Influencing parameters on elastic modulus of steels

An optimised balance between weight and stiffness of a car component is achieved when the selected material exhibits an increased ratio between elastic modulus and density. The elastic modulus of steel decreases progressively with increasing temperature due to the thermal activation of lattice vibrations. Since the elastic modulus of metals is related to their lattice constants, austenitic steels are expected to exhibit higher elastic moduli than ferritic steels because of their higher packing density. However, the coupling of electron spin moments due to the ferromagnetic character of bcc steels results in higher elastic modulus of ferritic steels at temperatures below the Curie temperature. An increase in elastic modulus in selected loading directions can be realised by properly adjusted crystallographic textures. However, no examples were found where the maximum elastic modulus exceeds 225 GPa in bcc steels with pronounced crystallographic textures. Alloying elements decrease the elastic modulus with increasing alloying content. Known exceptions from this rule are the elements Re, Co and Cr. The elastic modulus of steel can be increased significantly by particles of high elastic modulus. Finally, it is reduced by plastic deformation because of the increased dislocation density. This negative effect can be balanced by subsequent heat treatments.

On obtient une balance optimisée entre le poids et la rigidité d′une piéce d′automobile lorsque le matériau choisi exhibe une augmentation du rapport entre le module d′élasticité et la densité. Le module d′élasticité de l′acier diminue progressivement avec l′augmentation de la température à cause de l′activation thermique des vibrations du réseau. Puisque le module d′élasticité des métaux est relié à leurs constantes de réseau, on s′attend à ce que les aciers austénitiques exhibent des modules d′élasticité plus élevés que ceux des aciers ferritiques parce qu′ils possédent une plus grande densité de tassement. Cependant, le couplage des moments du spin électronique, dû au caractére ferromagnétique des aciers bcc, résulte en un module d′élasticité plus élevé des aciers ferritiques à des températures plus basses que la température de Curie. On peut augmenter le module d′élasticité dans des directions choisies de charge en ajustant correctement les textures cristallographiques. Cependant, nous n′avons pas trouvé d′exemples où le module d′élasticité maximum excédait 225 GPa dans les aciers bcc ayant des textures cristallographiques prononcées. L′augmentation de la teneur en éléments d′alliage diminue le module d′élasticité. Les éléments Re, Co, et Cr font exception à cette règle. On peut augmenter significativement le module d′élasticité de l′acier à l′aide de particules à module d′élasticité élevé. Finalement, le module d′élasticité est réduit par déformation plastique à cause de l′augmentation de la densité de dislocation. On peut balancer cet effet négatif au moyen de traitements thermiques subséquents.     

Development of TiC reinforced austenitic manganese steel

The Fe–17Mn austenitic manganese steel and its in situ composite containing 10 vol.-%TiC were produced by conventional melting and casting technique. The mechanical properties such as hardness, impact toughness, elastic modulus, and impact wear resistance of the steel and composite were evaluated both in the as solutionised (1100°C/1 h/WQ) and secondary processed (forged plus warm rolled) condition. It is observed that an incorporation of hard TiC particles in austenitic manganese steel as well as secondary processing help to increase the hardness, elastic modulus and impact wear resistance, but deteriorate the impact toughness.

On a produit l’acier austénitique au manganèse, Fe–17Mn et son composite in-situ contenant 10% en volume de TiC, par une technique conventionnelle de fusion et de moulage. On a évalué les propriétés mécaniques comme la dureté, la résistance à l’impact, le module d’élasticité et la résistance à l’usure par impact de l’acier et de son composite après traitement de mise en solution (1100°C/1 h/trempé à l’eau) ou après traitement secondaire (forgé et laminé à chaud). On a observé qu’une incorporation de particules dures de TiC dans l’acier austénitique au manganèse, ainsi que le traitement secondaire, augmentait la dureté, le module d’élasticité et la résistance à l’usure par impact, mais détériorait la résistance à l’impact.     

Comparison of static and dynamic methods for measuring stiffness of high modulus steels and metal composites

The accurate measurement of modulus is not an issue specific to high modulus steels, but is still a challenge for the wider engineering and materials community. Inherently, the measurements should not offer significant problems, but results from a series of interlaboratory validation exercises and data on representative high modulus steels are included to illustrate some of the practical issues associated with the static and dynamic techniques. Dynamic methods probably offer the potential for the most accurate measurements due to the simple geometry and test set-up. Results show that a well set up test could be expected to give modulus values with an uncertainty of ±1–2%. Comparable levels can be achieved from the tensile test, but only through the use of a separate and dedicated test, where loading is carried out below the elastic limit, using averaging strain measurement, careful alignment and robust data analysis procedures.

La mesure précise du module d’élasticité n’est pas un problème spécifique aux aciers à module d’élasticité élevé, mais c’est quand même un défi pour la grande communauté d’ingénierie et des matériaux. Fondamentalement, les mesures ne devraient pas offrir de problèmes importants, mais on inclut les résultats d’une série d’exercices de validation entre laboratoires et les données d’aciers représentatifs à module d’élasticité élevé pour illustrer certains des problèmes pratiques associés aux techniques statiques et dynamiques. Il est probable que les méthodes dynamiques offrent le potentiel de mesures les plus précises grâce à la géométrie et au montage d’essai simples. Les résultats montrent qu’on peut s’attendre à ce qu’un essai bien monté donne des valeurs du module d’élasticité avec une incertitude de ±1–2%. On peut obtenir des niveaux comparables pour l’essai de traction, mais seulement au moyen de l’utilisation d’un essai séparé et dédié, où la mise sous contrainte est effectuée sous la limite d’élasticité, en utilisant la mesure moyenne de la déformation, un alignement diligent et des procédures robustes d’analyse de données.     

