Effetto dei trattamenti termici sulle proprietà e sui meccanismi di danneggiamento di leghe di alluminio thixocolate

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1 Effetto dei trttmenti termici sulle proprietà e sui meccnismi di dnneggimento di leghe di lluminio thixocolte P. Leo, E. Cerri In questo lvoro si è studito l effetto dei trttmenti termici sull microstruttur, sulle proprietà meccniche e sui meccnismi di dnneggimento microstrutturle, indotti medinte deformzione plstic, delle leghe di lluminio A356 e 319 thixocolte. Il processo di thixocolt conferisce i getti proprietà meccniche notevolmente superiori quelli otteniili secondo i metodi di colt trdizionli poiché riduce le difettosità ed utilizz un mteri prim dll microstruttur gloulre fine ed omogene. Le crtteristiche meccniche dei getti thixocolti sono suscettiili poi di ulteriore migliormento medinte comuni trttmenti termici di invecchimento rtificile (T5) e soluilizzzione ed invecchimento rtificile (T6). Crtteristic comune lle leghe ste sul sistem Al-Si è che il decdimento delle proprietà meccniche in seguito ll ppliczione di uno sforzo è imputile principlmente ll frttur o decoesione delle prticelle di silicio (1). E stt quindi condott un nlisi sttistic del dnneggimento delle prticelle di silicio frtturte su provini trttti termicmente e trzionti. I risultti ottenuti hnno individuto nel trttmento T5 un ottim lterntiv l T6 qundo l duttilità non si un requisito essenzile per l utilizzo di getti thixocolti in leg A356 o 319. INTRODUZIONE L interesse rivolto llo studio dell effetto dei trttmenti termici sulle proprietà meccniche delle leghe di lluminio ste sul sistem Al-Si e del loro dnneggimento microstrutturle deriv dl crescente impiego delle stesse in cmpo strutturle, soprttutto nel settore utomoilistico ed ereonutico, che h imposto un pprofondimento sulle loro crtteristiche d prte degli utilizztori (2). Il crescente utilizzo delle leghe di lluminio per usi strutturli deriv oltre che dlle intrinseche proprietà di lcune leghe, dll impiego di tecniche di colt in grdo di eliminre le principli difettosità nei getti grntendo l prodotto superiori crtteristiche meccniche. E noto d esempio che le leghe 319 e A356 thixocolte esiiscono proprietà meccniche notevolmente superiori quelle che vreero se fossero colte in mnier trdizionle. Tle migliormento è imputile ll microstruttur gloulre, fine ed omogene dell fse primri, che è ll se del processo di thixocolt (2,3), ll riduzione delle porosità nel getto e ll riduzione dei fenomeni di cricctur cldo che tle metodo di colt grntisce (4). Si trtt di un tecnologi che consiste nell iniezione in uno stmpo dell leg thixotropic llo stto semisolido (l thixotropi è ottenut medinte gitzione elettromgnetic o meccnic del fuso) con vntggi nche dl punto di vist del processo quli l riduzione dei fenomeni di deteriormento degli stmpi, l riduzione dei consumi energetici, l ottenimento di prodotti ner net shpe. P. Leo, E. Cerri INFM-Dip. Di Ingegneri dell Innovzione, Università degli Studi di Lecce Memori presentt l 19 Convegno Nzionle Trttmenti Termici, Slsomggiore, mggio 2003 Prole chive: Al-Si, Thixocolt, T5, T6, UTS Sull duttilità delle leghe A356 e 319 thixocolte si può intervenire con trttmenti di soluilizzzione. Essi ttivno inftti fenomeni di sferoidizzzione delle prticelle di silicio eutettico che perciò ssecondno meglio l deformzione dell mtrice grntendo mggiore llungmento rottur e un frttur di tipo prevlentemente duttile (5). Un forte incremento dell resistenz trzione e dell UTS di queste leghe è otteniile medinte trttmenti termici di invecchimento rtificile (2,6). In questo lvoro si sono studiti e confrontti gli effetti dei trttmenti termici T5 e T6 sulle propriet meccniche e sui meccnismi di dnneggimento microstrutturle indotti d deformzione plstic nelle leghe A356 e 319 thixocolte. L nlisi del dnneggimento è stt condott per vi sttistic medinte