Modélisation du durcissement par précipitation dans un alliage d’aluminium de fonderie A356+0.5Cu

Aluminum alloys of type A356+0.5Cu are widely used in casting cylinder heads for automotive applications due to their good thermal and mechanical properties. The yield stress in these alloys is closely related to precipitation microstructure, the formation and evolution of which are diffusion controlled. In this work, the precipitation kinetics of the β”-Mg2Si hardening phase and the associated evolution of yield stress are modelled. Precipitation is modelled based on classical nucleation theory equations and diffusion controlled growth. The KWN size class discretization approach was used to track the evolution of size distributions of precipitates in response to a given thermal history. Yield stress was modelled by adding up the contributions of precipitates and solid solution strengthening in a manner directly informed by the precipitation model. The contribution of precipitates was modelled taking into account their rod morphology and their orientation in the matrix. Samples were cast and were subject to a solutionizing, quenching and aging heat treatment for various durations. The model was then confronted, on two levels, to the results of experiments conducted on these samples. On the one hand, simulated size distributions were compared to measurements performed on precipitates observed using electron transmission microscopy. On the other hand, the simulated yield stress was compared to the results of tensile tests. Finally, a finite-elements computation chain integrating these models was developed in the Z-Set framework. It was then used to simulate quenching and aging heat treatment making possible tracking of property gradients as well as estimating and localizing residual stresses.Les alliages d’aluminium du type A356+0.5Cu sont fortement utilisés en fonderie pour l’application culasses automobile en raison de leurs bonnes propriétés thermiques et mécaniques. La limite d’élasticité de ces alliages est étroitement reliée à la microstructure de précipitation dont la formation et l’évolution sont contrôlées par la diffusion. Dans ce travail, la cinétique de précipitation de la phase durcissante β”-Mg2Si et la limite d’élasticité associée ont été modélisées. La précipitation a été modélisée en se basant sur la théorie classique de la germination et la croissance contrôlée par la diffusion. L’approche numérique KWN de discrétisation en classes de tailles a été employée afin de suivre l’évolution des distributions de tailles en réponse à un historique thermique. La limite d’élasticité a été modélisée en additionnant les contributions des précipités et le durcissement par solution solide de façon directement informée par le modèle de précipitation. La contribution des précipités a été modélisée en prenant en compte leur morphologie en bâtonnets et leur orientation dans la matrice. Des échantillons ont été coulés et ont été assujettis à un traitement thermique de mise en solution, trempe et vieillissement pour des durées variables. Le modèle a ensuite été confronté à deux niveaux aux résultats d’expériences conduites sur ces échantillons. D’une part, les distributions de tailles simulées ont été comparées aux mesures effectuées grâce à des observations par microscopie électronique en transmission. D’autre part, la limite d’élasticité simulée a été comparée aux résultats d’essais de traction. Finalement, une chaîne de calculs éléments-finis intégrant ces modèles a été mise au point dans le code de calcul Z-Set. Des simulations de traitement thermique de trempe et vieillissement ont été effectuées permettant la représentation des gradients de propriété ainsi que l’estimation et la localisation des contraintes résiduelles

Stabilizing effect of alloying elements on metastable phases in cast aluminum alloys by CALPHAD calculations

International audienceThermo-Calc software equipped with its TCAL4.0 database for aluminum alloys was used to investigate the influence of a number of alloying elements on the temperature stability of metastable phases such as -Al2Cu and -Mg2Si. These phases are well-known to provide precipitation hardening thus increasing the mechanical properties of cast aluminum alloys for cylinder heads application. Two categories of elements are identified depending on their influence on the metastable phases stability: (i) destabilizing or non-stabilizing (Li, Hf, Cr and Ce) and (ii) stabilizing (V, Ti, Cr, and Sc). According to the thermodynamic calculations, Ti has the strongest stabilizing effect on -Al2Cu and -Mg2Si as well as on their precursors. The computed predictions are compared with data obtained by DSC and the Ti effect on the temperature stability of metastable phases is confirmed experimentally

Modelling precipitation hardening in an A356+0.5 wt%Cu cast aluminum alloy

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