Furnace refractory practice at Manitoba Rolling Mills

Abstract

Iron is considered as an impurity in aluminium alloys due to its detrimental impact on strength and ductility. Much work has been carried out to reduce the iron levels in recycled aluminium alloys. In this investigation, the influence of Mn additions for reducing the Fe content in an Al–Si alloy has been studied. The experimental results and thermodynamic calculations revealed that a reduction of up to 62%Fe content can be achieved. The major mechanism of iron removal is the formation of the primary α-AlFeMnSi particles when held at lower temperatures. The characteristics and compositions of these particles, which settle on the bottom of the alloy melts, were confirmed using optical microscopy and X-ray diffraction techniques.

Dans les alliages d’aluminium, le fer est considéré comme une impureté en raison de son effet négatif sur la résistance et la ductilité. Des travaux ont été menés pour réduire la quantité de fer dans les alliages d’aluminium recyclé. L’étude menée porte sur l’influence des ajouts de manganèse visant à réduire la teneur en fer dans un alliage Al–Si. Les résultats expérimentaux et les calculs thermodynamiques ont révélé qu’il est possible d’atteindre une réduction de 62% de la teneur en Fe. Le principal mécanisme d’extraction du fer est la formation de particules d’alliage α-AlFeMnSi lorsque des températures plus basses sont maintenues. Les caractéristiques et la composition de ces particules, qui se déposent au bas des fontes d’alliage, ont été confirmées à l’aide de microscopie optique et de techniques de diffraction des rayons X.     

Characterisation of Al–B4C composite microstructures and their effect on fluidity

Abstract

Microstructural variables such as particle volume fraction, distribution and agglomeration significantly affect the properties of Al–B₄C metal matrix composites. The aim of the investigation was to study the quantitative characterisation of the microstructural variables and their effects on the fluidity of the composites. The results showed that the particle volume fraction, homogeneity of particle distribution, and volume fraction of agglomerates could be quantitatively analysed by the imaging analysis technique. It was found that the amounts of the particle clusters and networks, as well as the effective volume fraction of total particles augmented with the increase in the holding time. In addition, the longer holding time was, the less homogeneous the particle distribution became. Moreover, the particle agglomerates have a tendency to migrate to the flow end which results in an accelerated stopping of the flow. The increase in the effective particle volume fraction corresponded well with the fluidity deterioration of the composites during the melt holding.

Les paramètres microstructuraux, tels que la fraction volumique, la distribution et l’agglomération des particules affectent de manière significative les propriétés du composite à matrice métallique Al–B₄C. Ce travail porte sur la caractérisation quantitative des propriétés microstructurales ainsi que leurs effets sur la fluidité des matériaux composites. La fraction volumique des particules, l’homogénéité de leur distribution et la fraction volumique des agrégats ont été analysées quantitativement à l’aide de la technique d’analyse d’images. Les résultats montrent une augmentation de la quantité d’agrégats et de la fraction volumique effective des particules avec l’augmentation du temps de maintien. De plus, plus le temps de maintien est long, moins grande est l’homogénéité de la distribution des particules. Par ailleurs, les agglomérats ont tendance à migrer vers l’aval de l’écoulement, ce qui accélère l’arrêt de l’écoulement. L’augmentation de la fraction volumique effective des particules correspond parfaitement à la dégradation de la fluidité des matériaux composites.     

Mechanical behaviour of thermomechanically produced ultrafine grained dual-phase steels

Dual-phase (DP) steels are an excellent alternative in the production of automotive parts that require high mechanical resistance, high impact strength and elevated elongation. These materials are produced using low alloy steels as a basis, reducing costs and resulting in a combination of martensite and ferrite structures with ultrafine grain size. These characteristics are achieved through strict control of rolling conditions, strain rate, cooling rate and coiling temperature. This work presents the results of tension testing of two types of DP steels, along with microstructural characterisation, in order to understand the effect of the advanced thermomechanical controlled rolling processes on the formation of the microstructure and resulting mechanical properties.

Les aciers biphasés sont une excellente substitution pour la production de composantes automobiles qui requièrent une résistance mécanique élevée, une haute résistance à l’impact et une grande élongation. Ces matériaux sont produits en utilisant des aciers faiblement alliés comme base, réduisant les coûts et engendrant des combinaisons de structures martensitiques et ferritiques à granularité ultrafine. On obtient ces caractéristiques grâce à un contrôle strict des conditions de laminage, de la vitesse de déformation, de la vitesse de refroidissement et de la température d’enroulement. Cet article présente les résultats des essais de traction de deux nuances d’acier biphasé, de même que la caractérisation de la microstructure, afin de comprendre l’effet des procédés avancés de laminage thermomécanique contrôlé sur la formation de la microstructure et les propriétés mécaniques qui en déroulent.     

