Evaluation of mechanical characteristics of innovative Al-Si-Mg alloys

This thesis was focused on the study of the microstructural features and mechanical properties of casting aluminum alloys with improved high temperature resistance. The literature survey on aluminium alloys having relatively good temperature resistance has led us to consider Er and Zr addition to the widely diffused hypoeutectic alloy A356. Two levels of Er and three of Zr have been considered. The alloys containing Er and Zr show a coral-like morphology of Si, different from the lamellar one of the reference alloy. Er additions revealed the formation of many coarse intermetallic phases and a concurrent increase of porosity. Three sets of heat treatment cycles were performed in order to check the effects of solution heat treatment (SHT) time, and aging response at two different aging temperatures. The materials response to heat treatments have been evaluated in terms of Vickers hardness. The alloys with both Er and Zr additions revealed an improved resistance to overaging with respect to the reference alloy. Reasonably due to the resistance to coarsening of the finely dispersed strengthening particles containing the above elements and which also allow to reach higher peack hardness well above the reference alloy. Reference conditions as far as SHT and aging conditions are concerned have been selected to carry out tensile tests for high temperature mechanical characterization. Tensile properties and ductility of the alloys have been correlated to microstructural features, and the latter has been proved to be correlated to the presence and amount of coarse intermetallics in interdendritic positions. The optimal combinations of strength and ductility were found for alloys E3 and EZ35. For example, at room temperature in peak aged condition E3 and EZ35 alloy showed an increase in YS of 20% and 30% with respect to reference alloy A356. The increased microstructural stability of the precipitates containing Er and Zr with respect to those of the β sequence characteristic of the reference alloy A356 leads to a greater microstructural stability for the modified alloys containing these elements, and they show lower effect of overaging on tensile strength with respect to the reference alloy. The high-temperature mechanical behavior of the alloys has also been characterized by means of creep tests, which confirm the good performances of the modified alloys.

Questa tesi è focalizzata sullo studio delle caratteristiche strutturali e delle proprietà meccaniche di alcune leghe di alluminio per getti con resistenza ad alta temperatura migliorata. L’analisi dello stato dell’arte relativo a leghe di alluminio aventi maggiore resistenza meccanica e termica ha fatto considerare la possibilità di modificare una lega ipoeutettica da fonderia come l’A356 mediante piccole aggiunte di Er e Zr. Sono state selezionate due concentrazioni di Er e tre concentrazioni di Zr. Le leghe contenenti aggiunte di Er e Zr hanno mostrato una modifica morfologia del silicio eutettico; si passa da una forma lamellare nella lega di riferimento ad una forma a corallo nelle leghe modificate con Er. Le aggiunte di Er alla lega A356 hanno tuttavia mostrato di promuovere la formazione di porosità e di precipitati grossolani le cui composizioni chimiche variano con la composizione effettiva della lega. Sono stati eseguiti vari cicli di trattamento termico per comprendere l'effetto del tempo di mantenimento durante solubilizzazione e del tempo di invecchiamento, con quest’ultimo eseguito a due differenti temperature. Le risposte ai trattamenti termici sono state valutate in termini di durezza Vickers. Le leghe contenenti sia Er che Zr, si sono rivelate essere particolarmente resistenti all’invecchiamento, ragionevolmente per la resistenza all’ingrossamento dei fini precipitati intragranulari che consentono a queste leghe anche di ottenere durezze ben superiori rispetto a quella base. Sono state individuate condizioni di riferimento per la valutazione delle caratteristiche meccanicjhe in temperatura. Le proprietà meccaniche sono state valutate usando le prove di trazione. Le caratteristiche tensili ed in particolare la duttilità dei materiali è statas correlata alla quantità e distribuzione del precipitati grossolani. Le migliori combinazioni di resistenza e duttilità sono state osservate nelle leghe EZ35 e E3. Per esempio a temperatura ambiente in condizioni di invecchiamento al picco le leghe E3 e EZ35 hanno mostrato un aumento di Rp02 del 20% e del 30% rispetto alla lega base A356. La maggior stabilità dimensionale dei precipitate of the precipitates contenenti Er e Zr rispetto a quelli della sequenza di precipitazione β caratteristica della lega di riferimento corrisponde ad una maggior stabilità delle caratteristiche tensili delle leghe modificate contenenti questi elementi rispetto alla lega base. Le caratteristiche ad alta temperatura temperatura sono state anche caratterizzate mediante prove di creep, che confermano le buone prestazioni delle leghe modificate.