Please use this identifier to cite or link to this item: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/12419
Title: Creep and microstructures of slurry die cast AI-Si-Mg alloy
Other Titles: การคีบและโครงสร้างจุลภาคของอลูมิเนียมผสม AI-Mg-Si ที่หล่อขึ้นรูปด้วยกรรมวิธีเลอรีไดคาสต์
Authors: Thawatchai Plookphol
Keren Shi
Faculty of Engineering Mining and Materials Engineering
คณะวิศวกรรมศาสตร์ ภาควิชาวิศวกรรมเหมืองแร่และโลหะวิทยา
Keywords: Alloys Creep;Materials Creep
Issue Date: 2017
Publisher: Prince of Songkla University
Abstract: In this research work, Gas Induced Simi-Solid (GISS) technique was used for preparing a slurry of semi-solid metal alloy which contains a low solid fraction and liquid phases. Al-Si-Mg-Fe aluminum alloy (AC4C) was used in the study. The slurry of AC4C alloy was prepared by GISS technique then cast into a simple plate product using a conventional die casting machine. The purposes of this research work were to investigate microstructures and mechanical properties of GISS die casting (GISS-DC) ACC alloy and compare with those of conventional die casting (CL-DC) one. The studies were divided into five parts. In the first part, the microstructures and tensile properties of as-cast specimens from different locations of die cast plates were studied. The results show that the specimens from the bottom location, near the gate section and from the middle location of die cast plates are stronger and more ductility than those from the top one. The top location of die cast plates contains more defects, such as shrinkage pores than those from other locations. The shrinkage porosity defects are resulted in a lower strength and ductility of the as-cast product. The second part, the tensile properties and microstructures of GISS die- cast ACC alloy after T6 heat treatment (GISS-DC-AC4C-T6) were studied and compared with those of conventional die cast AC4C alloy (CL-DC-AC4C-T6). In the as-cast GISS-DC and CL-DC specimens, -Chinese script and B phases were generally observed. After T6 heat treatment, the eutectic-Si particles were spheroidized and B phase was remained. Tensile tests were performed at 25, 100, 175 and 250 °C. The UTS, YS and elongation of GISS-DC-AC4C-T6 and CL-DC-AC4C-T6 decreased with increasing temperatures. At 25 °C, the GISS-DC-AC4C-T6 alloy gained UTS and YS of 300.9 MPa and 244.5 MPa, respectively. With increasing temperature, the fracture changed from brittle to ductile mode. Work hardening exponent (n) decreases with increasing strain. Work softening and dimples on fracture surfaces were observed at 250 °C. The transition from brittle to ductile fracture was observed in both GISS-DC-AC4C-T6 and CL-DC-AC4C-T6 alloys. The intermetallic particles and micro voids are responsible for tensile properties of the alloys. The third part, the microstructures and creep behavior of GISS-DC- AC4C-T6 alloy were investigated at temperature range of 300-360 °C and stress range of 20-40 MPa and compared with those of CL-DC-AC4C-T6 alloy. After 16 heat treatment, spheroidization and coarsening of eutictic-Si particles occured. Shapes of primary a-Al phases in GISS-DC-AC4C-T6 alloy are rosette while those in CL-DC-AC4C-T6 alloy are dendritic. Creep stress exponents (n) and apparent activity energy (Qc) for creep of GISS-DC-AC4CT6 and CL-DC-AC4C-T6 alloys were evaluated. The stress exponents n of CL-DC-AC4C-T6 alloy at 300 °C, 330 °C and 360 °C are 3.95, 3.66 and 4.94, while n of GISS-DC-AC4C-T6 are 3.52, 4.82 and 5.74, respectively. Based on the stress exponents n, creep mechanism of both alloys may be governed by the dislocation glide-climb process. The average activation energy for creep (Qc) are about 257.8 kJ/mol which is higher than the activation energy for self-diffusion of pure aluminum (143 kJ/mol). The fourth part, the analysis of creep rupture data using the Momkman- Grant model, the damage tolerance parameter and the theta projection method for predicting creep life was studied. The creep rate and rupture time are linear relationship and well fitted to the Monkman-Grant model. The creep damage tolerance parameter was analyzed for predicting creep life and creep fracture mechanisms. Based on creep curve data from the present work, constitutive models for fitting creep curves were created by using the theta projection procedure. In the final fifth part, the stress-change creep tests were peformed at temperatures of 25, 250, 280 and 300 °C on GISS-DC-AC4C-T6 and CL-DC-AC4C-T6 alloys. The result of stress-dip (or stress decrease) is responsible for an action of the internal backstress. If the stress reduction is very small, the internal backstress will quickly be in equilibrium with the applied stress. This situation gives a normal creep curve. In the present study, the responds of stress-dip are too fast to be detected. For the large stress-dip test, the stress reduction is too large to allow the microstructures to change quickly into a balance situation. So, the back flow and internal backstress are associated with the evolution of microstructures such as subgrains fromation.