Particle Discrimination in Water Based Limca (Liquid Metal Cleanliness Analyzer) System

Abstract

A mathematical model has been developed to predict the motion of particles in a water based version of the LiMCA system — APS II (Aqueous Particle Sensor) system. The fluid field entering the electric sensing zone (ESZ) was obtained by solving the Navier-Stokes equations and the trajectories of particles by equations for the motion of particles. The results showed that the motions of the particles inside the parabolic shaped orifice are affected by particle density and size. Entrained micro-bubbles lead the fluid flow, travelling faster than latex micro-spheres, which are slightly denser than the fluid and lag only slightly behind the flow. Silica particles, which are much denser than the fluid, lag significantly behind the flow, accelerating more slowly than latex micro-spheres and much more slowly than bubbles. The relative velocities between the entrained particles and the inflowing water decrease with decreasing particle size. The experimental results showed that 1) larger particles have longer transit times than do smaller ones, 2) bubbles have shorter transit times than do latex spheres and much shorter than do silica particles of the same size and 3) differences in transit times are more pronounced for larger particles in keeping with theoretical predictions. The results prove that inclusion discrimination on the basis of density difference is realizable in water based LiMCA systems.

On a développé un modèle mathématique pour prédire le mouvement des particules dans une version à base d’eau du système “LiMCA” (analyseur de la ‘propreté’ du métal liquide)—système APS II (détecteur aqueux pour particules). On a obtenu le champ fluide entrant la zone de détection électrique (ESZ) en résolvant les équations de Navier-Stokes; on a obtenu la trajectoire des particules par les équations du mouvement des particules. Les résultats montrent que le mouvement des particules à l’intérieur de l’orifice parabolique est affecté par la densité et la taille des particules. Les micro-bulles entraînées conduisent l’écoulement de fluide, voyageant plus vite que les microsphères de latex, qui sont légèrement plus denses que le fluide et ne sont que très légèrement en retard derrière l’écoulement. Les particules de silica, qui sont beaucoup plus denses que le fluide, sont significativement en retard derrière l’écoulement, accélérant plus lentement que les micro-sphères de latex et beaucoup plus lentement que les bulles. La vélocité relative entre les particules entraînées et l’eau d’entrée diminue avec une diminution de la taille des particules. Les résultats expérimentaux montrent que 1) les plus grosses particules ont une durée de passage plus longue que les petites particules, 2) les bulles ont une durée de passage plus courte que les sphères de latex et beaucoup plus courte que les particules de silica de la même taille. 3) Les différences de durée de passage sont plus prononcées pour les plus grosses particules, en accord avec la théorie. Les résultats prouvent que la discrimination d’inclusion sur la base de la différence de densité est réalisable avec un système “LiMCA” à base d’eau.     

Mechanism of Oxidation of Pyrite,Chalcopyrite and Bornite During Flash Smelting

Abstract

The oxidation processes of pyrite, chalcopyrite and bornite were studied under simulated flash smelting conditions. The influence of temperature, in the range from 733 to 1473 K and of oxygen partial pressure (3.5 and 21 kPa) on the degree of sulphide particle oxidation was determined. It was established that under the same conditions, the highest degree of oxidation was achieved for pyrite particles and the oxidation of bornite particles was the slowest process.

It was established with electron probe microanalysis (EPMA) that migration of iron ions towards the reaction surface took place during sulphide particle oxidation on flash smelting. This process considerably influenced the path of phase transformations in the oxidizable particles.

Based on the experimental results, a dependence has been found between the shape of reacted particle and the degree of particle phase transformation. Mechanisms have been proposed for pyrite, chalcopyrite and bornite oxidation in flash smelting, on the basis of results obtained.

The adequacy of mechanisms proposed was tested by investigating the shaft product taken from the flash smelting furnace (Pirdop, Bulgaria) obtained when sulphide copper blend was smelted to a matte containing 55% of Cu.

On a étudié les processus d’oxydation de la pyrite, de la chalcopyrite et de la bornite sous des conditions simulées de fusion flash. On a déterminé l’influence de la température, dans la gamme de 733 à 1473 K, et de la pression partielle de l’oxygène (3.5 et 21 kPa) sur le degré d’oxydation de particule de sulfure. On a établi que, sous les mêmes conditions, le plus haut degré d’oxydation est obtenu pour les particules de pyrite alors que l’oxydation des particules de bornite est le processus le plus lent.

On a établi au moyen d’analyse par microsonde électronique (EPMA) que la migration des ions de fer vers la surface de réaction a lieu pendant l’oxydation de la particule de sulfure au moment de la fusion flash. Ce processus influence considérablement la route des transformations de phase des particules oxydables.

Basé sur les résultats expérimentaux, on a trouvé une dépendance entre la forme d’une particule ayant réagi et le degré de transformation de phase de la particule. On propose des mécanismes d’oxydation de la pyrite, de la chalcopyrite et de la bornite dans la fusion flash, sur la base des résultats obtenus.

On a évalué l’adéquation des mécanismes proposés en étudiant le produit de la cuve pris du four de fusion flash (Pirdop, Bulgarie) obtenu lorsqu’un mélange de sulfure et de cuivre était fondu en une matte contenant 55% de Cu.     

