Effect of cyclic high loading rates on the fatigue strength of aluminum-based composites

Abstract

The study of fatigue under high loading rates is of great interest in the complete characterization of a new series of composites with Al-Cu-Mg matrix reinforced with AlB2 dispersoids. Homogeneous and functionally graded composites were prepared via gravity and centrifugal casting, respectively. Through centrifugal casting a gradual variation of the volume fraction of reinforcing particles along the cross section was obtained. In specific fabrication conditions, even complete segregation of the reinforcement particles was achieved. Charpy impact tests as well as hardness tests were conducted to assess the composite strength as a function of the weight percent of boron. The tensile properties of gravity cast samples were obtained. Then for both casting conditions, simple edge-notched bend SE(B) specimens were tested under fatigue conditions (three-point bending). The results from impact and hardness tests allowed identifying an interaction between the Mg dissolved in the matrix and the diborides. This interaction, which has never been reported before, was responsible for the strength reduction observed. It was assumed that a substitutional diffusion of Al by Mg atoms in the hp3 structure of diboride was causing the strength reduction, and three approaches were developed to estimate the amount of Mg depleted from the matrix by the diborides during the composite processing. Gravity cast samples were more sensitive to monotonic damage due to fatigue loads where compared with functionally-graded composites. Contrary to the centrifugal cast samples, gravity samples were also affected by the loading rate. The Mg-AlB2 interaction was also responsible for the reduction in the fatigue resistance as the weight percent of boron increased in both types of composites; regression models were obtained to predict the crack growth curve slope change as function of the boron level. The particle distribution showed to affect the crack growth behavior of the FGMs, decreasing the fatigue resistance when the crack tip traveled through higher particle density zones. The fracture surface of these composites exhibited quasicleavage and the roughness was associated with the microstructure phases. Finally, the effect of the Mg-AlB2 interaction could be corrected if it is taken into account in the mass balance prior to the casting process.

El estudio de la fatiga cuando las cargas son aplicadas a alta velocidad es de gran interés en la caracterización completa de una nueva serie de compuestos con matriz Al-Cu-Mg reforzada con AlB2. Compuestos con distribución homogénea de partículas y de gradiente funcional fueron fabricados mediante fundición normal y fundición centrífuga, respectivamente. Usando fundición centrífuga se obtuvo una variación gradual de la fracción volumétrica de partículas a lo largo de la sección transversal de la muestra. Bajo condiciones particulares, también se obtuvo una completa segregación de las partículas de refuerzo. Pruebas de impacto tipo Charpy, así como pruebas de dureza, fueron realizadas para determinar la resistencia de los compuestos en función del porcentaje en peso de boro (wt.% B). Se obtuvieron las propiedades en tensión de muestras obtenidas por fundición normal. Ambos tipos de fundición fueron ensayados en fatiga. En ambos casos se prepararon especímenes de flexión con muesca central SE(B). Los resultados de las pruebas de impacto y dureza permitieron identificar una interacción entre el Mg disuelto en la matriz y las partículas de refuerzo. Esta interacción, nunca reportada antes, fue responsable de la caída en resistencia observada en dichas pruebas. Se asumió que la difusión sustitucional de átomos de Al por átomos de Mg en la estructura hp3 de los diboruros causó dicha caída en resistencia; tres métodos se desarrollaron para estimar la cantidad de Mg tomada por las partículas de la matriz durante la fabricación del compuesto. Las muestras obtenidas por fundición normal fueron más sensibles a daño monotónico que los compuestos obtenidos por centrifugado, a las cargas de fatiga ensayadas. Contrario a los resultados observados en muestras obtenidas por centrifugado, las muestras obtenidas por fundición normal también fueron afectadas por la velocidad de carga. La interacción Mg-AlB2 también fue responsable de la reducción en la resistencia a fatiga cuando se aumentó el wt.% B en ambos tipos de compuestos. Modelos de regresión fueron ajustados para predecir el cambio en la pendiente de la curva da/dN vs ΔK* en función del wt.% B. La distribución de partículas afectó el crecimiento de grieta en compuestos de gradiente funcional, disminuyendo la resistencia a fatiga cuando la grieta atravesó las zonas con mayor densidad de partículas. La superficie de fractura exhibió una mezcla entre regiones de fractura frágil y dúctil, mientras la rugosidad fue asociada a las fases presentes en la microestructura. Para concluir, el efecto de la interacción Mg-AlB2 podría ser corregido si tal interacción es tomada en cuenta en el balance de masa, antes del proceso de fundición.