Solidification microstructures and wear resistance of Al-Bi-Sn monotectic alloys

Orientador: Amauri GarciaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: As ligas monotéticas à base de alumínio podem apresentar características tribológicas interessantes, com o soluto atuando como um lubrificante sólido, enquanto que a matriz garante a resistência estrutural. A adição de um terceiro elemento pode aumentar a capacidade da liga metálica em resistir à cargas mais intensas e, dependendo da natureza deste terceiro elemento, conferir ganhos nas propriedades tribológicas do material. As características microestruturais dessas ligas, tais como morfologia, distribuição, dimensão das fases constituintes e, consequentemente, o comportamento em desgaste estão intimamente ligadas aos parâmetros operacionais empregados no seu desenvolvimento. No presente trabalho, as ligas Al-2%Bi-1%Sn, Al-3,2%Bi-1%Sn, Al-7%Bi-1%Sn e Al-7%Bi-3,5%Sn foram solidificadas unidirecionalmente sob um largo intervalo de taxas de resfriamento, permitindo um amplo espectro de variação na escala microestrutural para análise. A microestrutura de todas as ligas investigadas caracteriza-se por ser constituída por partículas (glóbulos) de uma mistura eutética autolubrificante de Bi e Sn aprisionadas (envolvidas) pela matriz de Al. Foram propostas correlações experimentais entre os espaçamentos interfásicos, distribuição e diâmetro das partículas com taxa de resfriamento, velocidade de solidificação, microdureza e resistência ao desgaste, com o objetivo de subsidiar informações que permitam a pré-programação das condições impostas na fabricação do material para atender a uma determinada propriedade final. Ensaios de microdureza e desgaste microabrasivo foram realizados a partir de amostras contendo diferentes espaçamentos interfásicos e distintos diâmetros dos glóbulos de Bi/Sn, sendo propostas equações correlacionando os resultados de microdureza e volume desgastado, V, com o espaçamento interfásico. Apesar do pequeno aumento de microdureza para menores valores de espaçamento interfásico para regiões próximas à base refrigerada para as ligas contendo 2% e 3,2%Bi, solidificadas unidirecionalmente, foi possível notar que a concentração de Bi não apresentou efeito significativo sobre a dureza das ligas. Além disso, distribuições mais homogêneas dos glóbulos de Bi/Sn conduziram a menores valores de V. Os menores valores de taxa de desgaste e volumes desgastado foram observados para a liga de composição monotética (Al-3,2%Bi-1%Sn). A presença de altas frações em área de óxido de Fe torna descontínuo o filme lubrificante de Bi/Sn, conduzindo a menores resistências ao desgaste, observadas para as ligas hipermonotéticas (Al-7%Bi-1%Sn e Al-7%Bi-3,5%Sn). Quando comparado com os resultados de evolução microestrutural existentes na literatura para a liga monotética binária Al-3,2%Bi, a adição de Sn reduziu o espaçamento interfásico, quando a liga ternária e a binária são submetidas a uma mesma condição de solidificação. A adição de 1%Sn aumenta a resistência ao desgaste da liga binária Al-3,2%Bi, permitindo uma aplicação mais ampla para a fabricação de componentes que serão submetidos à condições de desgasteAbstract: Al-based monotectic alloys can have interesting tribological characteristics with the solute acting as a solid lubricant, while the matrix provides required structural integrity. The addition of third elements can increase the alloy load capacity, and depending on the nature of the third element can also improve the tribological characteristics. The microstructural features of these alloys, such as morphology, distribution, length scale of the phases and consequetly wear behavior depend strongly on the parameters of their manufacture route. In the present study Al-2wt.%Bi-1wt.%Sn, Al-3.2wt.%Bi-1wt.%Sn, Al-7wt.%Bi-1wt.%Sn and Al-7wt.%Bi-3.5wt.%Sn alloys were directionally solidified (DS) under a large range of experimental cooling rates, permitting a wide spectrum of microstructural scales to be examined. The microstructure of all alloys studied is typified by droplets of a self-lubricating eutectic mixture of Bi and Sn embedded in the Al-matrix. Experimental correlations between the microstructure interphase spacing, area fractions of droplets of the eutectic mixture, solidification cooling rate, growth rate, microhardness and wear resistance were proposed, with a view to permitting solidification operational conditions to be pre-programmed in order to allow the casting to attain a determined level of final properties. Microhardness and micro-adhesive wear tests were carried out from samples having different interphase spacings and diameters of the minority phase and experimental equations relating microhardness and wear volume, V, to the interphase spacing were proposed. Despite a slight increase in hardness with smaller interphase spacings for regions closer to the cooled surface of the DS alloys castings having 2 and 3.2wt.%Bi, it is shown that the Bi content of the alloy has not a significant effect on hardness. Furthermore, a more homogeneous distribution of Bi/Sn droplets in the microstructure is shown to be conducive to lower V. The lowest wear rates and wear volumes are shown to be related to the monotectic composition (Al-3.2 wt.%Bi-1wt.%Sn alloy). The presence of higher fraction of Fe-oxide areas interrupting the Bi/Sn lubricant layer, is shown to induce inferior wear resistance for the hypermonotectic alloys (Al-7.0 wt.%Bi-1wt.%Sn and Al-7.0 wt.%Bi-3.5wt.%Sn). As compared with results of microstructure evolution of an Al-3.2wt.%Bi binary alloy existing in the literature, the addition of Sn induces the reduction in the interphase spacing, when binary and the corresponding ternary alloy are subjected to the same solidification conditions. Besides that, 1wt.%Sn addition on Al-3.2wt.%Bi improved higher wear resistance whe compared with binary alloy, inducing best applications in the manufacture of wear resistant componentsDoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutor em Engenharia Mecânica160524/2013-0CNP