conteggio l microscopio ottico delle prticelle di silicio frtturte su provini deformti plsticmente. Inftti l frttur e/o decoesione delle prticelle di silicio sono i fttori mggiormente responsili del decdimento delle proprietà meccniche nelle leghe ste sul sistem Al-Si. In prticolre è noto che le prticelle di form llungt si frtturno più frequentemente di quelle sferoidli mentre l dimensione non influenz significtivmente il dnneggimento (1, 5). PARTE SPERIMENTALE Le leghe A356 e 319 di composizione chimic riportt in Tell 1, sono stte fornite dll Aluminum Pechiney sotto form di rrette cilindriche thixocolte lunghe 198mm e 18mm di dimetro. Dlle rrette sono stti ricvti provini cilindrici di 10mm di spessore medinte tglio con tronctrice utomtic metllogrfic e provini di trzione sgomti sezione rettngolre di 5mm di spessore per elettroerosione. I provini del- l metllurgi itlin 19

2 Si Fe Cu Mn Mg Ni Zn P+Sn Ti Sr Altri Rem A Al p.m. Al Fig. 1: Microstruttur dell leg A356() e 319 () nello stto sthixo Figure1 : Microstructure of s-thixo A356 () nd A319 () lloys Tell 1: Composizione chimic dell leg A356 e 319 (wt%) Tle1 : Chemicl composition of A356 nd 319 lloys (wt%) Fig. 2: Microstruttur dell leg A356() e 319 () nello stto soluilizzto rispettivmente 500 C, 4h e 540 C per 1h. Figure 2: Microstructure of solutioned A356 () nd 319 () luminium lloys l 356 sono stti solulizzti 540 C per 1h e 500 C per 4h quelli dell 319, secondo qunto suggerito dll prtic industrile. L invecchimento è stto eseguito sui provini cilindrici 160 C e 200 C per 0.5, 1, 2, 4, 8, 16 e 25 ore mentre quelli di trzione sono stti trttti 160 C per 1, 4, e 25h. Le cinetiche di invecchimento dell leg sono stte monitorte con misure di durezz (HRF) e di conduciilità elettric eseguite sulle sezioni delle rrette cilindriche. I vlori riportti nei grfici rppresentno l medi di dieci misure per ogni condizione ± l devizione stndrd. Le prove di trzione sono stte eseguite con un velocità dell trvers di 2mm/min su un INSTRON I provini dell 319 sono stti sottoposti si ll prov di trzione stndrd che quell di trzione interrott circ il 50% dell deformzione rottur; quelli dell 356 sono stti trzionti fino rottur. Si è eseguit l preprtiv metllogrfic trdizionle e le osservzioni microstrutturli sono stte effettute l microscopio ottico NIKON EPIPHOT 200 ed l microscopio elettronico scnsione PHILIPS XL 40 dotto di rilevtore EDS. L nlisi del dnneggimento è stt condott per vi sttistic medinte conteggio l microscopio ottico delle prticelle di silicio frtturte sui provini deformti plsticmente utilizzndo il softwre LUCIA G per l nlisi dell immgine. L zon di osservzione considert i fini del dnneggimento si estende l trtto utile per i provini sottoposti ll prov di trzione interrott e d un delle due prti derivnti dll prov di trzione stndrd per gli ltri. L frequenz di dnneggimento per i cmpioni sottoposti ll prov stndrd è stt ricvt suddividendo l zon di osservzione in intervlli di cui il primo è prossimo ll superficie di frttur, il secondo ed il terzo sono ottenuti spostndosi di circ 2.5 mm dll intervllo di osservzione precedente. I successivi intervlli sono stti ricvti d spostmenti di circ 5mm. Per i cmpioni sottoposti ll prov interrott l frequenz di dnneggimento è stt ricvt dividendo l zon di osservzione in intervlli di 5mm ciscuno. 20 l metllurgi itlin

