Sn-0.5Cu(-x)Al solder alloys: microstructure-related aspects and tensile properties responses

In this study, experiments were conducted to analyze the effect of 0.05 and 0.1 wt.% Al additions during the unsteady-state growth of the Sn-0.5wt.%Cu solder alloy. Various as-solidified specimens of each alloy were selected so that tensile tests could also be performed. Microstructural aspects such as the dimensions of primary, lambda(1), and secondary, lambda(2), dendritic arrays, and intermetallic compounds (IMCs) morphologies were comparatively assessed for the three tested compositions, that is, Sn-0.5wt.%Cu, Sn-0.5wt.%Cu-0.05wt.%Al, and Sn-0.5wt.%Cu-0.1wt.%Al alloys. Al addition affected neither the primary dendritic spacing nor the types of morphologies identified for the Cu6Sn5 IMC, which was found to be either globular or fibrous regardless of the alloy considered. Secondary dendrite arm spacing was found to be enlarged and the eutectic fraction was reduced with an increase in the Al-content. Tensile properties remained unaffected with the addition of Al, except for the improvement in ductility of up to 40% when compared to the Sn-0.5wt.%Cu alloy without Al trace. A smaller lambda(2) in size was demonstrated to be the prime microstructure parameter associated with the beneficial effect on the strength of the Sn-0.5wt.%Cu(-x)Al alloys92CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQFUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESPFUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DO AMAZONAS - FAPEAM407978/2018-6; 307830/2017-92015/11863-5; 2016/18186-1; 2017/12741-6sem informaçã

Study of multi-directional precision forging

Orientador: Sérgio Tonini ButtonDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Forjamento é o processo de conformação de metais no qual um tarugo é deformado nas mais variadas formas geométricas com grandes deformações plásticas. As vantagens deste processo, que consistem em elevada precisão dimensional, aumento das propriedades mecânicas do material, baixo desperdício comparado a outros processos de conformação, estimulam o aumento de sua aplicação. O objetivo desta pesquisa é o desenvolvimento do forjamento multidirecional utilizando uma prensa hidráulica com cinco atuadores. A proposta é provocar deformações incrementais durante o forjamento da peça com a formação mínima ou sem formação de rebarba, evitando-se grande perda de material no processo e evidenciar a possibilidade de alcançar detalhes mais complexos sem a necessidade de grandes esforços ou até mesmo sem a necessidade de tantas etapas, quando confrontado ao processo convencional. Para este fim, o método dos elementos finitos foi utilizado para simular o processo e calcular cargas de forjamento, e temperaturas, tensões e distribuição das tensões de von Mises. As previsões numéricas mostraram que o processo multidirecional não apresenta risco de falhas no produto e é viável, pois permite a obtenção de produtos sem rebarbas e com cantos vivos, o que não é possível no processo convencional, sem a necessidade de tantas etapas e sem desperdício de matéria-primaAbstract: Hot forging is a metal forming process in which a billet is deformed in various shapes with large plastic deformations. The advantages of this process consist of high dimensional accuracy, improvement of mechanical properties, and low waste compared to other forming processes, stimulating an increase in its application. The objective of this research is the development of multi-directional forging using a hydraulic press with five actuators. The proposal is to cause incremental deformations during workpiece forging with minimal or without flash formation, avoiding great loss of material, and to demonstrate the possibility of achieving more complex details without requiring large loads or even without the need of many steps, when confronted to the conventional process. In this sense, the finite element method was used to simulate the process and calculate forging loads, temperatures, stresses, and von Mises stress distribution. The numerical predictions have shown that the multidirectional process present no risk of failure and is feasible because it allows to obtain products without flash and with sharp corners, which is not possible in the conventional process, without the need of many steps and without waste of raw materialMestradoMateriais e Processos de FabricaçãoMestra em Engenharia Mecânica2012/23273-0FAPES

