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On the effects of ambient temperature and high temperature on the performance of Al-Cu and Al-Si-Cu alloys

Ibrahim Ahmed. (2017). On the effects of ambient temperature and high temperature on the performance of Al-Cu and Al-Si-Cu alloys. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

In recent years, aluminum and aluminum alloys have been widely used in automotive and aerospace industries. Among the most commonly used cast aluminum alloys are those belonging to the Al-Si system. Due to their mechanical properties, light weight, excellent castability and corrosion resistance, these alloys are primarily used in engineering and in automotive applications. The present thesis is aimed at investigating the effects of different additives and heat treatments on the mechanical properties of the Al-2.4%Cu-1.2%Si-0.4%Mg-0.4%Fe-0.6%Mn or 220 type alloys, a casting alloy intended for automotive applications. The 220 alloys show a greater response to heat treatment as a result of the presence of both Mg and Cu. These alloy types display good strength values at both low and high temperatures. The research involved here was accomplished through a study of the tensile properties in both the as-cast and heat-treated conditions, where the effects of different heat treatments i.e., T5, T6, T62 and T7 commonly applied to aluminum casting alloys were evaluated at ambient temperature and at high temperature (250°C) using different holding or stabilization times at testing temperature. Six alloys were prepared using 0.15wt% Ti grain-refined 220 alloy, comprising alloy B0 (220 alloy) considered as the base or reference alloy, and five others, viz., alloys B1 and B2, and D0, D1, and D2 containing various amounts of Ni, Cr, V, Zr and La, added individually or in combination. The D-series alloys had a higher Si content of 8 wt%. Tensile test bars were prepared from the different 220 alloys using an ASTM B-108 permanent mold. The test bars were solution heat treated using a single-step or a multi-step solution heat treatment, followed by quenching in warm water, and then artificial aging employing different aging treatments (T5, T6, T62 and T7). The one-step (or SHT 1) solution treatment consisted of 5 hrs @ 495 °C and the multi-step (or SHT 2) solution treatment comprised 5 hrs @ 495°C + 2 hrs @ 515°C + 2 hrs @ 530°C. Ambient temperature tensile testing of the as-cast and heat-treated test bars was carried out using a strain rate of 4 x 10-4s-1 employing a MTS Servohydraulic Mechanical Testing machine. Five test bars were used per alloy composition/heat-treated condition. The high temperature tensile testing was carried out at 250 °C using the same strain rate, where the test bars were stabilized for 1 hr and 200 hrs at 250 °C prior to testing. An Instron Universal Mechanical Testing machine was used for conducting the high temperature tests. Thermal analysis of the various 220 alloy melts was carried out to determine the sequence of reactions and phases formed during solidification under close-to-equilibrium cooling conditions. The main reactions observed in the base B0 alloy comprised (i) formation of the α-Al dendritic network at 640°C, followed by precipitation of (ii) α-iron Al15(Fe,Mn)3Si2 phase at 620°C; and (iii) Al2Cu and Al5Mg8Si6Cu2 phases simultaneously as the final reaction at 495°C. Two more reactions were observed in the alloy B2 with the addition of Zr and V to B0 alloy, accompanied by the formation of Mg2Si and AlSiTiZrV phases. The addition of Cr (0.2%) in alloys B2 and D2 helped in reducing the detrimental effects of the platelet-like morphology of the β-Al5FeSi iron intermetallic phase by replacing it with the more compact and hence less harmful script-like α- Al15 (Fe,Mn)3Si2 phase and sludge particles. Three new reactions were observed in the alloy D2 with the addition of Zr, Cr, Ni, V and La, corresponding to the formation of AlSiCuNiLa, AlNiSiZrCuFe and AlFeMnCrSiVNi phases. With the use of the multi-step solution treatment – involving higher solution temperatures and longer durations, an increased amount of incipient melting is expected to occur. The D-series alloys (containing a higher Si content) showed much smaller porosity/incipient melting in the as-cast condition compared to the (B-series) alloys. The tensile data showed that the UTS and percentage elongation values of the six alloys increased in the one-step solution heat-treated condition compared to the as-cast case. The multi-step solution heat treatment displayed higher tensile properties than those achieved with SHT 1 treatment. The use of the T62 treatment (multi-step solution treatment) allows for maximum dissolution of the copper phases in the multiple stages of solution treatment, resulting in the greatest improvement in both UTS and YS. At ambient temperature, T6 and T62 treatments