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Effects of metallurgical parameters on the development of residual stresses in Al-Si alloys used in engine block manufacturing

Salem Mohamed Serageldin. (2018). Effects of metallurgical parameters on the development of residual stresses in Al-Si alloys used in engine block manufacturing. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Using light-weight materials have become an important factor in the automotive industry due to stringent government regulations on fuel consumption. Aluminum alloys are 65% lighter than cast iron enabling significant weight reduction. However, there are several significant challenges associated to the use of hypoeutectic Al-Si alloys in engine block applications. This dissertation investigated the factors influencing the development of residual stresses in I-4 and V-6 engine blocks due to different heat treatments and introducing sub-zero treatment as a mean for reducing residual stresses. The initial section of this thesis explores the development of residual stresses with different casting parameters in A356.1 and B319.1 castings with simple geometries. This analysis involved measurement of tensile properties, microstructural analysis, and residual stress measurement using sectioning technique. The casting parameters include cooling rate, quenching media, aging time and aging temperature. The second phase of this study will investigate the development of residual stress in castings, with more complex shape such as in I-4 and V-6 engine blocks with cast-in gray iron liners, with different heat treatment parameters and sub-zero treatment. An analysis of result shows that higher strength materials, as in B319.1 alloy, produce higher residual stresses compared to material with lower strength, as in the case of A356.1. The results also show that there is direct proportionality between ultimate tensile stresses (UTS) and residual stresses (RS) with quenching rate. The residual stresses were found to gradually decrease with decreasing cooling/quenching rates of the quenching medium. The quenching process develops the highest residual stresses, where quenching in cold water develops the highest, and air cooling the lowest, residual stresses. The relaxation of residual stresses is significantly dependent on aging temperature and proceeds smoothly with the increase in aging time. Finally, significant increase in the residual stresses is observed in specimens with low SDAS, as in the L-shaped casting (high solidification rate), while lower residual stresses are measured in specimens with high SDAS, as in the block casting (low solidification rate). For I4 and V-6 engine blocks, the results suggest that there is refinement in microstructure due to increases cooling rate along the cylinder. The developed residual stresses were found to be tensile for both I-4 and V-6 engine blocks. Furthermore, the variation in the developed residual stresses was found to be insignificant. The results also indicate that air cooling produced the highest residual stresses compared to warm water and cold-water quenching. Solution heat treatment and freezing led to maximum amount of residual stress relaxation where 50% of the residual stresses were reduced after SHT step Aging time and aging temperature is directly proportional to the residual stresses relaxation.

L’utilisation de matériaux léger est devenue un important facteur dans l’industrie de l’automobile du aux restrictions imposées par les gouvernements en matières de consommation de carburant fossile. Les alliages d’aluminium sont 65% plus léger que la fonte, ce qui permet une réduction de poids significative. Cependant, il existe encore plusieurs défis à relever concernant l’utilisation d’alliage Al-Si hypoeutectic dans la fabrication de bloc moteur. Cette thèse enquête sur les facteurs infulençant le développement de contraintes résiduelles dans les blocs moteur I-4 et V-6 dus à différents traitements thermiques et introduisant un traitement sous zéro comme moyen de réduction des contraintes résiduelles. La première partie de cette thèse, explore le développement de contraintes résiduelles avec différents paramètres de coulée dans des pièces de géométries simples en alliage A356.1 et B319.1. Cette analyse comprend la mesure des propriétés de traction, l'analyse microstructurale et la mesure de la contrainte résiduelle à l'aide de la technique de coupe. Les paramètres de coulée comprennent la vitesse de refroidissement, les milieux de trempe, le temps de vieillissement et la température de vieillissement. La deuxième phase de cette étude examinera le développement des contraintes résiduelles dans les pièces coulées, avec une forme plus complexe comme dans les blocs moteurs I-4 et V-6 avec chemises en fonte grise coulée, avec différents paramètres de traitement thermique et traitement sous zéro. Une analyse des résultats montre que les matériaux de résistance plus élevée, comme dans l'alliage B319.1, produisent des contraintes résiduelles plus élevées que les matériaux de moindre résistance comme dans le cas du A356.1. Les résultats montrent également qu'il existe une proportionnalité directe entre les contraintes de traction ultimes (UTS) et les contraintes résiduelles (RS) avec la vitesse de trempe. Les contraintes résiduelles diminuent graduellement avec des vitesses de refroidissement / trempe décroissantes du milieu de trempe. Le processus de la trempe dans l'eau froide développe les contraintes résiduelles les plus élevées et le refroidissement à l'air développe les contraintes résiduelles les plus basses. La relaxation des contraintes résiduelles dépend de manière significative de la température de vieillissement et se déroule en douceur avec l'augmentation du temps de vieillissement. Enfin, une augmentation significative des contraintes résiduelles est observée dans les échantillons à faible SDAS, comme dans la coulée en L (taux de solidification élevé), tandis que les contraintes résiduelles plus faibles sont mesurées dans les échantillons à fort SDAS, comme dans la coulée en bloc (taux de solidification bas). Pour les blocs-cylindres I4 et V-6, les résultats suggèrent qu'il y a un raffinement de la microstructure en raison de l'augmentation de la vitesse de refroidissement le long du cylindre. Les contraintes résiduelles développées se sont révélées être en traction pour les blocs moteurs I-4 et V-6. De plus, la variation des contraintes résiduelles développées s'est avérée insignifiante. Les résultats indiquent également que le refroidissement par air a produit les contraintes résiduelles les plus élevées par rapport à la trempe à l'eau chaude et à l'eau froide. Le traitement thermique et la congélation en solution ont conduit à une relaxation maximale de la contrainte résiduelle, lorsque 50% des contraintes résiduelles ont été réduites après l'étape de traitement thermique en solution. Le temps de vieillissement et la température de vieillissement sont directement proportionnels à la relaxation des contraintes résiduelles.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Juin 2018
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:198
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
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
Mots-clés:Al-Si alloys, engine blocks, microstructure, residual stresses, sectioning technique, stress relaxation, alliages Al-Si, bloc-moteur, contraintes résiduelles, relaxation des contraintes, test de découpage pour les mesures de contraintes résiduelles, microstructural characterization
Déposé le:01 août 2018 09:24
Dernière modification:07 sept. 2018 01:08
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