universitatea transilvania din braşov universitatea ...old.unitbv.ro/portals/31/sustineri de...

Pag. 1

Investeşte în oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere” Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: „Burse doctorale pentru dezvoltare durabila” BD-DD Numărul de identificare al contractului: POSDRU/107/1.5/S/76945 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov

Universitatea Transilvania din Brasov Școala Doctorală Interdisciplinară

Departamentul: Ingineria Materialelor și Sudură

Ing. Alexandru Ștefan BANEA

Cercetări privind influența vibrațiilor asupra solidificării aliajului AlSi10Mg

-rezumatul tezei de doctorat-

Researches concerning the vibrations influence on

AlSi10Mg alloy solidification

-PhD thesis summary-

Conducător ştiinţific

Prof.dr.ing. Mircea Horia ȚIEREAN

BRAȘOV, 2014

Pag. 2

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENŢA Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov Nr. 6309 din 05.12.2013

PREŞEDINTE: Prof.dr.ing. Teodor MACHEDON PISU

Decanul Facultății de Știința și Ingineria Materialelor Universitatea „Transilvania” din Brașov

CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: Prof.dr.ing. Mircea Horia ȚIEREAN Universitatea „Transilvania” din Brașov

REFERENŢI: Prof.dr.ing. Ioan VIDA-SIMITI Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca

Prof.dr.ing. Victor GEANTĂ Universitatea Politehnica din București

Prof.dr.ing. Aurel CRIȘAN Universitatea „Transilvania” din Brașov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 15.02.2014, ora 11:00, sala II6. Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le transmiteţi în timp util, pe adresa [email protected]. Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat. Vă mulţumim.


Ing. Alexandru Ștefan Banea Pag. 3

Cuprins

Pag. rezum.

Pag. teză

Introducere ...................................................................................................... 7 5 1. Stadiul actual al cunoașterii privind influența vibrațiilor asupra solidificării aliajelor metalice .......................................................................

9

7

1.1. Principalele utilizări ale aliajelor de aluminiu pentru turnătorie ............. 9 7 1.2. Stadiul actual al obținerii pieselor prin turnare gravitațională în câmp vibrant ................................................................................................................ 9 7 1.2.1. Turnarea gravitațională ................................................................... 9 7 1.2.2. Termodinamica procesului de cristalizare ...................................... - 8 1.2.3. Mecanismul cristalizării ................................................................. - 12 1.2.4. Germinarea omogenă ..................................................................... - 13 1.2.5. Germinarea neomogenă (eterogenă) .............................................. 15 1.2.6. Procesul de creştere al germenilor de cristalizare .......................... - 18 1.2.7. Defecte care apar la cristalizare ...................................................... - 22 1.3. Domeniul de aplicare a procesului de turnare gravitațională în câmp vibrant ………………………………………………………………………… 9 25 1.3.1. Rentabilitatea turnării gravitaționale în câmp vibrant .................. - 26 1.3.2. Avantajele si dezavantajele turnării gravitaționale în câmp vibrant ................................................................................................................ - 26 1.3.3. Procedee de turnare gravitațională în câmp vibrant ...................... - 27 1.3.3.1. Generalității ......................................................................... - 27 1.3.3.2. Tratarea băii metalice cu vibratoare mecanice .................... 9 29 1.3.3.3. Tratarea băii metalice cu vibratoare electromagnetice ........ 12 31 1.3.4. Matrițe pentru turnarea gravitațională în câmp vibrant ................. - 33 1.3.5. Principalele defecte caracteristice tehnologiei de turnare gravitațională în câmp vibrant si cauzele lor ................................................... - 36 1.3.5.1. Defecte caracteristice lingourilor ........................................ - 36 1.3.5.2. Defecte de suprafaţă ............................................................ - 36 1.3.5.3. Defecte interne .................................................................... - 38 1.3.5.4. Neomogenitatea chimică a lingourilor ................................ - 43 1.3.5.5. Măsuri tehnologice pentru diminuarea defectelor din lingourile de oţel şi îmbunătăţirea coeficientului de scoatere la forjare ............ - 46 1.4. Concluzii ................................................................................................. 13 46 2. Obiectivele tezei de doctorat ....................................................................... 13 48 3. Cercetări experimentale privind influența vibrațiilor asupra solidificării aliajului AlSi10Mg …………………………………………….. 14 50 3.1. Echipamente si montaje experimentale realizate ……………………. 14 50 3.2. Ansamblul experimental ....................................................................... 14 50 3.2.1. Platforma vibranta ...................................................................... 3.2.2. Forma de turnare (cochila)……………………………………... 3.2.3. Termometrul optic pentru analiza radiaţiei în infraroşu ………. 3.2.4. Camera de termoviziune ………………………………………. 3.2.5. Sistemul de alimentare a excitatorului electrodinamic ………… 3.2.6. Vibrometrul portabil …………………………………………… 3.3. Rezultate experimentale ……………………………………………...

14 15 16 16 16 17 17

51 52 54 55 57 58 59

3.3.1. Compoziţia chimică a aliajului turnat …………………………... 17 59



3.3.2. Turnarea epruvetelor ……………………………………………. 18 60 3.3.3. Condiţiile de turnare-vibrare ........................................................ 18 60 3.3.4. Determinarea densităţii epruvetelor .............................................. 20 64 3.3.5. Analiza microstructurii ………………………………………….. 22 67 3.3.6. Analiza microscopica SEM si EDS ……………………………... 28 74 3.3.7. Încercări mecanice ………………………………………………. 3.3.7.1. Încercarea de duritate …………………………………... 3.3.7.2. Încercarea la tracţiune ………………………………….. 3.3.7.3. Încercarea la încovoiere prin șoc ...……………………... 3.3.8. Determinarea vitezei de propagare a ultrasunetelor …………….. 3.3.9. Determinarea modulului de elasticitate longitudinal dinamic …... 3.3.9.1. Bazele fizice ale determinării …………………………… 3.3.9.2. Echipamentul utilizat pentru determinarea modulului de elasticitate dinamic ……………………………………… 3.3.9.3. Rezultate experimentale ………………………………… 3.4. Concluzii ………………………………...……………………………. 4. Modelarea matematică a rezultatelor experimentale …………………. 4.1. Necesitatea modelării matematice …………………………………….. 4.2. Algoritmul metodei de interpolare Lagrange ………………………….. 4.3. Metodica folosită la modelarea matematică …………………………… 4.4. Modelarea matematică a variației durității cu frecvența ………………. 4.5. Modelarea matematică a variației densității cu accelerația ……………. 4.6. Modelarea matematică a variației dimensiunii fazei Si cu frecvența ….. 4.7. Modelarea matematică a variației durității cu frecvența ………………. 4.8. Modelarea matematică a variației rezistenței la rupere cu frecvența ….. 4.9. Modelarea matematică a variației rezistenței la curgere cu frecvența …. 4.10. Modelarea matematică a variației energiei la rupere cu frecvența …… 4.11. Modelarea matematică a variației vitezei de propagare a ultrasunetelor cu frecvența …………………………………………………… 4.12. Modelarea matematică a variației modulului de elasticitate longitudinal dinamic cu frecvența …………………………………………… 4.13. Concluzii ……………………………………………………………...

36 36 37 39 40 43 43

44 45 47 48 -

48 49 49 - - - - - - - -

51

84 84 86 90 93 98 98

101 103 106 108 108 110 112 112 115 116 119 118 119 120

121

122 123

5. Concluzii finale, contribuţii proprii, perspective de cercetare, diseminarea rezultatelor ................................................................................. 52 124 5.1. Concluzii finale ….................................................................................. 52 124 5.2. Contribuţii proprii .................................................................................. 52 125 5.3. Perspective de cercetare ......................................................................... 53 126 5.4. Diseminarea rezultatelor tezei ................................................................ 53 126 Bibliografie ...................................................................................................... 54 127 Rezumat ……………………………………………………………………... 57 134 Curriculum Vitae …………………………………………………………… 58 135 Anexe ………………………………………………………………………... - 137



Table of contents

Pag. rezum.

Pag. teză

Introduction ...................................................................................................... 7 5 1. State of art of vibration influence on the metallic alloys solidification ........................................................................................................................

9

7

1.1 The main using of aluminium foundry alloys .......................................... 9 7 1.2 . State of art of gravity casting in vibrating field ……………………….. 9 7 1.2.1. Gravity casting ............................................................................... 9 7 1.2.2. Thermodynamics of crystallization process .................................. - 8 1.2.3. Crystallization mechanism ................................................ ........... - 12 1.2.4. Homogeneous germination ..................................... ..................... - 13 1.2.5. Inhomogeneous Germination (heterogeneous) ............................. 15 1.2.6 . The nucleation of grains ............................................................... - 18 1.2.7 . Crystallization defects ........................ .......................................... - 22 1.3 . Scope of gravity casting process in vibrant field .................................. 9 25 1.3.1. Profitability of gravity casting in vibrating field ........................... - 26 1.3.2. Advantages and disadvantages of gravity casting in vibrant field ........................................................................................................................... - 26 1.3.3. Gravity casting in vibrating field processes ................................... - 27 1.3.3.1. Generality ................................................. ......................... - 27 1.3.3.2 . Treatment of metal bath with mechanical vibrations ......... 9 29 1.3.3.3 . Treatment of metal bath with electromagnetic vibrations .. 12 31 1.3.4 . Moulds for gravity casting in vibrating field ................................ - 33 1.3.5. The main defects in gravity casting technology …………………. - 36 1.3.5.1 . Defects characteristic of ingots .......................................... - 36 1.3.5.2 . Surface defects ................................................................... - 36 1.3.5.3 . Internal defects ................................................................... - 38 1.3.5.4 . Chemical inhomogeneity .................................................... - 43 1.3.5.5 . Engineering measures to reduce defects in ingots ……….. - 46 1.4.Conclusions .............................................................................................. 13 46 2. Thesis goals .............................................. ................................................... 13 48 3 . Experimental research concerning the vibrations influence on AlSi10Mg alloy solidification ………………………………………………. 14 50 3.1. Equipment and experimental setup ....................................................... 14 50 3.2 . Experimental ensemble........................... ............................................. 14 50 3.2.1. Vibrating platform ................................................ .................... 3.2.2. Mould ( chill ) ............................................................................. 3.2.3. Optical thermometer infrared analysis ........................................ 3.2.4. Thermal camera ........................................................................... 3.2.5. The powering of electrodynamic exciter .................................... 3.2.6 . Portable vibrometer ................................................................... 3.3. Experimental results .............................................................................

14 15 16 16 16 17 17

51 52 54 55 57 58 59

3.3.1. The chemical composition of the casting alloy .......................... 17 59 3.3.2. Casting specimens ........................................................................ 18 60 3.3.3. Conditions of vibrating casting ............................................. ...... 18 60 3.3.4. Determination of density .............................................................. 20 64 3.3.5. Microstructure analysis ................................................................ 22 67 3.3.6. SEM and EDS analysis ................................................................ 28 74



3.3.7. Mechanical tests ………………………………………………... 3.3.7.1 Hardness Testing ………………………………………..

3.3.7.2 Tensile test ……………………………………………… 3.3.7.3. Impact testing …………………………………………... 3.3.8. Determination of the ultrasound velocity ……………………….. 3.3.9. Determination of the dynamic Young modulus ………………… 3.3.9.1. Physical basis of determinations ………………………. 3.3.9.2. The equipment used for determination of the dynamic

Young modulus ………………………………………… 3.3.9.3. Experimental results ………………………………….... 3.4. Conclusions ……………………………...……………………………. 4. Mathematical modelling of the experimental results ............................... 4.1. Need for mathematical modelling ........................................................... 4.2. Lagrange interpolation method ............................................................... 4.3. Methodology used in mathematical modelling ....................................... 4.4. Mathematical modelling of the density variation with frequency ........... 4.5. Mathematical modelling of the density variation with acceleration ....... 4.6. Mathematical modelling of the Si phase with frequency ........................ 4.7. Mathematical modelling of the hardness variation with frequency ........ 4.8. Mathematical modelling of the tensile stress with frequency ................. 4.9. Mathematical modelling of the yield stress with frequency .................... 4.10. Mathematical modelling of the impact energy with frequency ............. 4.11. Mathematical modelling of the ultrasound velocity with frequency ..... 4.12. Mathematical modelling of the dynamic Young modulus with frequency ........................................................................................................... 4.13. Conclusions ...........................................................................................

36 36 37 39 40 43 43

44 45 47 48 -

48 49 49 - - - - - - - -

51

84 84 86 90 93 98 98

101 103 106 108 108 110 112 112 115 116 119 118 119 120 121

122 123

5. Conclusions, own contributions, future research directions, dissemination of the results ………………………………………………… 52 124 5.1. Conclusions ............................................................................................. 52 124 5.2. Original contributions .......................................... .................................. 52 125 5.3. Future research directions ........................................... ........................... 53 126 5.4. Dissemination of the thesis results …………………………………….. 53 126 References ........................................................................................................ 54 127 Abstract ……………………………………………………………………… 57 134 Curriculum Vitae …………………………………………………………… 58 135 Annexes ……………………………………………………………………… - 137



Introducere

Necesitatea obţinerii unor produse metalice turnate, cu condiția satisfacerii unor condiţii de calitate cu exigenţe din ce în ce mai ridicate şi în acelaşi timp competitive pe piaţa concurenţială, implică dezvoltarea cercetării aprofundate în cele mai diverse direcţii de studiu.

În dependenţă de compoziţia chimică a aliajului elaborat, de modul de tratare a topiturii, de condiţiile de turnare, răcire şi cristalizare, pot rezulta diverse produse cu microstructuri diferite, respectiv cu caracteristici mecanice şi de utilizare foarte variate.

Compoziţia chimică a unui aliaj poate varia între limite relativ restrânse, fiind impusă de standarde sau norme, dar microstructura rezultată în produs este puternic influenţată de condiţiile de formare şi dezvoltare a germenilor de cristalizare. Pe lângă compoziţia chimică a topiturii, formarea şi creşterea germenilor de cristalizare sunt influenţate de condiţiile de transfer în exterior a căldurii existente în materialul metalic topit, respectiv de conductibilitatea termică a materialului elaborat şi a formei de turnare, precum şi de grosimea pereţilor produsului realizat.