Abstract(Thai): ในงานวิจัยนี้ได้ใช้เทคนิคการทำโลหะกึ่งของแข็งโดยวิธีการปล่อยฟองแก๊ส หรือ กีส (Gas Induced Simi-Solid หรือ GIss) สำหรับเตรียมสเลอรีโลหะกึ่งของแข็ง ซึ่งประกอบด้วยเฟสของแข็งปริมาณน้อย ๆ และเฟสของโลหะเหลว โลหะอลูมิเนียมผสมชนิด Al-Si-Mg-Fe (AC4C) ถูกนำมาใช้ในการศึกษาวิจัยนี้ สเลอรีของโลหะอลูมิเนียมผสม ACAC ถูกเตรียมขึ้นโดยเทคนิคกีสก่อนจากนั้นสเลอรีจะถูกนำไปหล่อขึ้นรูปเป็นแผ่นชิ้นงานโดยใช้เครื่องหล่อโลหะแบบไดคาสต์ วัตถุประสงค์ของงานวิจัยนี้ เพื่อศึกษาโครงสร้างจุลภาคและสมบัติเชิงกลของโลหะอลูมิเนียมผสมเกรด AC4C ที่หล่อขึ้นรูปจากสเลอรี่โดยวิธีการหล่อไดคาสต์ (GISS-DC) และเปรียบเทียบกับโครงสร้างจุลภาคและสมบัติเชิงกลของชิ้นงานหล่อขึ้นรูปโดยวิธีการหล่อไดคลาสต์แบบทั่ว ๆ ไป ซึ่งหล่อจากโลหะหลอมเหลว (CL-DC) การศึกษาวิจัยแบ่งเป็น 5 ส่วน ดังนี้ การศึกษาวิจัยส่วนที่ 1 เป็นการศึกษาโครงสร้างจุลภาคและความแข็งแรงดึงของ ชิ้นงานภายหลังการหล่อไคลาสต์ โดยศึกษาจากตัวอย่างชิ้นทดสอบที่เตรียมจากตำแหน่งต่าง ๆ ของ ชิ้นงานหล่อ ผลการศึกษาพบว่า ชิ้นทดสอบที่เตรียมจากส่วนล่างสุดใกล้กับทางไหลเข้าของโลหะเหลวและชิ้นทดสอบที่เตรียมจากส่วนกลางของแผ่นชิ้นงานหล่อมีความแข็งแรงและความเหนียวมากกว่า ชิ้นทดสอบที่เตรียมจากส่วนบนสุดของแผ่นชิ้นงานหล่อ สาเหตุเนื่องมาจากบริเวณตำแหน่งบนสุดของแผ่นชิ้นงานหล่อประกอบด้วยรอยบกพร่อง เช่น โพรงขนาดเล็กที่เกิดจาการหดตัวของโลหะเหลวขณะเปลี่ยนสภาพเป็นแข็งตัวในระหว่างการหล่อไดคาสต์ รอยบกพร่องจากโพรงหดตัวนี้เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ชิ้นงานหล่อมีความแข็งแรงดึงและความเหนียวลดลง การศึกษาวิจัยส่วนที่ 2 เป็นการศึกษาสมบัติความต้านทานแรงดึงและโครงสร้าง จุลภาคของตัวอย่างชิ้นงานหล่อโลหะอลูมิเนียมผสม AC4C ที่หล่อขึ้นรูปแบบกิสไดคาสต์ ภายหลังการ บ่มแข็งแบบ T6 (GISS-DC-AC4C-T6) และเปรียบเทียบกับตัวอย่างชิ้นงานหล่อโลหะอลูมิเนียมผสม AC4C ที่หล่อขึ้นรูปโดยการหล่อไดคาสต์ปรกติทั่วไป ภายหลังการบ่มแข็งแบบ T6 (CL-DC-AC4C-T6)ในตัวอย่างชิ้นทดสอบภายหลังหล่อแบบกิสไดคลาสต์ (GISS-DC-AC4C) และตัวอย่างชิ้นทดสอบภายหลังหล่อแบบไดคลาสต์ทั่วไป (CL-DC-AC4C) โดยไม่ผ่านการบ่มแข็ง T6 