Combined effect of bismuth content and cooling rate on microstructure and mechanical properties of Al–8·5Si–0·4Mg–0·3Fe alloy

Abstract

This study investigates the combined effect of Bi content (0·1, 0·2, 0·4 and 0·5 wt-%) and cooling rate (from 0·7 to 4°C s^?1) on the microstructure, tensile characteristics, quality index and two-parameter Weibull modulus of an Al–8·5Si–0·4Mg–0·3Fe alloy. Results show that Bi refined the eutectic Si structure and that increasing the cooling rate intensified the refining efficiency. The thickness of the β-Al₅FeSi intermetallic decreased with an increase in the cooling rate, but no significant effect was observed with the addition of Bi. The contour maps of mechanical properties suggest that the effect of cooling rate on mechanical properties was more significant than that of Bi additions. The highest Weibull modulus for the base alloy and Bi containing alloy was obtained at the cooling rate of 4°C s^?1. Decrease in the thickness of β intermetallic phase and reduced porosity with increasing cooling rate appeared to cause a decreased variability of UTS data.

Cette étude examine l’effet combiné de la teneur en Bi (0·1, 0·2, 0·4 et 0·5% en poids) et de la vitesse de refroidissement (de 0·7 à 4°C s^?1) sur la microstructure, les caractéristiques de tension, l’index de qualité et deux modules de Weibull d’un alliage d’Al–8·5Si–0·4Mg–0·3Fe. Les résultats montrent que le Bi raffine la structure de l’eutectique de Si et que l’augmentation de la vitesse de refroidissement intensifie le rendement du raffinement. L’épaisseur de l’intermétallique Al₅FeSi-β diminuait avec une augmentation de la vitesse de refroidissement, mais on n’a pas observé d’effet important avec l’addition de Bi. Les tracés du contour des propriétés mécaniques suggèrent que l’effet de la vitesse de refroidissement sur les propriétés mécaniques était plus important que celui des additions de Bi. On a obtenu le module de Weibull le plus élevé pour l’alliage de base et pour l’alliage contenant du Bi à la vitesse de refroidissement de 4°C s^?1. La diminution de l’épaisseur de la phase intermétallique β et une réduction de la porosité avec une augmentation de la vitesse de refroidissement semblaient résulter en une diminution de la variabilité des données d’UTS.     

Isothermal oxidation behaviour of beta gamma powder metallurgy TiAl–4Nb–3Mn alloys

Abstract

A new TiAl–4Nb–3Mn beta gamma alloy was synthesised by a powder metallurgy process. HIPed and vacuum heat treated specimens were isothermally oxidised at 800 and 900°C in air up to 500 h. The TiAl–4Nb–3Mn alloys oxidised parabolically up to 500 h at both 800 and 900°C. The oxides consisted of outer TiO₂ layer, intermediate Al₂O₃ layer and inner TiO₂ rich mixed layer and the oxidation mechanisms of the alloy were identical at both temperatures. During oxidation, the degradation of α₂ lamellae in the vicinity of the interface forms a diffusion zone (lamellar depleted zone) leading to the formation of Nb and Mn rich white layers just below the interface by outward diffusion of Nb and Mn which are released from breakdown of α₂ lamellae. As exposure time increases, Nb begins to diffuse earlier than Mn and diffuses more actively at higher temperature. The activation energy for oxidation of TiAl–4Nb–3Mn alloy was lower than that of Ti–48Al alloy and was higher than those of Ti–48Al–2Nb–2Cr and Ti–48Al–2Nb–2Cr–W alloys.

On a synthétisé un nouvel alliage TiAl–4Nb–3Mn de type bêta gamma par un procédé de métallurgie des poudres. On a oxydé en isotherme à 800 et à 900°C à l’air, jusqu’à une durée de 500 heures, les spécimens pressés par HIP et traités thermiquement sous vide. Les alliages de TiAl-4Nb-3Mn s’oxydaient paraboliquement jusqu’à 500 heures tant à 800°C qu’à 900°C. Les oxydes consistaient en une couche externe de TiO₂, en une couche intermédiaire d’Al₂O₃ et en une couche interne mixe riche en TiO₂ et les mécanismes d’oxydations de l’alliage étaient identiques aux deux températures. Lors de l’oxydation, la dégradation de lamelles d’α₂ dans le voisinage de l’interface forme une zone de diffusion (zone lamellaire appauvrie) menant à la formation de couches blanches riches en Nb et en Mn juste au-dessous de l’interface par diffusion vers l’extérieur du Nb et du Mn, qui sont relâchés par la dégradation des lamelles d’α₂. À mesure que la durée de l’exposition augmente, le Nb commence à se diffuser plus tôt que le Mn et se diffuse plus activement à une température plus élevée. L’énergie d’activation pour l’oxydation de l’alliage de TiAl–4Nb–3Mn était plus basse que celle de l’alliage de Ti–48Al et était plus élevée que celle des alliages de Ti–48Al–2Nb–2Cr et de Ti–48Al–2Nb–2Cr–W.     