Unele aliaje topite au tendinţa de formare la cristalizare a unor dendrite de dimensiuni mari, condiţii în care este favorizată apariţia unor microretasuri intradendritice. Aceste defecte afectează puternic toate caracteristicile mecanice şi pe cele de utilizare. Metodele clasice de limitare a prezenţei retasurilor şi microretasurilor sunt cele de reducere a temperaturii de turnare, de utilizare a maselotelor şi a canalelor de alimentare cu secţiune sporită. În cazul reducerii temperaturii de turnare apare riscul neumplerii cavităţii formei, iar în condiţiile utilizării unor maselote de dimensiuni mari, consumul energetic este nejustificat de mare.

O metodă de diminuare a prezenţei microretasurilor este cea de tratare chimică a topiturii cu diverşi compuşi, fiind astfel mărită fluiditatea topiturii şi/sau stimulată germinarea forţată. Prin creşterea numărului de germeni de cristalizare şi a fluidităţii topiturii este împiedicată formarea dendritelor de dimensiuni mari şi implicit se reduce volumul microretasurilor. Metoda inoculării prezintă efecte favorabile cu rezultate tehnico-economice justificate în cazul turnării unor produse din fontă şi silumin. Pentru multe tipuri de topituri metalice tratarea chimică are efecte neglijabile şi astfel nu este justificată din punct de vedere economic.

O altă metodă de prevenire şi reducere a formării microretasurilor şi de diminuare a incluziunilor de gaze, studiată de diferiţi cercetători din întreaga lume este cea de stimulare a cristalizării dinamice sub influenţa câmpurilor de oscilaţii mecanice induse pe toată durata turnării şi cristalizării. Prezenta teză de doctorat se înscrie în această tendință de cercetare a solidificării în câmp vibrator.

În capitolul 1 se prezintă stadiul actual al teoriei și practicii privind influența vibrațiilor asupra solidificării aliajelor metalice, procedeele de turnare, considerații privind oscilațiile mecanice si câteva tipuri de generatoare de oscilații mecanice.

In capitolul 2 sunt enunțate obiectivele tezei de doctorat.

In capitolul 3 sunt prezentate cercetările experimentale privind influența vibrațiilor asupra solidificării aliajului AlSi10Mg, programul de cercetare, determinarea densității, analiza macroscopică și microscopică (optică, SEM+EDS), determinarea caracteristicilor



mecanice (tracțiune, microduritate, modul de elasticitate) și acustice (viteza de propagare a ultrasunetelor).

Lucrarea continuă cu capitolul 4, în care este realizată modelarea matematică a experimentelor efectuate. Lucrarea se încheie cu capitolul 5, în care sunt prezentate concluziile finale și contribuțiile personale.

Pentru sprijinul acordat de-a lungul întregii perioade de realizare a tezei, pentru îndrumarea competentă și recomandările făcute cu înalt profesionalism, adresez cu deosebit respect și consideraţie cele mai sincere mulţumiri domnului prof. dr. ing. Mircea Horia Țierean.

Vreau să mulțumesc prof. dr. ing. Vasile Luca pentru ajutorul primit în desfășurarea programului experimental.

Mulțumesc domnului conf. dr. Alexandru Eneşca pentru sprijinul acordat în efectuarea microscopiei electronice și domnului șef de lucrări dr. ing. Mihai Luca pentru ajutorul acordat la materializarea instalațiilor experimentale.

De asemenea, ţin să mulţumesc domnului cercetător dr. ing. Alin Pop pentru sfaturile și ideile împărtășite.

Cu deosebită consideraţie și stimă, doresc să mulţumesc tuturor cadrelor didactice din colectivul departamentului de Ingineria Materialelor și Sudură din cadrul Facultăţii de Ştiinţa și Ingineria Materialelor din Brașov, pentru sfaturile și observaţiile făcute pe parcursul studiilor doctorale.

De asemenea, aduc mulţumiri colegilor doctoranzi, alături de care am lucrat în cadrul Facultăţii de Ştiinţa și Ingineria Materialelor.

Pentru sprijinul financiar acordat pe parcursul efectuării cercetărilor experimentale doresc să mulțumesc Universității Transilvania din Brașov, beneficiară a proiectului POSDRU, ID 79645 finanțat de Guvernul României prin Fondul Social European.

În final, dar nu în ultimul rând, mulţumesc familiei și prietenilor mei pentru încrederea și sprijinul acordat.



1. Stadiul actual al cunoașterii privind influența vibrațiilor asupra solidificării aliajelor metalice

1.1. Principalele utilizări ale aliajelor de aluminiu pentru turnătorie Folosirea aluminiului ca material pentru construcții mecanice si metalice este limitată

din cauza proprietăţilor de rezistentă scăzute. Totuşi, o serie dintre proprietăţile aluminiului fac ca acest metal să fie deosebit de apreciat pentru o serie de aplicaţii.

1.2. Stadiul actual al obținerii pieselor prin turnare gravitațională în câmp

vibrant

1.2.1. Turnarea gravitațională Prin aplicarea diferitelor procedee de turnare pot fi obţinute lingouri sau semifabricate

turnate cu o configuraţie complexă având o masă, pornind de la câteva grame şi până la câteva sute de tone. În practică se întâlnesc situaţii când turnarea este singurul procedeu prin care pot fi realizate anumite piese cu o geometrie complexă. Comparativ cu alte procedee tehnologice, din punct de vedere al consumului de material, obţinerea pieselor prin turnare se dovedeşte a fi mai economică.

1.3. Domeniul de aplicare a procesului de turnare gravitațională în câmp vibrant Condiţia principală pentru aplicarea acestui procedeu o reprezintă realizarea unei

durabilităţi corespunzătoare a formelor de turnare. În acest scop temperatura de turnare a materialului din care se toarnă epruvetele trebuie să fie mai mică decât temperatura de topire a formei. Din această cauză turnarea în matrițe se aplică în special pentru turnarea probelor din aliaje neferoase cu pereţi relativ groşi.

Matrițele se realizează din aliaje feroase sau chiar din aliaje neferoase având refractaritate corespunzătoare.

În practică cel mai des se toarnă piese din aliaje pe bază de aluminiu şi pe bază de alamă. Se pot turna piese cu forma relativ simplă (cu număr redus de miezuri) (capace, pârghii, bucşe, roţi, suporţi, blocuri, etc.) sau semifabricate (bare, tuburi, plăci etc.).

1.3.3.2. Tratarea băii metalice cu vibratoare mecanice Aplicarea vibraţiilor se poate face direct asupra băii metalice topite, dar mai ales

asupra formei care conţine aliajul topit. Multe asemenea aplicaţii se întâlnesc la turnarea continuă, unde cristalizatorul este supus vibraţiilor pentru a se evita apariţia aderenţelor între cristalizator şi lingoul turnat.

În cadrul firmei DEMAG A.G. Germania, funcţionează o instalaţie la care s-a îmbunătăţit sistemul de oscilaţie faţă de sistemele clasice, prelungindu-se şi perioada de viaţă a echipamentului oscilant. În aceste condiţii s-a realizat şi transmiterea fidelă a oscilaţiilor. În fig. 1.15 este prezentată construcţia acestei instalaţii, în care: cristalizatorul (1) este aşezat pe masa (2) şi suportul (3) prin care trece lingoul turnat.



Fig. 1.15. Sistemul de oscilare al cristalizatorului [47]

Poziţiile a, b, c sunt aşezate astfel încât se poate mişca faţă de suportul (4), dar sunt

legate de acesta printr-un bolţ (5). Aparatul oscilator cuprinde o eclisă (6) care are la capăt o articulaţie cu bolţul (5) şi la capătul celălalt un element (7) ce se roteşte în jurul bolţului (8). Bolţul (8) este fixat prin intermediul pieselor (9) de pereţii (10) ai ramei (4). Eclisele (11) întăresc construcţia. Două perechi de tije (12) leagă prin articulaţie suportul cristalizatorului de suportul (14) prin intermediul bolţurilor (13). Când mişcarea de oscilaţie se transmite pe barele (12) la masa suport, reacţia se transmite la suportul (14). Prin deschiderea (15) executată în traversa (14) trece o tijă (14) de la mecanismul (17) la suportul formei.

Un exemplu de vibrator mecanic ce acţionează direct asupra aliajului turnat, este cel utilizat în cadrul tehnologiei adoptate de Institutul de Tehnologie din Cambridge, Marea Britanie şi cel din Massachussests LJ.S.A care îl aplică la aliajele care conţin dendrite sau nodule de solidificare în faza solidă.

Prin amestecarea omogenă a aliajului simultan cu răcirea lui, se măreşte viteze de răcire şi se obţine o structură îmbunătăţită a aliajelor turnate.

Vibraţiile se aplică pentru aliaje cu structura 65% solidă, din cantitatea de aliaj lichid. În principal, metoda se aplică la metalele pure, aliaje autentice, pentru aliajele Mg-Zn-Al-Cu-Ni-Co-Pb, Zn-Al, Al-Mg-Zn, Al-Si, Mg-Al etc.

Un procedeu de turnare a aliajelor în stare de amestec solid – lichid în putem exemplifica în fig. 1.16.

Fig. 1.16. Aplicaţia procesului de turnare a aliajelor în stare de amestec solid – lichid [114]



Amestecul (1) când părăseşte prin orificiul (2) zona de agitare, este prins între semiformele (3) şi (4). Pistoanele (5) şi (6) pot fi acţionate de un mijloc electronic cum ar fi detectorul fotosenzitiv. După ce compoziţia (7) s-a solidificat, se deschid semiformele şi se scoate piesa turnată.

Eliminarea neajunsurilor ce apar la turnarea continuă a metalelor şi aliajelor (aderenţe la cristalizor, structură grosolană), se poate face prin energizarea sonică a cristalizatorului cu ajutorul unei mese vibratoare orbitale. Excitarea sonică aduce la rezonanţă pereţii formei şi ai materialului din formă. Frecvenţa vibratorului cu masa orbitală se reglează automat, funcţie de schimbarea caracteristicilor de impedanţă a materialului turnat.

În fig. 1.17 este prezentat un mijloc de cuplare a oscilatorului (3) de peretele cristalizatorului. Oscilatorul este ataşat de bara de rezonanţă (4) care la rândul ei este prinsă pe peretele cristalizatorului prin intermediul urechilor (5). Se utilizează bare de înaltă rezonanţă pentru realizarea cât mai eficientă a transferului energiei sonice la pereţii cristalizatorului.

Fig. 1.17. Schema instalaţiei de topire continuă care utilizează un oscilator cu masa

orbitală [114]

În fig 1.18 metalul topit (aluminiu) este introdus în lingotieră (2) care este poziţionată pe o placă metalică (3) susţinută de suporţi izolatori (4). Placa (3) este vibrată cu ajutorul oscilatorului (5) alimentat cu aer prin conducta (6). Se produc unde cu lungimea de undă (7) care se transmit la baza materialului se elimină astfel gazele şi impurităţile, se micşorează tensiunile interne şi se îmbunătăţeşte structura prin uniformizarea temperaturii.

Fig. 1.18. Turnarea în forme metalice sub influenţa vibraţiilor produse de un oscilator cu

masă orbitală [114]



În fig. 1.19 excitaţia se introduce printr-o tijă direct în baia metalică. Tija (3) este suspendată în baia metalică prin bara de rezonanţă (4) care este susţinută de un mecanism cu scripete. Oscilatorul (7) este ataşat la bara de rezonanţă şi vibrează la rezonanţa de undă (5).

Fig. 1.19 Turnarea sub influenţa vibraţiilor în amestec de formare [114]

Materialul turnat (6) poate fi metal sau plastic şi face parte din sistemul de rezonanţă.

Oscilatorii (7) îşi modifică frecvenţa pe măsură ce materialul se solidifică modificându-şi elasticitatea, menţinând vibraţia de rezonanţă în timpul procesului.

1.3.3.3. Tratarea băii metalice cu vibratoare electromagnetice Un procedeu de turnare continuă de acest gen s-a realizat cu instalaţia care

funcţionează după metoda UNEMURA şi IKUO (fig. 1.20). În această figură (12) este metalul lichid (13) este metalul în curs de solidificare, (14)

este partea ce cristalizează iar (15) este baia metalică solidificată. Frecvenţa vibratorului este cuprinsă între (0,1 - 50) mm. Vibratorul este susţinut de placa (7) şi este confecţionat din oţel carbon având o semisferă (3) la partea de jos. Este acoperit cu un amestec de nisip, cretă şi azbest fibros (4). La interior, vibratorul are un tub (5) prin care este introdus aer comprimat (6). Peretele cristalizatorului a fost notat (1), iar cu (2) metalul solidificat.

Fig. 1.20. Procedee de turnare în prezenţa vibraţiilor conform Metodei UNEMURA şi IKUO a) turnarea statică; b) și c) turnarea dinamică [114]



1.4. Concluzii Vibraţiile au o influenţă favorabilă asupra microstructurii şi proprietăţilor fizico-

mecanice ale materialelor metalice deoarece duc la o creştere însemnată a vitezei de solidificare, o finisare a microstructurii, o reducere a segregaţiilor şi o degajare avansată a gazelor. Aceasta se explică prin creşterea energiei germenilor de cristalizare şi prin dezvoltarea anumitor presiuni care acţionează asupra ramurilor dendritice în curs de formare, determinând fragmentarea acestora.

Pentru obţinerea acestor avantaje, vibraţiile aplicate trebuie să aibă energii ridicate şi trebuie controlată orientarea frontului de undă, perpendicular pe axele dendritelor pentru fragmentarea dendritelor generează noi germeni de cristalizare.

Din analiza rezultatelor obținute de către diferiți cercetători [1,3,19,31,51,102] s-a desprins ideea abordării studiului, influenței vibrațiilor asupra procesului de cristalizare, în condiții de rezonanță.

Cercetările efectuate până în prezent au fost realizate prin utilizarea unor sisteme de vibrare la frecvențe joase, până la 100 Hz, cu ajutorul unor vibratoare electromecanice cu masa excentrică sau la frecvență înaltă 18…30 Hz, produse prin efect magnetostrictiv [6,9,27,40,88].