3 teristici dimples, segno che l frttur del soluilizzto è ccompgnt d notevole deformzione plstic. Lo stesso vle per le superfici di frttur dei cmpioni soluilizzti e poi invecchiti rtificilmente (T6) rispetto quelli semplicemente invecchiti (T5) (Fig.4). In Figur 5 e 6 sono riportte rispettivmente le curve di invecchimento T6 e T5 per entrme le leghe. Occorre notre che lle temperture di invecchimento più sse (Fig.5) entrme le leghe non esiiscono sovrinvecchimento nell intervllo di tempi considerti, mentre si ri Fig. 3: Confronto tr le superfici di frttur dei cmpioni A 356 s thixo () e soluilizzto 1h 540 C () Figure 3: Frcture surfces of s-thixo() nd solutioned () A356 specimens In ciscun intervllo sono stti nlizzti due frme presi csulmente in modo tle d poter ottenere un stim migliore dell frequenz delle prticelle dnneggite clcolt come il totle delle prticelle dnneggite nei due frme diviso per il totle delle prticelle contte (dnneggite e non). Si è utilizzto l ingrndimento 1000x del microscopio ottico cui corrisponde un re del frme di 139x101 µm 2. RISULTATI E DISCUSSIONE Fig. 4: Confronto tr le superfici di frttur dei cmpioni 319 nello stto T5 () e T6 ( () Figure 4 : Frcture surfces of T5 () nd T6 () 319 specimens In Figur 1 sono riportte le microgrfie SEM dell A356 e 319 nello stto s-thixo. Si not per entrme le leghe l struttur gloulre dell fse primri immers nell fse eutettic. Per entrme le leghe il trttmento di soluilizzzione h determinto (Fig.2) l sferoidizzzione del silicio eutettico circ (2.5±0.6) µm per l 319 e (2±1) µm per l 356. A questo cmimento microstrutturle è imputile il forte incremento di duttilità rispetto llo stto s-thixo (4,5,6), rilevile di vlori di llungmento rottur ottenuti dlle prove di trzione (Tell 2). L nlisi dell superficie di frttur dei cmpioni soluilizzti e di quelli s thixo (Fig.3) evidenzi nei cmpioni soluilizzti di entrme le leghe l ssenz di mpie zone pitte e lisce e l presenz dei crt- Stto dei provini Tensione Tensione Elongzione di di (%) snervmento rottur (MP) (MP) 356 As-Thixo Soluilizzto As-Thixo Soluilizzto Tell 2: Risultti delle prove di trzione sui cmpioni di leg A356 e 319 nello stto s-thixo e soluilizzto Tle 2:Tensile test results for s-thixo nd solutioned A356 nd 319 lloys l metllurgi itlin 21

4 Fig. 5: Curve T6 per le leghe A356 e 319 invecchite rispettivmente 160 C () e 200 C () Figure 5: T6 geing curves t 160 C () nd 200 C () for A356 nd 319 lloys scontr un picco di durezz dopo due ore di trttmento per le mssime temperture di invecchimento (Fig.5). Inoltre l leg 319 present vlori superiori di durezz rispetto ll 356 prità di condizioni di trttmento termico. Inftti l leg 319 secondo qunto riportto nell composizione chimic, h un quntità di elementi llignti superiore ll 356, soprttutto per il contenuto di rme. Questo elemento è uno di quelli che prepondertmente si leg ll lluminio formre precipitti. Non isogn dimenticre che però in questo cso, il Cu lo trovimo legto ll Al già nell fse eutettic sotto form di Al 2 Cu e di composti quternri del tipo AlSiFeCu (6), per cui l effetto indurente che si misur con l HRF è d ttriuire in prte ll precipitzione, che comunque vviene, in prte questi composti intermetllici duri che inoltre non sono eliminti con l soluilizzzione. In Figur 7 sono riportti i risultti delle prove di trzione reltivi lle leghe in oggetto, d cui si evince che prità di trttmento termico l leg 319 present crtteristiche superiori quelle dell 356 ed llungmento rottur inferiore mentre, nell mito dell stess leg, i vlori di UTS e snervmento sono simili per i due trttmenti T5 e T6. Le migliori performnces meccniche dell leg 319 rispetto ll leg A356 prità di trttmento termico sono imputili ll differente composizione delle leghe in prticolre si deve ll presenz di rme il mggiore effetto indurente in seguito TT. Fig. 6: Curve T5 per le leghe A356 e 319 invecchite rispettivmente 160 C () e 200 C () Figure 6: T5 geing curves t 160 C () nd 200 C () for A356 nd 319 lloys In Figur 8 è riportt un microgrfi SEM dell superficie longitudinle di un cmpione di leg 319 soluilizzto e trzionto d cui si evince l presenz di prticelle di silicio frtturte. L osservzione l microscopio ottico delle superfici longitudinli dei cmpioni in leg A356 e 319 trzionti h condotto lle seguenti considerzioni: ) l dimensione delle prticelle non è un fttore significtivo per giustificrne l frttur mentre l form lo è in qunto le prticelle llungte si dnneggino più frequentemente di quelle