Effect of particle size distribution on recovery of coarse chalcopyrite and galena in Denver flotation cell

Abstract

The flotation recovery by particle size of single mineral chalcopyrite and galena was studied in a Denver flotation cell, using sodium dicresylthiophosphate (DTP) and sodium isopropyl xanthate (SIPX) as collectors and polypropylene glycol (PPG) as a frother. The study was extended to very coarse particle size (up to 1·6 mm). Froth stability was also measured in parallel to the batch flotation tests, in a specifically designed froth stability column, following the Bikerman approach. It is shown that particles up to 850 μm can be floated successfully, provided they are liberated and hydrophobic. However, the recovery of both chalcopyrite and galena was strongly influenced by the overall particle size distribution, decreasing sharply as the fraction of fines (?106 μm) in the feed also decreased. Rheology measurements showed negligible differences in pulp viscosity, and therefore in the collection zone hydrodynamics, between the different conditions tested. Froth stability, on the contrary, decreased as the feed particle size distribution became coarser. Correlation was found between the amount of fines in the pulp, froth stability and flotation recovery. The recovery of mineral particles is critically dependent on froth stability, which in turn is highly influenced by the overall particle size distribution of the feed material. For these reasons, the study also suggests that it is not possible in batch flotation to determine the rate and recovery of the coarse particle size fractions floating them independently from the fine size fractions.

Dans une cellule de flottation de Denver, on a étudié la récupération par flottation en fonction de la taille de particule d’un minéral unique de chalcopyrite ou de galène, en utilisant du dicrésyle thiophosphate de sodium (DTP) et de l’isopropyle xanthate de sodium (SIPX) comme agents collecteurs et du polypropylène glycol (PPG) comme agent moussant. On a étendu l’étude à la taille de particule très grossière (jusqu’à 1·6 mm). On a également mesuré la stabilité de la mousse en parallèle aux essais de flottation discontinue, dans une colonne de stabilité de la mousse spécialement conçue, d’après l’approche de Bikerman. On montre que l’on peut faire flotter avec succès des particules ayant jusqu’à 850 μm, à la condition qu’elles soient libres et hydrophobes. Cependant, la récupération, tant de la chalcopyrite que de la galène, était fortement influencée par la distribution globale de la taille de particule, diminuant sévèrement à mesure que la fraction de particules fines (?106 μm) dans l’alimentation diminuait. Les mesures de rhéologie montraient des différences négligeables dans la viscosité de la pulpe et ainsi dans l’hydrodynamique de la zone de collection, parmi les différentes conditions évaluées. Au contraire, la stabilité de la mousse diminuait à mesure que la distribution de la taille de particule de l’alimentation devenait plus grossière. On a trouvé une corrélation entre la quantité de particules fines dans la pulpe, la stabilité de la mousse et la récupération par flottation. La récupération des particules minérales dépend, de façon critique, de la stabilité de la mousse qui, à son tour est hautement influencée par la distribution globale de la taille de particule du matériel d’alimentation. Pour ces raisons, l’étude suggère également qu’il n’est pas possible, en flottation discontinue, de déterminer la vitesse et la récupération des fractions de taille de particules grossières, en les faisant flotter indépendamment des fractions de taille fine.     

On enhancement of hypoeutectic aluminium–silicon powder metallurgy alloy

Abstract

Currently, there exists a considerable demand within the automotive industry for the development of aluminium–silicon alloys that can be processed through powder metallurgy (PM) technologies. As such, a study aimed at the development of a new hypoeutectic aluminium–silicon PM alloy (Al–6Si–4·5Cu–0·5Mg–0·2Sn) was recently undertaken. Although the preliminary data were encouraging, it was postulated that a refinement of the bulk alloy chemistry could yield additional gains. In the present work, the sintering response mechanical properties of this alloy were enhanced by making controlled adjustments in composition. The influence of the amount and raw powdered sources of copper, magnesium and tin were the principal variables investigated. Using XRD and metallographic examination, it was determined that a decrease in the copper content to 3·0 wt-% improved ductility significantly. Furthermore, the incorporation of magnesium as an elemental powder versus an Al–Mg master alloy improved sintering behaviour significantly, while tin additions up to 0·2 wt-% increased yield stress and hardness. The optimised alloy exhibited a threefold increase in ductility as well as a 25% gain in yield strength.

Présentement, il existe une grande demande dans l’industrie de l’automobile pour le développement d’alliages aluminium silicium qu’on peut obtenir par les techniques de métallurgie des poudres (PM). Ainsi, on a récemment entrepris une étude visant au développement d’un nouvel alliage hypoeutectique aluminium silicium (Al-6Si-4·5Cu-0·5Mg-0·2Sn) par PM. Bien que les données préliminaires soient encourageantes, on a postulé qu’un raffinement de la chimie de l’alliage brut pourrait produire des gains additionnels. Dans le présent travail, on a amélioré les propriétés mécaniques de la réponse au frittage de cet alliage en faisant des ajustements contrôlés de la composition. L’influence de la quantité et l’influence des sources de poudres brutes de cuivre, de magnésium et d’étain étaient les principales variables examinées. En utilisant la XRD et l’examen métallographique, on a déterminé qu’une diminution de la teneur en cuivre à une valeur de 3·0% en poids améliorait significativement la ductilité. De plus, l’incorporation du magnésium comme poudre élémentaire par rapport à un alliage maître d’Al-Mg améliorait significativement le comportement de frittage, alors que des additions d’étain jusqu’à 0·2% en poids augmentaient la limite élastique et la dureté. L’alliage optimisé exhibait une augmentation triple de la ductilité ainsi qu’un gain de 25% de la limite d’élasticité.     