Study of alloys from Bi-Zn and Zn-Al-Bi systems for technological applications

Orientadores: Noé Cheung, Juan José de Damborenea GonzálezTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Em muitas aplicações práticas, há necessidade de uma combinação in situ de propriedades dos materiais. Alguns sistemas metálicos apresentam reações invariantes como a eutética e a monotética. Na transformação eutética, há o interesse industrial em ligas que produzem uma matriz com uma fase de reforço para uma melhor resistência mecânica, enquanto na transformação monotética, o interesse é o inverso, isto é, uma matriz mais resistente com uma fase dispersa mais macia para aplicações tribológicas. A forma como estas fases se organizam em termos de morfologia e de distribuição na microestrutura durante a solidificação e a sua correlação com características mecânicas, corrosivas e tribológicas através de relações funcionais é fundamental para o processamento do produto. O presente trabalho visa contribuir para o entendimento da influência dos parâmetros microestruturais na resistência à corrosão e molhabilidade de ligas do sistema Bi-Zn para aplicação em soldagem de componentes eletrônicos, e resistências ao desgaste e à corrosão de ligas do sistema Zn-Al-Bi para aplicações tribológicas. Tais ligas são pouco exploradas na literatura no que se refere à solidificação em condições fora do equilíbrio, isto é, condições assemelhadas à produção industrial. A proibição, em muitos países, da incorporação do Pb em produtos, principalmente eletroeletrônicos, em função de seus efeitos adversos à saúde humana e ao meio ambiente intensifica a procura de ligas alternativas. Devido à baixa temperatura de fusão das ligas Bi-Zn, em torno de 255ºC, tornam-se ótimas candidatas para a soldagem de componentes eletrônicos na faixa classificada como de altas temperaturas (230 a 350 ºC), em substituição às tradicionais ligas Sn-Pb. A união soldada além de necessitar uma resistência mecânica adequada para manter os componentes eletrônicos acoplados, requer um bom contato da liga com os substratos. Além disso, a junta soldada deve ser avaliada em termos de corrosão visando a integridade da união em consequência da formação de um par galvânico. Nesse sentido, são realizados, além de ensaios de dureza e molhabilidade da liga solidificada sobre três substratos de interesse na indústria eletro-eletrônica (Invar, cobre e níquel), ensaios de corrosão eletroquímica (polarização potenciodinâmica e par galvânico da liga eutética Bi-Zn com os diversos substratos). Confrontando os resultados dos ensaios realizados nas ligas do sistema Bi-Zn, entre as composições estudadas, a liga eutética Bi-2,7%Zn foi a que apresentou a melhor resistência à corrosão de todas as ligas analisadas e dureza semelhante à liga Bi-5%Zn. Há que se ressaltar que a liga eutética é preferida, já que apresenta menor temperatura de fusão. O ensaio utilizando um goniômetro revelou que a liga eutética também apresenta uma boa molhabilidade com os substratos de Cu e Ni. Também é desenvolvida uma abordagem teórico-experimental para determinar o coeficiente de transferência de calor na interface liga/substrato, correlacionando-o com a molhabilidade. Por sua vez, o ensaio de par galvânico da liga eutética com os substratos de Cu e Ni permitiu perceber que a liga não forma um par galvânico tão ativo, sendo o par formado com o Ni o melhor por obter menor densidade de corrente. A liga eutética é a recomendada para aplicação de soldagem de componentes eletrônicos considerando as análises realizadas neste estudo. Com relação às ligas monotéticas do sistema Zn-Al-Bi, são realizados ensaios de dureza e de resistência ao desgaste a seco. Ensaios eletroquímicos, a saber, polarização potenciodinâmica, voltametria cíclica e par galvânico, são realizados visando estudar o sistema frente à corrosão uma vez que a vida útil depende também do comportamento do metal quando este é exposto a ambientes agressivos. Confrontando os resultados de dureza, desgaste a seco e corrosão, as ligas ternárias obtiveram respostas superiores nessas propriedades analisadas, sendo a liga com teor de 2,3% de Bi a mais indicada entre as três composições estudadas. Em relação a resposta frente a corrosão, todas as composições das ligas ternárias obtiveram taxa de corrosão similares, contudo, no que diz respeito ao desgaste, as ligas com teores mais elevado de bismuto (2,3 e 3% de Bi) apresentaram menor taxa de desgaste. Entretando, posto que o bismuto é um elemento de elevado custo em relação ao zinco e ao alumínio, a liga Zn-8%Al-2,3%Bi seria a mais indicadaAbstract: In many practical applications, there is a need for an in- situ combination of material properties. Some metallic systems have invariant reactions such as eutectic and monotectic. In the eutectic transformation, there is the industrial interest in alloys that produce a matrix with a reinforcing phase for a better mechanical resistance, while in the monotectic transformation, the interest is the inverse, that is, a more resistant matrix with a softer dispersed phase for tribological applications. The way these phases are organized in terms of morphology and distribution in the microstructure during solidification and its correlation with mechanical, corrosive and tribological characteristics through functional relations is essential for the product processing. The present work aims to contribute to the understanding of the microstructural parameters influence on corrosion resistance and wettability of Bi-Zn alloys for application in welding of electronic components, and wear and corrosion resistance of alloys Zn-Al-Bi system for tribological applications. Such alloys are scarcely explored in the literature with respect to solidification under transient conditions, ie conditions similar to industrial production. The prohibition, in many countries, of the Pb incorporation in several products, mainly electro-electronic, due to its adverse effects on human health and environment intensifies the demand for alternative alloys. Due to the low melting temperature of the Bi-Zn alloys around 255 °C, they are great candidates as solder alloys for electronic components in the high temperature range (230 to 350 °C), replacing the traditional Sn- Pb. The soldered joint, in addition to the mechanical strength required to keep the electronic components coupled, requires good contact between alloy and substrates. Furthermore, the soldered joint must be evaluated in terms of corrosion aiming the integrity of the joined metals as a consequence of a galvanic couple formation. In this sense, besides hardness test and wettability of the solidified alloy on three substrates of interest in the electro-electronic industry (Invar, copper and nickel), electrochemical corrosion tests (potentiodynamic polarization and galvanic couple of the Bi-Zn eutectic alloy with the various substrates) are performed. Comparing the results of the tests carried out in the alloys of the Bi-Zn system, the bi-2.7% Zn alloy presented the best corrosion resistance among all alloys analyzed and hardness similar to the Bi- 5% Zn. It should be noted that the eutectic alloy is preferred, since it has a lower melting temperature. The analysis using a goniometer revealed that the eutectic alloy also shows good wettability with the Cu and Ni substrates. Comparing the results of the tests carried out in the Bi-Zn system alloys, the Bi-2.7% Zn alloy presented the best corrosion resistance among all alloys analyzed and hardness similar to the Bi-5% Zn. It should be noted that the eutectic alloy is preferred, since it has a lower melting temperature. The test using a goniometer revealed that the eutectic alloy also has a satisfactory wettability with the Cu and Ni substrates. A theoretical-experimental approach is also developed to determine the heat transfer coefficient at the alloy/substrate interface, correlating it with the wettability. In turn, the galvanic corrosion testing of the eutectic alloy with Cu and Ni substrates allowed to realize that the alloy does not form a galvanic couple so active, being the couple formed with Ni the best one since it obtained the lower corrosion current density. The eutectic alloy is recommended for the application in welding of electronic components considering the analyzes carried out in this study. With respect to the monotectic alloys of the Zn-Al-Bi system, hardness and dry wear resistance tests are performed. Since the useful life also depends on the behavior of the metal when it is exposed to aggressive environments, electrochemical tests as potentiodynamic polarization, cyclic voltammetry and galvanic couple are carried out in order to study the system against corrosion. Comparing the hardness, dry wear and corrosion results, the ternary alloys obtained higher responses in these analyzed properties, being the alloy with 2.3 wt.% Bi the most indicated among the three studied compositions. Related to corrosion response, all ternary alloys compositions obtained similar corrosion rate, however, in respect to wear test, the alloy with higher bismuth contents (2.3 and 3wt.% Bi) presented lower wear rate. Nevertheless, since bismuth is a costly element in comparison with zinc and aluminum, the Zn-8 wt.% Al-2.3wt.%Bi alloy would be the most suitableDoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutora em Engenharia Mecânica141626/2016-0088881.135393/2016-01CNPQCAPE

