Influence of alloying elements and melt treatments on microstructure and mechanical properties of the AlSi7Mg alloy

Nel corso degli ultimi decenni l’impiego di leghe di alluminio AlSi7Mg è notevolmente aumentato nell’ambito dell’autoveicolo, in quanto le vetture ne risultano alleggerite e più ecologiche. Pertanto è di cruciale importanza approfondire le conoscenze riguardo le proprietà di tali leghe in modo da poterle ottimizzare tramite preciso controllo della composizione chimica, trattamenti della lega liquida ben operati e trattamenti termici sviluppati ad hoc. Il presente lavoro riguarda l’influenza che gli elementi in lega ed i trattamenti della lega liquida hanno sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche della lega AlSi7Mg. I principali elementi alliganti coinvolti nel sistema AlSi7Mg sono magnesio (Mg), titanio (Ti), rame (Cu) e nichel (Ni), e ciascun elemento ha uno specifico effetto sulla microstruttura. Tali elementi modificano le curve di solidificazione della lega, ed alcuni di essi possono interagire con gli agenti affinanti e modificanti presenti per i trattamenti della lega liquida. Alla luce di ciò, l’analisi termica risulta un utile strumento per acquisire le curve di raffreddamento e rivelare variazioni di temperatura nel corso della solidificazione. Tali parametri, quando opportunamente interpretati, aiutano a predire l’avvenuta aggiunta di elementi alliganti e la riuscita dei trattamenti della lega, e dunque a definire la microstruttura attesa. Il miglioramento delle proprietà meccaniche della lega spesso si basa sull’aggiunta di rame e nickel come elementi alliganti. Il primo incrementa significativamente le proprietà a trazione prima e dopo trattamento termico, ed il secondo fornisce delle eccellenti proprietà meccaniche a temperature elevate. Prove di fatica in situ nel microscopio elettronico a scansione (SEM) abbinate alla digital image correlation (DIC) e prove di resilienza Charpy rispettivamente su leghe AlSi7Mg additivate con rame e nichel aiutano ad approfondire il ruolo giocato da tali elementi nel corso di nucleazione e propagazione della cricca. Il rame rinforza la matrice di alluminio primario per soluzione solida e la propagazione della cricca si mantiene transgranulare e trans-dendritica all’aumentare del tenore di rame in lega. Il nichel invece porta alla formazione di fasi fragili che non hanno influenza sulle proprietà meccaniche allo stato as-cast ma le inficiano dopo trattamento termico T6.

During the last decades, the employment of AlSi7 cast alloys in the automotive industry has significantly improved because vehicles result lighter and more eco-friendly. Thus it is crucial to increase the knowledge about the properties of such alloys in order to optimise them through precise control of chemical composition, well-performed melt treatments and tailored heat treatments. The present work focuses on the influence of alloying elements and melt treatments on microstructure and mechanical properties of the AlSi7Mg alloy. The main alloying elements involved in the AlSi7Mg systems are magnesium (Mg), titanium (Ti), copper (Cu) and nickel (Ni) and each element has a specific effect on the microstructural features. They influence the solidification curves of the alloy, and some of them can also interact with the grain refiners and eutectic modifiers added for melt treatments. In light of this, thermal analysis is useful to record the cooling curves and to detect temperature changes during solidification. These parameters, when carefully interpreted, help to predict the success of alloying additions and melt treatments, and thus to define the expected microstructure. The improvement of the mechanical properties of the alloy often relies on the addition of Cu and Ni as alloying elements. The first significantly increases the tensile properties before and after heat treatment, and the second provides excellent high-temperature mechanical properties to the alloy. In-situ fatigue tests in the scanning electron microscope (SEM) coupled with digital image correlation (DIC) and Charpy impact tests on Cu-added and Ni-added AlSi7Mg alloys, respectively, help to deepen the role played by these elements during crack nucleation and propagation. Cu strengthens the primary α-aluminium matrix via solid solution and crack propagation remains trans-granular and trans-dendritic as the copper content increases. Ni, on the other hand, forms brittle phases that do not influence the as-cast mechanical properties but significantly affect them after T6 heat treatment.