Çok Yönlü Sıcak Dövmenin Al-7Si Alaşımının Mekanik Özelliklerine Etkisi

Abstract

Bu çalışmada çok yönlü sıcak dövme işleminin Al-7Si alaşımının yapı ve mekanik özelliklerine etkisi araştırıldı. İlgili alaşım kokil kalıba döküm yöntemiyle üretildi. Dövme işlemi bir doğrultuda serbest şekil değişimine izin verebilen dıştan ısıtmalı bir kalıp içeresinde 150 ton kapasiteli bir pres kullanılarak 1 mm/s pres hızında ve 200 °C sıcaklıkta yapıldı. Alaşımın içyapısı standart metalografi ve XRD analizi ile mekanik özellikleri ise çekme, basma ve sertlik deneyleri ile belirlendi. Çok yönlü dövme işleminden sonra alaşımın içyapısında yer alan silisyumların kırılarak yapı içerisine dağıldığı ve alaşımın dendritik yapısının taneli bir yapıya dönüştüğü gözlendi. Çok yönlü dövülen alaşımın akma ve çekme dayanımlarının arttığı, basma dayanımının ise düştüğü belirlendi. Alaşımın kopma uzamasının ise artan çok yönlü dövme çevrim sayısı ile sürekli arttığı görüldü. Ancak alaşımın sünekliğindeki sürekli artışa rağmen akma ve çekme dayanımı ile sertliğinin bir çevrim üzerindeki dövme çevrim sayılarında düştüğü görüldü. Alaşımın söz konusu özelliklerindeki değişimin silisyum parçacıklarının kırılmasından, yapı içerisine homojen dağılmasından ve sıcak dövme işleminin Al-alaşımlarında yol açtığı dinamik yeniden kristalleşmeden kaynaklandığı belirlendi. Diğer taraftan çok yönlü dövülmüş alaşımın sertliğini 150 °C sıcaklığa kadar koruyabildiği, bu değerin üzerindeki sıcaklıklarda ise sertliğinde önemli bir azalmanın meydana geldiği görüldü. Bu bulgu söz konusu sıcaklıklarda alaşımda meydana gelen yeniden kristalleşmeye ve/veya dövme işlemi sırasında oluşan kristallerin büyümesine dayandırılarak açıklandı. Diğer taraftan homojenize edilmiş durumda gevrek bir biçimde kırılan alaşımın dövme işleminin ardından sünek bir biçimde kırıldığı belirlendi.

Keywords

• Al-Si alaşımları
• çok yönlü dövme
• aşırı plastik deformasyon
• içyapı
• mekanik özellikler

Effect of Hot Multi Directional Forging Process on the Mechanical Properties of Al-7Si Alloy

Abstract

The aim of this study is to investigate the effect of hot multi directional forging (MDF) on microstructure and mechanical properties of Al-7Si alloy. For this aim, the alloy was cast in a permanent mould and forging was carried out at a press speed of 1 mm/s and a temperature of 200 °C in an externally heated die which allows free deformation in one direction, using a press with a capacity of 150 tons. Microstructure of the alloy was determined by standard metallography and XRD analysis while tensile, compression and hardness tests were used to determine its mechanical properties. The multi directional forging process led to the fragmentation of the silicon particles, their homogenous distribution and elimination of the alloy’s dendritic structure. It was determined that the yield and tensile strength and percentage elongation of the forged alloy increased, while the compressive strength decreased. On the other hand, despite the continuous increase in the ductility of the alloy, its yield and tensile strength with hardness decreased with the number of forging cycles over one cycle. Changes observed alloy’s properties was attributed to the fragmentation of the silicon particles, their homogeneous distribution with the dynamic recrystallization caused by the hot forging process in Al-alloys. Hot forged alloy maintained its hardness up to 150 °C above which a significant decrease was determined in this value. This finding was explained according to the recrystallization of the alloy at these temperatures and/or the growth of crystals formed during the forging process. The homogenized alloy showed brittle fracture while ductile type fracture was observed in the multi-directional forged alloy.

Keywords

• Al-Si alloys
• multi directional forging
• severe plastic deformation
• microstructure
• mechanical properties

References

1. [1] G.S. Cole, A.M. Sherman, “Light weight materials for automotive applications”, Mater. Charact., vol. 35, no. 1, pp. 3-9, 1995.
2. [2] H. Ye, “An overview of the development of AlSi-Alloy based material for engine applications”, J. Mater. Eng. Perform., vol. 12, no. 3, pp. 288-297, 2003.
3. [3] J.E. Gruzleski, B.M. Closset, “The treatment of liquid aluminum-silicon alloys”, American Foundrymen's Society, pp. 1-35, 1990.
4. [4] S.P. Nikanorov, M.P. Volkov, V.N. Gurin, Y.A. Burenkov, L.I. Derkachenko, B.K. Kardashev, L.L. Regel, W.R. Wilcox, “Structural and mechanical properties of Al–Si alloys obtained by fast cooling of a levitated melt”, Mater. Sci. Eng. A, vol. 390, no. 1, pp. 63-69, 2005.
5. [5] C. Cui, A. Schulz, E. Matthaei-Schulz, H.-W. Zoch, “Characterization of silicon phases in spray-formed and extruded hypereutectic Al–Si alloys by image analysis”, J. Mater. Sci., vol.44, no. 18, pp. 4814-4826, 2009.
6. [6] M. Tiryakioğlu, “Si particle size and aspect ratio distributions in an Al–7%Si–0.6%Mg alloy during solution treatment”, Mater. Sci. Eng. A, vol. 473, no. 1, pp. 1-6, 2008.
7. [7] Y. Zedan, F.H. Samuel, A.M. Samuel, H.W. Doty, “Effects of Fe intermetallics on the machinability of heat-treated Al–(7–11)% Si alloys”, J. Mater. Process. Technol., vol. 210, no.2, pp. 245-257, 2010.
8. [8] S.A. Kori, B.S. Murty, M. Chakraborty, “Development of an efficient grain refiner for Al–7Si alloy and its modification with strontium”, Mater. Sci. Eng. A, vol. 283, no. 1, pp. 94-104, 2000.

