Ultrafine-grained Metal Sheets produced using the Accumulative Roll Bonding Process for Light ...

208 Pages·2009·15.12 MB·English

Ultrafine‐grained Metal Sheets produced using the 
Accumulative Roll Bonding Process  
for Light‐Weight Structures 

Der Technischen Fakultät der 
Universität Erlangen‐Nürnberg 
zur Erlangung des Grades 

DOKTOR‐INGENIEUR

vorgelegt von 

Irena Topić 

Erlangen 2008

Herstellung von ultrafeinkörnigen Blechen  
mittels des kumulativen Walzprozesses 
für den Leichtbau 

Der Technischen Fakultät der 
Universität Erlangen‐Nürnberg 
zur Erlangung des Grades 

DOKTOR‐INGENIEUR

vorgelegt von 

Irena Topić 

Erlangen 2008

Als Dissertation genehmigt von 
der Technischen Fakultät der 
Universität Erlangen‐Nürnberg 

Tag der Einreichung:  24.11.2008 
Tag der Promotion:   15.04.2009 
Dekan:      Prof. Dr.‐Ing. Johannes Huber 
Berichterstatter:    Prof. Dr. rer. nat. Mathias Göken 
       Prof.  Dr.‐Ing. Marion Merklein

ABSTRACT
Over the last decade, nanocrystalline and ultrafine-grained (UFG) materials with a grain size
of less than 1 µm have aroused considerable interest due to their superior mechanical
properties in terms of strength and/or ductility compared to conventionally grained materials.
As such, they have a strong potential for prospective engineering applications for structural,
high durability components in automobile, aerospace and medical industry. In this work,
different materials such as commercial purity aluminium AA1050, aluminium alloy AA6016,
oxygen free copper, titanium and niobium were processed by the Severe Plastic Deformation
(SPD) technique called Accumulative Roll Bonding (ARB) in order to produce an ultrafine-
grained microstructure and improve the mechanical properties. One of the biggest advantages
of the ARB process in comparison to other SPD methods such as Equal Channel Angular
Pressing (ECAP) or High Pressure Torsion (HPT) is that it is a continuous process, which can
be incorporated in industry to produce large scale UFG metal sheets. During the ARB
process, the metal sheet surfaces are wire brushed in order to remove the oxide layer, stacked
on top of each other and rolled together with a thickness reduction of 50 %. The metals sheets
bond together during rolling and the procedure can then be repeated any number of times. The
material is subjected to very high plastic, shear deformation and the UFG microstructure starts
to develop after approximately 4 ARB cycles.

This study focuses primarily on the ARB processed commercial purity aluminium AA1050
and the technically relevant aluminium alloy AA6016. Ultrafine-grained Al metal sheets are
especially interesting for light weight construction in the automobile industry due to their high
specific strength. In order to qualify the accumulative roll bonding process for these purposes
detailed investigations on microstructural evolution, mechanical properties and sheet metal
forming using bulge tests and cup drawing tests have been carried out and investigated. Sheet
metal joining is one further technologically important issue, which places a challenge upon
UFG aluminium sheet materials. Friction Stir Welding (FSW) was found to be a desirable
joining technique for UFG materials, since it provides excellent mechanical properties and
retains the fine grained microstructure.

During the course of this study, the ARB process was adapted and optimised for every
materials system and the quality of the sheets was improved. The ARB process was
significantly shortened and it became more robust. The deformation during rolling became
more homogeneous, cracking of the edges was eliminated and crack propagation was
suppressed. These factors cumulatively contributed to less material waste during the process.
The quality of the surface was considerably improved and the sheet thickness became more
homogeneous. The contribution of a four-high rolling mill was especially manifested in terms
of the final width of metal sheets. Irrespective of the process parameters, rapid grain
refinement and significantly higher hardness and strength with increasing number of ARB
cycles, in comparison to the CG counterpart were observed for all materials. The ARB
processed materials are microstructurally anisotropic and they develop a characteristic ß-fibre
texture with a Cu component.

UFG Al sheets showed promising sheet metal forming potential under biaxial stress state
conditions and under tension-compression conditions, which occur during cup drawing
experiments. Generally, UFG aluminium samples rolled up to 4 ARB cycles showed a good
compromise between strength, elongation to failure, minimal sheet thinning and earing during
deep drawing cup tests. However, deep drawing cup tests showed that the metal sheet
formability significantly increases at elevated temperatures. Furthermore, the UFG materials
confirmed that their enhanced strain rate sensitivity can be advantageously used in order to
achieve higher formability.

