Three-dimensional modelling of the creep behaviour of short fibre reinforced AlSi alloys

Abstract

Kurzfaserverstärkte Metalle werden als ideal für viele Anwendungen im Hochtemperaturbereich angesehen, da sich die Verstärkung durch einen effektiven Übergang der aufgebrachten Last von der Matrix auf die Kurzfasern bei hohen Temperaturen zunehmend als wirkungsvoll erweist. Das Verständnis der Mechanismen hinter dem Verhalten dieser heterogenen Materialien ist von großer wissenschaftlicher und technologischer Bedeutung.<br />Bei auf Al-Si basierenden kurzfaserverstärkten Metallen bildet das eutektische Si mit den Kurzfasern ein hybrides Netzwerk. Größe und Form der die Kurzfasern verbindenden Si-Partikel variieren während Langzeitbeanspruch bei hohen Temperaturen aufgrund von diffusionsgetriebener Einformung von Si. Diese morphologische Veränderung im hybriden Netzwerk kann die Lastaufteilung zwischen den Komponenten des Verbundwerkstoffes verändern.<br />Es wurden Kriechversuche unter stufenweiser sowie konstanter Belastung für AlSi12CuMgNi und technisch reines Al durchgeführt, jeweils verstärkt mit 15vol% Saffil® Kurzfasern. Die AlSi Legierungen wurden vor den Kriechversuchen einer Wärmebehandlung unterzogen, um die Vernetzung zwischen zwischen Si, Kurzfasern und den intermetallischen Verbindungen zu erhöhen.<br />Nach Durchführung der Kriechversuche wurden die Proben mittels Synchroton Tomographie untersucht, um die Entwicklung des Aufbaus der hybriden Verstärkungsphase unter Kriechbeanspruchung zu analysieren. Die erhaltenen statistische Parameter über Topologie, Orientierung und Geometrie der rigiden Phasen wurden als Eingabedaten für den Aufbau der Elementarzellen herangezogen. Weiters wurde eine zweidimensionale Bildanalyse der eutektischen Si Phasen durchgeführt.<br />Mittels Finite Elemente Methoden wurden Simulationen von Zug- und Kriechversuchen durchgeführt, letztere unter konstanter sowie stufenweiser Belastung.<br />

Short fiber reinforced metals (SFRMs) are considered as ideal for many high temperature applications as are directly strengthened by an effective transfer of the applied load from the matrix to the short fibers (SF) which is increasingly effective at elevated temperatures.<br />The understanding of the mechanisms behind the behaviour of this heterogeneous materials is of great scientific and technological interest.<br />In the case of Al-Si based SFRMs, the eutectic Si and the SF form a three dimensional hybrid network. The size and shape of the Si particles interconnecting the SF vary during high temperature and long term exposure due to the diffusion driven spheroidisation of Si. This morphological change in the hybrid network can modify the load partition between the components of the composite.<br />Creep tests were carried out under step-wise procedure and also at constant load, for AlSi12CuMgNi and commercially pure Al, both reinforced with 15 vol.% of Saffil® short fibres.<br />AlSi-alloys were subjected to a heat treatment prior to testing, in order to increase the connectivity between Si, SF and intermetallics.<br />Previously creep-tested samples were investigated by Synchrotron radiation mytomography in order to study the evolution of the architecture of the hybrid reinforcement during creep exposure.<br />Statistical parameters of the topology, orientation and geometry of the rigid phases were obtained and used as input data for the design of geometric unit cells. A two-dimensional image analysis study of the eutectic Si phase was also performed.<br />Simulations of tensile and creep tests, the latter with constant and step-wise loads, were performed using the finite element method.<br />Geometric models with different degree of rigid phases' interconnectivity were used. The influence of voids' location and size on creep rate was also studied.