Influence of the microstructure on mechanical properties and damage mechanisms in Al-Si-Cu alloys by using 2D and 3D in-situ analysis

par Zaidao Li

Thèse de doctorat en Molécules et matière condensée

  • Titre traduit

    Influence de la microstructure sur les propriétés mécaniques et les mécanismes d’endommagement d’alliages Al-Si-Cu étudiés via des analyses in-situ 2D et 3D


  • Résumé

    La caractérisation 2D/3D et l’analyse d'images ont permis d’estimer les changements microstructuraux liés à : différents taux de Fe, Mn et Sr, au procédé de moulage (Coulée coquille par Gravité vs. Procédé à Modèle Perdu, PMP) et au traitement thermique de mise en solution d’un alliage A319. L'évolution de la microstructure avec les éléments d'addition a aussi été étudiée par analyse thermique. La microstructure est constituée d'inclusions dures (Si eutectique, intermétalliques au Fe et phases Al2Cu) et de pores. L'effet sur les propriétés mécaniques a été évalué par dureté Vickers et essais de traction. L’observation de l’endommagement en surface d’alliages A319 avec différentes teneurs en Fe est effectuée in situ au cours de l'essai de traction afin de suivre l'évolution et la localisation de la déformation et des fissures. La corrélation d’images numériques et la fractographie ont mis en évidence le rôle des intermétalliques au Fe dans l'amorçage et la propagation des fissures. Des essais de traction sur des échantillons A319 PMP avec deux conditions de traitement thermique ont été effectués in situ sous tomographie de laboratoire. Les mesures de déformation par corrélation de volumes numériques et les mécanismes d'endommagement observés montrent que les fissures s’amorcent aux inclusions dures dans les zones de concentration de contraintes, surtout autour des pores, et se propagent souvent par la rupture des phases Al2Cu, des intermétalliques au Fe, et du Si eutectique, plutôt que par leur décohésion de la matrice.


  • Résumé

    2D and 3D characterization and image analysis have been performed to measure the microstructural changes associated with: different Sr, Fe and Mn levels, the casting process (Gravity Die Casting vs. Lost Foam Casting, LFC) and the solution heat treatments in A319 alloy. The evolution of microstructure in Al-Si-Cu alloy with different alloying elements addition was also studied by thermal analysis. The microstructure consists of hard inclusions, i.e. eutectic Si, iron-intermetallics and Al2Cu phases, and pores. The effect on mechanical properties of the alloys has been monitored by Vickers hardness measurement and tensile tests. Surface damage observations are performed on A319 alloys with different Fe content during in-situ tensile test, which allows following the development and localization of the deformation and cracks. Digital image correlation measurement and fractography highlighted the role of iron-intermetallics in the cracks initiation and propagation. Tensile tests on LFC A319 samples with two different heat treatment conditions were performed in-situ under Laboratory Computed Tomography. Strain measurements from digital volume correlation and observed damage mechanisms show that cracks initiate at hard inclusions in the areas with sufficient stress concentrations, which are mainly provided by large pores, and often propagate through the fracture of Al2Cu, iron-intermetallics, as well as through Si particles rather than by their decohesion from the matrix.


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