Trebuie făcută observația că în urma lucrărilor analizate nu a fost menționată accelerația pe care a suferit-o materialul în timpul cristalizării. Astfel s-a conturat în programul de cercetare în cadrul căruia vibrațiile să fie produse cu ajutorul unui excitator electrodinamic într-o gamă de frecvențe de până la 5 kHz, domeniu încă necercetat și studiul să fie completat cu măsurări ale accelerației formei de turnare.

2. Obiectivele tezei de doctorat

Principalele obiective ale tezei de doctorat au constat în: • turnarea în câmp vibrant a aliajului AlSi10Mg; • determinarea influentei vibrațiilor asupra proprietăților mecanice și acustice ale

aliajului AlSi10Mg; • stabilirea modului în care condițiile de turnare-vibrare ale aliajului AlSi10Mg

influențează proprietățile.

1. Turnarea în câmp vibrant a aliajului AlSi10Mg Principalul obiectiv al tezei de doctorat îl reprezintă turnarea în câmp vibrant a

aliajului AlSi10Mg. Pentru realizarea acestui obiectiv este necesară proiectarea și realizarea unui stand

experimental de turnare în câmp vibrator a epruvetelor care vor fi testate. Acest stand trebuie să asigure și măsurarea parametrilor de proces: frecvența, accelerația, temperatura.

2. Determinarea influenței vibrațiilor asupra proprietăților mecanice și acustice ale aliajului AlSi10Mg

După turnarea în câmp vibrant a aliajului AlSi10Mg este necesar să se urmărească: - creşterea numărului de germeni de cristalizare; - fragmentarea dendritelor în curs de dezvoltare; - reducerea volumului incluziunilor de gaze; - finisarea şi omogenizarea granulaţiei rezultate în produsul finit; - creşterea caracteristicilor mecanice (duritatea, rezistența la rupere și la curgere,

alungirea la rupere, energia la rupere, modulul de elasticitate dinamic);



- variația vitezei de propagare a ultrasunetelor. Pentru a determina aceste mărimi este necesară efectuarea următoarelor teste: - măsurarea densității; - determinarea durității; - determinarea mărimii grăunților; - încercare la tracțiune; - încercarea la încovoiere prin șoc; - determinarea vitezei de propagare a ultrasunetelor; - determinarea modulului de elasticitate longitudinal dinamic; - microscopie optică și electronică.

3. Stabilirea modului în care condițiile de turnare-vibrare ale aliajului AlSi10Mg influențează proprietățile

După determinarea proprietăților aliajului AlSi10Mg, acestea vor fi modelate matematic în vederea stabilirii curbelor de interpolare adecvate.

Prin tematică și obiective prezenta cercetare se înscrie în aria tematică “Industrial

Technologies” a programului Orizont 2020, domeniul “Advanced manufacturing and processing (production technologies)”.

3. Cercetări experimentale privind influența vibrațiilor asupra solidificării aliajului AlSi10Mg

3.1. Echipamente şi montaje experimentale realizate Prin realizarea montajului experimental de generare a vibraţiilor într-o cochilă de

turnare a unor epruvete, se urmăreşte studierea influenţelor pe care le exercită: temperatura de turnare, temperatura iniţială a formei, transferul căldurii de la topitură spre cochilă, frecvenţa oscilaţiilor, acceleraţiile în plan orizontal şi vertical, influenţe care au repercusiuni majore asupra macro şi microstructurii, precum şi a caracteristicilor mecanice ale epruvetelor sau produselor obţinute prin turnare.

3.2. Ansamblul experimental În figura 3.1 este prezentat ansamblul echipamentelor şi aparatelor utilizate pentru

turnarea unor epruvete care se solidifică în prezenţa oscilaţiilor mecanice. 3.2.1. Platforma vibrantă În componenţa platformei vibrante intră un excitator electrodinamic de vibraţii tipul

11076, produs de WEB ROBOTRON. Excitatorul electrodinamic este plasat într-un cadru metalic care susţine prin

intermediul a patru tampoane elastice, o placă vibrantă cu masa de 28 kg. Placa vibrantă oscilează în plan vertical cu acceleraţii dependente de frecvenţa curentului de alimentare a excitatorului, a masei care este supusă vibraţiilor şi caracteristicilor elastice ale tampoanelor din cauciuc produse de Autospeed, model 7700523095.



Fig. 3.1 Echipamentele utilizate pentru studiul turnării şi cristalizării sub influenţa

vibraţiilor: 1- platforma vibrantă; 2- forma de turnare; 3- termometru optic în infraroşu;

4- cameră de termoviziune; 5- vibrometru; 6- generator de semnal de joasă frecvenţă; 7- amplificator de putere; 8- frecvenţmetru

Fig. 3.2 Platforma vibrantă

3.2.2. Forma de turnare (cochila) Pentru efectuarea experimentelor a fost realizată o formă de turnare simplă din oțel

carbon S 235 (SR EN 10025-2:2004), formată din două semiforme cu plan de separaţie vertical (fig. 3.4). Matrița a fort executată fără rețea de degazare deoarece s-a intenționat evidențierea influenței vibrațiilor asupra incluziunilor gazoase.



Fig.3.4 Forma de turnare utilizată pentru experimentări

În această formă pot fi obţinute patru epruvete cilindrice, d=20mm, l=150mm. Aceste

epruvete obţinute în diferite condiţii de turnare-vibrare urmează să fie prelucrate cu scopul determinării caracteristicilor mecanice, macro şi microstructurii.

3.2.3. Termometrul optic pentru analiza radiaţiei în infraroşu Pentru evaluarea corectă a rezultatelor cercetării este necesară înregistrarea cât mai

exactă a tuturor parametrilor care influenţează procesul de solidificare. Pentru măsurarea temperaturii aliajului topit, înaintea turnării în formă, dar şi pentru măsurarea temperaturii formei de turnare, a fost utilizat termometrul optic pentru analiza radiaţiei infraroşii, de tip Omegascope OS523E (fig. 3.5).

Fig.3.5 Termometrul optic pentru analiza

radiaţiei în infraroşu Omegascope OS523E Fig.3.7 Camera cu termoviziune FLIR

ThermaCAM S45

3.2.4. Camera cu termoviziune Pentru urmărirea variaţiei în timp a temperaturii cochilei a fost utilizată camera de

termoviziune FLIR ThermaCAM S45, prezentată în figura 3.7.

3.2.5. Sistemul de alimentare a excitatorului electrodinamic Pentru alimentarea excitatorului electrodinamic este utilizat un ansamblu format din

generatorul de joasă frecvenţă, model E0508, produs de IEMI, amplificatorul de putere LV 103, produs de Metra Meb Frequenztechnic și multimetrul portabil UNI-T M890F.

Aparatele de comandă ale excitatorului sunt prezentate în figura 3.8.



Fig. 3.8 Aparatele de comandă a curentului de

alimentare a excitatorului Fig.3.9 Vibrometrul Lutron

VT-8204

3.2.6. Vibrometrul portabil Pentru măsurarea parametrilor oscilaţiilor plăcii vibrante şi a cochilei (deplasare, viteză

şi acceleraţie) a fost utilizat vibrometrul Lutron VT-8204, prezentat în figura 3.9.

3.3. Rezultate experimentale 3.3.1. Compoziţia chimică a aliajului turnat Compoziția chimică a aliajului a fost determinată cu ajutorul echipamentului Spectro

Analytical Instruments din dotarea laboratoarelor societăţii comerciale Schaeffler România Braşov. Compoziţia chimică a epruvetelor turnate este prezentată în tabelul 3.1.

Tabelul 3.1 Compoziţia chimică a epruvetelor cercetate %Si %Fe %Cu %Mn %Mg %Ni %Zn %Cr

9,928 0,1826 0,333 0,031 0,288 0,0059 0,123 0,02 %Pb %Sn %Ti %Sb %V %Co %Al 0,72 0,2027 0,0981 0,0324 0,01 0,0002 88,05

Conform acestei compoziţii chimice aliajul utilizat pentru turnarea epruvetelor se

încadrează la marca EN AC-AlSi10Mg (EN 1706-2010).

Tabelul 3.2 Compoziţia chimică standardizată a aliajului AlSi10Mg Fe% Si% Mn% Ni% Ti% Cu% Pb%

max 0,55 9-11 max 0,45 max 0,05 max 0,15 max 0,05 max 0,05

Mg% Zn% Sn% Altele % Al %

0,2 – 0,45 max 0,1 max 0,05 pana la 0,05; total 0,15 restul



3.3.2. Turnarea epruvetelor Pentru efectuarea experimentărilor privind studiul influenţei oscilaţiilor mecanice

asupra procesului de cristalizare, au fost turnate şapte loturi a câte patru epruvete cilindrice cu dimensiunile de Φ20x150mm.

Două loturi de epruvete au cristalizat în condiţii statice obişnuite, acestea servind ca probe martor, faţă de care poate fi apreciată influenţarea de către oscilaţiile mecanice a microstructurii şi caracteristicilor mecanice.

Celelalte cinci loturi de epruvete au cristalizat sub influenţa vibraţiilor cu diferite frecvenţe şi acceleraţii. Epruvetele realizate au fost marcate astfel:

- A1...A4, epruvete turnate în forma rece, fără vibraţii; - B1...B4, epruvete turnate în forma preîncălzită, fără vibraţii; - C1...C4, epruvete turnate în forma preîncălzită cu vibraţii de 50Hz; - D1...D4, epruvete turnate în forma preîncălzită şi cu vibraţii de 350Hz; - E1...E4, epruvete turnate în forma preîncălzită şi cu vibraţii de 675Hz; - F1...F4, epruvete turnate în forma preîncălzită şi cu vibraţii de 1050Hz; - G1...G4, epruvete turnate în forma preîncălzită şi cu vibraţii de 5200Hz. 3.3.3. Condiţiile de turnare-vibrare Determinările au fost efectuate în condiţiile unei tensiuni de 20V şi frecvenţă variabilă

aplicate excitatorului electrodinamic. In tabelul 3.3 sunt prezentate accelerațiile mesei vibrante (ayS) și ale matriței (a rez).

Tabelul 3.3 Accelerațiile măsurare ale mesei vibrante (ayS) și ale matriței (a rez) Epruveta A B C D E F G

F Hz 0 0 50 350 675 1050 5200 a rez m/s² 0 0 1,08 1,66 4,31 11,25 15,38 ayS m/s² 0 0 8,1 15,9 44,7 88 28,3

Fig. 3.10. Variaţia acceleraţiei verticale a mesei vibrante, în absenţa şi în prezenţa cochilei



Având în vedere că forma metalică destinată turnării epruvetelor are o înălţime relativ mare, în aceasta se manifestă oscilaţii atât în plan vertical, cât şi orizontal. Pentru a avea o imagine a acceleraţiei rezultante la care se produce cristalizarea topiturii, au fost efectuate determinări ale acceleraţiei verticale la partea superioară a cochilei (acy), precum şi a acceleraţiei orizontale la mijlocul cochilei (acx). Rezultatele obţinute sunt prezentate în figura 3.11. In tabelul 3.4 sunt prezentate accelerațiile matriței pe axele x si y.

Tabelul 3.4 Accelerațiile matriței pe axele x si y

Fig. 3.11 Variaţia acceleraţiilor orizontale şi verticale ale matriței în funcţie de frecvenţă

Având în vedere rezultatele prezentate în diagramele din figurile 3.10 şi 3.11, au putut fi alese diverse condiţii de vibrare a topiturii din cochilă.

Topirea aliajului a fost realizată în cuptorul pentru aliaje neferoase din laboratorul departamentului IMS al facultăţii SIM. În tabelul 3.5 sunt prezentate temperaturile formei de turnare şi a aliajului topit, precum şi frecvenţa vibraţiilor in punctul de rezonanta maximă. Frecvențele au fost alese astfel încât matrița să oscileze la rezonanță.

Tabelul 3.5 Condiţiile de turnare-vibrare

Lot epruvete A B C D E F G Frecventa Hz 0 0 50 350 675 1050 5200

T formă °C 25 107 108 107 129 148 144 T lichid °C 720 720 720 720 720 720 720 Temperatura formei de turnare a fost determinată în timpul turnării cu camera de

termoviziune FLIR ThermaCAM P/S (fig.3.12).

Epruveta A B C D E F G F Hz 0 0 50 350 675 1050 5200

axM m/s² 0 0 0,6 0,8 0,6 4,4 11 ayM m/s² 0 0 0,4 1,4 4,1 10 5,2



Fig. 3.12 Determinarea temperaturii în timpul turnării cu camera de termoviziune FLIR ThermaCAM P/S (alb T>520ºC)

Vibrarea formei de turnare a fost realizată cu platforma vibrantă prezentată în figura

3.3, iar alimentarea excitatorului electrodinamic a fost realizată prin montajul din figura 3.8, format din generatorul de joasă frecvenţă, amplificatorul de putere şi frecvenţmetru.

Pentru determinarea condiţiilor reale de cristalizare dinamică, cu ajutorul vibrometrului Lutron VT-8204 (fig.3.9), au fost efectuate determinări ale acceleraţiei formei de turnare, pe verticală la partea superioară a formei şi pe orizontală, pe cele două direcţii, la mijlocul formei. Rezultatele determinărilor sunt prezentate în tabelul 3.6.

Tabelul 3.6 Acceleraţiile formei de turnare

După turnare epruvetele obţinute au fost prelucrate prin aşchiere cu scopul realizării

unor probe cu formă specifică destinate determinării densităţii, încercărilor de duritate şi tracţiune, precum şi pentru analiza microstructurii.

3.3.4. Determinarea densităţii epruvetelor Densitatea (de masă) a unui corp omogen este definită prin raportul dintre masă și

volum. În tabelul 3.7 sunt prezentate rezultatele măsurătorilor dimensionale şi ale masei epruvetelor.