The UFG AA1050 and AA6016 sheets were successfully friction stir welded. Although a
drop in hardness is measured in the nugget for both materials, the hardness is comparable to
that of the CG counterparts and is not considered to be a technological limitation. However,
bulge tests and cup drawing tests both confirmed limited formability, which appears to be
governed by the amount of deformation and strength of the nugget.

Even though there is still very limited amount of research regarding the formability and direct
applications of UFG sheets, their potential should not be underestimated. The production of
UFG materials can become commercialised and cost effective, and it could become possible
to control the mechanical properties of materials by processing rather than by alloying. In the
meantime, the big technical potential of ARB processed materials was also recognised by the
aluminium manufacturers. Future interests are closely related to superplastic forming,
accumulative roll bonding of magnesium alloys for lightweight structural components, as well
as accumulative roll bonding of IF-steel. Thus, the innovation potential of the UFG materials
for advanced applications in engineering is high, and the requirements for producing such
materials are becoming more and more economically feasible.
KURZFASSUNG
In den letzten Jahren ist das Interesse an nanokristallinen und ultrafeinkörnigen Werkstoffen
enorm gestiegen. Ultrafeinkörnige (engl.: ultrafine-grained UFG) Werkstoffe mit einer
Korngröße von etwa 100 nm bis 1000 nm besitzen außergewöhnliche und für die technische
Anwendung vielversprechende mechanische Eigenschaften im Vergleich zu Werkstoffen mit
konventioneller Korngröße. Durch die hohe spezifische Festigkeit haben UFG-Werkstoffe
insbesondere im Bereich der Konstruktionswerkstoffe und des Leichtbaus ein großes
Anwendungspotenzial. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Werkstoffen
konventioneller Korngröße wie technisch reines Aluminium (AA1050), die
Aluminiumlegierung AA6016, hochreines Kupfer, Titan und Niob mit dem sogenannten
kumulativen Walzprozess (engl.: Accumulative Roll Bonding ARB) umgeformt. Mit diesem
Verfahren lassen sich hauptsächlich flächige Bauteile mit ultrafeinkörnigen Mikrostrukturen
erzeugen. Einer der größten Vorteile dieses Prozesses im Vergleicht zu den anderen
Hochverformungsprozessen wie z.B. Equal Channel Angular Pressing (ECAP) oder High
Pressure Torsion (HPT), ist dass er verhältnismäßig leicht in bestehende Walzanlagen
integriert werden kann und so großflächige ultrafeinkörnige Bauteile hergestellt werden
können. Grundlage des ARB-Prozesses ist es, dass ein Blechwerkstoff wiederholt einer
Walzverformung (Scherverformung) unterzogen wird. Um den Prozess hinreichend häufig
durchführen zu können, wird nach jedem Walzdurchgang mit einer Stichabnahme von 50 %
das Blech in der Länge halbiert. Nach dem Drahtbürsten zur Beseitigung der
Oberflächenoxide und Erzeugung einer entsprechend aufgerauten Oberfläche werden beide
Blechstreifen wieder aufeinander gelegt und fixiert. Der Walzschritt wird dann von neuem
ausgeführt. Während des Walzvorgangs erfolgt dabei ein Verbinden der beiden Blechlagen.
Durch Wiederholung dieses Vorgangs kann nach einer hinreichend großen Anzahl an ARB-
Zyklen eine ultrafeinkörnige Mikrostruktur mit einer Korngröße im Bereich von einigen
hundert Nanometern erreicht werden.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Herstellung von UFG technisch reinem
Aluminium (AA1050) und Aluminiumlegierung AA6016. Die ultrafeinkörnigen
Aluminiumbleche sind auf Grund ihrer hohen spezifischen Festigkeit von besonderem
Interesse im Bereich des Leichtbaus. Um den ARB Prozess als ein modernes
Herstellungsverfahren für die UFG Bleche zu qualifizieren, wurden detaillierte
Untersuchungen der Mikrostruktur, mechanischen Eigenschaften und Umformverhalten wie
z.B. Tiefungsversuche und Napfziehversuche durchgeführt. Zur Herstellung großflächiger
Bauteile in der technologischen Anwendung war es außerdem notwendig, geeignete
Fügeverfahren hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften zu
untersuchen. Im laufe der Arbeit hat sich gezeigt, dass das Reibrührschweißen ein geeignetes
Verfahren für das Fügen von UFG Aluminium-Blechwerkstoffe darstellt. Die feinkörnige
Mikrostruktur wurde während des Reibrührschweißens beibehalten und der Prozess führte zu
ausgezeichnete mechanische Eigenschaften der UFG-Bleche.

