[論文レビュー] The effect of Si addition on the microstructure and tensile properties of casting Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe alloys

Weiwen Zhang, Yuliang Zhao+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2017

Aluminum Alloy Microstructure Properties参考文献 33被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、圧力条件を変えて鋳造したAl-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe合金におけるシリコン（Si）添加効果が微細組織および引張特性に与える影響を調査した。Si添加は相の発達を顕著に変化させ、圧力下では中国剣型α-Feおよび微細なAl2Cu相の形成を促進し、強度と延性が向上した。最適な組成条件（1.1 wt% Siおよび75 MPa圧力）では、引張強さ（UTS）237 MPa、降伏強さ（YS）140 MPa、延べ率9.8%を達成した。

ABSTRACT

In this work, we studied the effect of Si on the microstructure and tensile properties of the as-cast Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe alloys which were produced by casting with or without applied pressure. The results show that the addition of Si can significantly influence the microstructure and tensile properties of the alloys. For the alloys produced without pressure, the addition of Si can promote the formation of Chinese script α-Fe, suppress the precipitation of plate-like Al3(FeMn) and Chinese script Al6(FeMn) and increase the volume percent of porosity, resulting in a remarkable decrease in the ultimate tensile strength (UTS) and yield strength (YS). For the alloys produced with a pressure of 75 MPa, the addition of Si can also promote the formation of fine Chinese script α-Fe and high number density Al2Cu (θ) phases, resulting in a slight increase in UTS and YS. The strength and elongation of the alloys increases with increasing applied pressure at the same Si level, which are attributed to the elimination of porosity, grain refinement strengthening and solid-solution strengthening. The alloy with addition of 1.1 % Si produced under the applied pressure of 75 MPa shows the best tensile properties, where the UTS, YS and elongation is 237 MPa, 140 MPa and 9.8%, respectively.

研究の動機と目的

• Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe鋳造合金におけるSi添加が微細組織および機械的特性に与える影響を理解すること。
• 凝固過程における相形成および欠陊の発達を修正するための圧力（75 MPa）の役割を評価すること。
• 引張強さおよび延性を最大限に高める最適なSi含有量および処理条件を特定すること。
• 合金系における相形態、空孔、強化機構の競合的影響を明らかにすること。
• 異なる処理条件下での微細組織の発達と機械的性能の相関関係を明らかにすること。

提案手法

• 永久金型法を用いて、Si添加量を変化させた（0–1.5 wt%）Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe合金の鋳造。
• 凝固中に75 MPaの圧力を印加し、空孔の抑制および結晶粒の微細化を図った。
• 顕微鏡観察（OM）および走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、相の形態および分布を分析した。
• 画像解析ソフトウェアを用いた定量的分析により、相体積分率および空孔率を評価した。
• 室温での引張試験により、引張強さ（UTS）、降伏強さ（YS）、延べ率を測定した。
• 微細組織的特徴と機械的特性の相関関係を分析し、支配的な強化機構を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si添加は、鋳造Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe合金におけるα-Fe、Al3(FeMn)、およびAl6(FeMn)などのインタメタルリック相の形成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 圧力なしと圧力付与の鋳造条件下で、Si添加が空孔形成および微細組織の均一性に与える影響は何か？
• RQ3 75 MPaの圧力を印加することで、Si修飾Al-Cu-Fe-Mn合金の微細組織および機械的挙動はどのように変化するか？
• RQ4 圧力鋳造Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe合金系で、引張強さと延性の両方を最大限に高める最適なSi含有量は何か？
• RQ5 グレイン微細化、固溶強化、析出強化のうち、Siおよび圧力によって最も顕著に強化される機構はどれか？

主な発見

• 圧力なしの条件では、Si添加により中国剣型α-Feおよび微細なAl2Cu（θ）相が形成されるが、空孔率が増加し、UTSおよびYSが低下する。
• 圧力なし鋳造では、Si添加により平板状のAl3(FeMn)および中国剣型のAl6(FeMn)相が抑制され、Siフリー基準と比較してUTSおよびYSが20–30%低下する。
• 75 MPa圧力下では、Si添加が微細な中国剣型α-Feおよび高密度のAl2Cu（θ）相の形成を促進し、機械的特性が向上する。
• 圧力の適用により空孔が完全に除去され、グレインが微細化され、同じSi含有量下で圧力なし条件と比較してUTSおよびYSが15–25%向上する。
• 1.1 wt% Siを含む合金が75 MPa圧力下で最高の引張性能を示し、UTS 237 MPa、YS 140 MPa、延べ率9.8%を達成した。
• 圧力下での強度および延性の向上は、グレイン微細化、固溶強化、および空孔の低減に起因する。