Pentru determinarea volumului au fost folosite două metode: a) Prin calcul geometric. Au rezultat valorile prezentate în tabelul 3.7. Dimensiunile au fost stabilite cu precizia de 0,01mm. b) Prin măsurarea volumului de lichid dislocuit prin scufundare într-un cilindru gradat (fig. 3.13).

Epruveta A B C D E F G F Hz 0 0 50 350 675 1050 5200

axM m/s² 0 0 0,6 0,8 0,6 4,4 11 ayM m/s² 0 0 0,4 1,4 4,1 10 5,2 azM m/s² 0 0 0,8 0,4 1,2 2,7 9,4 a rez m/s² 0,00 0,00 1,08 1,66 4,31 11,25 15,38



Tabelul 3.7. Densităţile epruvetelor calculate și măsurate

u.m. A1 B1 C1 D1 E1 F1 G1

F Hz 0 0 50 350 675 1050 5200 M g 82,348 83,313 83,466 83,597 83,647 83,91 84,212 H mm 99,92 99,56 99,75 99,93 99,51 99,6 99,88 R mm 9,925 10,005 10,005 10,015 9,98 9,975 9,99

Vcalc cm3 30,922 31,309 31,369 31,488 31,137 31,134 31,316 Vmas cm3 31,45 31,6 31,2 31,45 31,2 30,95 31,45

ρcalc g/cm3 2,663 2,661 2,661 2,655 2,686 2,695 2,689 ρmas g/cm3 2,618 2,636 2,675 2,658 2,681 2,711 2,678 ρmed g/cm3 2,641 2,649 2,668 2,656 2,684 2,703 2,683

Fig.3.13 Determinarea volumului epruvetelor prin imersie in lichid

Prin aplicarea acestei metode au fost obţinute rezultatele prezentate în tabelul 3.7,

precizia determinărilor fiind de 0,1 cm3. Pentru sporirea preciziei de determinare a densităţii a fost calculată o medie bazată pe cele două metode de determinare a volumului. Precizia de măsurare a masei epruvetelor este cea stabilită de balanţa electronică utilizată, respectiv de 0,01g. Rezultatele sunt prezentate în tabelul 3.7. Pentru aprecierea influenţei vibraţiilor asupra densităţii aliajului cristalizat a fost trasată histograma din figura 3.14.

Fig. 3.14 Influenţa frecvenţei vibraţiilor asupra densităţii



Se constată că cea mai mică densitate o prezintă epruveta turnată static în forma care nu a fost preîncălzită. În aceste condiţii este de aşteptat ca la cristalizare să se formeze numeroase microretasuri intra- şi interdendritice, cu un volum total ridicat.

Cea mai mare densitate o prezintă epruveta F, care a fost vibrată cu frecvenţa de 1050Hz şi cu acceleraţia de arez=11,25 m/s2. În cele ce urmează se pune problema dacă frecvenţa sau acceleraţia vibraţiilor influenţează într-o măsură mai mare, procesul de cristalizare.

Tabelul 3.8. Densitatea medie și accelerația rezultantă

u.m. A1 B1 C1 D1 E1 F1 G1 arez m/s² 0,00 0,00 1,08 1,66 4,31 11,25 15,38

ρmed g/cm3 2,641 2,649 2,668 2,656 2,684 2,703 2,683 În figura 3.15 este prezentată variaţia densităţii epruvetelor în funcţie de acceleraţia

oscilaţiilor mecanice la care a fost supus aliajul în timpul cristalizării.

Fig. 3.15 Influenţa acceleraţiei vibraţiilor asupra densităţii aliajului turnat

Se poate constata că pe curba de variaţie a densităţii funcţie de acceleraţia vibraţiilor

este evident un punct de maxim, corespunzător epruvetei F (f=1050Hz, a=11,25 m/s2). De asemenea, şi epruveta G (f=5200Hz, a=15,38m/s2) prezintă o densitate relativ

ridicată, dar nu maximă, cu toate că la cristalizare a suferit cea mai mare acceleraţie. De aici se desprinde ideea că atât frecvenţa, cât şi acceleraţia vibraţiilor influenţează condiţiile de cristalizare, iar pentru analiza ponderii este necesară şi evaluarea microstructurii şi a caracteristicilor mecanice.

3.3.5. Analiza microstructurii Pentru obţinerea eșantioanelor metalografice, probele experimentate au fost debitate

prin așchiere, obţinându-se o rugozitate de 1 mm. Şlefuirea probelor s-a realizat cu ajutorul hârtiei abrazive cu următoarele granulaţii:, 800, 1000, 1200 1500 și 2000; luciul metalic s-a obţinut prin lustruire la pâsla cu ajutorul suspensiei de alumină (Al2O3) .

Pentru analiza macrostructurală şi microstructurală probele au fost atacate cu o soluţie de acid fluorhidric 5% . După atacul cu reactivul s-a realizat analiza macroscopică cu ajutorul microscopului optic metalografic tip Nikon model Elipse Ma 100 din cadrul Universității Transilvania Braşov (fig. 3.16).



Fig. 3.16 Microscop Nikon Elipse Ma 100

Pentru analiza metalografică, la epruvetele turnate A1, B1......G1, a fost eliminat

capătul inferior pe o lungime de 12mm şi a fost apoi prelevată prin aşchiere o probă Φ20x10mm, care a fost pregătită în vederea cercetării microstructurii.

Majoritatea probelor au fost cercetate la o mărire relativ mică (grosisment 5x) la care au putut fi evidenţiate mai clar influenţele oscilaţiilor mecanice asupra structurii dendritice de turnare. La măriri mai mari (grosisment 50x) influenţele vibraţiilor sunt greu de evidenţiat.

Au fost realizate numeroase micrografii, dintre care sunt prezentate doar câteva care evidenţiază elementele caracteristice ale microstructurii (fig. 3.17......fig. 3.27).

Fig. 3.17 Proba A1 turnată fără vibraţii şi fără preîncălzirea formei atacată cu acid

fluorhidric 5%, mărire 50x → structură dendritică grosolană şi microretasuri intra- şi intercristaline

În figurile 3.17 şi 3.18 sunt prezentate microstructurile epruvetelor care s-au solidificat

în condiţii obişnuite de cristalizare, respectiv în absenţa vibraţiilor. În condiţiile răcirii rapide realizate la turnarea în forma metalică rece, rezultă o structură dendritică cu numeroase microretasuri intra şi intercristaline (fig. 3.17). Prezenţa frecventelor microretasuri şi pori explică şi faptul că densitatea epruvetelor care au cristalizat în condiţii statice este minimă.



Fig. 3.18 Proba B1, turnată fără vibraţii, dar cu preîncălzirea cochilei, atacată cu acid

fluorhidric 5%, mărire 50x → structură dendritică, microretasuri şi incluziuni de gaze

Microstructura probelor prezentate în figurile 3.19...3.23 a rezultat prin cristalizarea

produsă în prezenţa vibraţiilor. La toate probele metalografice se constată o prezenţă mai redusă a microretasurilor şi a incluziunilor de gaze, lucru materializat şi prin sporirea densităţii. De asemenea, se poate observa fragmentarea şi finisarea axelor dendritice de grad inferior.

Fig. 3.19 Proba C1, preîncălzire cochilă, vibraţii 50Hz – arez=1,08 m/s2, atacată cu acid

fluorhidric 5%, mărire 50x → structură finisată, dendrite fragmentate



Fig. 3.20 Proba D1, preîncălzire cochilă, vibraţii 350Hz – arez=1,66 m/s2, atacată cu acid

fluorhidric 5%, mărire 50x → structură finisată, dendrite fragmentate

Fig. 3.21 Proba E1, preîncălzire cochilă, vibraţii 675Hz – arez=4,31 m/s2, atacată cu acid

fluorhidric 5%, mărire 50x → structură fină, natura dendritică vag conturată.

Prin compararea microstructurilor prezentate în figura 3.19 (proba C, f=50Hz,

arez=1,08 m/s2) şi figura 3.23 (proba G, f=5200Hz, arez=15,38 m/s2) se poate concluziona că frecvenţa oscilaţiilor influenţează finisarea structurii, în sensul micșorării mărimii grăuntelui la creșterea frecvenței.



Fig. 3.22 Proba F1, preîncălzire cochilă, vibraţii 1050Hz – arez=11,25m/s2, atacată cu acid

fluorhidric 5%, mărire 50x → structură finisată cu dendrite insuficient fragmentate

Se conturează astfel ideea că în condiţii industriale, pentru finisarea granulaţiei şi

pentru creşterea compactităţii produselor turnate, este favorabilă utilizarea unor echipamente acţionate electric, care generează oscilaţii de amplitudine şi acceleraţie mare, pe frecvenţa reţelei de alimentare (f=50...60Hz). Prin utilizarea unor astfel de echipamente, dotate cu excitatoare electromagnetice sau cu motoare electrice cu excentric, pot fi realizate vibraţii cu acceleraţii foarte mari. Trebuie remarcat faptul că utilizarea unor astfel de excitatoare, simplifică mult echipamentul de generare a vibraţiilor.

Fig. 3.23 Proba G1, preîncălzire cochilă, vibraţii f=5200Hz – arez=15,38m/s2, atacată cu acid

fluorhidric 5%, mărire 50x → structură finisată cu dendrite insuficient fragmentate

Probele din figurile 3.24 şi 3.25 au fost obţinute prin cristalizare fără vibraţii. Se poate

constata natura dendritică a domeniilor de soluţie solidă, iar în aceste domenii mai slab atacate pot fi observaţi grăunţi grosolani de siliciu, precum şi alţi compuşi de natură eutectică sau rezultaţi prin variaţia solubilităţii în stare solidă.



Fig. 3.24 Proba A1, fără vibraţii, fără preîncălzirea cochilei, atacata cu acid fluorhidric 5%,

mărire 500x1 → structură dendritică, constituenţi grosolani în spaţiile dintre ramurile dendritice

Fig. 3.25 Proba B1, fără vibraţii, cu preîncălzirea cochilei, atacata cu acid fluorhidric 5%,

mărire 500x1 → structură dendritică, constituenţi grosolani în spaţiile dintre ramurile dendritice

Prin aplicarea vibraţiilor în timpul cristalizării se realizează fragmentarea dendritelor,

rezultând domenii de soluţie solidă cu formă aproape sferică (fig. 3.26 şi 3.27). Domeniile de soluţie solidă includ compuşi cu dimensiuni mult mai mici faţă de cei rezultaţi la cristalizarea statică. În jurul domeniilor de soluţie solidă de formă predominant sferică se formează amestecuri mecanice extrem de fine, de natură eutectică, care includ şi precipitate secundare. Astfel este de aşteptat ca rezistenţa mecanică a aliajelor vibrate în timpul turnării, cristalizării şi răcirii să fie mai ridicată.



Fig. 3.26 Proba D1, preîncălzire cochilă, vibraţii 350Hz – arez=2,12 m/s2, atacata cu acid

fluorhidric 5%, mărire 500x → constituenţi finisaţi în spaţiile dintre ramurile dendritice care au fost fragmentate prin

acţiunea oscilaţiilor mecanice

Fig. 3.27 Proba G1, preîncălzire cochilă, vibraţii 5200Hz – arez=15,38 m/s2, atacata cu acid

fluorhidric 5%, mărire 500x → constituenţi finisaţi în spaţiile dintre ramurile dendritice care au fost fragmentate prin

acţiunea oscilaţiilor mecanice. Structură caracteristică tuturor probelor vibrate

3.3.6. Analiza microscopică SEM și EDS Pentru realizarea microscopiilor SEM s-a utilizat microscopul electronic de baleiaj

(SEM 3500N, Hitachi) cu Dispozitiv pentru spectroscopie cu raze X în dispersie (EDX Thermo Scientific Ultra Dry); din dotarea departamentului departamentului Design de produs, Mecatronica si Mediu al Universității Transilvania din Brașov.



Fig. 3.30 Proba A - epruvete turnate în forma rece, fără vibraţii; mărire 500x,

dimensiunea fazei de Si=48,4µm

Fig. 3.31 Proba B - epruvete turnate în forma preîncălzită, fără vibraţii; mărire 500x, dimensiunea fazei de Si=36,6µm

Fig. 3.32 Proba C - epruvete turnate în forma preîncălzită cu vibraţii de 50Hz;

mărire 500x, dimensiunea fazei de Si=33,5µm

Fig. 3.33 Proba D epruvete turnate în forma preîncălzită şi cu vibraţii de 350Hz;




Fig. 3.34 Proba E epruvete turnate în forma preîncălzită şi cu vibraţii de 675Hz; mărire

500x, dimensiunea fazei de Si=16,7µm

Fig. 3.35 Proba F - epruvete turnate în forma preîncălzită şi cu vibraţii de 1050Hz;


Fig. 3.36 Proba G, epruvete turnate în forma preîncălzită şi cu vibraţii de 5200Hz


Tabelul 3.10. Dimensiunea fazei de Si

Lot epruvete A B C D E F G Frecvența Hz 0 0 50 350 675 1050 5200

Dimensiunea fazei de Si µm 48,4 36,6 33,5 24,7 16,7 13,2 29,7

In figura 3.37 se observă că dimensiunile a fazei de Si scad până in dreptul epruvetei F

(frecvența 1050 Hz, accelerația 11,37 m/s2) după care încep iarăși să crească.



Fig. 3.37 Variația dimensiunii fazei de Si cu frecvența

SEM Proba A

Fig. 3.38 SEM Proba A

Quantitative Results for: Base(1) Element Line

Net Counts

Weight %

Atom %

Al K 95940 76.03 76.76 Si K 14806 23.97 23.24 Total 100.00 100.00 Proba a fost turnată fără vibraţii şi fără preîncălzirea formei



SEM Proba B

Fig. 3.39 SEM Proba B


Net Counts

Weight %

Atom %

O K 1299 4.06 6.71 Al K 118064 74.55 73.13 Si K 16879 21.39 20.16 Total 100.00 100.00 Epruvetă turnată fără vibraţii, dar cu preîncălzirea cochilei, se observă incluziuni de

gaze si microretasuri. SEM Proba C

Fig. 3.40 SEM Proba C




Net Counts

Weight %

Atom %

Al K 98838 70.03 70.87 Si K 21647 29.97 29.13 Total 100.00 100.00 Epruveta turnată cu preîncălzire cochilă, vibraţii 50Hz – arez=1,08 m/s2, se observă că

microretasurile și incluziunile de gaze sunt mai reduse. SEM Proba D

Fig. 3.41 SEM Proba D

Quantitative Results for: Base(1)



Element Line

Net Counts

Weight %

Atom %

Al K 143577 69.91 71.93 Si K 28588 26.69 26.38 Fe K 1012 3.39 1.69 Total 100.00 100.00 Epruveta turnată cu preîncălzire, vibraţii 350Hz – arez=1,66 m/s2, se observă că

microretasurile sunt mai reduse.

