A Finite element method investigation of the microstructure of the squeeze aluminium-silicon alloys

Abstract

öarr Alürainyum-Silikon ötektik ve ütektik civarı alaşımları en cok kullanılan döküm alaşımları arasındadır. Bu özelliğine ragmen bugüne kadar özellikle ötektik dışı alaşımlar detaylı olarak incelenmemiştir. Altlminyum-Silikon faz diyagramından hypoötektik ve hy per öt ektik alaşımlarının geniş katılaşma ara lığına sahip olduğu görülmektedir. Bu y tizden hypoötektik ve hyper ötektik alaşımlar döküm sırasında mekanik özelliklerini azaltan mikro boşluklara maruz kalırlar. Burada yapılan çalışma iki bölüme ayrı İdi. Deneysel bö lümde hyperötektik ve hypoötektik Al-Sl alaşımlar incelendi. Hyper öt ektik Al-19% Si alaşımının dökümü sırasında yarı-katı katılaşma aralığında, genellikle döküm çubuğunun or talaşında oluşan boşlukları azaltmak için basınç uygulandı. Bu yöntem sıkıştırma döküm olarak adlandırılır. Mikro yapıdaki bu modi fikasyon malzemenin yoğunluğu» Br ineli sertliği ve kopma muka vemetinde artış sağlamıştır. Yapılan deneylerde 100 MPa basınc ın bu Uc özellikte en büyük artısı sağladığı bulunmuştur. Diğer taraftan hypoötektik A1-79S Si alaşımı » devamlı ve cok olarak dallanmış yuvar laksı alüminyum-zengin dendr itlerden do layı mikro boşluklara maruzdur. Bu yüzden sıkıştırma döküm mekanik özelliklerde artış sağlamaktadır, özetle, döküm sıra sında yüzlü ve devamlı olmayan silikon-zengin primer ilerin ge lişmesinden dolayı Al- 193* Si alaşımının katılaşma aralığı Al-7% Si alaşımının iki katı olmasına rağmen» daha az mikro boşluğa sahip olmaktadır. Bu sonucda sıkıştırma dökümün Al-75* Si alaşımı için daha faydalı olduğunu göstermektedir. Teorik çalışmada ise deneysel çalışmadan elde edilen malzemenin mikroyapısındaki değişimlerin mikroskopik gerilme ve sekil değiştirme dağılımları üzerindeki etkisi SAP80 ve SAP90 sonlu elemanlar metodu bilgisayar programı ile incelendi. Bu yüzden malzemenin mikro yapısı içindeki homojen olmayan gerilme Ve sekil değiştirme dağılımları silikon fazının hacim sel oranı» boyutları ve dağılımının fonksiyonu olarak araştı rıldı. Bu çalışma çekme yükü altındaki deney parçasının mikrovi yapısındaki yüksek gerilmeye maruz bölgeleri açığa çıkardı. Sonuç olarak malzeme mikro yapısı içindeki yüksek gerilme bölgelerinin silikon parçacıkları içinde ve civarında olduğu ve optimum mekaniksel özellikleri küçük ve düzgün olarak da ğılmış silikon parçacıklarının sağladığı bulundu..

İÜ ABSTRACT Aluminium-Silicon eutectic and near eutectic alloys are among the most, commonly used cast alloys. Inspite of this up to now, particularly the off -eutectic alloys have not been examined in a detailed manner. However, it appears from the Al-Si phase diagram that both the hypoeutectic and also hyper- eutectic alloys have wide freezing ranges. Therefore, they both should suffer substantial microporosity, in their castings which should degrade the mechanical properties. The present investigation is split into two distinct stages. In the experimental work both hypereutectic and also hypoeutectic Al-Si alloys were examined. In the hypereutectic Al-19% Si alloy, pressure application in the semisolid range of the freezing alloy (i.e., squeezed casting or melt forging) reduced the shrinkage porosities usually situated in the cen ter of the cast bars. This modification in the microstructure provided increases in the density, Brinell Hardness, and frac ture strength. It was found that a 100 MPa pressure level pro vided the largest increments in all three properties. On the other side, the hypoeutectic Al-7» Si alloy suffered serious interdendritic microporosity due to the continuous, highly branched and rounded aluminium-rich dendrites. Consequently, squeeze casting provided more substantial increases in the three properties. To summarize, it is found that although the freezing range of Al-20* Si alloy is twice of that of the Al- 7% Si alloy, it suffers less microporosity due to the faceted and discontinuous growth nature of the silicon-rich primaries. Hence, squeeze casting practice is more benefical for the A1-7X Si alloy. In the theoretical work the effects of changes in the microstructures achieved above on the microscopic stress and strain distributions were examined using SAP80 and SAP90 Finite Element Method softwares. Hence, the inhomogeneous distribu tion of stress and strain within the alloy microstructures could be investigated as a function of volume fraction, distri-iv but i on and size of particularly the silicon phase and, also microporosity. Thus, the analyses revealed the highly stressed regions in the microstructures of bulk specimens under a ten sion load. It was found that the stress levels attain their maximum values near the silicon particles. Consequently, for optimum mechanical properties the analyses also predicted a small and uniformly distributed silicon particles.