Qassem Mohamed. (2023). Evaluation of hot tearing susceptibility of wrought aluminum alloys based on their semisolid tensile properties. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.
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Résumé
Tensile properties of wrought Aluminum alloys in a semisolid state are meaningful to understand the solidification behavior of such alloys and to understand the reasons for variant casting defects. Several challenges should be overcome to measure semisolid tensile properties accurately including large thermal gradients, load fluctuations, and inaccurate strain measurements. An appropriate design of the tensile specimen, the choice of a novel method to calculate stress based on L-gauge displacement, and strain measurements using the digital image correlation method were the main tools of this study to overcome all challenges. This project focused on how to use semisolid tensile properties to evaluate hot tearing susceptibility during the direct chill casting process. To achieve this objective, two parameters were studied: chemical composition and casting speed. In addition, the effectiveness of this novel method was evaluated based on its accuracy to measure elastic properties. The semisolid tensile properties of two AA6111 direct-chill (DC) cast alloys (A and B) have been studied. The Cu, Mn, and Si contents of alloy A are higher than those of alloy B. The microstructures of the alloys were analyzed before tensile testing and after tensile fracture. Isothermal holding was performed in the temperatures of 510, 520, 535, 552, 564 and 580 °C for 1 h to study porosity/void formation in both alloys. Tensile tests were conducted near the solidus temperature in the temperature range of 450–580 °C at a strain rate of 10-4 s-1. The strain during tensile testing was measured using the digital image correlation method to obtain reliable stress-strain curves. The results revealed that the tensile strengths of the alloys gradually decreased to zero with increasing temperature to arrive at the zero-stress temperature, whereas the strains at the failure decreased sharply with increasing temperature until zero-ductility temperature (ZDT) was reached. Moreover, the failure strain of alloy B at any given testing temperature was higher than that of alloy A. Non-mechanical and mechanical hot-tearing criteria were used to study the hot-tearing susceptibilities (HTSs) of the alloys. Considering the mechanical criterion, the ZDT and brittle temperature range of alloy A were lower and larger than those of alloy B, indicating that the HTS index of alloy A was higher than that of alloy B. The elastic properties of the Al-Mg-Si direct-chill-cast AA6111 alloy were determined during the unloading stage of the cyclic tensile test over a wide range of temperatures (25–550°C), and particular attention was paid to high temperatures near the solidus. Young’s modulus was calculated based on macroscopic and localized strains, which were measured using an extensometer and the digital image correlation (DIC) method. Poisson's ratio was determined based on the localized axial and lateral strains measured using the DIC method. Over the entire temperature range, the DIC method demonstrated a higher stability in its accuracy with increasing temperature than that using the extensometer. A sharp change in the slope of Young's modulus as a function of the temperature, starting from the solidus temperature, was detected using the DIC method. Correlations between Young's modulus and temperature in both the solid and semi-solid states were established. Poisson’s ratio as a function of the temperature exhibited a dramatic change near the solidus temperature because of the presence of liquid pockets. The onset brittle temperature of AA6111 alloy in the semi-solid state was estimated to be 550°C based on the critical values of Poisson’s ratio and the shear modulus to bulk modulus ratio. Two AA5182 alloy ingots (A and B) were cast at different casting speeds of 60 and 75 mm/min. A comprehensive investigation was conducted, encompassing microstructural analysis of the subsurface and bulk regions, along with tensile testing near the solidus temperature in the range of 520-580°C and with two strain rates (10-4 s-1 and 10-3 s-1). Microstructural analysis revealed the equiaxed grain structure throughout ingot A, whereas ingot B exhibited a transition from equiaxed structure in the subsurface to columnar grain structure in the bulk region. Regarding intermetallic phases, the ingot A showed predominant Al₆(Fe,Mn), whereas the ingot B exhibited a high amount of needle-like Al₃Fe. Consequently, ingot A exhibited superior semisolid tensile properties compared to ingot B at given test temperatures. The difference between the two ingots became pronounced at the low strain rate of 10-4 s-1. The values of the brittle temperature range (BTR) in ingot B were larger than those in ingot A. An assessment of hot tearing susceptibility (HTS) using BTR criterion revealed that the HTS in ingot B was higher than in ingot A, which was confirmed by the occurrence of large transverse macrocrack during direct chill casting of ingot B.