SEM Proba E

Fig. 3.42 SEM Proba E


Net Counts

Weight %

Atom %

Al K 164139 70.29 71.12 Si K 35453 29.71 28.88 Total 100.00 100.00 Epruveta turnată cu preîncălzire, vibraţii 675Hz – arez=4,31 m/s2, se observă finisarea

structurii.



SEM Proba F

Fig. 3.43 SEM Proba F


Net Counts

Weight %

Atom %

Al K 206877 72.20 72.99 Si K 40131 27.80 27.01 Total 100.00 100.00 Epruveta turnată cu preîncălzire, vibraţii 1050Hz – arez=11,25m/s2. Se observă că nu

mai există incluziuni de gaze și retasuri. SEM Proba G

Fig. 3.44 SEM Proba G




Net Counts

Weight %

Atom %

Al K 192528 69.90 70.74 Si K 42480 30.10 29.26 Total 100.00 100.00 Epruveta turnată cu preîncălzire, vibraţii 5200Hz – arez=15,38m/s2. Se observă că din

cauza accelerației mari și a intensității vibrațiilor incluziunile de gaze nu mai pot fi eliminate.

3.3.7. Încercări mecanice 3.3.7.1. Încercarea de duritate

Au fost executate câte 3 încercări pentru fiecare probă (fig. 3.45) cu forța F=10daN, iar

rezultatele sunt prezentate în tabelul 3.11.

Fig. 3.45 Schema amprentelor pe epruvetă

Tabelul 3.11. Duritatea măsurată a epruvetelor

PROBA A B C D E F G HV10 1 71,3 72,7 77,9 73,3 74,2 77,2 74,2 HV10 2 70,7 70,7 70,7 74,2 74,2 74,2 71,3 HV10 3 71 71,3 71,3 72,5 73,9 74,2 68,6 HV10md 71 71,57 73,3 73,33 74,1 75,2 71,37

In figura 3.46 sunt prezentate valorile durității medii in funcție de frecvența la care a

fost supusă topitura metalică în timpul cristalizării. Se observă o creștere a durității cu frecvența de vibrare, cu excepția probei G.



Fig. 3.46 Evoluția durității medii în funcție de frecvență

3.3.7.2. Încercarea la tracţiune

Principalele dimensiuni ale epruvetelor realizate pentru încercarea la tracțiune sunt

prezentate în figura 3.47.

Fig. 3.47 Epruvetele pentru încercarea la tracţiune

• Lt=135 mm • Lc=100 mm • L0=106 mm • d0=10 mm • d1=20 mm • Lt lungimea totală a epruvetei, • Lc lungimea calibrată a epruvetei (lungimea zonei de secțiune constantă în limitele

toleranțelor prescrise), • L0 lungimea inițială între repere (marcată prin două repere trasate în interiorul zonei

calibrate în vederea determinării alungirii la rupere), • d0 diametrul inițial al epruvetei.

Incercările la tracţiune au fost realizate pe maşina de încercare WMW de 100 kN din laboratorul de încercări mecanice al departamentului IMS al facultăţii SIM (fig. 3.48).



Traductorul utilizat pentru măsurarea forţei de tracțiune a fost de 20 kN, iar viteza de avans a fost de 7 mm/min.

Fig. 3.48 Maşina pentru încercări la tracţiune

Rezultatele obţinute în urma încercărilor la tracţiune sunt prezentate în tabelul 3.12.

Tabelul 3.12 Caracteristicile mecanice rezultate din încercarea la tracţiune Proba U.M. A2 B2 C2 D2 E2 F2 G2

Frecventa Hz 0 0 50 350 675 1050 5200 Rm [Mpa] 167 184 190 198 202 211 198

Rp0,2 [Mpa] 75 88 105 111 131 139 127 A % 1 2,5 2,8 2,8 3,6 3,8 3

Fig. 3.49 Variația rezistenței la rupere și la curgere cu frecvența



Fig. 3.50 Variația alungirii la tracțiune cu frecvența

Comparând rezultatele obţinute prin încercări, cu cele impuse de EN 1706-2010,

rezultă: - Singura epruvetă care nu se încadrează în limitele impuse este cea care a fost

turnată în forma rece şi care nu a fost vibrată. Analiza microstructurii care evidenţia prezenţa microretasurilor, precum şi determinările densităţii, indicau ca previzibilă o rezistenţă mecanică scăzută.

- Toate epruvetele care au fost turnate şi care s-au solidificat în prezenţa oscilaţiilor mecanice, prezintă caracteristici mecanice substanţial mai înalte decât cele impuse de norma de fabricaţie.

- Se remarcă epruvetele F şi G care au cristalizat sub acţiunea unor acceleraţii de 11...15m/s2. Epruvetele încercate prezintă direct din turnare, rezistenţe apropiate de cele ale materialului supus tratamentului de călire pentru punere în soluţie urmată de o îmbătrânire artificială.

- La epruvetele E şi F se înregistrează şi o alungire la rupere de 3,6...3,8%, mult mai mare decât la materialul tratat termic prin călire pentru punere în soluţie şi de îmbătrânire artificială. 3.3.7.3. Încercarea la încovoiere prin șoc

Epruvetele pentru încercarea de încovoiere prin șoc au fost executate respectând

standardul SR EN ISO 148 sunt prezentate în figura 3.52.

Fig. 3.52 Epruveta pentru încercarea de încovoiere prin șoc Charpy V



Rezultatele încercării de încovoiere prin șoc sunt prezentate în tabelul 3.16.

Tabel 3.17 Rezultatele încercării de încovoiere prin șoc Frecvența Hz 0 0 50 350 675 1050 5200 En. Rup. kgfm 0,18 0,18 0,18 0,20 0,22 0,23 0,22 En. Rup. J 1,766 1,766 1,766 1,962 2,158 2,256 2,158

Variația energiei la rupere cu frecvența este prezentata în figura 3.53. Se observă o creștere a energiei la rupere cu creșterea frecvenței de vibrare. Doar

epruveta vibrată la 5200 Hz prezintă o reducere a energiei la rupere.

Fig. 3.53 Variația energiei la rupere cu frecvența

3.3.8. Determinarea vitezei de propagare a ultrasunetelor Caracteristicile fizice şi mecanice sunt stabilite în principal prin încercări distructive

efectuate pe epruvete (tracţiune, încovoiere, forfecare, rezilienţă, microstructură) sau prin încercări nedistructive care pot fi efectuate direct pe produse (duritate, control cu ultrasunete, magnetic, cu lichide penetrante radiaţii penetrante).

Toate metodele enumerate prezintă unele neajunsuri deoarece ele caracterizează materialul local. Uneori există diferenţe semnificative între proprietăţile stabilite pe epruvete şi cele ale produselor, iar în cazul controlului nedistructiv pot fi evidenţiate doar macrodefecte fie de suprafaţă fie de profunzime.

Analiza modului de propagare al undelor ultrasonice prezintă avantajele conform cărora, viteza de propagare şi atenuarea undelor elastice sunt influenţate de microstructură şi de starea de tensiuni din material. De asemenea, prin măsurări ale acestor mărimi poate fi caracterizată starea materialului în întregul volum prin care se produce propagarea undelor ultrasonice.

Scopul cercetării modului de propagare al ultrasunetelor a fost acela de punere în evidenţă a legăturii ce există între microstructură şi proprietăţile aliajelor de aluminiu solidificate în diferite condiţii de vibrare. Metoda de cercetare se bazează pe măsurarea vitezei de propagare a ultrasunetelor, iar în funcţie de acesta, poate fi estimată rezistenţa mecanică şi a microstructurii.



În cazul aliajelor Al-Si, viteza de propagare a undelor ultrasonice, precum şi rezistenţa mecanică sunt puternic influenţate, în primul rând de forma şi cantitatea siliciului prezent în amestecul mecanic eutectic. Cu cât cantitatea de siliciu este mai redusă şi cu cât acesta este mai compact, uniform distribuit şi cu limite mai rotunjite (mai apropiate de forma sferică), cu atât rezistenţa mecanică şi viteza de propagare a undelor sunt mai mari.

Pentru evidenţierea unor diferenţe ale microstructurii rezultate în diferite condiţii de turnare-vibrare, au fost efectuate determinări ale vitezei de propagare şi de atenuare a ultrasunetelor.

În literatura de specialitate este indicată viteza de propagare a undelor longitudinale in aluminiu tehnic pur, vl = 6320m/s şi modulul de elasticitate longitudinal, E=70MPa. Pentru diverse aliaje ale aluminiului sunt indicate diferite valori ale modulului de elasticitate care variază în limite relativ mari, E=70…100Mpa. Dar, între viteza de propagare a sunetului şi modulul de elasticitate longitudinal există o dependenţă directă exprimată prin relaţia lui Newton:

. (3.3)

Astfel, este de aşteptat ca şi viteza undelor ultrasonice în aliajele aluminiului să fie diferită de cea a aluminiului tehnic pur, şi mai este de aşteptat ca şi condiţiile de cristalizare, respectiv microstructura să exercite anumite influenţe.

Pentru determinarea vitezei undelor ultrasonice longitudinale a fost folosit un defectoscop EchoGRAPH 1016 şi un palpator de 5 MHz, Φ 10 mm cu cablu integrat Sonatest, fiind utilizată metoda impuls/ecou. In figura 3.54 este prezentată metoda utilizată pentru determinarea vitezei de propagare a ultrasunetelor prin aliajul EN AC-AlSi10Mg.

Fig. 3.54 Determinarea vitezei de propagare a ultrasunetelor

Au fost cercetate epruvetele solidificate în diferite condiţii de turnare-vibrare, având

dimensiunile: d=20mm şi h≈20mm. Procedeul constă în emisia unui tren de semnale cu frecvenţa de 5 MHz şi recepţionarea ecoului după un timp de ordinul microsecundelor. Atât semnalul emis, cât şi cel recepţionat ca ecou, sunt vizualizate pe ecranul osciloscopului. Cu cât viteza de propagare este mai mică, cu atât timpul parcurs de unda ultrasonică este mai mare şi semnalul ecoului este deplasat spre dreapta pe ecran.

A fost realizată etalonarea defectoscopului pe o epruvetă din aluminiu tehnic pur, considerând viteza longitudinală a undelor ultrasonice vl = 6320m/s. Pe această epruvetă a fost stabilită distanţa evaluată într-un număr de diviziuni pe ecran şi apoi s-a comparat aceasta cu numărul de diviziuni corespunzătoare ecoului înregistrat pe epruvetele supuse cercetării. Au fost făcute corecţiile privind variaţia de ordinul zecimilor de milimetru a înălţimii epruvetelor şi s-a calculat viteza de propagare a ultrasunetelor.

Vitezele de propagare prin epruvetele turnate, au înregistrat toate valori mai ridicate decât în aluminiul pur. Au fost înregistrate şi variaţii ale vitezei de propagare diferite de la



epruvetă la epruvetă. Acest lucru evidenţiază diferenţe ale microstructurilor, datorate condiţiilor diferite de solidificare. Rezultatele obţinute sunt prezentate în tabelul 3.18.

Tabelul 3.18 Atenuarea ultrasunetelor

Proba u.m. A B C D E F G Frecventa Hz 0 0 50 350 675 1050 5200

ρmed g/cm3 2,640 2,648 2,668 2,656 2,684 2,703 2,683 H mm 19,4 19,5 20,3 19,9 19,3 19,1 19,1 T µs 6,38 6,35 6,43 6,37 6,35 6,32 6,28 V m/s 6081,505 6141,732 6314,152 6248,038 6078,74 6044,304 6082,803

h= înălțimea probelor (mm) T= timpul (µs) V= viteza (m/s).

Fig. 3.55 Viteza de propagare a ultrasunetelor prin epruvete funcție de frecvența de vibrare

Atenuarea undelor ultrasonice se produce în toate mediile de propagare, solide, lichide

sau gazoase, Ea este provocată de reflexia, absorbţia şi difuzia energiei transportate de undele ultrasonice, Prin absorbţie acustică se înţelege transformarea energiei acustice în energie termică prin diferite procese, iar prin difuzie o împrăştiere a energiei în mediul în care se propagă unda.

Atenuarea undelor ultrasonice este diferită la acelaşi tip de metal sau aliaj, În funcţie de starea de prelucrare a acestuia, prin turnare, deformare plastică sau prin tratament termic, sunt obţinute diverse microstructuri care influenţează modul de propagare a undelor ultrasonice.

Cea mai puternică atenuare este determinată de prezenţa unor incluziuni cu densitate mai mică decât cea a materialului de bază, Astfel, este necesară o amplificare a semnalului emis în material, pentru ca acesta să aibă suficientă energie pentru a fi sesizat ca semnal reflectat. Prezenţa microporozităţilor nu poate fi sesizată prin semnale reflectate distincte, dar aceste microdefecte pot fi evidenţiate prin atenuarea puternică a semnalului reflectat de către partea opusă a probei.

De asemenea, un material cu granulaţia fină prezintă o atenuare mai mare decât unul cu granulaţie grosolană. La limita grăunţilor se produc dispersări prin reflexie a undelor, lucru



care conduce la reducerea energiei undei. La materialele cu granulaţie mare, pierderile de energie prin reflexie sunt mai reduse.

Atenuarea ultrasunetelor este influenţată şi de tipul palpatorului utilizat, de temperatură şi de frecvenţa de lucru, precum şi de eventualul neparalelism al suprafeţelor epruvetelor. Pentru efectuarea determinărilor, condiţiile de cercetare au fost aceleaşi pentru toate epruvetele. A fost utilizat palpatorul normal cu diametrul de 14mm calibrat pe defectoscopul Unitra care lucrează pe frecvenţa fixă de 5 MHz.

