In situ tensile investigations on AA 7020-T6 using synchrotron diffraction for texture, lattice strain and defect density studies

Zhong, Zhengye

The present work deals with the texture, dislocation and lattice strain evolution under uniaxial tension. The in situ experiments were carried out using high-energy X-ray diffraction and a 20 kN universal tensile machine. The anisotropic mechanical behavior is revealed through the reflex-dependent lattice strain evolution of flat samples under uniaxial tension. The as-received material is a 29.5 mm thick aluminum block with strong texture gradient along the block thickness. In the first experiment, two tensile samples from 7.5 mm below the surface were prepared along the RD (rolling direction). The two samples have the deformation texture (copper type) with sharpness of 10 mrd (multiples of random distribution). One sample is used to study the texture evolution and the other sample is used to determine the lattice strain evolution and dislocation evolution during uniaxial tension. During the tensile test, the texture changes slightly due to the low amount of deformation from initial state to sample fracture. In contrast, significant changes in reflex-dependent lattice strains are observed. In the elastic region, the {111} lattice planes are the stiffest, as in theory, but the {200} lattice planes are not the most compliant ones due to the interaction with neighboring grains having other orientations. Moreover, the Young’s modulus of {311} lattice planes is less affected by the texture of 10 mrd. The work hardening during plastic deformation shows a clear dependence on the grain orientations, as shown by the reflex-dependent lattice strains. The essential difference of work hardening as a function of grain orientation is based on two types of dislocation arrangements, the so called [111] tension stress state and [100] tension stress states. Load release first starts on the {111} and {222} lattice planes before macroscopic UTS (ultimate tensile strength). After UTS all lattice planes experience load release. The dislocation density evolution indicates that in the elastic region, dislocation density decreases as the tensile stress increases. From YS (yield strength), the increase of dislocation density causes the work hardening. Near UTS region, the dislocation density becomes constant. Further beyond UTS, some grain orientations show further work hardening while other grain orientations show softening. It leads to a slight increase in the dislocation density. In the fracture region, a significant increase of dislocation density is observed. It results from the reversal stress (compressive stress) which is formed outside the necking zone, caused by the return of elastic strain. In a second experiment the anisotropic behavior of AA 7020-T6 sample with maximum orientation density of 29.7 mrd was investigated. For this purpose, three flat samples from the center of the Al-block were prepared, with the orientations of 0° to RD, 45° to RD and 90° to RD. The uniaxial tensile tests were carried out till UTS, which shows three stress-strain curves with different yield strengths, ultimate tensile strengths and elongations. The in situ experiments were performed in HEMS@PetraIII/DESY. Due to the low elastic anisotropy of aluminum, the yield strengths, which were determined from the reflex-dependent lattice strain evolution, show only small variation. The plastic anisotropy is much stronger, which can be observed from the lattice strain evolution of all the three samples. The tensile test of the 45° to RD sample shows lowest values of YS and UTS. The variation of lattice strain shows that differently oriented grains undergo different stresses. This effect is greatest in the 45° to RD sample. Overall, the 45° to RD sample shows the most specific characteristics, because less (111) and more (200) grain orientations are available.