Reciprocating wear response of Ti(C,N)–Ni3Al cermets

Abstract

Ti(C,N) based cermets have received significant attention due to their enhanced mechanical properties at elevated temperatures, low mass and increased chemical stability, when compared to WC–Co hardmetals. These properties have been found to be superior in many cases to traditional hardmetal replacements, such as TiC–Ni. The current study focuses on Ti(C,N)–Ni₃Al cermets formed through melt infiltration (with binder contents ranging from 20 to 40 vol.-%Ni₃Al). Comparison is made with TiC–Ni₃Al cermets using an identical binder alloy. The reciprocating ball on flat wear properties of the cermets were evaluated as a function of applied load (using a WC–Co counterface), together with the composite hardness and indentation fracture resistance. It is shown that nitrogen content negatively affects infiltration, resulting in non-infiltrated areas within low binder content cermets, which decreases the indentation fracture resistance and hardness. This problem can be largely mitigated by increasing binder content. When comparing fully infiltrated cermets, increasing nitrogen content decreases hardness and increases toughness, while all Ti(C,N) cermets outperform TiC (at 40 vol.-% binder). Reciprocating wear increased with increasing load, and typically was the most severe for the lowest binder contents. A combination of wear mechanisms were apparent, including both abrasive and adhesive wear, with the formation of an oxide tribolayer containing components from both the tested cermets and the WC–Co counterface material.

Les cermets à base de Ti(C,N) ont reçu une attention importante grâce à leurs propriétés mécaniques améliorées aux températures élevées, à leur faible masse et à leur stabilité chimique augmentée, lorsque comparés aux carbures métalliques de WC–Co. Dans plusieurs cas, on a trouvé que ces propriétés étaient supérieures à celles des remplacements traditionnels de carbures métalliques, comme le TiC–Ni. La présente étude se concentre sur les cermets de Ti(C,N) –Ni₃Al formés par infiltration du bain (la teneur du liant variant de 20 à 40% en volume de Ni₃Al). On les compare aux cermets de TiC–Ni₃Al en utilisant un alliage de liaison identique. On a évalué les propriétés d’usure par déplacement alternatif de bille sur disque des cermets en fonction de la charge appliquée (utilisant un antagoniste en WC–Co), ainsi que de la dureté du composite et de la résistance à la fracture d’indentation. On montre que la teneur en azote affecte négativement l’infiltration, ayant pour résultat des régions non infiltrées à l’intérieur des cermets à faible teneur en liant, ce qui diminue la résistance à la fracture d’indentation et la dureté. On peut largement atténuer ce problème en augmentant la teneur en liant. Lorsque l’on compare des cermets entièrement infiltrés, l’augmentation de la teneur en azote diminue la dureté et augmente la ténacité, alors que tous les cermets de Ti(C,N) surpassent le TiC (à 40% en volume de liant). L’usure par déplacement alternatif augmentait avec une augmentation de la charge, et était typiquement plus sévère pour les plus faibles teneurs en liant. Une combinaison de mécanismes d’usure était apparente, incluant tant l’usure par abrasion que l’usure d’adhérence, avec formation d’une couche tribologique oxyde contenant des composantes tant des cermets évalués que du matériau antagoniste en WC–Co.     

XRD and XANES study of reactions in particulate Al–Mg alloy composites

Abstract

Reactivity in stir cast Al Uju Mg alloy composites reinforced with fly ash was investigated by means of X‐ray diffraction (XRD) and X‐ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy at Al and Si K‐edges. High purity Al, α‐Al₂O₃, MgAl₂O₄ (spinel), MgO and SiO₂ powders were used as reference materials in the XANES investigation. The XRD and XANES data acquired from the raw fly ash used in making the composites were compared with fly ash particles extracted from the as cast composites. The major reaction product formed during fabrication of the composites was spinel. The XANES technique was useful in verifying the presence of various oxides in raw and extracted fly ash particles.

On a investigué la réactivité de composites de l’alliage Al–Mg renforcé avec des cendres volantes et moulé par agitation, au moyen de la diffraction des rayons X (XRD) et de la spectroscopie de structure près du front d’absorption des rayons X (XANES) aux seuils K de l’Al et du Si. On a utilisé des poudres d’Al, d’Al₂O₃‐α, de MgAl₂O₄ (spinelle), de MgO et de SiO₂ de haute pureté comme matériaux de référence dans l’investigation par XANES. On a comparé les données de XRD et de XANES acquises à partir des cendres volantes brutes utilisées dans la fabrication des composites, avec les particules de cendres volantes extraites des composites de brut de coulée. Le produit de réaction majeur formé lors de la fabrication des composites était le spinelle. La technique de XANES était utile dans la vérification de la présence d’oxydes variés dans les particules de cendres volantes brutes et extraites.     

Effects of some solid lubricant particles and their concentration in oil towards controlling wear performance of leaded tin bronze bush

Abstract

This investigation pertains to the examination of the sliding wear response of a leaded tin bronze bush as influenced by the changing content of solid lubricants such as talc, graphite and lead when mixed with oil. Wear tests were performed to determine the wear loss, frictional heating and friction coefficient. Characteristics of wear surfaces and subsurface regions threw light on the operating wear mechanisms and further substantiated the observed wear behaviour. The solid lubricants were noted to significantly influence the overall performance of the samples wherein their content produced an identical trend while their type and structure showed a mixed effect.