În figura 3.56 este prezentată schema de determinare a atenuării ultrasunetelor în aliajul EN AC-AlSi10Mg,

Fig. 3.56 Determinarea atenuării ultrasunetelor

Pentru determinări a fost utilizată metoda impuls/ecou pe epruvete cilindrice

d=20mm, h≈20mm. Pentru epruvetele cercetate a fost necesară utilizarea mai multor nivele de amplificare, astfel încât semnalul reflectat să fie clar şi stabil. Prin acţionarea sistemului de amplificare cu taste, calibrat în dB, a fost realizată ridicarea nivelului de înălţime a semnalului reflectat, care să corespundă amplitudinii semnalului de intrare iniţial. Rezultatele obţinute au fost împărţite la doi deoarece a fost utilizată metoda ecoului, astfel încât undele ultrasonice au parcurs epruvetele dus-întors, respectiv de două ori înălţimea acestora (tab. 3.18).

Forma constituenţilor influenţează şi ea atenuarea undelor ultrasonice. În cazul aliajului cercetat, EN AC-AlSi10Mg (EN 1706-2010), microstructura este formată predominant dintr-un amestec mecanic eutectic de soluţie solidă pe bază de aluminiu şi siliciu. Forma colţuroasă a siliciului contribuie mult la dispersarea prin reflexie a undelor. Cu cât domeniile de siliciu sunt mai fine şi mai dispers distribuite şi mai apropiate de forma sferică, cu atât fasciculul de unde rămâne mai concentrat şi atenuarea este mai redusă.

In concordanță cu rezultatele obținute anterior la cercetarea microscopică, SEM, la testele de duritate, tracțiune și încovoiere prin șoc, se observă că pe măsură ce crește frecvența de vibrare la solidificare se finisează structura, cresc proprietățile mecanice și scade viteza de propagare a ultrasunetelor. Singura excepție se înregistrează la epruveta vibrată cu 5200Hz.

3.3.9. Determinarea modulului de elasticitate longitudinal dinamic

3.3.9.1. Bazele fizice ale determinării

Cunoscând dimensiunile epruvetelor disponibile pentru determinări ale modulului de elasticitate longitudinal dinamic (d≈10mm, l≈89mm), poate fi estimată frecvenţa proprie de oscilaţie a epruvetelor. În zona acestei frecvenţe pot fi construite curbe de rezonanţă cu scopul determinării modulului de elasticitate dinamic şi a decrementului logaritmic, din care se evaluează frecarea internă din materialul supus cercetării.

Ţinând seama de datele din literatura de specialitate [7,95,105], în care modulul de elasticitate static al aluminiului şi aliajelor sale, este considerat ca având valoarea E ≈ 70...100



GPa şi densitatea de ρ = 2700 kg/m3, prin calculare s-a ajuns la concluzia că rezonanţa proprie a epruvetelor, pe armonica fundamentală, trebuie căutată în domeniul frecvenţelor de 900…1076 Hz.

Dacă se ia în considerare relaţia lui Newton privind viteza de propagare a sunetului:

(3.12)

rezultă că frecvenţa de rezonanţă este: . (3.13)

Cunoscând viteza de propagare a sunetului, vl = 6320 m/s, rezultă că frecvenţa proprie a barei încastrate are valoarea de 1130 Hz.

În aceste condiţii este necesară urmărirea oscilaţiilor epruvetelor în vederea construirii curbelor de rezonanţă, la frecvenţe cuprinse în intervalul 900…1150 Hz.

Este necesară cunoaşterea prealabilă a domeniului frecvenţelor în care trebuie cercetate curbele de rezonanţă, pentru a evita unele influenţe datorate montajului utilizat. În componenţa echipamentului de fixare a epruvetei, a excitatorului electromagnetic şi a traductorului de înregistrare a oscilaţiilor, există numeroase elemente mecanice de ghidare şi poziţionare, care fiecare au frecvenţe proprii de oscilaţie. Aceste componente ale montajului cu care se efectuează cercetarea, pot conduce la interpretări eronate ale curbelor de rezonanţă, şi implicit ale stării de tensiuni şi ale distribuţiei fazelor din microstructura materialului supus cercetării.

3.3.9.2. Echipamentul utilizat pentru determinarea modulului de elasticitate dinamic

Schema montajului realizat pentru construirea curbelor de rezonanţă este prezentată în

figura 3.58, iar în figura 3.59 este instalația realizată.

Fig.3.58 Schema montajului utilizat pentru construirea curbelor de rezonanţă:

D – dispozitiv de fixare a epruvetei; G – generator de semnal sinusoidal de joasă frecvenţă; A – amplificator de putere; F – frecvenţmetru numeric; V – Voltmetru numeric;

O – osciloscop; E – excitator electromagnetic; T – traductor electromagnetic de vibraţii Având în vedere că materialul supus cercetării nu este feromagnetic, pe epruvete au

fost lipite cu o peliculă foarte subţire de adeziv, două folii feromagnetice cu dimensiunile 6x8x0,2 mm. Masa acestor foiţe este neglijabilă în comparaţie cu masa epruvetelor şi astfel, erorile de măsurare produse de aceste mase suplimentare sunt şi ele neglijabile. Cele două folii subţiri sunt necesare pentru generarea vibraţiilor mecanice de către excitatorul electromagnetic şi pentru înregistrarea amplitudinii vibraţiilor de către traductorul electromagnetic,



Prin modificarea frecvenţei curentului sinusoidal produs de generatorul de frecvenţă, epruveta vibrează cu diferite amplitudini. Traductorul electromagnetic sesizează oscilaţiile epruvetei şi generează tensiuni diferite, înregistrate de voltmetrul numeric. Când se ajunge la rezonanţă, valoarea tensiunii înregistrate este maximă, frecvenţa oscilaţiilor putând fi înregistrată cu mare precizie cu ajutorul frecvenţmetrului numeric. Prin reducerea sau creşterea frecvenţei în jurul frecvenţei de rezonanţă, după criteriile de evaluare a) sau b), corespunzătoare unei scăderi a amplitudinii oscilaţiilor, poate fi calculat decrementul logaritmic ca măsură a frecării interne din epruvetă, iar din frecvenţa de rezonanţă rezultă modulul de elasticitate longitudinal dinamic,

Fig.3.59 Montajul realizat pentru determinarea modulului de elasticitate longitudinal

dinamic: 1. Osciloscop ITT Instruments model OX 720, 2. Frecvențmetru Zopan model PFL 28A 3. Multimetru digital Meratronik model V560, 4. Generator vibrații HP model Hewlet,

5. Ampilficator Veb Metra Mess model LV103

Pentru efectuarea determinărilor privind frecarea internă, respectiv pentru construirea curbelor de rezonanţă pe care să fie identificabile amplitudinile oscilaţiilor din vecinătatea frecvenţei de rezonanţă, este necesară utilizarea unor epruvete cu raportul l/d>15. Având în vedere dimensiunile epruvetelor turnate, acest lucru nu a fost posibil. Încercările efectuate pe epruvete relativ scurte, au condus la obţinerea unor curbe de rezonanţă foarte ascuţite, lucru care a făcut imposibilă definirea frecvenţelor f1 şi f2 din vecinătatea frecvenţei de rezonanţă.

Pe epruvetele realizate, care au dimensiunile d≈10mm, l≈89mm, poate fi determinată cu acurateţe frecvenţa de rezonanţă, din care poate fi calculat modulul de elasticitate longitudinal dinamic:

. (3.14)

3.3.9.3. Rezultate experimentale Din epruvetele turnate şi solidificate fără, sau cu vibrare în diferite condiţii, au fost

executate prin strunjire epruvete cilindrice (fig. 3.60) cu dimensiunile d≈10mm, l≈89mm, destinate determinării modulului de elasticitate longitudinal dinamic.

Ţinând seama de dimensiunile epruvetelor, densitatea determinată anterior şi de frecvenţele la care a fost înregistrată rezonanţa pe armonica fundamentală, a putut fi calculat modulul de elasticitate longitudinal mecanic al epruvetelor.



Fig.3.60 Epruvete pentru determinarea modulului de elasticitate dinamic

Tabelul 3.19 Date pentru epruvete pentru determinarea modulului de elasticitate dinamic

Proba A B C D E F G Frecvența Hz 0 0 50 350 675 1050 5200

ρmed g/cm3 2,641 2,649 2,668 2,656 2,684 2,703 2,683 D mm 10,15 10,07 10,17 10,9 10,12 10,14 10,2 L mm 88,6 88,8 89,2 89,3 89,2 88,9 88,9 fr Hz 916 953 934 963 972 1068 981

Ed GPa 67,73 75,39 72,81 67,39 80,10 95,72 79,23

Fig. 3.61 Variația modulului de elasticitate dinamic cu frecvența de vibrare

Fig. 3.62 Modulul de elasticitate dinamic funcție de densitatea epruvetei



Se poate remarca o bună concordanţă între rezultatele obţinute prin încercările de tracţiune şi rezilienţă, cu cele înregistrate prin încercările dinamice de determinare a modulului de elasticitate dinamic. De asemenea, există o legătură între microstructurile epruvetelor, respectiv mărimea grăunţilor, distribuţia şi dimensiunile fazelor constituente, cu modulul de elasticitate determinat din frecvenţa de rezonanţă a epruvetelor.

Cel mai înalt modul de elasticitate a fost înregistrat prin determinările efectuate pe proba F, la care s-a înregistrat cea mai fină şi omogenă distribuţie a fazelor şi cea mai înaltă rezistenţă mecanică.

Valoarea cea mai redusă a modulului de elasticitate a fost înregistrată pe epruveta provenită din lotul de epruvete A, valoarea Ed = 68,52 GPa se află sub limitele care caracterizează aliajele de aluminiu. Prin operaţia de strunjire efectuată pentru realizarea epruvetei A, a ieşit la suprafaţa epruvetei un defect ascuns, respectiv o incluziune de zgură, Prezenţa acestui defect (fig.3.63 a) a determinat înregistrarea unui modul de elasticitate de valoare foarte scăzută. Pentru punerea in evidenta a profunzimii incluziunii de zgură care afectează modului de elasticitate epruveta A a fost secționată (fig. 3.63 b)

a) b)

Fig.3.63 Macrodefect, incluziune de zgură în lotul de probe A Prin analiza comportării unui material sub acţiunea unor vibraţii mecanice de frecvenţă

variabilă, se pot trage diverse concluzii privind microstructura şi caracteristicile mecanice. Astfel, metoda poate fi folosită pentru controlul nedistructiv al diverselor produse, prin care poate fi evaluată starea de ansamblu: dimensiuni, microstructură, starea de tensiuni, prezenţa defectelor interne.

3.4. Concluzii Prin alegerea unui domeniu de excitare cu frecvenţe în afara celor cu care au lucrat alţi

cercetători, respectiv 50...5200Hz, a putut fi evidenţiată influenţa predominantă a acceleraţiei şi nu a frecvenţei oscilaţiilor, asupra microstructurii şi proprietăţilor.

Se poate constata că pe curba de variaţie a densității funcţie de acceleraţia vibraţiilor este evidențiat un singur punct de maxim corespunzător epruvetei F (f=1050Hz, a=11,25m/s2).

De asemenea şi epruveta G (f=5200Hz, a=15,37m/s2) prezintă o densitate relativ ridicată, dar nu maximă, cu toate că la cristalizare a suferit cea mai mare acceleraţie. De aici se desprinde ideea că atât frecvenţa, cât şi acceleraţia vibraţiilor influenţează condiţiile de cristalizare, iar pentru analiza ponderii este necesară şi evaluarea microstructurii şi a caracteristicilor mecanice.

Prin aplicarea vibraţiilor în timpul cristalizării se realizează fragmentarea dendritelor, rezultând domenii de soluţie solidă cu formă aproape sferică (fig. 3.27 şi 3.28). Domeniile de soluţie solidă includ compuşi cu dimensiuni mult mai mici faţă de cei rezultaţi la cristalizarea



statică. În jurul domeniilor de soluţie solidă de formă predominant sferică se formează amestecuri mecanice extrem de fine, de natură eutectică, care includ şi precipitate secundare. Astfel este de aşteptat ca rezistenţa mecanică a aliajelor vibrate în timpul turnării, cristalizării şi răcirii să fie mai ridicată.

In figura 3.46 sunt prezentate valorile durității medii in funcție de frecvența la care a fost supusă topitura metalică în timpul cristalizării. Se observă o creștere a durității cu frecvența de vibrare, cu excepția probei G.

Epruvetele realizate şi analizate sunt încadrate în categoria K (turnare în forme permanente – cochilă) şi fără tratamente termice (F). Pentru aceste condiţii de obţinere, conform EN 1706-2010, sunt impuse următoarele condiţii privind rezistenţa mecanică (Tab 3.12 ):

- Rm = min 180 MPa; - Rp0,2= min 90 MPa; - A = min 2,5%.

Comparând rezultatele obţinute prin încercări, cu cele impuse de EN 1706-2010, rezultă:

• singura epruvetă care nu se încadrează în limitele impuse este cea care a fost turnată în forma rece şi care nu a fost vibrată. Analiza microstructurii care evidenţia prezenţa microretasurilor, precum şi determinările densităţii, indicau ca previzibilă o rezistenţă mecanică scăzută;

• toate epruvetele care au fost turnate şi care s-au solidificat în prezenţa oscilaţiilor mecanice, prezintă caracteristici mecanice substanţial mai ridicate decât cele impuse de norma de fabricaţie;

• se remarcă epruvetele F (F=1050 Hz) care au cristalizat sub acţiunea unor acceleraţii rezultante de 11,25 m/s2, valoarea accelerației verticale fiind 10 m/s2. Epruvetele încercate prezintă direct din turnare rezistenţe apropiate de cele ale materialului supus tratamentului de călire pentru punere în soluţie urmată de o îmbătrânire artificială;

• la epruvetele E (F=675 Hz) şi F (F=1050 Hz) se înregistrează şi o alungire la rupere de 3,6...3,8%, mult mai mare decât la materialul tratat termic prin călire pentru punere în soluţie şi de îmbătrânire artificială;

• în cazul epruvetelor tip G (F=5200 Hz), la care deși accelerația rezultantă a fost de 15,38 m/s2, valoarea accelerației verticale a fost de doar 5,2 m/s2, valorile determinate ale proprietăților au fost mai reduse decât în cazul epruvetei F;

• se poate concluziona că efectul favorabil al vibrațiilor asupra proprietăților determinate este condiționat de creșterea accelerației verticale odată cu frecvența.

