خصوصیات کشش و ریزساختار در ضخامت های مختلف یـک قطعه ریختگی مختلف از آلیاژ Al-Si و درجه حرارت بـالا

چکیده:

خصوصیــات کشــش و ریزســاختار یــک قطعــه بــا شــکلی پیچیــده از آلیــاژ ZL114A در درجــه حــرارت اتــاق (محیــط) و ۲۰۰°C بــا اســتفاده از آزمایشات کشـش، الکتــرون میکروسکوپ روبشی و پـراش الکتـرون بازتاب مــورد مطالعــه قــرار گرفــت. هــر دو نمونــه از قسـمت ضخیـم ونـازک خصوصیـات عالـی داشـته بـه طـوری کـه اســتحکام نهایــی کشــش و ازدیــاد طــول نســبی در درجــه حــرارت محیـط (اتـاق) بـه ترتیـب بـه 3۱۴ مگاپاسـکال و ۲/۵ درصـد رسـید.

البتــه اســتحکام نهایــی کشــش در قســمت نــازک بــه ترتیــب ۴۰ و ۲۵ مگاپاســکال بیشــتر از قســمت ضخیــم در درجــه حــرارت اتــاق و ۲۰۰°C بــوده اســت. همچنیــن فازهــای یوتکتیــک در قســمت نــازک دارای مورفولــوژی کــروی در حالــی کــه در قســمت ضخیــم ســاختار میلـه ای شـکل بـوده و ایـن امـر دلیـل اختـلاف خصوصیـات مکانیکـی می باشــد. مورفولوژی هــای ســاختار شکســت نیــز در قســمت های نـازک و ضخیـم نیـز بـرای تشـریح تفـاوت در عملکـرد، مـورد مطالعـه قــرار گرفــت.

مقدمه:

آلیاژهــای ریختگــی Al-Si همچنیــن بــه عنــوان ســری ZL-1XX در آلیاژهــای آلومینیــم نامیــده شــده و بــه دلیــل ســیالیت عالــی، خصوصیــات مکانیکــی خــوب، مقاومــت بــه خوردگــی و غیــره بــه طــور گســترده در صنایــع خــودرو و هــوا و فضــا بــه کار میرونــد ۵ تــا (۱۰۰ ۰ آلیــاژ ZL114A) بــر اســاس اســتاندارد چیــن، یــک آلیــاژ متــداول و پرمصــرف خانــواده Al-Si بــوده و بــرای ســاخت قطعــات بــا شــکل پیچیــده و ســاختاری بــا قســمت هــای نــازک اسـتفاده میشـود.

بـه منظـور اطمینـان از کیفیـت قطعـات ریختگـی از روش هـای اعمـال فشـار و خلاء اسـتفاده میشـود و نتایـج نشـان میدهـد متناسـب بـا درجـه فشـار و خلاء خصوصیـات کشـش ارتقــاء مییابــد. تاکنــون محققیــن مختلفــی بــر ارتقــای خصوصیــات مکانیکــی و ریزســاختار آلیــاژ Al-Si از طریــق آلیــاژ کــردن، عملیــات حرارتــی و ســایر روش هــا متمرکــز شــده اند. در آلیــاژ Al-Si، فــاز اصلــی ثانویــه فــاز Si یوتکتیــک اســت کــه انــدازه و مورفولــوژی ان دارای تاثیــر قابــل توجــه بــر خصوصیــات مکانیکــی دارد.

برخــی محققیــن اظهــار داشته اند کــه فــاز Si بــا انــدازه درشــت در آلیــاژ Al-Si موجــب افــت خصوصیــات مکانیکــی شــده. تغییــر شــکل پلاستیکی (انعطاف پذیــری) فــاز یوتکتیــک Si قابــل انجــام نخواهــد بــود. بــه علاوه فــاز یوتکتیــک Si در جریــان عملیــات حرارتـی بـه سـرعت کـروی شـده کـه تاثیـر مشـخصی بـر خصوصیـات مکانیکــی خواهــد داشــت.

