Thermal cycling creep of a fiber reinforced aluminum alloy

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde das Kriechverhalten eines Metall-Matrix-Verbundwerkstoffes unter thermozyklischen Bedingungen untersucht. Bei dem Werkstoff handelt es sich um eine eutektische Al-Si Legierung, die mit 15 Vol.% diskontinuierlicher Aluminiumoxid-Fasern verstärkt wurde. Fortgeschrittene Methoden der mechanischen Hochtemperaturprüfung wurden verwendet, um die spannungsabhängige Verformungsrate während der thermischen Zyklen zu messen. Speziell untersucht wurden die Einflüsse der Maximaltemperatur, der thermischen Amplitude, von Haltezeiten, des Vorzeichens der Belastung und der Orientierung der Verstärkung untersucht. Bei geringen Spannungen wurde im Vergleich zu isothermen Bedingungen eine Beschleunigung des Kriechens gefunden und der beobachtete Spannungsexponent sank auf kleine Werte. Eine genaue Analyse der Dehnungen in einzelnen Zyklen lieferte Belege für das Vorhandensein beträchtlicher inelastischer Dehnungen, die sich von Halbzyklus zu Halbzyklus gegenseitig größtenteils kompensierten. Ein kontinuumsmechanisches Modell wurde aufgestellt, das den Verbundwerkstoff durch zwei aufeinander gestapelte und sich homogen verformende Platten annäherte. Das Modell wurde verwendet, um auf Basis von berechneten inneren Spannungen die Kriechraten und die innerzyklische Dehnungsentwicklung unter thermozyklischen Bedingungen zu erklären und vorherzusagen. Die experimentell gemachten Beobachtungen wurden im Vergleich zu den Simulationsergebnissen interpretiert und diskutiert. Die beobachteten Phänomene konnten auf Basis des Modells erklärt werden. Das Material zeigte ausgeprägtes Übergangsverhalten beim Be- und Entlasten. Dieses wurde mit Hilfe von spannungszyklischen Kriechexperimenten näher untersucht. Das Phänomen des Rückwärts-Kriechens nach äußerer Entlastung wurde ausgenutzt, um Effekte der Last-Übertragung von der Matrix auf die Fasern zu untersuchen und um auf die Entwicklung der Dehnrate eines Verbundwerkstoffes zurückzuschließen.

In the present work, the creep behavior of a metal-matrix-composite was investigated under thermal cycling creep conditions. The material was an eutectic Al-Si matrix that had been reinforced with 15 vol.% of discontinuous alumina fibers. Advanced high-temperature mechanical testing techniques were used together with specifically designed testing procedures to measure the stress dependent rate of deformation during thermal cycles. The influence of the maximum temperature, of the thermal amplitude, of high-temperature dwell times, of the sign of loading and of the reinforcement orientation were especially studied. At low stresses, a creep acceleration compared to isothermal conditions was found and the apparent stress exponent decreased to low values. The material showed pronounced transitional behavior upon load changes. An analysis of the strain evolution in individual cycles showed evidence of substantial inelastic deformation which was for the biggest part compensated between half-cycles. A simple continuum mechanical model was set up which approximated the investigated composite by a stack of two tightly bonded and homogeneously deforming slabs. The model was used to predict the creep rates and the in-cycle strain evolution on the basis of calculated internal stresses under thermal cycling creep conditions. The experimental observations were interpreted and discussed in comparison to the simulation results. The observed phenomena could be explained on the basis of the model. The material showed pronounced transitional behavior on loading and unloading. This transient creep and the overall envelope shape of the thermal cycling creep curve was further investigated with stress cycling creep experiments. The phenomenon of back-creep was utilized to investigate effects of load transfer from the matrix to the fibers and to conclude on the overall evolution of the composite strain rate.