sferoidli; ) i pini di frttur delle prticelle sono perpendicolri ll sse di trzione; c) le prticelle di silicio possono presentre frtture multiple e lo scollmento tr mtrice e prticell è un meccnismo di dnneggimento non significtivo. I risultti dell nlisi sttistic del dnneggimento delle prticelle di silicio effettut sui provini sottoposti ll prov di trzione stndrd sono riportti in Figur 9 per i cmpioni in leg A356 e 319 invecchiti 160 C come frequenz di prticelle dnneggite vs distnz reltiv dll superficie di frttur. Quest sttistic consente di ffermre che l mssim entità del dnneggimento si h in corrispondenz dell sezione di frttur conferm del ftto che l rottur delle prticelle di silicio è il meccnismo principle che govern il processo di frttur di tli leghe. Si not nche che l entità del dnneggimento si riduce sem- 22 l metllurgi itlin

5 Fig. 7: Confronto tr le proprietà trzione dell A356 e 319 trttte T5 () e T6 () in funzione del tempo di trttmento Figure 7: Tensile results for het treted T5 () nd T6 () specimens pre ll umentre del tempo di invecchimento e quindi ll umentre dell durezz delle leghe. Quest ultim considerzione dimostr che il più proile meccnismo di frttur delle prticelle di silicio si quello per ccumulo di disloczioni. E chiro che i cmpioni sottoinvecchiti sono più duttili rispetto quelli invecchiti l picco dell curv di durezz e presentno un grdo di dnneggimento più elevto. Inftti, qundo il grdo di costrizione dell mtrice è elevto, come nei cmpioni l picco, l frttur divent molto critic nel senso che nel momento in cui qulche prticell cominci frtturrsi, il dnno si propg velocemente ttrverso l struttur. D qui ne risult un quntità limitt di dnno in tutt l struttur. Nello stto sottoinvecchito, il rilssmento delle tensioni vviene più fcilmente, lo sviluppo del dnno è più grdule con l deformzione e un quntità di dnno mggiore si osserv prim che vveng un frttur mcroscopic; ne risult inoltre un duttilità mggiore. Si not ncor che l entità del dnneggimento dell 319 è, prità di trttmento termico, superiore quello dell 356. In Figur 10 è invece riportto un confronto tr il dnneggimento rilevto sui provini in leg 319 sottoposti ll prov di trzione interrott e quelli sottoposti ll prov stndrd. In tutti i grfici il dnneggimento è espresso come frzione di prticelle dnneggite vs distnz dl rccordo. Dll nlisi del grfico di Figur 10 è evidente che il mssimo dnneggimento delle prticelle si verific per stti ten- Fig.8 : Microgrfi SEM dell superficie longitudinle di un provino in leg 319 soluilizzto e trzionto Figure 8: Longitudinl surfce SEM microgrphy of solutioned nd roken 319 tensile specimen Fig. 9: Frequenz di dnneggimento in funzione dell distnz reltiv dll superficie di frttur per i cmpioni in leg A356 e 319 trttti T6 160 C Figure 9: Dmge of silicon prticles vs reltive distnce from frcture surfce for A 356 nd 319 T6 specimens, ged t 160 C Fig. 10: Confronto tr l frequenz di dnneggimento per i cmpioni T6 in leg 319 sottoposti ll prov stndrd e quell di trzione interrott Figure 10: Dmge of silicon prticles vs distnce of A319 T6 tensile specimen tested fter ging t 160 C. l metllurgi itlin 23

6 sionli superiori llo snervmento. Anche questo risultto conferm che il meccnismo di dnneggimento più proile si quello per impilmento di disloczioni. CONCLUSIONI Il presente lvoro h evidenzito l rispost in termini di proprietà meccniche dell leghe 319 e A356 thixocolte sottoposte i medesimi trttmenti termici e l effetto di questi ultimi sui meccnismi di dnneggimento per deformzione plstic delle prticelle di Silicio. L sperimentzione condott h consentito di trrre le seguenti conclusioni: 1. Il trttmento di soluilizzzione ument notevolmente l duttilità delle leghe senz comprometterne i vlori di resistenz snervmento e UTS. 2. Le resistenz snervmento e l UTS dell leg 319 sono risultte sempre superiori quelle dell A356 e l duttilità sempre inferiore si nello stto trttto che s-thixo. 