Mechanical and fatigue properties of functionally graded aluminium silicon alloys

Abstract

Many structural components encounter service conditions and, hence, required materials performance, which vary with location within the component. It is well known that abrupt transitions in materials composition and properties within a component often result in sharp local concentrations of stress, whether the stress is internal or applied externally. It is also known that these stress concentrations are greatly reduced if the transition from one material to the other is made gradual. By definition, functionally graded materials are used to produce components featuring engineered gradual transitions in microstructure and/or composition, the presence of which is motivated by functional performance requirements that vary with location within a part. With functionally graded materials, these requirements are met in a manner that optimizes the overall performance of the component. The research on functionally graded materials (FGMs) is encouraged by the need for properties that are unavailable in any single material and the need for graded properties to offset adverse effects of discontinuities for layered materials. Centrifugal casting is a very common method for obtaining functionally graded materials, mainly composite materials or metallic materials which has high differences of density and low solubility on different phases or different materials of the same alloy. The present work is emphasizing the fact that the centrifugal process could be successfully used for obtaining functionally graded materials also for metallic materials (alloys) with moderate solubility and small differences of density of the different phases, as is the case of most aluminum alloys. The first approach of the problem was to isolate the effects of the centrifugal casting technique (the centrifugal pressure effect, the fluid dynamics and the inherent vibration effects) in order to identify the reason of mechanical properties improving. To have a reference for comparison, castings obtained by both centrifugal casting technique and gravity casting technique were tested. To isolate the vibration effect, experimental equipment was designed and constructed in order to be able to cast within a certain level of vibration equivalent with the vibration level of the centrifugal casting equipment. The results are confirming that there is a correlation of improving mechanical properties with the vibration of the melt during solidification. The difference of the mechanical properties of castings obtained by gravity casting technique and by centrifugal casting technique could be explained by the fact that, the vibration due to the inherently vibration of the equipment, the fluid dynamics and the centrifugal pressure make the melt, during solidification, to initiate more nuclei of solidification. Then, the centrifugal pressure moves the nuclei of solidification to the furthest point of the mould (where the pressure is higher) fact that explains the obtained results which are higher on one side of the ingots which corresponds with the side of the mould where the pressure is higher and smaller on the other side where the pressure is smaller. This causes several differences in microstructures in both sides of the ingot. The mechanical and fatigue properties are largely influenced by microstructure and the presence of material inhomogeneities. Pores, inclusions or secondary phase particles are common sites for fatigue crack nucleation in aluminium alloys. The constituent particle’s size and shape are also important characteristics that influence crack nucleation. This study intends to assess also the problem of fatigue life prediction by establishing a relation within some of the characteristics of the micro structural features of studied aluminium silicon alloys such as: micropores, secondary dendrites arm spacing (SDAS), volume fractions of phases (α-Al phase, eutectic and intermetallic phases), the size of silicon lamellas in interdendritic eutectic regions and the size and shape of silicon particles. This evaluation was performed along the ingots gradients for different aluminum alloys.

Muitos componentes estruturais, nas suas condições de serviço, requerem desempenhos que variam com a localização dentro do componente. É sabido que transições bruscas de composição química dos materiais no componente muitas vezes resultam em acentuadas concentrações de tensão locais. É também sabido que estas concentrações de tensões são muito reduzidas/atenuadas se a transição de um material para outro é feita gradualmente. Por definição, materiais com gradiente funcional de propriedades são usados para produzir componentes de engenharia com transições graduais na microestrutura e / ou composição química, cuja presença é motivada por exigências de desempenho funcional, que variam com a localização de cada parte do componente. Com materiais com gradiente funcional, estes requisitos são cumpridos de uma forma que otimiza o desempenho geral do componente. A pesquisa sobre materiais com gradiente funcional (FGMs) é incentivada pela necessidade de propriedades que não estão disponíveis em qualquer material único ou em componentes obtidos pelas junção de partes diferentes materiais onde existe o efeito negativo da sua junção. A fundição centrífuga é um método muito comum para a obtenção de materiais com gradiente funcional, principalmente materiais compósitos ou materiais metálicos, que tem grandes diferenças de densidade e baixa solubilidade em diferentes fases ou em diferentes materiais da mesma liga. O presente trabalho visa enfatizar o fato de que o processo de fundição centrifuga pode ser utilizada com sucesso para a obtenção de materiais com gradiente funcional também para materiais metálicos (ligas) com solubilidade moderada e pequenas diferenças de densidade das diferentes fases, como é o caso da maioria das ligas de alumínio. A primeira abordagem do problema foi isolar os efeitos da técnica de fundição centrífuga (o efeito das pressões centrífugas, a dinâmica dos fluidos e os efeitos da vibração inerente), a fim de identificar o motivo da melhoria das propriedades mecânicas. Para ter uma referência para comparação, foram obtidos e testados provetes de vazamentos por ambas as técnicas, quer de fundição centrífuga quer de fundição por gravidade. Para isolar o efeito da vibração, um equipamento experimental foi projetado e construído de modo a ser capaz de reproduzir um determinado nível de vibração equivalente ao nível de vibração do equipamento de fundição centrífuga. Os resultados confirmam que há uma correlação entre a melhoria das propriedades mecânicas com a vibração da liga durante a solidificação. A diferença das propriedades mecânicas de peças fundidas obtidas pela técnica da gravidade e pela técnica de fundição centrífuga poderia ser explicada pela vibração inerente do sitema, pela dinâmica dos fluidos e pel pressão centrífuga, que originam, durante a solidificação, mais núcleos/germens de solidificação. A pressão centrífuga move os núcleos de solidificação para o ponto mais afastado do eixo de rotação (onde a pressão é maior) que explica que os resultados obtidos são mais elevados nessa zona do que do lado mais próximo do eixo de rotação, que corresponde ao lado do molde em que a pressão é menor. Isto causa substanciais diferenças de microestrutura e mambos os lados dos lingotes. As propriedades mecânicas e de fadiga são grandemente influenciadas pela microestrutura assim como pela presença de inomogeneidades no material. Poros, inclusões ou partículas de fases secundárias são responsáveis pela nucleação de fendas de fadiga em ligas de alumínio. O tamanho das partículas e a sua forma são também características importantes que influenciam a nucleação da fenda. Este estudo pretende avaliar a previsão da vida à fadiga através de correlações com características microestruturais das ligas de alumínio-silício estudadas tais como: microporos, espaçamento entre braços das dendrites (SDAS), frações volumicas de fases ou constituintes( α primária, eutético e intermetálicos), a espessura das lamelas do silicio eutéctico e dimensões de partículas de silicio eutéctico. Esta avaliação é feita para diferentes diferentes zonas ao longo do gradiente de propriedades dos lingotes das diferentes ligas de alumínio.