البتــه تحقیقــات اندکــی بــر روی خصوصیــات مکانیکــی قطعــات ریختگــی از آلیــاژ Al-Si کــه از نظـر کاربردهـای مهندسـی اهمیـت زیـادی دارد انجـام شـده اسـت. بدیـن لحـاظ در تحقیـق حاضر یـک قطعه ریختگـی از آلیـاژ ZL114A بـا ضخامـت زیـاد (TS) و ضخامـت کـم (TW) تحت شـرایط خلاء در یـک قالـب گچـی تهیـه گردیـده سـپس نمونه های آزمایـش کشـش از قســمت های TS , TW برداشــته شــد و خصوصیــات کشــش در درجــه حرارت های مختلــف تعییــن و همچنیــن ریزســاختارهای نمونه ها نیــز بوســیله الکتــرون میکروســکوپ روبشــی (SEM) و الکتــرون میکروســکوپ بــا بــراش الکتــرون بازتــاب ۱(EBSD) مــورد مطالعـه قـرار گرفـت.

روش آزمایش:

قطعه آلیاژ 114A ZL بــا قطر ۵۰۰ و طــول 7۰۰ میلی متر درون یـک قالب گچی تحـت فشار خلاء تولید گردید. در جــدول ۱ عوامــل و پارامترهــای فراینــد ریخته گری و ترکیــب شــیمیایی در جـدول ۲، در شـکل ۱ نیـز ابعـاد قطعـه ارائـه شـده کـه در ان ضخامـت بخــش نــازک ۵ میلیمتــر و قســمت ضخیــم ۲۰X3۰ بــوده اســت.

پــس از حــذف تغذیــه بــه منظــور اطمینــان از عــدم وجــود عیــوب بــزرگ ماننــد انقبــاض و تــرک از اشــعه X اســتفاده شــد. ســپس قطعــه بــه مــدت ۱۲ ســاعت در درجــه حــرارت °C ۵3۵ نگهداشــته شــده و در آب گــرم (۱۰۰-۶۰)°C کوئنــچ گردیــد. پــس از آن قطعــه تــا °C ۱۶۰ بــه مــدت ۸ ســاعت حــرارت داده شــد.

بــه منظــور بررســی خصوصیــات مکانیکــی ســاختار مختلــف قطعــه نمونه های اســتوانه بــه قطــر ۶ میلیمتــر از قســمت نــازک (TS) و نمونه هایی بــا ســطح مقطــع 7X3 از قســمت ضخیــم (TW) بریــده شــد.

ابعــاد نمونه ها در شــکل ۱ نشــان داده شــده اســت. ایــن نمونه ها در درجــه حــرارت اتــاق محیــط و °C ۲۰۰ (متداول تریــن درجــه حـرارت در زمینـه کاربردهـای مهندسـی) بـه وسـیله دسـتگاه کشـش Dongguan Lixian Instrument شــرکت ســاخت HZ-1009A Co.Ltd Technology کشـیده شـدند. ریزسـاختار و سـطح شکسـت نمونه های کشــش نیــز بــه وســیله (300 Sigma ,Zeisc) SEM ,EBSD بررسـی گردیـد.

نتایج و سگالش:

• خصوصیات کشش

شـکل ۲ خصوصیــات کشش قطعــه آلیــاژ ZL114A در درجــه حرارت های مختلــف را نشــان میدهــد و مشــخص اســت کــه اســتحکام نهایــی در RT همیشــه بالاتــر از اســتحکام در °C ۲۰۰ می باشد.

اســتحکام نهایــی TS و TW در RT، بــه ترتیــب 3۱۴ مگاپاســکال و ۲7۴ مگاپاســکال بــوده و در°C ۲۰۰ بــه ترتیــب ۲37 و ۲۱3 مگاپاســکال بــوده اســت. در آزمایــش کشــش در°C ۲۰۰، درجــه حــرارت بــالا موجــب افزایــش حرکــت نابه جایی ها شــده بنابرایــن نمونه ها خصوصیــت نرم تــری را نشــان میدهنــد.

بدیــن ترتیــب ازدیــاد طــول نســبی TW در RT معــادل ۲/۵ درصــد بــوده کــه بــا افزایــش درجــه حــرارت تــا ۲۰۰ ایــن میــزان بــه 3 درصــد میرســد. البتـه بدیهـی اسـت کـه ازدیـاد طـول نسـبی نمونـه TS مطابـق شـکل ۲b حالــت عکســی را خواهــد داشــت.