Cette étude a trait à l’examen de la réponse à l’usure par glissement d’une bague de palier de bronze à l’étain au plomb, influencée par la teneur changeante de lubrifiants solides comme le talc, le graphite ou le plomb, lorsque mélangés avec de l’huile. On a effectué des essais d’usure afin de déterminer la vitesse d’usure, le chauffage dû à la friction et le coefficient de friction. Les caractéristiques des surfaces d’usure et des régions sous la surface ont permis de comprendre les mécanismes d’usure et de substantifier davantage le comportement à l’usure observé. On note que les lubrifiants solides influencent significativement le rendement global des échantillons là où leur concentration produisait une tendance identique alors que leur type et leur structure montraient un effet mixte.     

High Temperature Oxidation of Copper and Copper Aluminum Alloys

Abstract

Small amounts of aluminum (1 to 3 wt% Al) were alloyed with copper to study oxidation resistance at high temperatures. Pure copper and the alloyed samples were oxidized from 700 to 1000 °C in air for various lengths of time. The oxidation rates of the samples increased with temperature. The oxidation rates of pure copper and the 1 wt% Al sample were found to follow parabolic rate law kinetics in the temperature range studied indicating diffusion controlled growth. The oxidation resistance of the 2 wt% Al alloy disappeared between 800 and 900 °C. It was found that the 3% Al-Cu samples oxidized at a rate 100 times lower than that of pure copper. The activation energy of copper oxidation at 122 kJ/mol was found to be very close to reported values.

On a allié de petites quantités d’aluminium (1 à 3% Al en poids) avec du cuivre afin d’étudier la résistance à l’oxydation à des températures élevées. On a oxydé le cuivre pur et les échantillons alliés entre 700 et 1000 °C, à l’air, sur des durées variées. Le taux d’oxydation des échantillons augmentait avec la température. On a trouvé que le taux d’oxydation du cuivre pur et celui de l’échantillon de 1% en poids d’Al suivaient une loi cinétique à taux parabolique dans le domaine de température étudié, indiquant une croissance contrôlée par la diffusion. La résistance à l’oxydation de l’alliage à 2% en poids d’Al disparaissait entre 800 et 900 °C. On a trouvé que les échantillons de 3% Al-Cu s’oxydaient à un taux 100 fois plus faible que celui du cuivre pur. L’énergie d’activation de l’oxydation du cuivre, à 122 kJ/mol, se rapproche des valeurs rapportées.     

Microstructure–yield strength models for heat treatment of Al–Si–Mg casting alloys II: modelling microstructure and yield strength evolution

A microstructure–strength mathematical model for the heat treatment for commercially significant Al–Si–Mg casting alloys was developed and validated. As part of the model development, the evolution of microstructure and mechanical properties during heat treatment of an industrially cast A356 aluminium alloy was studied in an experimental investigation. A model framework to predict the evolution of microstructure and yield strength during heat treatment was proposed for hypoeutectic Al–Si–Mg casting alloys and validated against experimental measurements. In part II of this paper, the model framework to predict the evolution of microstructure and yield strength during the ageing process is described. The framework is focussed on the development of strength during natural and artificial ageing and includes the relative influences of alloy chemistry and the prior solution treatment and natural ageing history of the material. Model validation has been done using independent experimental and literature data, and the model has been applied to industrial heat treatment scenarios in order to determine the potential for process optimisation.

On a développé et validé un modèle mathématique de la microstructure-résistance du traitement thermique des alliages de moulage d’Al-Si-Mg ayant une importance commerciale. Faisant partie du développement du modèle, on a étudié, par examen expérimental, l’évolution de la microstructure et des propriétés mécaniques lors du traitement thermique d’un alliage d’aluminium A356 moulé industriellement. On a proposé une structure de modèle prédisant l’évolution de la microstructure et de la limite d’élasticité lors du traitement thermique des alliages de moulage hypo-eutectiques d’Al-Si-Mg et on l’a validé par des mesures expérimentales. Dans la seconde partie de cet article, on décrit la structure du modèle prédisant l’évolution de la microstructure et de la limite d’élasticité lors du traitement de vieillissement. La structure se concentre sur le développement de la résistance lors du vieillissement naturel et artificiel et comprend les influences relatives de la composition chimique de l’alliage et du traitement antérieur de mise en solution et de l’histoire du vieillissement naturel du matériau. On a effectué la validation du modèle en utilisant des données expérimentales indépendantes et des données de la littérature, et on a appliqué le modèle à des scénarios de traitement thermique industriel afin de déterminer le potentiel d’optimisation du procédé.     

Electric resistivity of fine chromite ore: measurement and prediction

Abstract

Fine chromite ore is a common raw material used to produce ferrochrome alloy by submerged electric arc furnace process. The electric resistivity of fine chromite ore determines current distribution, which in turn, affects operation efficiency during the process. The effects of particle size and contact area of the particles on the electric resistivity of several types of chromite were investigated at room temperature. The relationship between the electric resistivity of mixed particles and the volume fraction of lump ore to fine ore was also studied. Contact resistivity decreases with increasing box-counting dimension. Finally, a ‘parallel connection circuit model’ for predicting the electric resistivity of the chromite mixture was developed. Results show that electric resistivity increases as particle size increases, and that the electric resistivity of the mixture decreases with increasing volume ratio of fine ore. The electric resistivity calculated by the parallel connection circuit model is consistent with measurements.