Durch gezielte Untersuchungen gelang es zunächst, sowohl die ARB-Prozesskette zu
optimieren, als auch die erzielbare Blechqualität deutlich zu verbessern. Mit der Anschaffung
eines Quartowalzgerüstes, konnte im Vergleich zur Duowalze eine homogenere
Materialverformung bei gleichzeitig geringerer Rißanfälligkeit im Randbereich erreicht
werden. Insgesamt führte dies zu weniger Materialverlust. Der ARB-Prozess wurde dadurch
deutlich verkürzt und robuster. Gleichzeitig wurden Grundlagen für eine direkte Integration
des ARB-Prozesses in die Fertigungsabläufe bei der Herstellung von Feinblechen erarbeitet.
Es zeigte sich, dass als wichtigste Voraussetzungen für eine gute Bindelagenfestigkeit, eine
rauhe Blechoberfläche und erhöhte Prozesstemperaturen von Nöten sind. Die Anschaffung
des Quartowalzgerüsts und die Optimierung der Prozessparameter führten zu einem robusten
Prozessfenster und eröffneten die Möglichkeit für eine Integration des ARBs in die
industrielle Prozesskette. Unabhängig von der Prozesstemperatur und den Prozessparametern,
konnte im Allgemeinen eine rapide Kornfeinung von der konventionellen zur UFG
Mikrostruktur beobachtet werden. Gleichzeitig konnte auch eine deutliche Steigerung der
Härte mit zunehmender ARB-Zyklenzahl bei allen erfolgreich gewalzten Werkstoffen
nachgewiesen werden. Die ARB-Werkstoffe sind stark anisotrop und entwickeln eine
charakteristische ß-Fiber Walztextur mit Cu-Komponente.

Die erreichten mechanischen und Umformeigenschaften zeigen deutlich, dass auch bei
technologisch interessanter Legierung im UFG-Zustand ein hohes Potenzial für den
technischen Einsatz vorliegt. Dieses wurde anhand von den hydraulischen Tiefungsversuchen
und Napfziehversuchen beobachtet. Generell ergab sich bei den UFG-Proben nach etwa 4
ARB-Zyklen ein guter Kompromiss zwischen Festigkeit, ausreichender Bruchdehnung, einer
kleinen Änderung der Blechdicke und kleiner Zipfelbildung. Es konnte auch gezeigt werden,
dass das Umformpotenzial bei erhöhten Temperaturen deutlich gesteigert werden kann.
Darüber hinaus haben die untersuchten UFG-Werkstoffe bestätigt, dass ihre
Dehnratenabhängigkeit eine positive Auswirkung auf die Duktilität aufweisen kann.

Ferner wurden beide UFG Aluminiumlegierungen, AA1050 und AA6016, erfolgreich
reibrührgeschweißt. Der beobachtete Abfall der Härte an der Schweißnaht konnte mit einer
während des Schweißprozesses ausgelösten Rekristallisation der Mikrostruktur erklärt
werden. Da die Härtewerte an der Schweißnaht der UFG-Werkstoffe ein ähnliches Niveau
wie die verschweißten CG Bleche im Ausgangszustand zeigen, besteht in dieser Hinsicht
keine Begrenzung für die technische Anwendung von UFG-Werkstoffen. Die Tiefungs- und
die Napfziehversuche an ARB hergestellten und reibrührgeschweißten UFG AA6016-Blechen
zeigten eine begrenzte Umformbarkeit im Vergleich zu konventionellen Al-Blechen. Dies ist
vermutlich auf eine starke plastische Verformung und niedrige Festigkeit der Schweißzone
zurückzuführen.

Obwohl noch keine ausführlichen Untersuchungen über die Umformbarkeit und eine direkte
Anwendung von UFG-Werkstoffen vorhanden sind, sollte ihr Potenzial nicht unterschätzt
werden. Die Herstellung von UFG-Werkstoffen kann kommerzialisiert werden und die
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wäre durch einen Umformprozess wie das
Walzen, statt durch eine Zugabe der Legierungselemente realisierbar. Das große technische
Potenzial der ARB Al-Werkstoffe wurde mittlerweile auch von den
Aluminiumhalbzeugherstellern erkannt. Die zukünftigen Vorschungsinteressen an UFG-
Werkstoffen liegen im Bereich der Superplastizität, kumulatives Walzen von
Magnesiumlegierungen und IF-Stählen. Folglich ist das Innovationspotenzial der UFG-
Werkstoffe für die erweiterte technische Anwendung sehr hoch, und die Voraussetzungen für
die Herstellung solche Werkstoffe werden immer mehr wirtschaftlich plausibel.