Influence of microstructure on mechanical properties and damage characteristics of Al-Si alloys

Abstract

Nowadays Al-Si alloys have an increasing share in automobile parts and are seen as a promising material for new structural applications that require an improved strength and fracture resistance. In this respect, the functionality of the alloys is mostly defined by their mechanical performance. The latter, in turn, strongly depends on the microstructure. With respect to the most relevant mechanical properties, tailoring the microstructure more closely to each specific application needs requires a deep understanding of the relations between morphological and mechanical properties of a structure. In this study, an extensive analysis of morphological properties, mechanical behavior and damage characteristics of Al-Si alloys under different loading conditions is conducted and corresponding structure-properties relations are investigated. The limits of 2D characterization of Si morphology and damage in the eutectic structure are discussed. Furthermore, a model for the simulation of a system of dimples on the fracture surface of the eutectic phase is proposed and its application to studying the relation between Si morphology and eutectic fracture toughness is described. The work thus contributes to better understanding of structure-properties relations and developing quantitative methods enabling a microstructure-based prediction of properties without their direct measurements.

Heutzutage werden Al-Si-Legierungen zunehmend in der Automobilindustrie eingesetzt und gelten als vielsprechender Strukturwerkstoff für Anwendungen, die erhöhte Festigkeit und Bruchfestigkeit erfordern. Somit wird die Funktionalität der Legierungen meist über ihre mechanischen Eigenschaften definiert, welche wiederum vom Gefüge abhängen. In Bezug auf die wichtigsten mechanischen Eigenschaften erfordert die Einstellung des Gefüges für spezifische Anwendungen ein tiefes Verständnis des Zusammenhangs zwischen den morphologischen und den mechanischen Eigenschaften einer Struktur. In dieser Arbeit wurde eine grundlegende Analyse der morphologischen Eigenschaften, des mechanischen Verhaltens und des Schädigungsverhaltens von Al-Si-Legierungen in verschiedenen Lastsituationen durchgeführt und die entsprechenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen untersucht. Die Grenzen der 2D-Charakterisierung der Silizium-Morphologie und der Schädigung im eutektischen Gefüge werden diskutiert. Darüber hinaus wird ein Modell für die Simulation der Bruchoberfläche der eutektischen Phase vorgeschlagen und seine Anwendung auf die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Siliziummorphologie und der Bruchzähigkeit des Eutektikums beschrieben. Damit trägt diese Arbeit zu einem besseren Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehung bei und zur Entwicklung gefügebasierter Methoden zur quantitativen Vorhersage von Eigenschaften ohne diese direkt messen zu müssen.