Processing Maps For The Analysis Of Hot Workability Of Microalloyed Steels 38mnsivs5 And 0.39c1.47mn

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Microalloyed steels are gaining increasing importance as substitutions for carbon steels because they possess higher mechanical properties, such as strength and toughness after hot forging, without a need for post-deformation heat treatment. To increase machinability, sulfur is added to microalloyed steels to facilitate chip removal, increase productivity, and enhance the life of cutting tools. Otherwise, the sulfide particles that benefit machinability may cause a significant loss in hot workability. Therefore, it is important to understand the effect of initial grain size, phase constituents, and inclusion content on flow stresses during hot working in order to establish ideal processing conditions, which prevent the formation of defects and simultaneously improve mechanical properties. The aim of the current study is to construct processing maps to evaluate the hot workability of microalloyed steels DIN 38MnSiVS5 and 0.39C1.47Mn in order to define the constitutive behavior of both steels under hot working and identify the safe regions for metalworking. The processing maps for both steels showed a region of instability at temperatures between 1100 and 1150 A degrees C and the highest strain rates (namely, 10.0 and 30.0 s(-1)) that should be avoided. Cracks were found in the sample of 0.39C1.47Mn steel and voids were found in the central region in the DIN 38MnSiVS5 steel. These defects might be caused by MnS inclusions and are probably the cause of instability. Therefore, it can be concluded that a higher sulfur content has a negative effect on workability, and might be the cause of instability under some processing conditions.51525122528Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)FAPESP [2012/23273-0, 2013/23007-0