Hot tearing of Mg-Y and Mg-Y-Zn alloys
Hot tearing is known as one of the most fatal solidification defects commonly encountered during casting. Although it has been investigated for decades, the understanding still stands at a qualitative level. So far, the investigations on hot tearing are mainly focused on the aluminum alloys and steel. Only little work has been reported on the hot tearing of magnesium alloys. Recently, Mg-Y-Zn alloys have become as one of the most promising wrought magnesium alloys for practical applications. Therefore, it is extremely important to investigate the hot tearing susceptibility (HTS) of Mg-Y and Mg-Y-Zn alloys. In the present work, the HTS of binary Mg-Y alloys is investigated using thermodynamic calculations based on Clyne and Davies model. The results indicate that the HTS as a function of Y content follows the “λ” shape. Based on predicted results, the HTS of Mg-Y and Mg-YZn alloys are investigated at different initial mould temperatures using a constrained rod casting (CRC) apparatus with a load cell and a data acquisition system. Numerical simulations of HTS are calculated with ProCAST software. The HTS is characterized by quantifying the volume of the cracks and measuring the contraction force during solidification. Microstructures and fracture surfaces are investigated using XRD, OM and SEM. The experimental results show that HTS decreases with increased mould temperature from 250 to 450 °C. The initiation of hot cracks is monitored during experiments and it corresponds with a drop in increment of load on the force-time curves. The critical solid fraction at which hot cracks form is determined according to the thermodynamic calculation with the Pandat software using the Scheil model. A study of macro-and microstructures of the alloys is performed and a relationship is found between the microstructures and HTS. The microstructures and fracture surfaces of Mg-Y alloys and Mg-Y-Zn alloys show that the hot cracks propagate along the dendritic or grain boundaries through the inter-dendritic separation or tearing of interconnected dendrites. The results also show that the grain size and type, second phases, freezing range of the alloys and the amount of eutectic phases are important factors that contribute to HTS. The HTS of binary Mg-Y alloys and ternary Mg-Y-Zn alloys is simulated using hot tearing indicator (HTI) model based on the accumulated plastic strain in the last stage of solidification and implemented in the ProCAST software. The predictions of HTS are validated by comparison with the experimental measurements.
Heißrisse sind eine der häufigsten und fatalen Erstarrungsdefekte beim Gießen. Obwohl sie schon seit Jahrzehnten untersucht werden, steht das Verständnis noch auf einem qualitativen Niveau. Der momentane Fokus der Heißrissausbildung bezieht sich im Wesentlichen auf Aluminium- und Stahllegierungen. Zudem wurden bislang nur wenige Arbeiten über das Verhalten von Magnesiumlegierungen in Bezug auf Heißrisse veröffentlicht. Dies trifft auch auf das Legierungssystem Mg-Y-Zn zu, welches als ein vielversprechendes System für Magnesiumknetlegierungen angesehen werden kann. Daher ist es äußerst wichtig, die Heißrissanfälligkeit (HTS - hot tearing susceptibility) von Mg-Y- und Mg-Y-Zn-Legierungen zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit wird die HTS von binären Mg-Y-Legierungen mit thermodynamischen Berechnungen auf Basis des Clyne und Davies-Modells untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die HTS als eine Funktion des Y-Gehaltes der "λ" Form folgt. Basierend auf vorhergesagten Ergebnissen ist die HTS von Mg-Y- und Mg-Y-Zn- Legierungen unter verschiedenen Erstarrungsparametern untersucht wurden. Dies geschah unter der Verwendung einer CRC-Vorrichtung mit einer Kraftmesszelle und einem Messsystem, das die Daten aufzeichnet. Mittels der Software ProCAST wurde die HTS numerisch simuliert. Die HTS wird durch eine Quantifizierung des Rissvolumens und der Messung der Kontraktionskraft während der Erstarrung überprüft. Die Mikrostrukturen und Bruchflächen werden mittels XRD, Lichtmikroskop und REM untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die HTS abnimmt bei einer Zunahme der Kokillentemperatur von 250 auf 450 °C. Der Beginn der Heißrissbildung konnte in den Versuchen ermittelt werden, welche durch die Lastabnahme in der Kraft-Zeit-Kurven bestimmt wird. Der kritische Feststoffanteil, der zur Heißrissbildung führt, wird durch thermodynamische Berechnungen mit Pandat unter Verwendung des Scheil-Modells bestimmt. Eine Studie der Makro- und Mikrostrukturen der Legierungen wird durchgeführt und eine Beziehung zwischen den Mikrostrukturen und HTS konnte ermittelt werden. Die Mikrostrukturen und die Bruchflächen der Mg-Y- und Mg-Zn-Y-Legierungen zeigen, dass die Heißrisse sich entlang der Korngrenzen oder interdendritischen Bereiche ausbreiten. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Korngröße und der Art intermetallischer Ausscheidungen, das Erstarrungsintervall der Legierungen und die Menge der eutektischen Phasen wichtige Einflüsse auf die HTS sind. Die HTS der binären Mg-Y- und ternären Mg-Y-Zn-Legierungen wurden mittels eines Heissrissindikator–Modells in ProCAST implementiert und simuliert, basierend auf der Akkumulation plastischer Dehnung in der letzten Stufe der Erstarrung. Die Vorhersagen der HTS mittels ProCAST konnten mit den experimentellen Messungen validiert werden.
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