Transient Solidification of Al-11wt.%Si Alloy and Al-11wt.%Si-5wt.%Ni Eutectic Alloy : thermal Parameters, Microstructure and Mechanical Properties

Orientador: Noé CheungDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: O desenvolvimento de ligas multicomponentes de alumínio permitiu a substituição do aço por esses materiais em componentes automotivos, resultando em veículos com menor massa, sem comprometer a estabilidade veicular, e em ganhos energéticos e ambientais. Sabe-se que as propriedades mecânicas estão intrinsicamente relacionadas com a microestrutura do material, por isso, é de grande valia conhecer a relação entre os parâmetros térmicos envolvidos durante a solidificação e a microestrutura. Na fabricação de pistões automotivos são utilizadas, usualmente, ligas Al-Si próximas da composição eutética, com a adição de até 2% de Ni para melhorar as propriedades mecânicas sob alta temperatura. Entretanto, para atender os esforços mecânicos exigidos pelos motores atuais, pode-se aumentar a quantidade de Ni. Em vista disso, esse trabalho tem como objetivo estudar a liga eutética Al-11%Si-5%Ni comparando-a com as ligas binárias Al-11%Si e Al-5%Ni em relação à microestrutura e propriedades mecânicas. As ligas foram solidificadas unidirecionalmente em regime transiente de transferência de calor, de modo a abranger uma ampla faixa de taxas de resfriamento (?) e velocidade de solidificação (v). Pela análise de fluorescência por raios-X, não foram constatados perfis de macrosegregação ao longo dos lingotes. A microestrutura das ligas era composta predominantemente de dendritas de ?-Al, possibilitando a correlação de ? e v com os espaçamentos dendríticos primário (?1), secundário (?2) e terciário (?3). A caracterização da liga Al-11%Si-5%Ni foi realizada com o auxílio das técnicas de difração de raios-X e microscopia eletrônica de varredura, identificando na região eutética as fases ?-Al, Si e Al3Ni. A microdureza das ligas binárias ficou em torno de 50,3 HV, enquanto que a liga ternária apresentou dureza superior, seguindo as equações tipo Hall-Petch HV=50+349?_1^(-1/2) e HV=36+103?_2^(-1/2), por conta do efeito combinado entre um eutético mais refinado e a formação de placas de Al3Ni, em vez de fibras. Os limites de escoamento e de resistência à tração da liga Al-11%Si-5%Ni têm a tendência de aumentar com um menor espaçamento dendrítico, e apresentaram valores maiores do que das ligas Al-11%Si e Al-5%Ni. Entretanto, o alongamento específico não é influenciado pelo espaçamento dendrítico e é inferior quando comparado com as ligas bináriasAbstract: The development of multicomponent aluminum alloys allowed the replacement of steel by these materials in automotive components, resulting in vehicles with less weight, without compromising vehicle stability, and in energy and environmental gains. It is known that mechanical properties are strongly associated with the microstructure of the material, so it is important to know the relation between thermal parameters and microstructure. In the manufacturing of automotive pistons, near-eutectic Al-Si alloys are usually used with the addition up to 2wt.% of Ni to improve mechanical properties at high temperature. However, in order to comply with mechanical loads required by current engines, Ni content can be increased. Therefore, this work aims to study the Al-11wt.%Si-5wt.%Ni eutectic alloy and Al-11wt.%Si and Al-5wt.%Ni binary alloys in order to compare microstructure and the mechanical properties. The alloys were unidirectionally solidified under unsteady-state heat transfer conditions, in such a way to cover a wide range of cooling rates (?) and growth rates (v). The X-ray fluorescence analysis revealed that no evidence of macrosegregation profiles has been detected along the ingots. The microstructure of alloys was predominantly composed of ?-Al dendrites, allowing the correlation of ? and v with primary (?1), secondary (?2) and tertiary (?3) dendrite arm spacings. The characterization of Al-11wt.%Si-5wt.%Ni alloy was performed by X-ray diffraction and scanning electron microscope techniques, permitting to identify ?-Al, Si and Al3Ni phases in the eutectic region. The microhardness of the binary alloys were constant around 50.3 HV, whereas the ternary alloy showed a superior hardness, following Hall-Petch equations HV=50+349?_1^(-1/2) and HV=36+103?_2^(-1/2), due to the combined effect between a more refined eutectic phase and the formation of irregular plates of Al3Ni instead of fibers. Yield and ultimate tensile strengths of Al-11wt.%Si-5wt.%Ni tends to increase with a smaller dendrite arm spacing, and also presented higher values than those of the Al-11wt.%Si and Al-5wt.%Ni alloys. On the other hand, elongation is not affected by dendrite arm spacing and this property is inferior when compared to binary alloysMestradoMateriais e Processos de FabricaçãoMestre em Engenharia Mecânica132753/2015-4CNP