provide the best improvements in both UTS and YS values of all alloys. The UTS of the as-cast alloy B0 improved by ~ 18% following the SHT-1 treatment (495°C/5h) compared with other alloys. In the B-series, the T62-tempered B1 alloy showed maximum improvement with a UTS value of ~401.55 MPa. Likewise, in the D-series also, the T62-tempered D1 alloy displayed the highest UTS with a value of ~293.5 MPa. The yield strength values improved overall after solution treatment. The YS values followed the same trend as the ultimate tensile strength at both ambient and high temperature testing. At high temperature testing at 250°C after one hour stabilization, the ultimate tensile strength of the alloys increased with the T6 and T62 heat treatment conditions, but remained the same after T5 heat treatment; the highest UTS value was exhibited by the T62-tempered B2 alloy with ~195 MPa. All alloys displayed tensile strength values higher than those exhibited by the base alloy B0 in the T7-tempered condition. The lowest ductility values were observed for the T62-tempered alloys, while all T7-tempered alloys show maximum ductility. After 200 hours stabilization, the alloy strength increased after the T5 heat treatment but decreased in the T6 and T62-tempered conditions; the alloy B2 showed maximum strength in the T5-tempered condition (B-series) with ~ 135 MPa, followed by the T5-tempered D1 alloy, with ~130 MPa. The highest ductility values were observed in the T6 and T62 conditions whereas the T5-treated alloys exhibited the lowest ductility values, with the D1 and D2 alloys showing the same ductility as in the as-cast condition. The use of quality charts, color contour maps and ΔP plots constructed from the tensile test data - as was done in the present study - facilitates selecting the appropriate metallurgical conditions for tailoring the alloy properties to match those required for a specific application.

Dans les dernières années, l’aluminium et ses alliages ont été largement utilisés dans l’industrie automobile et aérospatiale. Parmis les alliages les plus commun, ceux appartenant à la famille Al-Si sont les plus utilisés. Dû à leurs propriétés mécaniques, leurs poids légers, leur excellente coulabilité et leur résistance à la corrosion, ces alliages sont principalement utilisés dans des applications d’ingénieries et automobiles. La présente thèse vise à étudier les effets de différents additifs et traitements thermiques sur les propriétés mécaniques des alliages Al-2,4% Cu-1,2% Si-0,4% Mg-0,4% Fe-0,6% Mn ou 220, un alliage de coulée destiné pour les applications automobiles. Les alliages type 220 montrent une plus grande réponse au traitement thermique en raison de la présence de Mg et de Cu. Ces types d'alliage présentent de bonnes valeurs de résistance aux températures basses et hautes. La recherche impliquée ici a été réalisée grâce à une étude des propriétés de traction dans les conditions brutes de coulée et de traitement thermique, où les effets de différents traitements thermiques, c'est-à-dire T5, T6, T62 et T7 couramment appliqués aux alliages de moulage d'aluminium ont été évalués à Température ambiante et à haute température (250°C) en utilisant différents temps de maintien ou de stabilisation à la température de test. Six alliages ont été préparés en utilisant un alliage 220 raffiné avec à 0.2 - 0,15% Ti, comprenant de l'alliage B0 (alliage 220) considéré comme l'alliage de base ou de référence et cinq autres, à savoir les alliages B1 et B2 et D0, D1 et D2 Contenant diverses quantités de Ni, Cr, V, Zr et La, ajoutées individuellement ou en combinaison. Les alliages de la série D avaient une teneur en Si supérieure de 8% en poids. Des barres de test de traction ont été préparées à partir des différents alliages 220, en utilisant un moule permanent ASTM B-108. Les barres d'essai ont été traitées thermiquement par mise en solution en utilisant une seule étape ou à plusieurs étapes, suivi de la trempe dans de l'eau tiède, puis du vieillissement artificiel en utilisant différents traitements (T5, T6, T62 et T7). Le traitement de mise en solution en une étape (ou MES 1) était constitué de 5 heures à 495°C et le traitement à la solution multi-étages (ou MES 2) comprenait 5 heures à 495°C + 2 heures à 515°C + 2 heures à 530°C. Les essais de traction à la température ambiante des barres d'essai brut de coulée et traités thermiquement ont été effectués à une vitesse de déformation de 4 x 10-4s-1, en utilisant une machine de contrôle mécanique servohydraulique MTS. Cinq barres d'essai ont été utilisées par composition alliée / état traité thermiquement. L'essai de traction à haute température a été effectué à 250°C avec le même taux de déformation, où les barres d'essai ont été stabilisées pendant 1 heure et 200 heures à 250°C avant l'essai. Une machine ‘’Universal Mechanical Testing’’ a été utilisée pour