Continuum models of the mechanical behavior of rolled and die-cast magnesium alloys

En los ultimos anos ha habido una fuerte tendencia a disminuir las emisiones de CO2 y su negativo impacto medioambiental. En la industria del transporte, reducir el peso de los vehiculos aparece como la mejor opcion para alcanzar este objetivo. Las aleaciones de Mg constituyen un material con gran potencial para el ahorro de peso. Durante la ultima decada se han realizado muchos esfuerzos encaminados a entender los mecanismos de deformacion que gobiernan la plasticidad de estos materiales y asi, las aleaciones de Mg de colada inyectadas a alta presion y forjadas son todavia objeto de intensas campanas de investigacion. Es ahora necesario desarrollar modelos que contemplen la complejidad inherente de los procesos de deformacion de estos. Esta tesis doctoral constituye un intento de entender mejor la relacion entre la microestructura y el comportamiento mecanico de aleaciones de Mg, y dara como resultado modelos de policristales capaces de predecir propiedades macro- y microscopicas. La deformacion plastica de las aleaciones de Mg esta gobernada por una combinacion de mecanismos de deformacion caracteristicos de la estructura cristalina hexagonal, que incluye el deslizamiento cristalografico en planos basales, prismaticos y piramidales, asi como el maclado. Las aleaciones de Mg de forja presentan texturas fuertes y por tanto los mecanismos de deformacion activos dependen de la orientacion de la carga aplicada. En este trabajo se ha desarrollado un modelo de plasticidad cristalina por elementos finitos con el objetivo de entender el comportamiento macro- y micromecanico de la aleacion de Mg laminada AZ31 (Mg-3wt.%Al-1wt.%Zn). Este modelo, que incorpora el maclado y tiene en cuenta el endurecimiento por deformacion debido a las interacciones dislocacion-dislocacion, dislocacion-macla y macla-macla, predice exitosamente las actividades de los distintos mecanismos de deformacion y la evolucion de la textura con la deformacion. Ademas, se ha llevado a cabo un estudio que combina difraccion de electrones retrodispersados en tres dimensiones y modelizacion para investigar el efecto de los limites de grano en la propagacion del maclado en el mismo material. Ambos, experimentos y simulaciones, confirman que el angulo de desorientacion tiene una influencia decisiva en la propagacion del maclado. Se ha observado que los efectos no-Schmid, esto es, eventos de deformacion plastica que no cumplen la ley de Schmid con respecto a la carga aplicada, no tienen lugar en la vecindad de los limites de baja desorientacion y se hacen mas frecuentes a medida que la desorientacion aumenta. Esta investigacion tambien prueba que la morfologia de las maclas esta altamente influenciada por su factor de Schmid. Es conocido que los procesos de colada suelen dar lugar a la formacion de microestructuras con una microporosidad elevada, lo cual afecta negativamente a sus propiedades mecanicas. La aplicacion de presion hidrostatica despues de la colada puede reducir la porosidad y mejorar las propiedades aunque es poco conocido su efecto en el tamano y morfologia de los poros. En este trabajo se ha utilizado un enfoque mixto experimentalcomputacional, basado en tomografia de rayos X, analisis de imagen y analisis por elementos finitos, para la determinacion de la distribucion tridimensional (3D) de la porosidad y de la evolucion de esta con la presion hidrostatica en la aleacion de Mg AZ91 (Mg- 9wt.%Al-1wt.%Zn) colada por inyeccion a alta presion. La distribucion real de los poros en 3D obtenida por tomografia se utilizo como input para las simulaciones por elementos finitos. Los resultados revelan que la aplicacion de presion tiene una influencia significativa tanto en el cambio de volumen como en el cambio de forma de los poros que han sido cuantificados con precision. Se ha observado que la reduccion del tamano de estos esta intimamente ligada con su volumen inicial. En conclusion, el modelo de plasticidad cristalina propuesto en este trabajo describe con exito los mecanismos intrinsecos de la deformacion de las aleaciones de Mg a escalas meso- y microscopica. Mas especificamente, es capaz de capturar las activadades del deslizamiento cristalografico y maclado, sus interacciones, asi como los efectos en la porosidad derivados de los procesos de colada. ---ABSTRACT--- The last few years have seen a growing effort to reduce CO2 emissions and their negative environmental impact. In the transport industry more specifically, vehicle weight reduction appears as the most straightforward option to achieve this objective. To this end, Mg alloys constitute a significant weight saving material alternative. Many efforts have been devoted over the last decade to understand the main mechanisms governing the plasticity of these materials and, despite being already widely used, high pressure die-casting and wrought Mg alloys are still the subject of intense research campaigns. Developing models that can contemplate the complexity inherent to the deformation of Mg alloys is now timely. This PhD thesis constitutes an attempt to better understand the relationship between the microstructure and the mechanical behavior of Mg alloys, as it will result in the design of polycrystalline models that successfully predict macro- and microscopic properties. Plastic deformation of Mg alloys is driven by a combination of deformation mechanisms specific to their hexagonal crystal structure, namely, basal, prismatic and pyramidal dislocation slip as well as twinning. Wrought Mg alloys present strong textures and thus specific deformation mechanisms are preferentially activated depending on the orientation of the applied load. In this work a crystal plasticity finite element model has been developed in order to understand the macro- and micromechanical behavior of a rolled Mg AZ31 alloy (Mg-3wt.%Al-1wt.%Zn). The model includes twinning and accounts for slip-slip, slip-twin and twin-twin hardening interactions. Upon calibration and validation against experiments, the model successfully predicts the activity of the various deformation mechanisms and the evolution of the texture at different deformation stages. Furthermore, a combined three-dimensional electron backscatter diffraction and modeling approach has been adopted to investigate the effect of grain boundaries on twin propagation in the same material. Both experiments and simulations confirm that the misorientation angle has a critical influence on twin propagation. Non-Schmid effects, i.e. plastic deformation events that do not comply with the Schmid law with respect to the applied stress, are absent in the vicinity of low misorientation boundaries and become more abundant as misorientation angle increases. This research also proves that twin morphology is highly influenced by the Schmid factor. Finally, casting processes usually lead to the formation of significant amounts of gas and shrinkage microporosity, which adversely affect the mechanical properties. The application of hydrostatic pressure after casting can reduce the porosity and improve the properties but little is known about the effects on the casting’s pores size and morphology. In this work, an experimental-computational approach based on X-ray computed tomography, image analysis and finite element analysis is utilized for the determination of the 3D porosity distribution and its evolution with hydrostatic pressure in a high pressure diecast Mg AZ91 alloy (Mg-9wt.%Al-1wt.%Zn). The real 3D pore distribution obtained by tomography is used as input for the finite element simulations using an isotropic hardening law. The model is calibrated and validated against experimental stress-strain curves. The results reveal that the pressure treatment has a significant influence both on the volume and shape changes of individuals pores, which have been precisely quantified, and which are found to be related to the initial pore volume. In conclusion, the crystal plasticity model proposed in this work successfully describes the intrinsic deformation mechanisms of Mg alloys both at the mesoscale and the microscale. More specifically, it can capture slip and twin activities, their interactions, as well as the potential porosity effects arising from casting processes.