Les propriétés en traction des alliages d’aluminium ouvrés à l'état semi-solide sont significatives pour comprendre le comportement de solidification de tels alliages et explorer les raisons des défauts de coulée. Plusieurs défis doivent être surmontés pour mesurer avec précision les propriétés en traction des alliages à l'état semi-solide, à savoir les grands gradients thermiques, les fluctuations de charge et les mesures de la déformation. La bonne conception de l’éprouvette de traction, le choix d’une nouvelle méthode de calcul de la contrainte basée sur le déplacement de la jauge L et la mesure de la déformation à l’aide de la méthode de corrélation d’image numérique ont été les principaux outils de cette étude pour surmonter tous les défis. Ce projet a porté sur l’utilisation des propriétés en traction des alliages à l'état semisolide pour évaluer la susceptibilité à la déchirure à chaud pendant le processus de coulée par refroidissement direct. Pour atteindre cet objectif, deux paramètres ont été étudiés : la composition chimique et la vitesse de coulée. De plus, l’efficacité de cette nouvelle méthode a été évaluée en fonction de sa précision à mesurer les propriétés élastiques. Les propriétés en traction des alliages AA6111 (A et B) è l'état semi-solides ont été étudiées. Les teneurs en Cu, Mn et Si de l’alliage A sont supérieures à celles de l’alliage B. Les microstructures des alliages ont été analysées avant les essais de traction et après la rupture par traction. Des essais de traction isotherme ont été effectués à des températures étudiée a été de 510, 520, 535, 552, 564 et 580 °C pendant 1 h pour étudier la porosité/formation de vide dans les deux alliages. La plage de température de 450 à 580 °C avec un taux de déformation de 10-4s-1. La déformation pendant les essais de traction a été mesurée à l’aide de la méthode de corrélation d’image numérique pour obtenir des courbes de contrainte-déformation fiables. Les résultats ont montrés que la résistance à la traction des alliages diminuait progressivement à zéro avec l’augmentation de la température pour arriver à la température de contrainte zéro, tandis que les contraintes à la rupture diminuaient fortement avec l’augmentation de la température jusqu’à la température de ductilité zéro (ZDT). De plus, la déformation à la rupture de l’alliage B à n’importe quelle température d’essai était plus élevée que celle de l’alliage A. Des critères non mécaniques et mécaniques de déchirure à chaud ont été utilisés pour étudier les susceptibilités à la déchirure à chaud (HTSs) des alliages. Compte tenu du critère mécanique, la ZDT et la plage de température fragile de l’alliage A étaient respectivement inférieures et supérieures à celles de l’alliage B, ce qui indique que le HTS index de l’alliage A était supérieur à celui de l’alliage B. Les propriétés élastiques de l’alliage AA6111 à refroidissement direct ont été déterminées au cours de la phase de déchargement de l’essai de traction cyclique sur un large éventail de températures (25 à 550 °C), et une attention particulière a été accordée aux températures élevées près du solides. Le module de Young a été calculé à partir de Mesures macroscopiques et localisées de la deformation , qui ont été faites à l’aide d’un extensomètre et d’une méthode de corrélation d’image numérique (DIC). Le coefficient de Poisson a été déterminé en fonction des tensions axiales et latérales localisées mesurées à l’aide de la méthode de corrélation d’image numérique ont été les principaux outils de cette étude pour surmonter tous les défis. Ce projet a porté sur l’utilisation des propriétés en traction des alliages à l'état semisolide pour évaluer la susceptibilité à la déchirure à chaud pendant le processus de coulée par refroidissement direct. Pour atteindre cet objectif, deux paramètres ont été étudiés : la composition chimique et la vitesse de coulée. De plus, l’efficacité de cette nouvelle méthode a été évaluée en fonction de sa précision à mesurer les propriétés élastiques. Les propriétés en traction des alliages AA6111 (A et B) è l'état semi-solides ont été étudiées. Les teneurs en Cu, Mn et Si de l’alliage A sont supérieures à celles de l’alliage B. Les microstructures des alliages ont été analysées avant les essais de traction et après la rupture par traction. Des essais de traction isotherme ont été effectués à des températures étudiée a été de 510, 520, 535, 552, 564 et 580 °C pendant 1 h pour étudier la porosité/formation de vide dans les deux alliages. La plage de température de 450 à 580 °C avec un taux de déformation de 10-4s-1. La déformation pendant les