Influência das Variáveis Térmicas Sobre os Espaçamentos Dendríticos Terciários durante a Solidificação Direcional Horizontal da Liga Al-6%Cu

A liga Al-6%Cu foi solidificada direcionalmente sob condições transitórias de extração de calor e microestruturas dendríticas, variáveis térmicas de solidificação, ou seja, velocidade de deslocamento da isoterma líquidus (VL), taxa de resfriamento (TR) e gradiente de temperatura à frente da isoterma liquidus (GL) foram caracterizadas, determinadas experimentalmente e correlacionadas com os espaçamentos dentríticos terciários (λ3). Para tanto, foi projetado, construído e aferido um dispositivo de solidificação direcional horizontal. Os resultados encontrados mostram que leis de potência -1,1 e -0,55 caracterizam a variação dos espaçamentos terciários com a velocidade de deslocamento da isoterma liquidus (VL) e a taxa de resfriamento (TR), respectivamente. Finalmente, é realizado um estudo comparativo entre os resultados obtidos neste trabalho e aqueles publicados na literatura para ligas Al-Cu solidificadas direcionalmente sob condições transientes de fluxo de calor nos sistemas verticais ascendente e descendente

Effect of the T6 Heat Treatment on Microhardness of a Directionally Solidified Aluminum-Based 319 Alloy

Aluminum alloys of the ANSI series 319 present Si and Cu as the main alloying elements and the mechanical strength of these alloys can be improved by the precipitation of the metastable Al2Cu phase during the ageing heat treatment. In this paper, the Al-5.5wt.%Si-3wt.%Cu alloy was elaborated and solidified in a water-cooled horizontal directional solidification device. The as-cast ingot was subjected to the precipitation hardening heat treatment (T6 heat treatment), which consisted of: solution for 5 h at 490°C±2°C, followed by quenching in water at 60°C±2°C and ageing for 3 h at 155°C±2°C, and cooling-air. Secondary dendrite arm spacing (λ2) measurements were carried out before and after T6 heat treatment. The mechanical strength of the alloy was investigated by the microhardness test. It has been found that the heat treatment did not influence the λ2 values, however, highest HV values have been observed for the heat-treated samples.FAPESPA - Fundação Amazônia de Amparo a Estudos e PesquisasMAGNO, I. A. B.; SOUZA, F. V. A.; BARROS, A. S.;NASCIMENTO, J. M.; ROCHA, O. F. L. Universidade Federa do Par

Solidification thermal parameters and dendritic growth during the horizontal directional solidification of Al-7wt.%Si alloy

The main purpose of this work is to investigate the influence of thermal parameters such as growth rate (V L) and cooling rate (T R) on the primary dendrite arm spacings (λ1) during the horizontal transient directional solidification of Al-7wt.%Si hypoeutectic alloy. The primary dendrite spacings were measured along the length of the samples and correlated with these thermal parameters. The variation of dendrite spacings is expressed as a power law function of V L and T R given by the formulas λ1 = 55(V L)-1.1 and λ1 = 212 (T R)-0.55, respectively. A comparative study between the results of this work and those from the literature proposed to investigate these dendrite spacings during the upward and downward vertical directional solidification of Al-7wt.%Si alloy is also conducted. Finally, the experimental data are compared with some predictive dendritic models from the literature

Influence on microstructure and hardness resulting from the addition of 4% ag in the alloy al-4% cu solidified unidirectionally

