Autor: YANG, Biaobiao

Título: Influence of the microstructure on the deformation mechanisms of wrought Mg alloys

Fecha: 2025

Materia: ---

Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

Departamento: CIENCIA DE LOS MATERIALES

Acceso electrónico: https://oa.upm.es/88846/

Director/a(s):

• Director/a: LLORCA MARTÍNEZ, Francisco Javier

Resumen: Wrought magnesium (Mg) and Mg alloys have emerged as competitive alternatives for structural components in transportation, aerospace, and medical industries due to their low density, high specific stiffness, and good biocompatibility. Designing high-performance wrought Mg alloys requires understanding the relationship between microstructure and deformation mechanisms (slip and twinning), especially at room temperature, which has not been fully established. This thesis studies experimentally the deformation mechanisms of various wrought Mg alloys with different microstructures at ambient temperature, using state-of-the-art techniques such as electron backscatter diffraction, transmission electron microscopy, slip trace analysis, slip trace - modified lattice rotation analysis, grain reference orientation deviation, as well as machine learning. Chapter 3 explores the deformation mechanisms of an as-extruded Mg-6.5Zn alloy with dual texture and limited yield asymmetry under tension and compression. Compressive deformation in grains with standard prismatic texture is accommodated by basal slip and extension twinning, while tensile deformation promotes basal and non-basal slips, leading to the typical yield asymmetry. Rotated grains, however, exhibit stronger yield asymmetry, with tensile deformation absorbed by basal slip and extension twinning, and compression relying on basal slip and compression twinning. Moreover, activation of non-basal slips can suppress compression twinning transforming into double twinning. Chapter 4 studies the influence of prismatic precipitates on the deformation mechanisms of Mg-4.5Zn alloys with a strong prismatic texture during tensile deformation. In samples without precipitates, 92% of grains with slip traces are planar, primarily involving basal slip and II pyramidal slip. In samples with precipitates, 76% of grains with slip traces are non-planar, with prismatic slip being most active, followed by II pyramidal slip. Precipitation-induced hardening of basal slip favored cross-slip to the prismatic plane, progressing deformation via prismatic slip dislocations parallel to precipitates. Chapter 5 examines the deformation of a Mg-1Al alloy with a strong prismatic texture, focusing on the nucleation and growth of anomalous extension twins during tension. These twins nucleated at the onset of plastic deformation near grain boundary triple junctions due severe strain incompatibility between neighbor grains as a result of different basal slip-induced lattice rotations. Anomalous twins grew with applied strain due to continuous activation of basal slip in adjacent grains, increasing strain incompatibility. Chapter 6 investigates the influence of microstructure on extension twinning behavior using a large grain dataset (> 3000 grains × 28 features) and machine learning. Twin nucleation was favored in larger grains and grains with high twinning Schmid factors, but twins also formed in grains with very low or negative Schmid factors if they had at least one smaller, or more rigid, neighbor grain. Twinning in small grains with high twinning Schmid factors was favored if they had low basal slip Schmid factors and at least one neighbor with high basal slip Schmid factors that deformed easily. All these results reveal the complex deformation mechanisms of wrought Mg alloys with different microstructures and help to advance in the microstructural design of high-performance Mg alloys. RESUMEN El magnesio (Mg) fabricado por extrusión y sus aleaciones han surgido como alternativas competitivas para componentes estructurales en las industrias del transporte, aeroespacial y médica debido a su baja densidad, alta rigidez específica y buena biocompatibilidad. El diseño de aleaciones de Mg de forja de alto rendimiento requiere comprender la relación entre la microestructura y los mecanismos de deformación (deslizamiento de dislocaciones y maclado), especialmente a temperatura ambiente, lo cuales no han sido completamente establecidos. Esta tesis estudió experimentalmente los mecanismos de deformación de diversas aleaciones de Mg extruidas con diferentes microestructuras a temperatura ambiente, utilizando técnicas como la difracción de electrones retrodispersados, la microscopía electrónica de transmisión, el análisis de bandas de deslizamiento, el análisis de rotación de la red cristalina y de la desviación en la orientación de los granos así como herramientas de aprendizaje automático. El capítulo 3 explora los mecanismos de deformación de una aleación Mg-6.5Zn extruida con una textura dual y una asimetría en el límite elástico entre tensión y compresión muy reducida. La deformación en compresión de los granos con textura prismática habitual se acomoda mediante deslizamiento en el plano basal y maclado de extensión, mientras que la deformación a tracción promueve deslizamientos en el plano basal y no basal, lo que lleva a la típica asimetría en el límite elástico en tracción y compresión. Sin embargo, los granos rotados presentan una asimetría más fuerte, ya que la deformación a tracción se absorbe mediante deslizamiento basal y maclado de extensión, mientras que la compresión depende del deslizamiento basal y del maclado de compresión. El capítulo 4 estudia la influencia de los precipitados paralelos a los planos prismáticos en los mecanismos de deformación en tracción de aleaciones de Mg-4.5Zn con una fuerte textura prismática. En los materiales sin precipitados, se encontraron bandas de deslizamiento planas en el 92% de los granos, involucrando principalmente el deslizamiento basal y el deslizamiento piramidal II . En los materiales con precipitados, se observaron bandas de deslizamiento no planas en el 76% de los granos, con el deslizamiento prismático mostrando mayor actividad, seguido por el deslizamiento piramidal II . El capítulo 5 examina la deformación de una aleación Mg-1Al con una fuerte textura prismática, enfocándose en la nucleación y crecimiento de maclas de extensión anómalas durante la deformación en tracción. Estas maclas se nuclearon al inicio de la deformación plástica cerca de las uniones triples de los límites de grano a causa de la incompatibilidad severa de la deformación entre los granos vecinos debido a las diferentes rotaciones de la red cristalina inducidas por el deslizamiento basal. El capítulo 6 investiga la influencia de la microestructura en el comportamiento del maclado de extensión, utilizando una base de datos de más de 3000 granos con 28 características cada uno, aplicando un modelo de aprendizaje automático. Se encontró que la nucleación de maclas se favorece en granos más grandes y con altos valores de Schmid factor para maclado, pero también que las maclas pueden formarse en granos con valores del factor de Schmid muy bajos o negativos si tienen al menos un grano vecino más pequeño o más rígido. El maclado en granos pequeños con altos valores de Schmid factor para maclado se favorece si tienen valores bajos del factor de Schmid para deslizamiento basal y al menos un vecino con valor de factor de Schmid alto y que se deforme fácilmente. Esta tesis revela la relación entre la microestructura y los mecanismos de deformación de las aleaciones de Mg extruidas en diversas condiciones y ayudará para desarrollar nuevas aleaciones de Mg con altas prestaciones.