essais de traction a été mesurée à l’aide de la méthode de corrélation d’image numérique pour obtenir des courbes de contrainte-déformation fiables. Les résultats ont montrés que la résistance à la traction des alliages diminuait progressivement à zéro avec l’augmentation de la température pour arriver à la température de contrainte zéro, tandis que les contraintes à la rupture diminuaient fortement avec l’augmentation de la température jusqu’à la température de ductilité zéro (ZDT). De plus, la déformation à la rupture de l’alliage B à n’importe quelle température d’essai était plus élevée que celle de l’alliage A. Des critères non mécaniques et mécaniques de déchirure à chaud ont été utilisés pour étudier les susceptibilités à la déchirure à chaud (HTSs) des alliages. Compte tenu du critère mécanique, la ZDT et la plage de température fragile de l’alliage A étaient respectivement inférieures et supérieures à celles de l’alliage B, ce qui indique que le HTS index de l’alliage A était supérieur à celui de l’alliage B. Les propriétés élastiques de l’alliage AA6111 à refroidissement direct ont été déterminées au cours de la phase de déchargement de l’essai de traction cyclique sur un large éventail de températures (25 à 550 °C), et une attention particulière a été accordée aux températures élevées près du solides. Le module de Young a été calculé à partir de Mesures macroscopiques et localisées de la deformation , qui ont été faites à l’aide d’un extensomètre et d’une méthode de corrélation d’image numérique (DIC). Le coefficient de Poisson a été déterminé en fonction des tensions axiales et latérales localisées mesurées à l’aide de la méthode DIC. Sur toute la plage de température, la méthode DIC a démontré une plus grande stabilité dans sa précision avec l’augmentation de la température que celle utilisant l’extensomètre. Un changement marqué dans la pente du module de Young en fonction de la température, à partir de la temperature du solidus, a été détecté à l’aide de la méthode DIC. Des corrélations entre le module de Young et la température dans les deux états solide et semi-solide ont été établies. Le coefficient de Poisson en fonction de la température a montré un changement spectaculaire près de la température du solidus en raison de la présence de poches de liquide. La température de fragilisation initiale de l’alliage AA6111 à l’état semi-solide a été estimée à 550 °C selon les valeurs critiques du coefficient de Poisson et du rapport entre le module de cisaillement et le module de compressibilité mécanique. Deux lingots d’alliage AA5182 (A et B) ont été coulés à différentes vitesses de coulée de 60 et 75 mm/min. Une enquête approfondie a été menée, comprenant une analyse microstructurale des régions souterraines et en vrac, avec des essais de traction près de la température des solides dans la plage de 520 à 580 °C et avec deux vitesses de déformation (10-4s-1 et 10-3s-1). L’analyse microstructurale a révélé la structure de grain équixée dans tout le lingot A, tandis que le lingot B présentait une transition de la structure de grain équixée dans le sous-sol à la structure de grain colonnaire dans la région en vrac. En ce qui concerne les phases intermétalliques, le lingot A a montré une prédominance d’Al₆(Fe,Mn), tandis que le lingot B a montré une grande quantité d’Al₃Fe semblable à une aiguille. Par conséquent, le lingot A présentait des propriétés de traction semi-solides supérieures à celles du lingot B à des températures d’essai données. La différence entre les deux lingots s’est accentuée au faible taux de déformation de 10-4 s-1. Les valeurs de la plage de température fragile (BTR) dans le lingot B étaient supérieures à celles du lingot A. Une évaluation de la sensibilité au déchirement à chaud (HTS) à l’aide du critère BTR a révélé que le HTS du lingot B était supérieur à celui du lingot A, ce qui a été confirmé par l’apparition d’une grande macrofissure transversale lors de la coulée de refroidissement direct du lingot B.
Type de document: | Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat) |
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Date: | 2023 |
Lieu de publication: | Chicoutimi |
Programme d'étude: | Doctorat en ingénierie |
Nombre de pages: | 107 |
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 Larouche, Daniel |
Mots-clés: | aluminum alloys, digital image correlation, Gleeble, hot tearing, semisolid, tensile test |
Déposé le: | 17 janv. 2025 08:30 |
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Dernière modification: | 20 janv. 2025 21:35 |
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