Investigation of rheological and microstructural properties of semi-solid aluminium copper alloy during isothermal shear

Aachen / Shaker (2017, 2018) [Buch, Doktorarbeit]

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Kurzfassung

Teilerstarrte Metalllegierungen (semi-solid metal alloys, SSM) sind Suspensionen von festen Legierungspartikeln in der flüssigen Legierung, die aufgrund von Löslichkeitsunterschieden ausgeschieden werden. Die rheologischen und mikrostrukturellen Eigenschaften dieser Materialien sind miteinander verknüpft. In der Literatur finden sich starke Hypothesen denen zufolge die charakteristisch, thixotropen Fließeigenschaften der SSM vom Agglomerations- und Desagglomerationsverhalten abhängen. Jedoch waren, am Ausgangspunkt dieses Forschungsvorhabens nur wenige publizierte experimentelle Beweise für diesen Sachverhalt auffindbar. Diese Arbeit beschäftigt sich mit theoretischen und experimentellen Untersuchungen zu den rheologischen und mikrostrukturellen Eigenschaften teilerstarrter AlCu mit 10-Gew\% Cu Legierungen mit einem Volumen-Feststoffanteil von 18-40% bei isothermer Scherung mit 1-1000 1/s, sowie der Evaluierung der Verbindung zwischen den mikrostrukturellen und rheologischen Eigenschaften. Die mikrostrukturellen Untersuchungen zeigen, dass bei niedrigen Scherraten die primäre Festphase zu porösen Netzwerken perkoliert. Bei hohen Scherraten formt die primäre Festphase einzelne dicht gepackte, zellförmige Zusammenballungen (Cluster). Agglomeration wurde bei allen Scherraten beobachtet, allerdings mit unterschiedlichen Mechanismen in Abhängigkeit von der Scherrate. Ein mechanistisches Modell wurde zur Beschreibung der Abhängigkeit des stationären Clusterradius von der Scherrate entwickelt. Obwohl die Agglomeration mit steigender Scherrate zum Teil reversibel ist, trägt sie zu irreversiblen Vergröberungen durch Sintern und Zusammenwachsen der Struktur bei. Es wurde entdeckt, dass sich kristallographische Ausrichtungsfehler beim Prozess der Agglomeration mit steigender Scherrate verringern, so dass die Cluster bei hohen Scherraten monokristallin werden. Es hat sich herausgestellt, dass die Vergröberungsgeschwindigkeit generell mit steigender Scherrate steigt. Zur Erfassung der zeitlichen Abhängigkeit der Mikrostruktur wurden publizierte analytische Modelle der Ostwald-Reifung mit der Vergröberung der vorliegenden Experimente verglichen. Das makroskopische Fließverhalten der untersuchten SSM ist wie erwartet thixotrop (Scherverdünnung im stationären Zustand), was semi-quantitativ mit Agglomerations- und Desagglomerationsprozessen erklärt werden konnte. Eine signifikante und irreversible Abnahme der Viskosität mit der Zeit im stationären Zustand wurde wie erwartet beobachtet, besonders bei höheren Scherraten. Daher kann eine vollständige thixotrope Wiederherstellung nach einer bestimmten Scherzeit nicht mehr erreicht werden. Wie in der Literatur beschrieben, ist dies mit der mikrostrukturellen Vergröberung verbunden. Mithilfe der experimentell bestimmten mikrostrukturellen Eigenschaften wurde ein semi-empirisches Modell des viskoplastischen, rheologischen Verhaltens im stationären Zustand erstellt. Zusammenfassend zeigen die Untersuchungen einen starken empirischen Zusammenhang zwischen dem Agglomerations- und Desagglomerationsverhalten der Mikrostruktur und der makroskopisch beobachteten Thixotropie in SSM.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Harboe, Siri Johanna

Gutachterinnen und Gutachter

Modigell, Michael
Ratke, Lorenz
Singheiser, Lorenz

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