Parâmetros térmicos e microestruturais na solidificação transitória de Ligas Al-Mg e Al-Mg-Si e correlação com resistências mecânicas e à corrosão
| Autor: | Brito, Crystopher Cardoso de, 1987 |
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| Přispěvatelé: | Garcia, Amauri, 1949, Spinelli, José Eduardo, Santos, Rezende Gomes dos, Zavaglia, Cecília Amélia de Carvalho, Souza, Eduardo Netto de, Pinto, Maria Aparecida, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS |
| Rok vydání: | 2021 |
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| Zdroj: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) instacron:UNICAMP |
| Popis: | Orientadores: Amauri Garcia, José Eduardo Spinelli Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: As características mecânicas (resistência a esforços estáticos e dinâmicos; resistência ao desgaste) e características químicas (resistência à corrosão) dos produtos metálicos solidificados dependem do arranjo microestrutural, mais especificamente do tamanho de grão e espaçamentos celulares ou dendríticos, das heterogeneidades de composição química, do tamanho, forma e distribuição das inclusões, de porosidade, etc. Adicionalmente aos obstáculos intergranulares ao escorregamento, existirão os obstáculos presentes entre os braços celulares e dendríticos. Em estruturas brutas de solidificação, estabelecer correlações entre estrutura e as propriedades decorrentes é uma tarefa complexa e que se inicia pela análise dos diferentes aspectos estruturais e que depende de um monitoramento experimental cuidadoso, e que permita um mapeamento confiável dos parâmetros térmicos de solidificação. O presente trabalho objetiva desenvolver uma análise teórico/experimental sobre a influência dos parâmetros térmicos da solidificação de ligas Al-Mg e Al-Mg-Si na definição da microestrutura, macrossegregação e estabelecer correlações com as resistências mecânica e à corrosão, contribuindo consequentemente com subsídios para um planejamento adequado de condições operacionais de solidificação vinculado a determinadas características de aplicação desejadas. Para tanto, foram conduzidos experimentos de solidificação unidirecional tanto em regime transiente (vertical ascendente e descendente) quanto permanente (crescimento Bridgman). Para as ligas binárias Al-3Mg e Al-6,5Mg e ternárias Al-3Mg-1Si e Al-6,5Mg-1Si não se constatou a ocorrência de macrossegregação de soluto, nem mesmo para solidificação direcional vertical descendente. Com exceção da liga Al-3Mg-1Si, todas as ligas examinadas apresentaram a matriz rica em Al unicamente de morfologia dendrítica ao longo de toda a faixa de taxas de resfriamento ( dT/dt ) experimentais. Já a liga Al-3Mg-1Si apresentou morfologia celular para 0,005 < dT/dt > 2K/s, e dendrítica para 0,03 > dT/dt < 0,8 K/s. Esses resultados caracterizaram a ocorrência de uma transição celular/dendrítica reversa (células de alta taxa de resfriamento), raramente relatada na literatura para ligas metálicas. Foram estabelecidas, para todas as ligas, leis experimentais de crescimento relacionando espaçamentos celulares ou dendríticos (primários, secundários e terciários) com parâmetros térmicos de solidificação (velocidade e taxa de resfriamento). Propriedades mecânicas (dureza e tração) e resistência à corrosão foram avaliadas para as ligas Al-3Mg e Al-3Mg-1Si. A microdureza Vickers da liga ternária foi superior em função do arranjo microestrutural mais complexo contendo mais fases intermetálicas Mg2Si e Al-Fe-Si(-Mg). A microestrutura celular da liga Al-3Mg-Si conferiu a melhor combinação entre limite de resistência à tração e alongamento específico, embora a liga Al-3Mg tenha apresentado maiores valores de alongamento específico. Leis experimentais do tipo Hall-Petch são propostas relacionando essas propriedades de tração, e a microdureza Vickers com a escala da microestrutura, mais especificamente com espaçamentos celulares e dendríticos primários. Ensaios de corrosão em uma solução 0,06M de NaCl mostraram que as morfologias celular e dendrítica mais refinadas apresentam maiores resistência à corrosão do que estruturas grosseiras. O arranjo microestrutural da morfologia celular, associado à melhor distribuição dos intermetálicos ricos em Fe em eutéticos binários e ternários