4. Modelarea matematică a rezultatelor experimentale

4.2. Algoritmul metodei de interpolare Lagrange Fie funcţia [ ] R→n0 x,x:f , dată sub forma unui tablou de valori [64]:

Punctele kx , numite şi noduri de interpolare, nu sunt în mod necesar egal distanţate.

Se impune coincidenţa funcţiei )x(f cu un polinom de aproximare de grad n , în nodurile de interpolare, adică:

n0k),x(P)x(f kn ÷== . (4.9)

xk x0 x1 x2 ... xn f(xk) f(x0) f(x1) f(x2) ... f(xn)



Metoda Lagrange propune determinarea polinomului de aproximare fără a se rezolva sistemul considerat.

4.3. Metodica folosită la modelarea matematică Datele experimentale provin din tabelele prezentate în capitolul 3 ca rezultat al testelor

efectuate. Din acest tabel se exclude prima valoare, deoarece turnarea epruvetei A s-a realizat fără preîncălzire, și ultima valoare, fiindcă solidificarea epruvetei G a avut loc la o frecvență de vibrare foarte mare, ceea ce a determinat înrăutățirea proprietăților. Rezultatele determinate pentru epruvetele B…F vor fi luate în calcule pentru toate modelările matematice.

Pentru interpolarea Lagrange s-a folosit o aplicație proprie realizată în programul Mathcad 15.0. In prima secvență a aplicației se introduc datele de intrare și se reprezintă grafic nodurile interpolării. In următoarea secvență se calculează coeficienții interpolării Lagrange atunci când punctele nu sunt ordonate crescător și când sunt ordonate. In ultima secvență este prezentat polinomul de interpolare Lagrange precum și funcția de interpolare determinată cu programul CurveExpert 1.3. Ambele funcții și nodurile interpolării sunt reprezentate grafic în final. In programul CurveExpert, după introducerea datelor experimentale, s-a folosit funcția CurveFinder, rezultând funcția de interpolare cu cea mai mică eroare standard și cel mai mare coeficient de corelație, calculate față de noduri.

Rezultatele modelării matematice sunt prezentate în anexe.

4.4. Modelarea matematică a variației durității cu frecvența Datele experimentale provin din tabelul 3.7.

Date de intrare:

m 4:= i 0 m..:=

Frecventa

0

50

350

675

1050

:= Densitatea

2.649

2.668

2.656

2.684

2.703

:=

punctele nu sunt ordonate

Lagrange_coef x y, ( ) n length x( )←

dk 1←

dk dk xk xi−( )⋅← i k≠if

i 0 n 1−..∈for

ckyk

dk←

k 0 n 1−..∈for

c

:=

punctele sunt ordonate



Lagrange_Eval t x, c, ( ) n length x( )←

m length t( )←

pi 0←

Nj 1←

Nj Nj ti xk−( )⋅← j k≠if

k 0 n 1−..∈for

pi pi Nj cj⋅+←

j 0 n 1−..∈for

i 0 m 1−..∈for

p

:=

x Frecventa:= y Densitatea:=

c

2.136 10 10−×

2.846− 10 10−×

1.112 10 10−×

5.22− 10 11−×

9.807 10 12−×

= c Lagrange_coef x y, ( ):=

t x:=

yt

2.649

2.668

2.656

2.684

2.703

= yt Lagrange_Eval t x, c, ( ):=

Interpolare polinomială de gradul 4 Lagrange

ρp f( ) 2.218429− 10 12−⋅ f4⋅ 4.461621 10 9−⋅ f3⋅+ 2.668522 10 6−⋅ f2⋅− 5.025493 10 4−⋅ f⋅+ 2.649+:=

Interpolare sinusoidala CurveExpert

"Sinusoidal Fit: y=a+b*cos(cx+d)"

"Coefficient Data:"

"a ="

"b ="

"c ="

"d ="

0

02.6791582

0.024414221

0.0033518712

2.5914904

Standard Error: 0.0152477 Correlation Coefficient: 0.9370275

f 0 1, 1050..:=

ρs f( ) 2.6791582 0.024414221 cos 0.0033518712 f⋅ 2.5914904+( )⋅+:=

Domeniul de variație



4.13. Concluzii In urma modelării matematice a rezultatelor experimentale determinate în capitolul 3

se poate constata: • interpolarea Lagrange nu oferă acuratețea necesară pentru a descrie fenomenele

analizate; • interpolările particulare prezentate în cap. 4.4 … 4.12, furnizate de

CurveExpert, sunt suficient de precise pentru a modela fenomenele testate; • în cazul rezistenței la rupere și la curgere, interpolările tip Harris descriu cel

mai bine dependența de frecvență pentru domeniul analizat; • în cazul variației durității Vickers și al vitezei de propagare cu frecvența, pe

domeniul analizat interpolarea rațională descrie cel mai bine dependența; • interpolarea tip MMF este cea mai adecvată pentru a fi aplicată la variația

energiei la rupere cu frecvența pe domeniul analizat; • în cazul variației modulului de elasticitate dinamic și al dimensiunii fazei de

siliciu cu frecvența, pe domeniul analizat interpolarea polinomială descrie cel mai bine dependența;

• interpolarea sinusoidală descrie cel mai precis variația densității cu frecvența pe domeniul analizat.

0 500 1 103× 1.5 103×2.64

2.66

2.68

2.7

2.72

2.74

ρs f( )

ρp f( )

Densitateai 0,

f f, Frecventai 0, ,



5. Concluzii finale, contribuții proprii, perspective de cercetare, diseminarea rezultatelor

5.1. Concluzii finale Cercetările experimentale efectuate au urmărit definirea celor mai avantajoase

modalități de efectuare a ciclurilor de turnare diferite de cele tradiționale, care să asigure creșterea caracteristicilor mecanice, structurale și tehnologice ale aliajului.

Inițierea cercetărilor în acest domeniu, alegerea direcțiilor de cercetare, a metodelor adecvate de investigare etc., au fost stabilite în urma studiului unui bogat material documentar de specialitate, cuprinzând ultimele noutăți în domeniu. În acest sens s-a pornit de la clasificarea aliajelor de aluminiu destinate turnării.

Rezultatele studiului documentar, referitoare la aliajele de aluminiu și la prelucrabilitatea acestora au scos în evidență o serie de elemente incomplet elucidate, legate de corelarea caracteristicilor structurale inițiale cu condițiile specifice de turnare precum și cu caracteristicile mecanice și structurale finale.

În cadrul cercetărilor, au fost confirmate efectele favorabile pe care le determină vibraţiile aplicate în cursul procesului de cristalizare, efecte semnalate în diverse articole de specialitate.

Prin alegerea unui domeniu de excitare cu frecvenţe în afara celor cu care au lucrat alţi cercetători, respectiv 50...5200Hz, a putut fi evidenţiată influenţa predominantă a acceleraţiei şi nu a frecvenţei oscilaţiilor, asupra microstructurii şi proprietăţilor.

Au fost înregistrate rezultate maxime în cazul vibrării cu acceleraţia verticală de 10m/s2, pe toată durata cristalizării şi răcirii probelor turnate.

Cu creșterea frecvenței vibrației se înregistrează creșterea densității, a durității, a rezistenței la rupere și curgere, a alungirii, a energiei de rupere și a modulului de elasticitate. Toate aceste mărimi cresc dacă creșterea frecvenței este însoțită de creșterea accelerației în plan vertical. Odată cu creșterea frecvenței se înregistrează o scădere a dimensiunii fazei de siliciu și reducerea vitezei longitudinale de propagare a ultrasunetelor.

Buna corelare a acestor rezultate demonstrează efectul favorabil al vibrațiilor asupra proprietăților aliajului AlSi10Mg.

Pe baza rezultatelor cercetărilor efectuate a fost acumulată experienţa necesară pentru proiectarea unui echipament industrial utilizabil în turnătoriile de aliaje neferoase.

Echipamentul şi montajele realizate în cadrul tezei pot fi utilizate pentru dezvoltarea altor lucrări de cercetare desfăşurate în Universitatea Transilvania din Braşov.

5.2. Contribuții proprii A fost proiectată şi realizată o platformă acţionată de un excitator electrodinamic

capabilă să genereze oscilaţii cu frecvenţa reglabilă în limitele de 20Hz – 20kHz. La suprafaţa platformei au fost produse vibraţii cu o acceleraţie maximă de 88m/s2, în regim de rezonanţă a sistemului.

A fost realizat montajul de excitare a platformei vibrante, compus din generator de semnal de joasă frecvenţă, amplificator de putere, excitator electrodinamic, frecvenţmetru şi vibrometru.

Pentru turnarea și cristalizarea eșantioanelor sub acţiunea vibraţiilor a fost realizată o cochilă, cu posibilitatea de fixare rigidă pe platforma vibrantă. Acceleraţia verticală maximă care a fost înregistrată la nivelul cochilei a fost de 15 m/s2 şi a corespuns unei armonici cu frecvenţa de 5200Hz.



Au fost turnate 28 de probe cilindrice care au cristalizat în prezenţa unor vibraţii cu frecvenţe cuprinse între 50...5200Hz şi acceleraţii rezultante de 0,4...15 m/s2.

Prin vibrarea topiturii metalice pe toată durata cristalizării şi în continuare până la scăderea temperaturii probelor solidificate până la temperaturi sub 200°C, s-au obținut:

- creşterea numărului de germeni de cristalizare; - fragmentarea dendritelor în curs de dezvoltare; - reducerea volumului incluziunilor de gaze; - finisarea şi omogenizarea granulaţiei; - creşterea caracteristicilor mecanice (duritatea, rezistența la rupere și la curgere,

alungirea la rupere, energia la rupere, modulul de elasticitate dinamic). După caracterizarea aliajului AlSi10Mg obținut prin turnare în câmp vibrator, variația

mărimilor determinate a fost modelată matematic, obținându-se curbele de interpolare funcție de frecvență.

5.3. Perspective de cercetare În urma cercetărilor derulate în cadrul acestei teze s-au identificat noi direcţii de

cercetare: • studierea influenței legăturii dintre excitator și cochila de tunare; • ridicarea măririi și a rezoluției microscopiei electronice pentru a se evidenția

mecanismele de formare a dendritelor și a incluziunilor; • studierea relaxării tensiunilor interne prin aplicarea vibrațiilor la solidificare.

5.4. Diseminarea rezultatelor tezei Articole în reviste BDI:

1. Banea, Al., Tierean, M., Influence of vibration on mechanical properties of alloy AlSi10Mg cast, Metalurgia, ISSN 0461-9579, nr. 8, 2013, p. 23-29.

2. Banea, Al., Tierean, M., Influence of vibration on the microstructure of alloy AlSi10Mg cast, Metalurgia, ISSN 0461-9579, 2014, în curs de publicare.

3. Roman, I.B., Banea, A.S., Tierean, M.H., A Review on Mechanical Properties of Metallic Materials after Laser Shock Processing, Bulletin of the Transilvania University of Brasov, Vol. 4 (53) No. 2 - 2011 ISSN 2065-2119 (Print), ISSN 2065-2127 (CD-ROM), Published by Transilvania University Press Brasov, Romania, 2011, p. 81-86. Prezentări la conferințe internaționale:

4. Banea, A.S., Roman I.B., Gâlea, A., Tierean, M.H., Study on the influence of mechanical vibrations alloys properties, International Conference “Scientific Research and Education in the Air Force” - AFASES 2012, ISSN 2247-3173, p. 840-844.

5. Gâlea, A., Vas, A. L., Roman, I., Banea, A., Trif I.N., Research on reconditioning welding rotor coal pulverizing MV, International Conference “Scientific Research and Education in the Air Force” - AFASES 2012, ISSN 2247-3173, p 872-875.

6. Sapariuc F.A., Uncu I, Banea A., Trif I.N., Mechanization and Welding Control Structure Metal Seat Auto, The 22nd DAAAM International Symposium Intelligent Manufacturing & Automation: Power of Knowledge and Creativity, 2011.



