High throughput investigation of diffusion and solid solution hardening of HCP Mg alloys

Wang, Jingya (2019). High throughput investigation of diffusion and solid solution hardening of HCP Mg alloys. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.56453.

Description

Title: High throughput investigation of diffusion and solid solution hardening of HCP Mg alloys
Author/s:
  • Wang, Jingya
Contributor/s:
  • Llorca Martínez, Javier
  • Cui, Yuwen
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El Magnesio es mas ligero de los metales estructurales y se postula como una alternativa en muchas aplicaciones industriales debido a su alta rigidez específica, su gran capacidad de amortiguamiento y su biocompatibilidad junto a su excelente conductividad térmica y eléctrica y su alta reciclabilidad. Sin embargo, algunas cuestiones impiden su aplicación en distintos campos en elementos estructurales. Entre ellas cabe citar su limitada ductilidad y resistencia mecánica a temperatura ambiente que provienen de la anisotropía en las propiedades mecánicas y de los valores reducidos de la tensión crítica resuelta para inducir el movimiento de las dislocaciones en el plano basal y para el maclado. Estas limitaciones podrían superarse mediante la aleación con otros elementos metálicos y esta tesis está dirigida a proporcionar un conocimiento mas profundo de la relación composición-estructurapropiedades mecánicas en aleaciones de Mg para aplicaciones estructurales. Con este fin, la tesis comienza con un análisis detallado de la cinética de difusión en aleaciones hexagonales del sistema Mg-Al-Zn. En particular, los parámetros de movilidad atómica se optimizaron a partir de una evaluación de la información experimental en la literatura de los sistemas Mg-Al, Mg-Zn y Mg-Al-Zn junto con las correspondientes bases de datos termodinámicas. El conjunto de parámetros de movilidad atómica optimizados es capaz de predecir la cinética de difusión en pares de difusión binarios y ternarios. Además, se ha desarrollado una nueva estrategia experimental de alto rendimiento basada en pares de difusión para determinar los coeficientes de difusión en función de la orientación en aleaciones de Mg-Al. Como resultado se ha obtenido una expresión explícita de los coeficientes de difusión del sistema hexagonal Mg-Al en función del contenido de Al, la orientación del grano y la temperatura. Estos pares de difusión, en combinación con ensayos mecánicos de micropilares, se utilizaron para estimar la influencia del contenido de Al y la temperatura en la tensión crítica resuelta para mover dislocaciones en los planos basal y piramidal y para producir el maclado. Estos nuevos resultados se compararon con estimaciones teóricas basadas en cálculos de primeros principios y se concluyó que la anisotropía plástica del Mg aumenta con el contenido de Al. Finalmente, las nuevas estrategias de alta rendimiento desarrolladas en esta tesis se pueden extrapolar fácilmente a otras aleaciones metálicas hexagonales. ----------ABSTRACT---------- Magnesium, the lightest structural metal, is a potential alternative as weight-saving material for many industrial applications due to high specific-stiffness, superior damping capacity and biocompatibility together with excellent electrical and thermal conductivity and recyclability. However, some key issues limit its widespread application as a structural material, such as the reduced ductility and low strength at room temperature, resulting from the mechanical anisotropy and low critical resolved shear stress for basal slip and twinning. These limitations may be overcome by the addition of alloying elements and this thesis was aimed at providing a deeper understanding of the composition-microstructure-mechanical properties link in Mg alloys for structural applications. To this end, a complete assessment of the kinetic database of the hcp Mg-Al-Zn system was performed. In particular, the atomic mobility parameters were optimized based on the evaluation of the experimental diffusion data available in the literature for the Mg-Al, Mg-Zn and Mg-Al-Zn systems, in combination with the available thermodynamic databases. The optimized set of atomic mobility parameters could successfully predict the diffusion behavior for binary and ternary diffusion couple. In addition, a novel high-throughput experimental approach was developed to investigate the anisotropic interdiffusion behavior in Mg-Al alloys by means of diffusion couples and an explicit comprehensive expression of the interdiffusion coefficients of the hcp Mg-Al alloys as a function of Al content, grain orientation and temperature was determined. Moreover, the diffusion couples in combination with micropillar compression tests, were used to estimate the influence of solute content and temperature on the critical resolved shear stress for the basal slip, twinning and pyramidal slip in Mg-Al alloys. These results were new and compared with recent theoretical estimations based on first-principle calculations. It was found that the plastic anisotropy of Mg alloys increased with the Al content. Finally, the novel highthroughput experimental strategies developed in this thesis can be readily applied to other hcp metallic alloys.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Horizon 2020669141VIRMETALUnspecifiedVirtual Design, Virtual Processing and Virtual Testing of Metallic Materials

More information

Item ID: 56453
DC Identifier: http://oa.upm.es/56453/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:56453
DOI: 10.20868/UPM.thesis.56453
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 14 Oct 2019 06:38
Last Modified: 16 May 2020 22:30
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