Creep behaviour of discontinuously reinforced aluminium alloys

Abstract

The creep resistance of an unreinforced and particle reinforced (PRM) aluminium wrought alloy (6061/Al2O3/22p) and an unreinforced and short fibre reinforced (SFRM) aluminium cast alloy (AlSi12CuMgNi/Al2O3-Saffil/10s, 15s and 20s) was investigated at a temperature of 300°C.<br />The 6061 matrix exhibits a higher creep resistance than the PRM. This is attributed to the particles acting as additional dislocation sources in the matrix, and to an increase of the apparent diffusion coefficient due to a higher dislocation density in comparison with the unreinforced matrix. A creep exponent n=3 for the PRM is related to the creep mechanism of viscous glide of dislocations. For the 6061 matrix, an apparent creep exponent n=2.2 is explained by overaging of the Mg2Si precipitates. A time dependant threshold stress is introduced into the creep law of the matrix to reflect the softening of the alloy during longer exposure times.<br />All three SFRM composites show a considerably higher creep resistance than the unreinforced matrix. Among the SFRM, the 15vol% composite exhibits the highest creep resistance. Changes of load during the creep exposure were also tested resulting that the minimum creep rate for a given external stress is reduced after the composite has experienced a period of overloading. This is explained by local relaxation of the high ends of the internal stress distribution provoked by localised flow of matter in zones surrounding the fibres where the yield stress of the matrix is surpassed.<br />

In der vorliegenden Arbeit wird die Kriechbeständigkeit einer unverstärkten und teilchenverstärkten (PRM) Aluminium Kentlegierungen (6061/Al2O3/22p) sowie einer unverstärkten und kurzfaserverstärkten (SFRM) Aluminium Gusslegierung (AlSi12CuMgNi/Al2O3/10s, 15s und 20s) unter konstanter Temperatur von 300°C untersucht.<br />Die unverstärkte 6061 Matrix zeigt eine deutlich höhere Kriechbeständigkeit als das PRM. Verantwortlich für diesen Effekt sind zusätzliche Versetzungsquellen an den Partikelngrenzfläche, eine Zunahme des Difussionskoeffizienten aufgrund einer höheren Versetzungsdichte und auch die Vergröberung von Mg2Si Ausscheidungen. Ein Kriechexponent von n=3 entspricht dem Versetzungsgleiten als beherrschenden Mechanismus für die Kriechverformung vom PRM. Ein ungewöhnlicher Kriechexponent von n=2,2 wird für die unverstärkte 6061 Matrix beobachtet. Dies wird erklärt durch die Überalterung der Mg2Si Ausscheidungen für Versuche die länger als 100 Stunden dauern. Die Einführung einer zeitabhängigen Schwellenspannung in das Kriechgesetz für die Matrix ist notwendig, um die Abschwächung dieses Materials bei längerer Versuchsdauer (kleinere Belastung) darzustellen. Dieser Überalterungseffekt wird für das PRM vernachlässigt.<br />Alle drei SFRM zeigen bessere Kriechresistenz als die unverstärkte Gusslegierung, wobei das 15vol% kurzfaserverstärkte Material die beste Resistenz aufweist. Das SFRM mit 20vol% Kurzfasern kriecht überraschenderweise schneller als erwartet. Die Ursache ist die höhere Defektdichte des Herstellungsprozess. Es werden auch Kriechversuche mit Belastungsänderungen nach dem Erreichen einer stationären Dehnrate untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass die minimale Kriechrate nach einer vorübergehenden Erhöhung der Spannung gering ist als zuvor. Dieser Effekt wird aufgrund eines örtlichen Ausgleiches der Verteilung der inneren Spannungen (Nivellierung der Spannungsspitzen in der Matrix) erklärt.<br />