3. Per entrme le leghe il trttmento T5 consente di rggiungere vlori di resistenz molto prossimi quelli del T6 (nche se l llungmento rottur risult ridotto) per cui quest ultimo può essere sostituito dl più veloce T5 4. I risultti ottenuti dimostrno che l entità del dnneggimento delle leghe si riduce ll umentre del tempo di invecchimento che ttiv l precipitzione di composti idonei d ncorre le disloczioni limitndone l possiilità di interzione delle stesse con le prticelle di Silicio. Inoltre il dnneggimento ricvto sui provini sottoposti lle prove di trzione interrott è molto inferiore quello ricvto dll nlisi dei provini portti rottur conferm del ftto che il EFFECT OF HEAT TREATMENTS ON MECHANICAL PROPERTIES AND DAMAGE EVOLUTION OF THIXOCASTED ALUMINIUM ALLOYS KEYWORDS: Al-Si, thixocsting, T5, T6, UTS The effects of T5 nd T6 het tretments on mechnicl properties, microstructure evolution nd prticle dmge in the 356 nd 319 thixocsted luminium lloys re discussed. Thixocsting process is semisolid csting process suitle for relizing components chrcterized y very good mechnicl properties, low porosity content nd fine nd homogeneous microstructure. A356 nd 319 lloys re chrcterized y wide rnge of semisolid tempertures, good cstility nd weldility nd very similr dmge ehviour. In fct frcture nd/or decohesion of silicon prticles re, in oth lloys, the mening fctor influencing lloy dmge y stress ppliction. The mterils under investigtion hve the composition reported in Tle 1. A356 nd 319 lloys hve een solution treted for different time t 540 C nd 500 C respectively nd T5, T6 ged t 160 C nd 200 C. Specimens for tensile tests hve een het treted in the sme conditions. The ging effects hve een nlyzed y hrdness (HRF) nd electricl conductivity mesurements (Figs.5, 6). Scnning electron microscopy oservtions hve een performed on frcture surfces to evlute the frcture mechnism nd on Si roken prticles to study the dmge (Figs.3, 4, 8). The lloy dmge nlysis hs involved the clcultions of ABSTRACT meccnismo di dnneggimento è più efficiente oltre lo snervmento. A prità di trttmento termico il dnneggimento dell leg 319 è molto superiore quello dell A356. RIFERIMENTI [1] J.W. YEH, W.P. LIU: The crcking Mechnism of Silicon Prticles in n A357 Aluminum Alloy, Metllurgicl nd Mterils Trnsctions, Vol. 27A, Novemer 1996, pg [2] D. H. KIRKWOOD: Semisolid processing, Interntionl Mterils Reviews,Vol.39, 1994, pg [3] D. G. ALTENPOHL: Aluminum: technology, pplictions,nd enviroment,tms editor,1999, pg [4] C.H. CACERES, B.I. SELLING: Csting defects nd tensile properties of n Al-Si-Mg lloy, Mterils Science nd Engineering A220 (1996) pg [5] E.CERRI, P.LEO: Studio del dnneggimento di un leg di lluminio A356 thixocolt, Atti del 29 convegno Nzionle AIM, 2002, pg.132. [6] E. 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Spheroidiztion of silicon prticles is responsile for incresing ductility s confirmed y tensile tests results (T.2 nd Fig. 7) nd frcture surfce nlysis of oth solutioned nd T6 smples (Figs. 3, 4). Moreover 319 lloy exhiits some precipittion process of intermetllic compounds during solutioning. Tensile tests hve shown tht, on ech lloy, T5 tretment llows to otin the sme strength of T6 one ut with lower ductility (Fig. 7), s confirmed y SEM frcture surfce (Fig.4). Higher mechnicl properties of T5 nd T6 het treted A319 lloy respect to the A356 one hve een oserved, proly due to higher precipittion contents in A319 lloy (Figs. 5, 6, 7). The dmge nlysis hs confirmed tht silicon prticles frcture is the mening fctor influencing lloy dmge during tensile stress ppliction nd tht the most prole mechnism involved in lloy dmge is disloctions silicon prticle interction. In fct the silicon prticles dmge levels decrese s geing time increse since other precipited compounds ecome more effective to pin up disloctions during lloy plstic deformtion (Figs.9, 10). 24 l metllurgi itlin