พบโครงสร้างจุลภาคที่ประกอบด้วยเฟสของสารประกอบเชิงโลหะที่มีลักษณะคล้ายตัวอักษรจีน (7T-Chinese script) และเฟส ฿ ภายหลังการบ่มแข็งแบบ T6 พบว่าเฟสยูเทคติกซิลิกอนจะเปลี่ยนไปเป็นรูปทรงกลม และพบเฟส ฿ เฟสยังคงเหลืออยู่ การทดสอบความแข็งแรงดึงที่อุณหภูมิ 25, 100, 175 และ 250 °C พบว่าความแข็งแรงดึงสูงสุด (UTS) ความแข็งแรงคราก (YS) และการยึดตัว (elongation) ของตัวอย่างชิ้นทดสอบ GISS-DC-ACAC-T6 และ CL-DCAC4C-T6 มีค่าลดต่ำลงเมื่อใช้อุณหภูมิสูงขึ้น ที่อุณหภูมิ 25°C โลหะผสม GISS-DC-AC4C-T6 มีค่า UTS และ YS เท่ากับ 300.9 MPa และ 244.5 MPa ตามลำดับ เมื่อเพิ่มอุณหภูมิสูงขึ้นลักษณะของรอยแตกหักเปลี่ยนจากรอยแตกหักแบบเปราะไปเป็นรอยแตกหักแบบเหนียว ค่ายกกำลังสเตรนฮาดเดนนิง (n) มีค่าลดลงเมื่อความเครียดเพิ่มขึ้นที่อุณหภูมิ 250 °C พบการอ่อนตัวเวิร์คซอฟเทนนิง และพบรอยบุ่ม (dimples) บนผิวของรอยแตกหัก การเปลี่ยนแปลงจากการแตกหักแบบเปราะไปเป็นการแตกหักแบบเหนียวเกิดขึ้นทั้งในชิ้นงานทดสอบ โลหะผสมแบบ GISS-DC-AC4C-T6 และแบบ CL-DC-AC4C-T6 และยังพบว่าอนุภาคของสารประกอบเชิงโลหะและรูพรุนขนาดเล็กเป็นตัวกำหนดสมบัติการต้านทานแรงดึงของโลหะอลูมิเนียมผสมหล่อไดคาสต์ทั้งลองแบบ การศึกษาวิจัยส่วนที่ 3 เป็นการศึกษาโครงสร้างจุลภาคและสมบัติการคืบของ ชิ้นงานทดสอบ GISS-DC-AC4C-T6 ที่ช่วงอุณหภูมิ 300-360 °C และช่วงความเค้น 20-40 MPa และเปรียบเทียบกับโครงสร้างจุลภาคและสมบัติการคืบของชิ้นงานทดสอบ CL-DC-AC4C-T6ภายหลังการบ่มแข็งแบบ T6 พบว่า เฟสยูเทคติดซิลิกอนเปลี่ยนเป็นรูปทรงกลมและมีขนาดโตขึ้น เฟส X-Al ในตัวอย่าง GISS-DC-AC4C-T6 มีลักษณะเป็นรูปทรงคล้ายกลีบกุหลาบ (Rosette) ส่วนใน ตัวอย่าง CL-DC-AC4C-T6 มีลักษณะเดนไดรต์ ค่ายกกำลังความเค้นการคืบ (n) และค่าพลังงานกระตุ้นการคืบ (Q0) ของตัวอย่าง GISS-DC-AC4CT6 และ CL-DC-AC4C-T6 ถูกประมาณค่าจากผลการทดลอง พบว่า n ของตัวอย่าง CL-DC-AC4C-T6 ที่อุณหภูมิ 300, 330 และ 360 °C มีค่าเท่ากับ 3.95, 3.66 และ 4.94 ในขณะที่ n ของตัวอย่าง GISS-DC-AC4C-T6 มีค่าเท่ากับ 3.52, 4.82 และ 5.74 ตามลำดับ เมื่อพิจารณาจากค่า n ของตัวอย่างทั้งสองกลุ่ม สามารถบ่งชี้ได้ว่า กลไกการคืบอาจจะถูกควบคุมโดยกระบวนการไถลและการปืนของดิสโลเคชัน