01.03.2019
Rekonstruierte CT Schichten von AlSi12CuMgNi Legierung und 3D Rendering von intermetallischen Phasen (Grau) und Rissen (Magenta) für verschiedene Dehnungen.

Rekonstruierte CT Schichten von AlSi12CuMgNi Legierung und 3D Rendering von intermetallischen Phasen (Grau) und Rissen (Magenta) für verschiedene Dehnungen.

Quelle: BAM, Fachbereich Mikro-Zerstörungsfreie Prüfung (ZFP)

Aufgrund ihres hohen Fließvermögens während des Gießens und eines relativ hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht bei hohen Temperaturen stellen Al-Si Legierungen die Basis aller Al-Legierungen für Kolben von Verbrennungsmotoren dar. Die Mikrostruktur binärer Al-Si-Legierungen ist durch die in eine Al-Matrix eingebettete steife eutektische Si-Phase gekennzeichnet. Unter mechanischer Belastung übernimmt die eutektische Si-Phase einen Teil der Last der Aluminiummatrix. Während des Lösungsglühens oder beim Betrieb unter hoher Temperatur durchläuft das eutektische Si-Netzwerk einen Prozess der Sphäroidisierung, der zu seiner allmählichen Auflösung führt. Das anfangs stark verbundene 3D-Netzwerk verwandelt sich in einzelne Sphäroide mit geringerer Tragfähigkeit. Daher nimmt die Festigkeit der Legierungen ab. Diese Zersetzung des Si-Netzwerks kann durch den Zusatz von Cu, Mg oder Ni, die zur Bildung steifer intermetallischer Phasen (IM) führen, verhindert werden.

Für diesen Artikel untersuchten wir den Einfluss von IM Verbindungen auf die mechanischen Eigenschaften der Al-Si-Legierung. Wir kombinierten in-situ Neutronenbeugung für die Spannungsanalyse mit Synchrotron Computertomographie (CT) für die 3D mikrostrukturelle Charakterisierung. Durch die in-situ Neutronenbeugungsmessungen der Legierung unter einachsiger Kompression wurde deutlich, dass die IM und Si-Phase einen erheblichen Teil der aufgebrachten Last tragen. Nach Erreichen der kritischen Last wird jedoch durch Mikrorisse die Interkonnektivität des Netzwerks zerstört, wodurch die Last wieder auf die Al-Matrix zurückübertragen wird. Mittels CT quantifizierten wir die Schäden in allen Phasen der Legierung. Obwohl die plastisch verformte Al-Matrix nach dem Reißen der Si-Phase und IM noch stärker belastet wird, beobachteten wir in der Al-Matrix keine weitere Rissbildung. Wir entwickelten ein mikromechanisches Modell, das die Informationen über die 3D-Mikrostruktur und die eingeleiteten Schäden berücksichtigt, um das entdeckte Verhalten aller Phasen zu erklären und phasenspezifische Spannungen vorherzusagen. Damit wurden zum ersten Mal auch IM Phasen bei der analytischen Modellierung von Al-Legierungen berücksichtigt. Das Modell zeigt, dass sowohl die axiale als auch die radiale Spannungskomponente der Al-Phase während der in-situ Beugungsexperimente immer komprimiert wird, was die Widerstandsfähigkeit in der Al-Phase erklärt.

The role of intermetallics in stress partitioning and damage evolution of AlSi12CuMgNi alloy
Sergei Evsevleev, Tatiana Mishurova, Sandra Cabeza, R. Koos, I. Sevostianov, G. Garces, G. Requena, R. Fernández, Giovanni Bruno
Materials Science & Engineering A, 2018, Volume 736, Pages 453-464
BAM Abteilung Zerstörungsfreie Prüfung, Fachbereich Mikro-ZfP