effectuer des essais à haute température. L'analyse thermique des diverses mélanges d'alliages 220 a été effectuée pour déterminer la séquence de réactions et les phases formées lors de la solidification dans des conditions de refroidissement proches de l'équilibre. Les principales réactions observées dans l'alliage de base B0 comprenaient (i) la formation du réseau dendritique α-Al à 640°C, suivie de la précipitation de (ii) la phase α-fer Al15 (Fe, Mn) 3Si2 à 620°C; Et (iii) les phases Al2Cu et Al5Mg8Si6Cu2 simultanément en tant que réaction finale à 495°C. Deux autres réactions ont été observées dans l'alliage B2 avec addition d'alliage Zr et V à B0, accompagné de la formation de phases Mg2Si et AlSiTiZrV. L'ajout de Mn (0,8% en poids) Cr (0,2%) dans les alliages B2 et D2 a contribué à réduire les effets néfastes de la morphologie plaquettaire de la phase intermétallique de fer β-Al5FeSi en le remplaçant par le plus compact et donc moins nocif des particules de phase de type α-Al15 (Fe, Mn) 3Si2. Trois nouvelles réactions ont été observées dans l'alliage D2 avec addition de Zr, Cr, Ni, V et La, ce qui correspond à la formation de phases AlSiCuNiLa, AlNiSiZrCuFe et AlFeMnCrSiVNi. Avec l'utilisation du traitement de mise en solution multi-étapes, impliquant des températures de solution plus élevées et des durées plus longues, une quantité accrue de fusion initiale devrait se produire. Les alliages de la série D (contenant une teneur en Si plus élevée) ont montré de porosité beaucoup plus petite dans l'état brute de coulée en comparaison des alliages (séries B). Les données de traction ont montré que l'UTS et les valeurs du pourcentage d'élongation des six alliages, augmentaient dans le traitement thermique de mise en solution à une étape par rapport à l'état brut de coulé. Le traitement thermique de mise en solution multi-étapes a montré des propriétés de traction plus élevées que celles obtenues avec le traitement MES 1. L'utilisation du traitement T62 (traitement de mise en solution multiétapes) permet une dissolution maximale des phases de cuivre dans les étapes multiples du traitement de la mise en solution, ce qui entraîne la plus grande amélioration tant de l'UTS que de l'YS. À température ambiante, les traitements T6 et T62 fournissent les meilleures améliorations en valeurs UTS et YS de tous les alliages. L'UTS de l'alliage B0 amélioré par ~ 18% suite au traitement MES-1 (495°C / 5h) par rapport aux autres alliages. Dans la série B, l'alliage B1 veillie T62 a montré une amélioration maximale avec une valeur UTS de ~ 401,55 MPa. De même, dans la série D également, l'alliage D1 veillie T62 a affiché le UTS le plus élevé avec une valeur de ~ 293,5 MPa. Les valeurs de limite d'élasticité ont été améliorées globalement après le traitement de la mise en solution. Les valeurs YS ont suivi la même tendance que la résistance à la traction finale aux essais à la fois à température ambiante et à haute température. Lors de tests à haute température à 250°C après une heure de stabilisation, la résistance à la traction finale des alliages a augmenté avec les conditions de traitement thermique T6 et T62, mais est restée la même après le traitement thermique T5; La valeur UTS la plus élevée a été exposée par l'alliage B2 vieille T62 avec ~ 195 MPa. Tous les alliages ont des valeurs de résistance à la traction supérieures à celles exposées par l'alliage de base B0 dans l'état T7-veillie. Les valeurs de ductilité les plus faibles ont été observées pour les alliages vieilles T62, tandis que tous les alliages T7 présentent une ductilité maximale. Après 200 heures de stabilisation, la résistance de l'alliage a augmenté après le traitement thermique T5 mais a diminué dans les conditions T6 et T62; L'alliage B2 a montré une résistance maximale dans l'état vieillie T5 (série B) avec ~ 135 MPa, suivi de l'alliage D1 traités avec T5, avec ~ 130 MPa. Les valeurs de ductilité les plus élevées ont été observées dans les conditions T6 et T62, alors que les alliages traités avec T5 présentaient les valeurs de ductilité les plus faibles, les alliages D1 et D2 présentant la même ductilité que dans l'état brut de coulée. L'utilisation de tableaux de qualité, de cartes de contours de couleurs et de parcelles ΔP construites à partir des données de test de traction - comme cela a été fait dans la présente étude - facilite le choix des conditions métallurgiques appropriées pour adapter les propriétés de l'alliage à celles requises pour une application spécifique.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:2017
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:147
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie mécanique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Samuel, Fawzy Hosny
Déposé le:19 sept. 2017 22:24
Dernière modification:19 sept. 2017 22:24
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