The influence of microstructure on the crack initiation and propagation in Al-Si casting alloys

For reducing the CO2 footprint in many industrial fields, the goal is to produce lighter components. The aluminium-silicon (Al-Si) cast alloys are promising candidates to fulfill these goals with a high weight-to-strength ratio, good corrosion properties, excellent castability, and recyclable material. However, the variations within these components need to be understood to produce high-performance components for critical applications. The main reason for the rejection in these applications is defects and microstructural features that reduce the mechanical properties. The addition of copper (Cu) is one way of increasing the mechanical properties in Al-Si alloys and is commonly used in the automotive industry. Casting defects harm the mechanical properties, and these defects can be reduced by improving the melt quality, the correct design of the component, and the gating system. The study aims to investigate the static mechanical properties and the crack initiation and propagation under cyclic loading in an Al-7Si-Mg cast alloy with state-of-the-art experiments. The main focuses were on the effect of the HIP process and the role of Cu addition. In-situ cyclic testing using a scanning electron microscope coupled with electron back-scattered diffraction, digital image correlation, focused ion beam (FIB) slicing, and computed tomography scanning was used to evaluate the complex interaction between the crack path and the microstructural features. The amount of Cu retained in the α-Al matrix in as-cast and heat-treated conditions significantly influenced the static mechanical properties by increasing yield strength and ultimate tensile strength with a decrease in elongation. The three-nearest-neighbor distance of eutectic Si and Cu-rich particles and crack tortuosity were new tools to describe the crack propagation in the alloys, showing that a reduced distance between the Cu-rich phases is detrimental for the mechanical properties. Three dimensional tomography using a FIB revealed that the alloy with 3.2 wt.% Cu had a significantly increased quantity of cracked Si particles and intermetallic phases ahead of the crack tip than the Cu-free alloy. The effect of Cu and HIP process in this work shows the complex interaction between the microstructural features and the mechanical properties, and this needs to be considered to produce high-performance components.Ett sätt att nå målen med minskade koldioxidutsläpp inom industrin är att producera lättare komponenter. Aluminium-kisel (Al-Si) gjutna legeringar är därför ett bra alternativ då dessa legeringar har ett bra förhållande mellan hållfasthet och vikt, goda korrosionsegenskaper, utmärkt gjutbarhet och är ett återvinningsbart material. En av de största utmaningarna för att producera högpresterande komponenter för kritiska applikationer är variationerna i egenskaper inom dessa komponenter. Orsaken till att inte gjutna Al-Si legeringar andvänds i dessa applikationer är förståelsen av defekter och mikrostruktuella faser påverkar de mekaniska egenskaperna negativt. Koppar (Cu) tillsätts i Al-Si legeringar för att öka de mekaniska egenskaperna vilket ofta nyttjas inom bilindustrin. Hot isostatic pressing (HIP) prosessen är en annan möjlighet att förbättra de mekaniska egenskaperna genom att reducera porositeter i materialet. Studien syftar till att undersöka de mekaniska egenskaperna och sprickinitiering och spricktillväxt i en gjuten legering av Al-7Si-Mg med utmattningstestning i svepelektronmikroskop (SEM) i kombination med electron backscatter diffraction, digital image correlation och focused ion beam (FIB). Mängden Cu i Al-Si legeringen påverkade de statiska mekaniska egenskaperna genom att öka sträckgränsen och brottgränsen. Tillsats av Cu upp till 1.5 vikt.% påverkar inte spricktillväxten märkbart. Däremot förändras beteendet markant vid tillsatser av Cu på mer än 3.0 vikt.% som resulterade i en markant reducering i duktilitet. I det värmebehandlade materialet påverkades de mekaniska egenskaperna av Al-matrisen och mängden intermetalliska faser. Avståndet mellan Cu faserna och Si faserna används för att beskriva spricktillväxten i Al-Si legeringarna. Detta tillsammans med tredimensionell tomografi visade att legeringen med 3.2 vikt.% Cu hade en ökad mängd sprickor i området framför den avancerande sprickan, vilket inte den Cu fria legeringen visade. Al-Si legeringen som utsattes för HIP-processen och värmebehandlingen visade att materialets mikrostruktur i gjutet tillstånd påverkade resultatet. HIP processen slöt porositerena i alla undersökta prover och förbättrade de mekaniska egenskaperna. Dessa resultat kommer kunna användas för att konstruera mer högpresterande komponenter