9. [9] N. Rathod, J. Manghani, “Effect of modifier and grain refiner on cast Al-7Si aluminum alloy: A review”, International Journal of Emerging Trends in Engineering and Development, vol. 5, no. 2, pp. 574-582, 2012.
10. [10] N. Fatahalla, M. Hafiz, M. Abdulkhalek, “Effect of microstructure on the mechanical properties and fracture of commercial hypoeutectic Al-Si alloy modified with Na, Sb and Sr”, J. Mater. Sci., vol. 34, no. 14, pp. 3555-3564, 1999.
11. [11] G. Purcek, O. Saray, O. Kul, “Microstructural evolution and mechanical properties of severely deformed Al-12Si casting alloy by equal-channel angular extrusion”, Met. Mater. Int., vol. 16, no.1, pp. 145-154, 2010.
12. [12] Y. Zhang, S. Jin, P.W. Trimby, X. Liao, M.Y. Murashkin, R.Z. Valiev, J. Liu, J.M. Cairney, S.P. Ringer, G. Sha, “Dynamic precipitation, segregation and strengthening of an Al-Zn-MgCu alloy (AA7075) processed by high-pressure torsion”, Acta Mater., vol. 162, pp. 19-32, 2019.
13. [13] Q.F. Zhu, J. Wang, L. Li, C.Y. Ban, Z.H. Zhao,J.Z. Cui, “Effect of Forging Temperature on Deformability and Structure Evolution of High Purity Aluminium during Multi-Directional Forging Process”, Materials Science Forum, Trans. Tech. Publ., pp. 371-379, 2017.
14. [14] B. Cherukuri, T.S. Nedkova, R. Srinivasan, “A comparison of the properties of SPD-processed AA-6061 by equal-channel angular pressing, multi-axial compressions/forgings and accumulative roll bonding”, Mater. Sci. Eng. A,vol. 410-411, pp. 394-397, 2005.
15. [15] I. Sabirov, M.Y. Murashkin, R.Z. Valiev, “Nanostructured aluminium alloys produced by severe plastic deformation: New horizons in development”, Mater. Sci. Eng. A, vol. 560, pp. 1-24, 2013.
16. [16] B. Bay, N. Hansen, “Initial stages of recrystallization in aluminum of commercial purity”, Metallurgical Transactions A, vol. 10, no. 3, pp. 279-288, 1979.
17. [17] M.R. Drury, J.L. Urai, “Deformation-related recrystallization processes”, Tectonophysics, vol. 172, no. 3, pp. 235-253, 1990.
18. [18] S. Gourdet, F. Montheillet, “An experimental study of the recrystallization mechanism during hot deformation of aluminium”, Mater. Sci. Eng. A, vol. 283, no. 1, pp. 274-288, 2000.
19. [19] K. Huang, R.E. Logé, “A review of dynamic recrystallization phenomena in metallic materials”, Materials & Design, vol. 111, pp. 548-574, 2016.
20. [20] T. Sakai, A. Belyakov, R. Kaibyshev, H. Miura,J.J. Jonas, “Dynamic and post-dynamic recrystallization under hot, cold and severe plastic deformation conditions”, Progress in Materials Science, vol. 60, pp. 130-207, 2014.
21. [21] A. Ma, N. Saito, M. Takagi, Y. Nishida, H. Iwata, K. Suzuki, I. Shigematsu, A. Watazu, “Effect of severe plastic deformation on tensile properties of a cast Al–11mass% Si alloy”, Mater. Sci. Eng. A, vol. 395, no.1-2, pp. 70-76, 2005.
22. [22] I. Gutierrez-Urrutia, M.A. Muñoz-Morris, D.G. Morris, “Contribution of microstructural parameters to strengthening in an ultrafinegrained Al–7% Si alloy processed by severe deformation”, Acta Mater., vol. 55, no. 4, pp. 1319-1330, 2007.
23. [23] Y.C. Lee, A.K. Dahle, D.H. StJohn, J.E.C. Hutt, “The effect of grain refinement and silicon content on grain formation in hypoeutectic Al–Si alloys”, Mater. Sci. Eng. A, vol. 259, no. 1, pp. 43-52, 1999.