ค่าพลังงานกระตุ้นการคืบโดยเฉลี่ย มีค่าเท่ากับ 257.8 kJ/mol ซึ่งสูงกว่าค่าพลังงานกระตุ้นของการแพร่ในตัวเองของโลหะอลูมิเนียมบริสุทธิ์ (143 kJ/mol) การศึกษาวิจัยส่วนที่ 4 เป็นการวิเคราะห์ข้อมูลจากการทดสอบการคืบแตกหัก (Creep rupture) โดยใช้โมเดลมองค์แมน-แกรนต์ (Monkman-Grant model) ค่าพารามิเตอร์ความทนทานต่อการเสียหาย (The damage tolerance parameter) และวิธีเธตาโปรเจ็คชัน (The theta projection method) เพื่อใช้ในการทำนายอายุการคืบ พบว่าความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการคืบและเวลาแตกหักมีความสัมพันธ์เชิงเส้นและสอดคล้องกับโมเดลมองค์แมน-แกรนต์ และข้อมูลเส้นโค้งการ คืบที่ได้จากการศึกษาวิจัยครั้งนี้สามารถสร้างเป็นสมการโมเดลการคืบด้วยวิธีเธตาโปรเจ็คชั่น การศึกษาวิจัยส่วนสุดท้าย ส่วนที่ 5 เป็นการทดสอบการคืบแบบเปลี่ยนค่าความเค้น ที่อุณหภูมิ 25, 250, 280 และ 300 °C ของตัวอย่างโลหะผสม GISS-DC-AC4C-T6 และ CL-DC-AC4C-T6 การทดสอบการคืบโดยการลดค่าความเค้น (Stress-dip test) การลดลงของความเค้นมีผลทำให้เกิดความเค้นภายในย้อนกลับ (Internal backstress) ในกรณีที่ความเค้นลดลงมีค่าน้อยมาก ๆ ค่าความเค้นภายในย้อนกลับจะเข้าสู่จุดสมดุลกับค่าความเค้นกระทำ ในสภาวะเช่นนี้จะเกิดเส้นโค้งการคืบแบบปรกติ ในการศึกษาครั้งนี้การตอบสนองต่อการลดความเค้นเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมากเกินกว่าความสามารถของเครื่องเก็บข้อมูลที่จะปันทึกไว้ได้ สำหรับในการทดสอบลดความเค้นลงในปริมาณมาก ๆ จะมีทำให้โครงสร้างจุลภาคเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วไปสู่จุดสมดุล ดังนั้น การเปลี่ยน รูปย้อนกลับ (Back flow) และความเค้นย้อนกลับภายในมีส่วนเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาค เช่น การเกิดเกรนย่อย (Subgrain formation)
Description: Thesis (Ph.D., Materials Engineering)--Prince of Songkla University, 2017
URI: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/12419
Appears in Collections:235 Thesis

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
418229.pdf14.32 MBAdobe PDFView/Open


Items in PSU Knowledge Bank are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.