation zu beobachten als in der nicht getemperten Probe, die stärker verteilt ist. Obwohl diese Unterschiede nicht besonders ausgeprägt sind, können sie doch Anzeichen für einen positiven Effekt der Bänder auf die Zähigkeit sein. Die Eigenschaft der Zähigkeit wird traditionell als eine Kombination aus Festigkeit und Duktilität angesehen, zwei Eigenschaften, die sich im Allgemeinen gegenseitig ausschließen. Da die in der vorliegenden Studie verwendete Legierung eine Dehnung von > 40 % aufweist, ist die Streckgrenzenstufe von etwa 2,5 % für die gesamte plastische Verformung unbedeutend. Wenn dagegen eine viel festere, aber weniger duktile Legierung in Betracht gezogen wird, könnte eine plastische Instabilität die Verformung dominieren und einen viel größeren Einfluss auf die Eigenschaften haben, einschließlich einer erheblichen positiven Auswirkung auf die Zähigkeit. Abschließend weisen wir darauf hin, dass, obwohl die mit gekerbten Proben durchgeführten Tests aufgrund der vereinfachten Probengeometrie keine gültigen Bruchzähigkeitstests darstellen, die hier durchgeführten Experimente darauf schließen lassen, dass Gleichungen der Kontinuumsbruchmechanik aufgrund der großen Größe nicht in der Lage wären, die mechanischen Felder in der Nähe der Kerbe zu beschreiben Asymmetrie/Heterogenität aufgrund der Instabilitäten.

Zusammenfassend haben wir mehrere neuartige experimentelle Beobachtungen plastischer Instabilitäten in einer Mg-Legierung gezeigt und deren Einfluss auf das mechanische Verhalten der Legierung in einem Fließbereich im kleinen Maßstab bewertet. Insbesondere beobachteten wir die Bildung und Ausbreitung lokalisierter Verformungsbänder unter Spannung von Standard- und gekerbten Proben und zyklischer Belastung. Der Keimbildung eines Deformationsbandes unter Spannung geht die Bildung zungenförmiger elasto-plastischer Dehnungslokalisationsheterogenitäten voraus. Bei der Keimbildung breiten sich Verformungsbänder über die gesamte Breite der Proben aus, woraufhin sich das Band bei weiterer Dehnung verbreitert. Unter zyklischer Belastung bildet sich das Verformungsband unter Zug, verschwindet dann aber bei Entlastung und unter Druck bildet sich in einem anderen Bereich ein neues Band. Eine solche inhomogene Verformung wiederholt sich bei zyklischer Belastung und beeinträchtigt die Ermüdungslebensdauer der Legierung. Dennoch wird durch die plastischen Instabilitäten die plastische Zone vor der Kerbe von der Hauptebene orthogonal zur aufgebrachten Belastung abgelenkt, was einen gewissen positiven Effekt auf die Zähigkeit der Legierung hat.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde von der US National Science Foundation im Rahmen des CAREER-Stipendiums Nr. gesponsert. CMMI-1650641 und vom DEVCOM Army Research Laboratory im Rahmen der Kooperationsvereinbarung Nr. W911NF-21-2-0149.

Fakultät für Maschinenbau, University of New Hampshire, Durham, NH, 03824, USA

Evgenii Vasilev & Marko Knezevic

National Engineering Research Center of Light Alloy Net Forming, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China

Jie Wang & Gaoming Zhu

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EV-Methodik, Validierung, formale Analyse, Untersuchung, Schreiben – Originalentwurf JW-Methodik, Validierung, formale Analyse, Untersuchung, Schreiben – Originalentwurf GZ-Methodik, Untersuchung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung MK-Konzeptualisierung, Methodik, Ressourcen, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung , Supervision, Projektverwaltung, Fördermittelakquise.

Korrespondenz mit Marko Knezevic.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Vasilev, E., Wang, J., Zhu, G. et al. Einfluss von Deformationsbandinstabilitäten auf die kleinräumige Ausbeute einer Mg-Nd-Legierung, ermittelt durch digitale In-situ-Bildkorrelation. Sci Rep 13, 5767 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33072-8

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Eingegangen: 01. Dezember 2022

Angenommen: 06. April 2023

Veröffentlicht: 08. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33072-8

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Einfluss von Deformationsbandinstabilitäten auf die Mg-Ausbeute im kleinen Maßstab