بنابرایــن نــه فقــط اســتحکام بلکـه ازدیـاد طـول نمونـه TW همـواره بهتـر از TS اسـت. بـر اسـاس مقـالات ایـن امـکان وجـود دارد ایـن تغییـرات را مرتبـط بـا مورفولـوژی، انـدازه و درصـد حجمـی فـاز یوتکتیـک Si دانسـت. بـه هـر صـورت در مقایسـه بـا خصوصیـات کشـش نمونه های ریختگـی گــزارش شــده در مقــالات، قطعــه آلیــاژ A 114 ZL تولیــد شــده بــه وســیله قالــب گچــی هنــوز خصوصیــات مکانیکــی عالــی داشــته اســت.

• ریزساختارها و سطوح شکست

در شــکل 3 ریزســاختارهای نمونه های TW , TS پــس آزمایــش کشــش در درجــه حرارت های مختلــف نشــان داده شــده و میتــوان مشــاهده نمــود کــه فــاز یوتکتیــک Si کــه در مــرز دانه های (Al – a) توزیـع شـده دارای مورفولوژی هـای متفاوتـی هسـتند. فـاز یوتکتیــک Si در نمونــه T کــروی بــوده در حالــی کــه در نمونــه TS بـه شـکل میلـه ای اسـت. فـاز Si ظریـف در جریـان آزمایـش کشـش بــه صــورت فــاز اســتحکام ده درآمــده و در قفــل کــردن نابجایی هــا موثــر اســت.

بــه جــز ایــن امــر در نمونــه TW درصــد حجمــی فــاز Si از نمونــه TS بیشــتر می باشد. ایــن تغییــرات در ریزســاختارهای نمونه های ,TW TS را میتــوان مرتبــط بــا ســرعت هــای متفــاوت ســرد شــدن دانســت، بنابرایــن خصوصیــات مکانیکــی نمونــه TW همــواره نســبت بــه TS بهتــر اســت.

مشــاهده میشــود برخــی عیــوب ریخته گری در ریزســاختار نمونــه TS پــس از آزمایــش کشــش در °C ۲۰۰ وجود داشته (شکل 3d) و بدیهــی اســت عیــوب ریخته گری ماننــد مــک، انقبــاض و تــرک باعــث افــت خصوصیــات مکانیکــی بــه ویــژه ازدیــاد طــول نســبی میگـردد. بـه همیـن دلیـل ازدیـاد طـول نسـبی نمونـه TS در°C ۲۰۰ بــه طــور قابــل توجهــی کاهــش یافتــه اســت.

ریزسـاختارهای نمونـه TW پـس از آزمایـش کشـش در RT و ۲۰۰°C بــا اســتفاده فــن آوری EBSD مــورد مطالعــه قــرار گرفــت. مشــخص اســت کــه فازهــای یوتکتیــک Si در مرزهــای بیــن دندریتــی زمینــه -Al آلفـا وجـود دارنـد. مطابـق شـکل ۴b و ۴d بـر اسـاس نقشـه های KAM ۲زمینـه دندریتـی -Al a تراکـم نابجایـی پائینـی داد (رنـگ سـبز روشــن یــا آبــی).

نقشــه های KAM ناحیــه ســفید بــا بزرگنمایــی بیشـتر نشـان میدهـد دانه های یوتکتیـک Si عـاری از نابـه جایـی اسـت (رنـگ آبـی). البتـه تراکـم بـالای نابجایی هـا ماننـد ناحیـه بیـن زمینــه (a-Al) و دانه های یوتکتیــک Si در ناحیــه بیــن دندریتــی مشــاهده میشــود.

در جریــان آزمایــش کشــش نابه جایی ها در زمینـه -Al a ایجـاد شـده کـه بـا افزایـش تغییـر شـکل توسـعه یافتـه و باعــث لغــزش میشــوند. هنگامــی کــه نابه جایی ها بــه ســمت ناحیــه بیــن دندریتــی حرکــت میکننــد، دانه های یوتکتیــک Si، نابه جایی ها ی قفــل کــرده و موجــب خطــای انباشــتگی میگردنــد.

بنابرایـن در زمینـه (Al-a) تراکـم نابجایـی پاییـن اسـت و هـم زمـان فــار یوتکتیــک Si بــه دلیــل ســختی بــالا نمیتوانــد تغییــر شــکل بیابــد. بدیــن ترتیــب تراکــم بــالای نابجایــی فقــط در ناحیــه بیــن دندریتــی وجــود خواهــد داشــت. ایــن پدیــده در مقالــه (16) نیــز مطــرح شــده اســت.