Diversas aplicações industriais, tais como nos setores automotivo e aeronáutico, que necessitam de resistência e tenacidade, utilizam ligas do sistema Al-Cu. As ligas do sistema ternário Al-Cu-Ag são empregadas como modelo para o estudo de ligas eutéticas ternárias, além do uso em certo número de aplicações técnicas. Estudos relacionados aos efeitos da adição de Ag em ligas do sistema Al-Cu solidificadas em regime transitório, sob aspectos microestruturais e de microdureza, não são encontrados na literatura. Nesse sentido, o objetivo principal deste trabalho consiste na investigação dos efeitos da adição de 4%Ag na liga Al-4%Cu solidificada unidirecionalmente no sentido vertical ascendente em regime transitório, abordando análises de microestrutura, microdureza e parâmetros de solidificação dados pela velocidade de crescimento (VL) e pela taxa de resfriamento (Ṫ). São apresentadas leis experimentais para as ligas Al-4%Cu e Al-4%Cu-4%Ag que correlacionam os espaçamentos dendríticos primário (λ1) e secundário (λ2) com VL e Ṫ. Foram realizadas análises de Difração de Raios-X (DRX) para a caraterização das fases cristalinas dos compostos presentes na microestrutura das ligas. O difratograma da liga binária mostrou a presença dos intermetálicos θ-Al2Cu, Al-Cu, Al4Cu9 e Al6Fe e, para o caso da liga ternária, adicionalmente foi detectado o intermetálico µ-Ag3Al. Composições químicas de regiões do contorno da dendrita, assim como de seu interior, foram obtidas com o auxílio de um microscópio eletrônico de varredura (MEV) acoplado a um sistema de análise por energia dispersiva (EDS). Diversas posições ao longo do lingote foram analisadas através da técnica de Fluorescência de Raios-X (FRX) com objetivo de se detectar a existência de macrossegregação. Constatou-se que a microdureza não é influenciada pelas duas formas de espaçamentos da matriz rica em Al. Os intermetálicos ρ-Ag2Al e µ-Ag3Al são responsáveis pelo aumento de dureza devido a sua interação com o espaçamento dendrítico terciário e outros intermetálicos204CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQFUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP2012/08494-0; 2013/09267-0; 2013/23396-7Al-Cu alloys are used in several industrial applications, such as automotive and aerospace manufacturing, which demand mechanical strength and toughness performances. The Al-Cu-Ag ternary alloy system has been investigated to obtain a better understanding on ternary eutectic alloys besides its inherent applications. However, studies concerning the effects on microstructure and hardness due to Ag addition on Al-Cu alloys solidified under transient conditions, are not found in literature. In this sense, the main objective of this work consists in investigating the solidification parameters such as growth (VL) and cooling (Ṫ) rate, microstructure and microhardness regarding the effects of adding 4wt% Ag on a Al-4wt%Cu alloy unidirectionally solidified vertically upwards under unsteady-state solidification conditions. Experimental growth laws correlating the primary (λ1) and secondary (λ2) dendritic spacings with growth and cooling rate are proposed for Al-4wt%Cu and Al-4wt%Cu-4wt%Ag alloys. X-Ray Diffraction (XRD) analyses were performed in order to determine the crystalline phases of the compounds present in the alloys microstructure. The diffractogram of the binary alloy showed the presence of θ-Al2Cu, Al-Cu, Al4Cu9 and Al6Fe intermetallics and, for the case of the ternary alloy, the µ-Ag3Al intermetallic was detected. Chemical compositions at the boundary regions of the dendrite as also inside the dendrite were obtained using scanning electron microscope (SEM) connected to an Energy-Dispersive Spectrometer (EDS) system. Several positions along the ingot were analyzed through the X-Ray Fluorescence (XRF) technique permitting the detection of macrosegregation occurrence. It is shown that the microhardness is not influenced by both spacing patterns of the Al-rich matrix. The ρ-Ag2Al and µ-Ag3Al intermetallics are responsible for the increase in hardness due to the interaction with ternary dendrite arm spacing and other intermetallicsOs autores agradecem ao IFSP, CNPq e à FAPESP (processos 2012/08494-0, 2013/09267-0, 2013/23396-7) pelo apoio dado a este trabalh

NEOTROPICAL ALIEN MAMMALS: a data set of occurrence and abundance of alien mammals in the Neotropics

Biological invasion is one of the main threats to native biodiversity. For a species to become invasive, it must be voluntarily or involuntarily introduced by humans into a nonnative habitat. Mammals were among first taxa to be introduced worldwide for game, meat, and labor, yet the number of species introduced in the Neotropics remains unknown. In this data set, we make available occurrence and abundance data on mammal species that (1) transposed a geographical barrier and (2) were voluntarily or involuntarily introduced by humans into the Neotropics. Our data set is composed of 73,738 historical and current georeferenced records on alien mammal species of which around 96% correspond to occurrence data on 77 species belonging to eight orders and 26 families. Data cover 26 continental countries in the Neotropics, ranging from Mexico and its frontier regions (southern Florida and coastal-central Florida in the southeast United States) to Argentina, Paraguay, Chile, and Uruguay, and the 13 countries of Caribbean islands. Our data set also includes neotropical species (e.g., Callithrix sp., Myocastor coypus, Nasua nasua) considered alien in particular areas of Neotropics. The most numerous species in terms of records are from Bos sp. (n = 37,782), Sus scrofa (n = 6,730), and Canis familiaris (n = 10,084); 17 species were represented by only one record (e.g., Syncerus caffer, Cervus timorensis, Cervus unicolor, Canis latrans). Primates have the highest number of species in the data set (n = 20 species), partly because of uncertainties regarding taxonomic identification of the genera Callithrix, which includes the species Callithrix aurita, Callithrix flaviceps, Callithrix geoffroyi, Callithrix jacchus, Callithrix kuhlii, Callithrix penicillata, and their hybrids. This unique data set will be a valuable source of information on invasion risk assessments, biodiversity redistribution and conservation-related research. There are no copyright restrictions. Please cite this data paper when using the data in publications. We also request that researchers and teachers inform us on how they are using the data