nas regiões intercelulares, conferiram a essa morfologia da matriz rica em Al, a melhor resistência frente à corrosão para diferentes concentração salinas de NaCl. Um estudo preliminar sobre a influência da microestrutura da liga Al-3Mg-1Si nas resistências ao desgaste e à tribocorrosão é apresentado Abstract: The mechanical characteristics (strength under static and dynamic loading; wear resistance) and chemical characteristics (corrosion resistance) of as solidified metallic components depend on the microstructural arrangement, i.e. grain size and cellular, dendritic, interphase spacings; non-homogeneity of chemical composition; size, morphology and distribution of inclusions; porosity, etc. Additionally to the barriers to slip formed by the grain boundaries there are also obstacles located in intercellular and interdendritic regions. The development of correlations between the as-solidified microstructure and the corresponding properties can be a complex task, which depends on careful experimental development with a view to determining accurate solidification thermal parameters. The present study aims to develop a theoretical/ experimental analysis dealing with the effects of transient thermal parameters in the solidification of Al-Mg and Al-Mg-Si alloys on the microstructure development and on macrosegregation profiles. Correlations between microstructural parameters and mechanical and corrosion resistances will be established with a view to permitting solidification operational conditions to be pre-programmed in order to allow the casting to attain a determined level of final properties. Therefore, directional solidification experiments both in transient (vertical upward and downward) and steady-state regimes (Bridgman growth) were carried out. For binary Al-3Mg and Al-6,5Mg and ternary Al-3Mg-1Si and Al-6,5Mg-1Si alloys, no evidence of macrosegregation has been found, not even for cases of downward directional solidification. With the exception of the Al-3Mg-1Si alloy, all the alloys experimentally examined depicted a dendritic Al-rich matrix along the whole range of experimental cooling rates ( dT/dt ).In contrast, the Al-3Mg-1Si alloy showed cellular morphology for 0,005 < dT/dt > 2K/s, and dendritic for 0,03 > dT/dt < 0,8 K/s. These results characterized the occurrence of a reversal cellular/dendritic transition (high cooling rates cells), which is rarely reported in the literature for metallic alloys. Experimental growth laws relating cellular and dendritic spacings (primary, secondary and tertiary) to solidification thermal parameters (growth and cooling rates) have been proposed for any alloy examined. Mechanical properties (hardness and tensile properties) and corrosion resistance have been examined for the Al-3Mg and Al-3Mg-1Si alloys. The Vickers microhardness of the ternary alloy is shown to the highest due to a more complex microstructure and a higher content of Mg2Si and Al-Fe-Si(-Mg) intermetallics. The best combination ultimate tensile strength/elongation to fracture is shown to be associated with the cellular microstructure of the Al-3Mg-Si alloy, despite the higher values of elongation of the Al-3Mg alloy. Hall-Petch type experimental laws are proposed relating these tensile properties and Vickers microhardness to the length scale of the microstructure, more specifically to the cellular and primary dendritic arm spacings. Corrosion tests in a 0.06M NaCl solution were performed and showed that more refined cellular and dendritic microstructures are associated with higher corrosion resistances when compared with the corresponding values of coarse microestructures. The cellular microstructural pattern associated with a more extensive distribution of Fe-rich intermettalics of binary and ternary eutectic mixtures along the intercellular regions, are shown to be responsible for the better corrosion resistance of tests conducted with electrolytes of different NaCl concentrations. A preliminar study on the effect of microstructural features of an Al-3Mg-1Si alloy on the wear and tribocorrosion resistances is conducted Doutorado Materiais e Processos de Fabricação Doutor em Engenharia Mecânica FAPESP 2012/08494-0 |
| Databáze: | OpenAIRE |
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