Le minerai fin de chromite est un matériau brut commun utilisé dans la production d’alliage de ferrochrome par le procédé du four électrique à arc submergé. La résistivité électrique du minerai fin de chromite détermine la distribution du courant, qui, à son tour, affecte l’efficacité de l’opération lors du procédé. On a examiné, à la température de la pièce, l’effet de la taille de particule et de l’aire de contact des particules sur la résistivité électrique de plusieurs types de chromite. On a également étudié la relation entre la résistivité électrique de particules mélangées et la fraction volumique du minerai en bloc par rapport au minerai fin. La résistivité par contact diminuait avec une augmentation de la dimension de boîtes. Finalement, on a développé un ″modèle de circuit à connexions en parallèle″ pour la prédiction de la résistivité électrique du mélange de chromites. Les résultats montrent que la résistivité électrique augmente avec une augmentation de la taille de particule et que la résistivité électrique du mélange diminue avec une augmentation de la densité relative de minerai fin. La résistivité électrique calculée au moyen du modèle de circuit à connexions en parallèle est en accord avec les mesures.     

Effects of Fe and Ni additions on emerging Al–4·5Cu–1·5Mg powder metallurgy alloy

Abstract

In recent laboratory studies, a method designed to modify an emerging Al–Cu–Mg powder metallurgy alloy with Fe and/or Ni additions was successfully developed. The objectives of this research were designed to expand upon this work with an emphasis on characterising the industrial processing behaviour and thermal stability of the alloy with and without additions of these transition metals. All powder compacts exhibited an industrial sintering response that mirrored prior laboratory findings thereby confirming commercial viability. Subsequently, tensile specimens were machined from industrially sintered bars, heat treated to the T6 temper and then subjected to various conditions of thermal exposure at temperatures up to 280°C. Differential scanning calorimetry (DSC) data confirmed that Fe/Ni additions reduced the precipitation kinetics of the S-type phases responsible for peak strengthening at temperatures <160°C and thereby enhanced the thermal stability of important tensile properties such as yield strength. At higher temperatures (>200°C), the Fe/Ni additions were less effective with both alloys exhibiting comparable levels of strength degradation.

Lors d’études récentes en laboratoire, on a développé avec succès une méthode conçue pour modifier un alliage émergeant de la métallurgie des poudres, Al–Cu–Mg, avec des additions de Fe et/ou de Ni. Cette recherche a pour but d’élargir ce travail avec une emphase sur la caractérisation du comportement du traitement industriel et de la stabilité thermique de l’alliage, avec ou sans additions de ces métaux de transition. Tous les compacts de poudre exhibaient une réponse industrielle de frittage qui reflétait les trouvailles antécédentes en laboratoire, confirmant ainsi la viabilité commerciale. Subséquemment, on a usiné des échantillons pour mesure de résistance à la traction à partir de barres frittées industriellement et on les a traités thermiquement à l’état T6. On a ensuite soumis les échantillons à des conditions variées d’exposition thermique à des températures allant jusqu’à 280°C. Les données de DSC ont confirmé que les additions de Fe/Ni réduisaient la cinétique de précipitation des phases de type S, responsables de l’endurcissement de pointe à des températures <160°C et augmentaient ainsi la stabilité thermique des propriétés importantes de résistance à la traction comme la limite d’élasticité. À des températures plus élevées (>200°C), les additions de Fe/Ni étaient moins efficaces, les deux alliages exhibant des niveaux comparables de dégradation de la résistance.     

Effect of electrolyte additives on microstructure and properties of electroplated chromium coatings

Abstract

Recent progress in environmental science provides an incentive to explore the use of hexavalent chromium for anticorrosion and wear protection purposes. To this end, this work aims to explore the evolution of the microstructure of chromium coatings as a function of electric current through the electrolyte in the presence of organic and non-organic additives. In this study, the fundamental properties of electroplating related to hard chromium such as hardness (wear resistance) and cathode efficiency are reviewed with respect to cathode current. The results obtained show that the microstructure is sensitive to the presence of organic admixtures in the plating solution. In addition, the effect of hard microparticles on the plating process at enhanced values of cathode current is reported. The cathode efficiency for different plating speeds and in different chromium electrolytes is calculated from the experimental results.

Les progrès récents des sciences de l’environnement fournissent une incitation à explorer l’utilisation du chrome hexavalent pour le but de protection contre la corrosion et l’usure. À cette fin, ce travail vise à explorer l’évolution de la microstructure de revêtements de chrome en fonction du courant électrique à travers l’électrolyte en présence d’additifs organiques et inorganiques. Dans cette étude, on analyse les propriétés fondamentales de l’électroplastie reliées au chrome dur comme la dureté (résistance à l’usure) et l’efficacité de la cathode, par rapport au courant de la cathode. Les résultats obtenus montrent que la microstructure est sensible à la présence d’additifs organiques dans la solution de placage. En plus, on rapporte l’effet de micro particules dures sur le procédé de placage à des valeurs augmentées du courant de la cathode. À partir des résultats expérimentaux, on calcule l’efficacité de la cathode à différentes vitesses de placage et avec différents électrolytes de chrome.