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung der Textur, den Versetzungsdichten und den reflexabhängigen Dehnungen während eines uniaxialen Zugversuches. Das in situ Experiment würde mittels hochenergetischer Röntgendiffraktion und einer 20kN Zuganlage durchgeführt. Mit Hilfe der reflexabhängigen Dehnungen wurden Aussagen über die Anisotropieeigenschaften der Blechprobe gemacht. Bei dem Ausgangsmaterial handelte es ich um einen Aluminiumblock von 29,5mm Dicke mit starkem Texturgradienten über die Blockdicke. In einem ersten Experiment wurden zwei Zugproben aus einer Tiefe von 2,5mm unterhalb der Oberfläche präpariert. Die Deformationstextur dieser Probe (Kupfertyp) hat eine Texturschärfe von 10mrd. Eine Probe wurde zur Studie der Texturentwicklung verwendet und an der zweiten Probe wurden Gitterspannungen und Versetzungen bei uniaxialer Zugspannung bestimmt. Während des Zugversuchs ändert sich die Textur ändert sich nur wenig. Der Grund ist die geringe Verformung der Probe bis zum Bruch. Dagegen sind deutliche Änderungen der reflex-abhängigen Gitterspannungen zu beobachten. Die härteste Ebene ist die {111}, wie von der Theorie vorhersagt, aber {200} ist nicht die weichste Orientierung, was durch den Einfluss benachbarter Körner erklärt werden kann. Es wurde festgestellt, dass der E-Modul der Körner mit {311} Orientierung nur wenig von der Textur beeinflusst wird. Die Kaltverfestigung während der plastischen Verformung zeigt eine deutliche Abhängigkeit von der Korn-orientierung, wie der Verlauf der reflexabhängigen Gitterdehnungen zeigt. Der wesentliche Unterschied der Kaltverfestigung als Funktion der Kornorientierung beruht auf zwei Typen der Versetzungsanordnung, dem sogenannten [111] Dehnungsstress-Zustand und dem [100] Dehnungsstress-Zustand. Der Abfall der angelegten Zugspannung im Spannungsdehnungs-diagramm wurde zuerst bei {111} und{222} schon vor Erreichen der Zugfestigkeit beob-achtet. Nach Erreichen der Zugfestigkeit ist der Abfall der angelegten Spannung bei fast allen Reflexen zu beobachten. Die Defektdichteentwicklung als Funktion der Zugspannung zeigt, dass im elastischen Bereich die Defektdichte abnimmt. Ab der Streckgrenze bewirkt die Kaltverfestigung eine kontinuierliche Zunahme der Defektdichte. Diese Entwicklung geht in einen Teil mit konstanter Defektdichte um die Zugfestigkeit über. Weitere Belastung über Zugfestigkeit zeigt Kornorientierungen, die weiter Verfestigen, während andere Kornorientierungen entfestigen. Dies führt zu einem leichten Anstieg der Defektdichte. In dem Versagensbereich ist ein deutlicher Anstieg der Defektdichte zu beobachten. Es baut sich eine Gegenspannung (Druckspannung) außerhalb der Bruchzone auf, die durch die Rückführung der elastischen Dehnung verursacht wird. In einem zweiten Experiment wurde das anisotrope Verhalten der AA 7020-T6 Probe mit einer Orientierungsdichte von 29.7mrd untersucht. Dazu wurden aus dem Zentrum des Al-Blocks Flachzugproben mit den Orientierungen 0° zur WR (Walzrichtung), 45° zur WR und 90° zur WR genutzt. Die einachsigen Zugexperimente wurden bis zum Erreichen der Zugfestigkeit (Rm) durchgeführt und zeigen unterschiedliche Streckgrenzen (Rp0.2), Zugfestigkeiten und Dehnungen der drei Spannungs-Dehnungs-Kurven. Die in situ Experimente wurden an HEMS@PetraIII/DESY durchgeführt. Wegen der geringen elastischen Anisotropie von Al zeigen die Streckgrenzen, die aus reflexabhängigen Dehnungs-entwicklung bestimmt worden sind, nur geringe Variation. Die plastische Anisotropie ist deutlich stärker, was an der Entwicklung der einzelnen Gitterdehnungen für alle drei Proben zu sehen ist. Das Zugexperiment der Probe 45° zur WR liefert die geringsten Rp0.2, Rm Werte. Die Variation der Gitterdehnung zeigt, dass unterschiedlich orientierte Körner unterschiedliche Verformungsspannungen aufnehmen. Dieser Effekt ist bei der Probe 45° zur WR am größten. Insgesamt zeigt diese Probenorientierung die meisten Besonderheiten auf, da sehr wenig (111) und sehr viel (200) Kornorientierungen vorhanden sind.

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Zhong, Zhengye: In situ tensile investigations on AA 7020-T6 using synchrotron diffraction for texture, lattice strain and defect density studies. 2015.

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