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Thermo-mechanical fatigue behaviors of Al-Si 319 and 356 cast alloys and the influence of Mo on their evolution

Wang Shuai. (2022). Thermo-mechanical fatigue behaviors of Al-Si 319 and 356 cast alloys and the influence of Mo on their evolution. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Al-Si cast alloys are widely used in automobile industries due to their high strength-to-weight ratio, good castability, and recyclability. Thermal-mechanical fatigue (TMF) is one of the most significant mechanical properties to evaluate the service life of engine parts with the cyclic load and temperature change. However, there is limited open literature available on TMF behaviors in Al-Si cast alloys. On the other hand, at high operation temperatures above 300℃, the precipitate coarsening leads to severe decrement on elevated temperature mechanical properties, resulting in damage on fatigue process of Al-Si cast alloys. One promising approach to overcoming this problem is introducing thermally stable dispersoids by alloying elements, such as Mo and Mn. Thus, the thermal-mechanical fatigue behavior of Al-Si cast alloys and the influence of Mo addition on their TMF evolution have been investigated in the present work, which can be divided into two parts. In the first part of the investigation, the TMF behaviors of two typical Al-Si cast alloys, Al-Si-Cu 319 alloy and Al-Si-Mg 356 alloy, were studied. During TMF, both alloys can be observed with cyclic softening behavior, while 319 alloys show higher cyclic stress than 356 alloys. Results show that the number density of strengthening precipitates significantly decreased after a long time of exposure under elevated temperature, which resulted in a significantly reduced strength. The higher coarsening rate of β’-Mg2Si in 356 alloys led to a higher softening rate during TMF. Under T7 overaged heat treatment, 319 alloys show longer fatigue life than 356 alloys in all strain amplitudes tested. Several fatigue models have been introduced, and the hysteresis energy model has been used to simulate the TMF behavior. For the second part, the effect of Mo addition on the thermal-mechanical properties of Al-Si cast alloys has been investigated. In both 319 and 356 alloys, a substantial amount of α-Al(Fe, Mn, Mo)Si dispersoids can be observed in the matrix with Mo addition. In 319 alloy, Mo-containing dispersoids help block the movement of dislocation and maintain the strengthening effect after a long time of exposure under elevated temperature. In 356 alloy, the presence of thermally stable Mo-containing dispersoids can homogenize plastic deformation, delay crack initiation and extend TMF life. 319 alloy shows longer fatigue life with Mo addition in all strain amplitudes tested, and 356 alloy also presents longer fatigue life under 0.4% and 0.6% strain amplitudes. The hysteresis energy model has been used to simulate the TMF behavior of different alloys and the calculated results show a good agreement with the experimental results.

Les alliages coulés Al-Si sont largement utilisés dans l'industrie automobile en raison de leur rapport résistance/poids élevé, de leur bonne coulabilité et de leur recyclabilité. La fatigue thermomécanique (FTM) est l'une des propriétés mécaniques les plus importantes pour évaluer la durée de vie des pièces du moteur avec la charge cyclique et le changement de température. Cependant, il existe une littérature ouverte limitée sur les comportements des FTM dans les alliages coulés Al-Si. D'autre part, à une température de fonctionnement élevée supérieure à 300, le grossissement du précipité entraîne une diminution importante des propriétés mécaniques à température élevée, entraînant des dommages sur le processus de fatigue des alliages coulés Al-Si. Une approche prometteuse pour surmonter ce problème consiste à introduire des dispersoïdes thermiquement stables en alliant des éléments, tels que Mo et Mn. Ainsi, le comportement en fatigue thermomécanique des alliages coulés Al-Si et l'influence de l'ajout de Mo sur leur évolution FTM ont été étudiés dans le présent travail, qui peut être divisé en deux parties. Dans la première partie de l'enquête, les comportements FTM de deux alliages coulés typiques Al-Si, l'alliage Al-Si-Cu 319 et l'alliage Al-Si-Mg 356, ont été étudiés. Pendant le FTM, les deux alliages peuvent être observés avec un comportement de ramollissement cyclique, tandis que l'alliage 319 présente une contrainte cyclique plus élevée que l'alliage 356. Les résultats montrent que la densité en nombre des précipités de renforcement a considérablement diminué après une exposition prolongée à température élevée, ce qui a entraîné une résistance considérablement réduite. Le taux de grossissement plus élevé du β'-Mg2Si dans l'alliage 356 a conduit à un taux de ramollissement plus élevé pendant le FTM. Sous traitement thermique de survieillissement T7, l'alliage 319 présente une durée de vie en fatigue plus longue que l'alliage 356 dans toutes les amplitudes de déformation testées. Plusieurs modèles de fatigue ont été introduits, et le modèle d'énergie d'hystérésis a été utilisé pour simuler le comportement de la FTM. Pour la deuxième partie, l'effet de l'ajout de Mo sur les propriétés thermomécaniques des alliages coulés Al-Si a été étudié. Dans les alliages 319 et 356, une quantité substantielle de dispersoïdes α-Al(Fe,Mn,Mo)Si peut être observée dans la matrice avec l'ajout de Mo. Dans l'alliage 319, les dispersoïdes contenant du Mo aident à bloquer le mouvement de la luxation et à maintenir l'effet de renforcement après une longue exposition à des températures élevées. Dans l'alliage 356, la présence de dispersoïdes contenant du Mo thermiquement stables peut homogénéiser la déformation plastique, retarder l'amorçage des fissures et prolonger la durée de vie du FTM. L'alliage 319 présente une résistance à la fatigue plus longue avec l'ajout de Mo dans toutes les amplitudes de déformation testées, et l'alliage 356 présente également une résistance à la fatigue plus longue sous des amplitudes de déformation de 0,4 % et 0,6 %. Le modèle énergétique d'hystérésis a été utilisé pour simuler le comportement FTM de différents alliages et les résultats calculés montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:2022
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:98
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):Chen, X-Grant
Kun, Liu
Mots-clés:Al-Si cast alloy, fatigue behavior, Mo-addition, thermo-mechanical fatigue, alliage coulé Al-Si, fatigue thermomécanique, comportement à la fatigue
Déposé le:31 mai 2022 08:11
Dernière modification:07 juin 2022 20:08
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