در شــکل ۵ حالت هــای شکســت نمونه های TW و TS کشــیده شــده در درجــه حرارت های مختلــف ارائــه شــده اســت. مورفولــوژی شکسـت نمونـه TW در °C ۲۰۰ بالاتریـن مقـدار را داشـته اسـت.

امـا در نمونـه TS نـه تنهـا فرورفتگـی (دیمپـل) بلکـه در سـطح شکسـت کلیـواژ هـم وجـود دارد. ایـن امـر میتوانـد بـه دلیـل سـرعت سـرد شـدن آرام تـر نمونـه TS نسـبت بـه TW بـوده کـه باعـث گردیـده فـاز یـو تکتیـک Si مورفولـوژی میلـه ای داشـته باشـد.

همچنیـن در شـکل ۵d تعــدادی عیــوب ریختگــی نامتقــارن وجــود دارد کــه خصوصیــات مکانیکــی خصوصــا ازدیــاد طــول نســبی را دچــار افــت می نمایــد. این نتیجــه تــا حدودی با ریز ساختار ارائــه شده در شکل ۵d سـازگار اسـت.

نتیجه گیری:

خصوصیــات کشــش و ریزســاختار قطعــه آلیــاژ A 114 ZL تولیــد شــده در قالــب گچــی مــورد مطالعــه قــرار گرفــت و نتایجــی بدیــن شــرح بــه دســت آمــد:

• خصوصیــات کشــش نمونــه نــازک قطعــه آلیــاژ A 114 ZL نسـبت بـه نمونـه ضخیـم بهتـر بـود لیکـن هـر دو خصوصیـات عالـی داشــتند. اســتحکام نهایــی کشــش نمونــه نــازک (TW) نســبت بــه نمونــه ضخیــم (TS) نســبی در نمونه های بــدون عیــوب ریختگــی بــالای ۲ درصــد بودنــد.
• مورفولـوژی عمـده فازهـای یوتکتیکـی Si در نمونـه نـازک (TW) کــروی بــوده در حالــی کــه ایــن ســاختار در نمونــه ضخیــم (TS) بــه شــکل میلــه بــوده بــه طــوری کــه نــدازه دانــه در نمونــه نــازک کوچکتــر اســت. فازهــای یوتکتیــک Si ظریــف و کــروی در جریــان آزمایــش کشــش میتوانــد نابه جایی ها را قفــل کنــد کــه ایــن امــر بــرای خصوصیــت کششــی مفیــد اســت.بدیــن ترتیــب نمونه های نــازک (TW) دارای اســتحکام کشــش و ازدیــاد طــول نســبی بالاتــری هســتند.
•  تعــداد زیــادی فرورفتگــی (ایمپــل) ظریــف و کــروی در ســطح شکســت نمونه های نــازک (TW) قطعــه آلیــاژ A 114 ZL وجــود داشــت در حالــی کــه در نمونه های ضخیــم (TS) عیــوب ریختگــی و کلیـداژ مشـاهده گردیـد. همچنیـن مشـخص گردیـد ازدیـاد طـول نســبی نمونه های نــازک (TW) نســبت نمونــه ضخیــم (TS) بالاتــر بـوده اسـت.

منابع:

منبع خارجی: Arch.Melall. Mater 2/2023

منبع فارسی: خردادماه 1403- مجله صنعت ریخته گری

ترجمه: عبدالحمید قدیمی

[1] M. Qi, Y. Kang, Q. Qiu, W. Tang, J. Li, Microstructures, mechanical properties, andcorrosion behavior of novel high-thermalconductivity hypoeutectic Al-Si alloys prepared by rheological high pressure die-casting and high pressure die-casting, J. Alloys Compd. 15 )745, (487-502 )2018).
[2] V. Dao, S. Zhao, W. Lin, C. Zhang,Effect of process parameters on microstructure and mechanical properties in AlSi9Mg connectingrod fabricated by semi-solid squeeze casting, Mater. Sci. Eng. A558, 95-102 )2012).
[3] H.J. Kang, P.H. Yoon, G.H. Lee, J.Y. Park, B.J. Jung, J.Y. Lee,C.U. Lee, E.S. Kim, Y. S. Choi, Evaluation of the gas po- rosity and mechanical properties of vacuum assisted pore- free die-cast Al-Si-Cu alloy, Vacuum 184, 109917 )2020).
[4] X. Wang, M. Guo, L. Cao, J. Luo, J. Zhang, L. Zhuang, Ef- fect of heating rate on mechanical property, microstructure and texture evolution of Al-Mg-Si-Cu alloy during solution treatment, Mater. Sci. Eng. A 621, 8-17 )2015).
[5] L. Zuo, B. Ye, J. Feng, Q. Bao, X. Kong, H. Jiang, W. Ding, Phases formation and evolution at elevated temperatures of Al-12Si-3. 8Cu-2Ni-1Mg alloy, Adv. Eng. Mater. 19 )3, (1600623 )2016).
[6] X. Li, S.M. Xiong, Z. Guo, Correlation between porosity and fracture mechanism in high pressure die casting of AM60B alloy, J. Mater. Sci. Technol. 32 (1), 54-61 (2016).
[7] Z. Yuan, Z. Guo, S.M. Xiong, Effect of as-cast microstruc- ture heterogeneity on aging behavior of a high-pressure die- cast A380 alloy, Mater. Char. 135, 278-286 (2018).
[8] H .X. Cao, Q.C. Sun, Q.Q. Pu, L.H. Wang, M.T. Huang, Z.W. Luo, J.Q. Che, Effect of vacuum degree and T6 treatment on the microstructure and mechanical properties of Al-Si-Cu alloy die castings, Vacuum 172, 109063 )2020).
[9] R.X. Liu, J. Zheng, L. Godlewski, J. Zindel, M. Li, W.K. Li, S.Y. Huang, Infuence of pore characteristics and eutectic particles on the tensile properties of Al-Si-Mn-Mg high pres- sure die casting alloy, Mater. Sci. Eng. A 7, 13928083 )2020).
[10] X.G. Dong, J. Zhou, Y.J. Jia, B. Liu, Effect of alloying on high temperature fatigue performance of ZL114A )Al-7Si) alloy, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 22, 661-667 )2012).
[11] L.T. Jiang, G.H. Wu, W.S. Yang, Y.G. Zhao, S.S. Liu, Effect of heat treatment on microstructure and dimensional stabil- ity of ZL114A aluminum alloy, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 20, 2124-2128 )2010).
[12] H.J. Kang, H.S. Jang, S.H. Oh, P.H. Yoon, G.H. Lee, J.Y. Park, E.S. Kim, Y.S. Choi, Effects of solution treatment temperature and time on the porosities and mechanical properties of vacuum diecasted and T6 heat-treated Al-Si-Mg alloy, Vacuum 193, 110536 )2021).
[13] R .S. Bonatti, Y.A. Meyer, A.D. Bortolozo, D. Costa, W.R. Osorio,Morphology and size effects on densification and me- chanical behavior of sintered powders from Al-Si and Al-Cu casting alloys, J. Alloys Compd. 786, 717-732 )2019).
[14] J.F. Hao, BY. Yu, J.C. Bian, L. Zheng, S.N. Nie, R.X. Li, Comparison of the semisolid squeeze casting and gravity casting process on the precipitation behavior and mechani- cal properties of the Al-Si-Cu-Mg alloy, Mater. Charact. 180, 111404 )2021).
[15] G . Urrutia, M.A. Muñoz-Morris, D.G. Morris, Contribu- tion of microstructural parameters to strengthening in an ultrafne-grained Al-7% Si alloy processed by severe deforma- tion, Acta Mater. 55, 1319-1330. )2007)
[16] Z. Zribi, H.H. Ktari, F. Herbst, V. Optasanub, N. Njah, EBSD, XRD and SRS characterization of a casting Al-7wt%Si alloy processed by equal channel angular extrusion: Disloca- tion density evaluation, Mater. Charact. 153, 190-198 )2019).
[17]S. Shivkumar, S. Ricci, C. Keller, D. Apelian, Effect of solution treatment parameters on tensile properties of cast aluminum alloys, J. Heat Treat. 8, 63-70  (1990).
[18] D .L. Zhang, L.H. Zheng, D.H. StJohn, Effect of a short solution treatment time on microstructure and mechanical properties of modifed Al-7wt.%Si-0.3wt.%Mg Alloy, J. Light Met. 2, 27-36 )2002).