Bibliografie

1. Abdel-Reihim, M., Reif, W., Effect of ultrasonic vibrations on the solidifications of alloys containing different microstructures., Metall 38(1984)2, S.130-132 2. Abood A.N., Tahar Salah Habeb Production of ZA-27 Alloy by New Rheocasting Process, Journal of Zankoy Sulaimani, December 2008, 11(1) Part A (89-99) 3. Abu-Dhrie N, Khraisheh M, Saito K, Male A, Silicon morphology modification in the eutectic Al-Si alloy usingmechanical mould vibration. Mater. Sci. Eng. 2005, A393, pg.109–117 6. Appendino P., G. Crivellone, C.Mus and S.Spriano, Dynamic solidification of sand-cast aluminum alloys. Metallurgical Science and Technology, 2009, pg.7-32. 7. Azenha M., Filipe Magalhães, Rui Faria, Álvaro Cunha, Measurement of concrete E-modulus evolution since casting: A novel method based on ambient vibration, Cement and Concrete Research 40 (2010) 1096–1105 8. Balcu I., Vibraţii ale sistemelor mecanice; Ed. Lux Libris, Braşov, 1996 9. Banea Al., Tierean M., Influence of vibration on mechanical properties of alloy AlSi10Mg cast, Metalurgia ISSN 0461-9579, nr. 8, 2013, p. 23-29. 10. Banea Al., Tierean M., Influence of vibration on the microstructure of alloy AlSi10Mg cast, Metalurgia ISSN 0461-9579, 2014, în curs de publicare. 11. Banea A.S., Roman I.B., Galea. A., Tierean M.H., Study on the influence of mechanical vibrations alloys properties, International Conference “Scientific Research and Education in the Air Force” - AFASES 2012, ISSN 2247-3173, p. 840-844. 13. Bingbo, W., Undirectional dendritic solidification under longitudinal resonant vibration, Acta metallurgica er materialica, Vol. 40 (1992)10, pg. 2739-2751 15. Bo L. Yifu Shen, Weiye Hu, Casting defects induced fatigue damage in aircraft frames of ZL205A aluminium alloy – A failure analysis Materials & Design, Volume 32, Issue 5, May 2011, Pages 2570-2582 16. Bratu P., Vibraţiile sistemelor elastice, Editura Tehnică, Bucureşti, 2000 18. Brunet P., J. Eggers, and R.D. Deegan, Motion of a drop driven by substrate vibrations, Eur. Phys. J. Special Topics 166, 11–14 (2009), pg. 11-14 19. Cămui C., Sofroni L., Researches over the influence of the alloys vibrations during solidification on the cast parts quality (Cercetări privind influenţa procedeului vibrării aliajelor în timpul solidificării asupra calităţii pieselor turnate), Rev.Turnătoria, nr.6, 1999 20. Cămui C., Treatment of Fused Masses by Applying Oscillations of Low and High Frequency, Ph.D. thesis, UPB, Bucharest, 1999 22. Chen Z.Z., Wei-min Mao, Zong-chuang Wu Mechanical properties and microstructures of Al alloy tensile samples produced by serpentine channel pouring rheo-diecasting process Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Volume 21, Issue 7, July 2011, Pages 1473-1479 23. Chengwu D., Rajendra S., Dynamic analysis of preload nonlinearity in a mechanical oscillator, Journal of Sound and Vibration 301 (2007) 963–978 25. Chirita G., I. Stefanescu, D. Soares, F.S. Silva, Influence of vibration on the solidification behaviour and tensile properties of an Al–18 wt%Si alloy Materials & Design, Volume 30, Issue 5, May 2009, Pages 1575-1580 26. Chong L., Shusen Wu, Shulin Lü, Ping An, Li Wan, Effects of ultrasonic vibration and manganese on microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al–Si alloys with 2%Fe Intermetallics, Volume 32, January 2013, Pages 176-183 27. Chong L., Shusen Wu, Shulin Lü, Ping An, Li Wan, Microstructure and mechanical properties of rheo-diecast hypereutectic Al–Si alloy with 2%Fe assisted with ultrasonic vibration process Journal of Alloys and Compounds, Volume 568, 15 August 2013, Pages 42-48 31. Deshpande J., The effect of mechanical mold vibration on the characteristics of aluminium alloys, Manufacturing Engineering, September 2006 32. Deshpande J., The effects of mold vibration on the performance and characteristics of aluminum alloys. Research Programs. Department of Manufacturin Engineering, Worcester Polytechnic Institute, 2006, pg.:1-113 35. Dong J., Cui Jianzhong, Ding Wenjiang, Theoretical discussion of the effect of a low-frequency electromagnetic vibrating field on the as-cast microstructures of DC Al–Zn–Mg–Cu–Zr ingots Journal of Crystal Growth, Volume 295, Issue 2, 1 October 2006, Pages 179-187 36. Dong Jie, Cui Jianzhong, Zeng Xiaoqing, Ding Wenjiang, Effect of Low-Frequency Electromagnetic Vibration on Cast-ability, Microstructure and Segregation of Large-Scale DC Ingots of a High-Alloyed Al, Materials Transactions, Vol. 46, No. 1 (2005) pp. 94 to 99 39. Eskin G I., Crystallization of ingots of magnesium alloys with ultrasonic treatment of the melt. Metallurgist, 2003, 47, pg. 265-272 42. Gbenebor O.P, Aasa S.A, Dynamic Crystallization: An Influence on Degree of Prior Deformation and Mechanical Strength of 6063 Aluminum Alloy, International Journal of Engineering and Technology Volume 2 No. 9, September, 2012, pg.1508-1510



44. Giacomelli I., Stoicănescu M., Luca M.: Influenţa vibraţiilor mecanice alplicate la călire asupra aluminiului si aliajelor sale (The influence of mechanical vibration applied during heat treatments of aluminium alloys on their properties), Conferinţa internaţională de Ştiinţa şi ingineria materialelor, BRAMAT 2005, Universitatea „Transilvania“ din Braşov, 2005, pag116 46. Griffiths W. D., A model of the interfacial heat-transfer coefficient during unidirectional solidification of an aluminum alloy, Mechanical and Materials Transaction, 2000, Vol. 31B, April, pg. 285-295 48. Guan R.G. , F.R. Cao, L.Q. Chen, J.P. Li, C. Wang, Dynamical solidification behaviors and microstructural evolution during vibrating wavelike sloping plate process Journal of Materials Processing Technology, Volume 209, Issue 5, 1 March 2009, Pages 2592-2601 49. Guan R.G., Zhao Z.Y., Chapo R.Z., Zhao H.I., Chun-ming Liu, Effects of technical parameters of continuous semisolid rolling on microstructure and mechanical properties of Mg–3Sn–1Mn alloy Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Volume 23, Issue 1, January 2013, Pages 73-79 50. Guo H.M. , X.J. Yang and B. Hu, Rheocasting of A366 alloy by low superheat poureng wlth a shearing field, Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.) Vol. 19 No. 5 pp328-334 Oct. 2006 53. Hung J.C., Chih-Chia Lin, Investigations on the material property changes of ultrasonic-vibration assisted aluminium alloy upsetting Materials & Design, Volume 45, March 2013, Pages 412-420 54. Jafari H., Mohd Hsbullah Idris, Amirreza Shayganpour, Evaluation of significant manufacturing parameters in lost foam casting of thin-wall Al–Si–Cu alloy using full factorial design of experiment Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Volume 23, Issue 10, October 2013, Pages 2843-2851 55. Jian X, Xu H, Meek T T et al., Effect of power ultrasound on solidification of aluminum A356 alloy. Mater. Lett., 2005, 59:190-193 56. Jian X., T.T. Meek, Q. Han, Refinement of eutectic silicon phase of aluminum A356 alloy using high-intensity ultrasonic vibration, Scripta Materialia 54 (2006), pg. 893–896 57. Jiraskova Y., J. Bursik, J. Cizek, D. Jancik, Solid-state reactions during mechanical milling of Fe–Al under nitrogen atmosphere Journal of Alloys and Compounds, Volume 568, 15 August 2013, Pages 106-111 58. Joseph, M. A.; Nagarajan, M.M.; Ravindran Nair, R., Studies on the porosity of Eutectic Aluminium Alloy Modified and Vibrated during Solidification, Indian Foundry Journal, 2000,Vol 46, pp17-21 62. Kumar S., Pradeep Kumar, H.S. Shan, Effect of evaporative pattern casting process parameters on the surface roughness of Al–7% Si alloy casting Journal of Materials Processing Technology, Volume 182, Issues 1–3, 2 February 2007, Pages 615-623 63. Lădescu C.A., Introducere în teoria matematică a informaţiei şi comunicaţiei, Editura Universităţii Transilvania din Braşov, 2009. 66. Lü S., Shusen Wu, Wei Dai, Chong Lin, Ping An, The indirect ultrasonic vibration process for rheo-squeeze casting of A356 aluminium alloy Journal of Materials Processing Technology, Volume 212, Issue 6, June 2012, Pages 1281-1287 67. Lu S.L., Shu-sen Wu, Ze-ming Zhu, Ping An, You-wu Mao, Effect of semi-solid processing on microstructure and mechanical properties of 5052 aluminium alloy Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Volume 20, Supplement 3, September 2010, Pages s758-s762 68. Luca M., Balteş, L., Luca, V., Şerban, C., Reducerea tensiunilor reziduale şi a deformaţiilor cămăşilor cilindru. Conferinţa Naţională de Tehnologii şi Materiale Avansate, cu participare internaţională, TMA 2003, Universitatea “Dunărea de Jos” din Galaţi, 2003, pag. 288-294 69. Luca M.A., Cercetări privind influenţa oscilaţiilor mecanice asupra transformărilor produse la tratament termic, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania din Braşov, 2007 71. Luca, M.A., Machedon, T., Modificarea sub acţiunea vibraţiilor a aspectului suprafeţelor sudate şi a caracteristicilor fizico – mecanice (The changing of the welded surfaces appearance and of the physical – mechanical characteristics under the action of vibrations) – The 7th international conference on advanced materials (ROCAM 2012), ISSN 1842-3574, Bucharest 2012, pag.149 73. Lyubimov D.V., Lyubimov T.P., Vibration influence on fluid interfaces. R Mecanique 2004, 333. Pg. 467–472 74. Marginean I, Bogdan-Alexandru Verdeş, Crenguţa Manuela Pîrvulescu, Research regarding the effect of alloys vibration on micro- and macroblister from casted parts, Annals of Faculty Engineering Hunedoara– International Journal of Engineering, Tome IX (Year 2011). Fascicule Extra. ISSN 1584 – 2673 75. Moussa M.E., M.A. Waly, A.M. El-Sheikh, Effect of high-intensity ultrasonic treatment on modification of primary Mg2Si in the hypereutectic Mg–Si alloys Journal of Alloys and Compounds, Volume 577, 15 November 2013, Pages 693-700 76. Mrówka-Nowotnik G.,J. Sieniawski, M. Wierzbiñska, Intermetallic phase particles in 6082 aluminum alloy. Archives of Materials Science and Engineering, No.2, Vol.28, pages:69-76, 2007 78. Ohsawa, Y., Sota, A. u. a., Application modes of ultrasonic vibration to molten metal and their effect on solidification structures, Imono 65(1993)4, pg. 288-293 81. Parvulescu C., Cercetări privind influenţa vibrării asupra solidificării aliajelor turnate în piese; Teză de doctorat, UPB 2010.



83. Pîrvulescu C.M. ş.a., Vibrations Influence on the crystallization of alloys metal (Influenţa vibrării asupra cristalizării aliajelor metalice), Rev.Turnătoria, nr.3, 4 2009 84. Pîrvulescu C.M., Bratu C., Mechanical vibrations generation system and effect on the casting alloys solidification process, U.P.B. Sci. Bull., Series B, Vol. 72, Iss. 3, 2010, ISSN 1454-2331, pag. 219-232 85. Pop M.A., Cercetări asupra tehnologiilor şi materialelor moderne pentru confecţionarea garniturilor de model; Teza de doctorat, UT Braşov 2009 86. Popescu N., Saban R., Bunea D., Pencea I., Stiinta materialelor, Ed. Fair Partners Bucuresti, 1999 87. Prodhan, A.; Mitra, A., A study on the effect of a magnetic and electric field during solidification of aluminium, IIF Transaction 1995, pg. 67-75 88. Puga H., J. Barbosa, S. Costa, S. Ribeiro, A.M.P. Pinto, M. Prokic, Influence of indirect ultrasonic vibration on the microstructure and mechanical behavior of Al–Si–Cu alloy Materials Science and Engineering: A, Volume 560, 10 January 2013, Pages 589-595 90. Stoicănescu M., Giacomelli I., Luca M, Studii şi cercetări experimentale privind îmbunătăţirea performanţelor tratamentelor termice ale aliajelor de aluminiu (Studies and experimental research regarding increasing performance of heat treatment for aluminium alloys) –Rev. Tratamente termice şi ingineria suprafeţelor Nr1-2/2005, Bucureşti, 2005, pag. 7-14 92. Şerban C.E., R.M. Popescu, M.A. Luca, Ştiinţa şi tehnologia materialelor, Ed. Lux Libris, Braşov, 2011 93. Ştefănescu F., Alloys solidification kinematic under the mechanic oscillations action (Cinematica solidificării aliajelor sub acţiunea oscilaţiilor mecanice), Metalurgica, nr. 42, 1990 94. Şusu C., Contribuţii la îmbunătăţirea calităţii topiturilor unor aliaje de aluminiu destinate turnării pieselor; Teză de doctorat, UT Cluj-Napoca 2008. 95. Taghavi F., H. Saghafian, Y.H.K. Kharrazi, Study on the ability of mechanical vibration for the production of thixotropic microstructure in A356 aluminum alloy, Materials and Design 30 (2009) 115–121 96. Taghavi F., Hasan Saghafian, Yousef H.K. Kharrazi, Study on the effect of prolonged mechanical vibration on the grain refinement and density of A356 aluminum alloy, Materials and Design 30 (2009) 1604–1611 97. Tirnovan R.A., Contributii privind analiza vibratoarelor electrice si monitorizarea vibratiilor, Teza de doctorat, Cluj Napoca, 1997 99. Tsung Huang K., T.Sheng Lui and L.Hui Chen, Effect of prior deformation on tensile and vibration fracture resistance of friction stirred 5052 alloy. Materials Transactions, no10, 2006,vol47, pages: 2504-2511 101. Vivès C., Crystallization of aluminium alloys in the presence of cavitation phenomena induced by a vibrating electromagnetic pressure Journal of Crystal Growth, Volume 158, Issues 1–2, 1 January 1996, Pages 118-127 102. Vives, C., Effects of electromagnetic vibrations on the microstructure of continuously cast aluminium alloys, Mat. Science and Engineering Al73 (1993), pg.169-172 103. Vives, C., Effects of forced electromagnetic vibrations during the solidification of aluminium alloys: Part 1:Solidification in the presence of crossed alternating electric fields and stationary magnetic fields. Metallurgical and Materials Transactions B, Process Metallurgy and Materials Processing Science 27B (1996)3, pg.445-455 106. Waleed A.K., Khalid F. Al-Raheem, Vibration improved the fluidity of aluminum alloys in thin wall investment casting, International Journal of Engineering, Science and Technology Vol. 3, No. 1, 2011, pp. 120-135 107. Waleed A.K., N. Green, Khalid F. Al-Raheem, Vibration-assisted filling capability in thin wall investment casting, Int J Adv Manuf Technol (2012) 61, pg.873–887 108. Wu S., Zhong Gu, Wan Li, An Ping, Mao You-wu, Microstructure and properties of rheo-diecast Al-20Si-2Cu-1Ni-0.4Mg alloy with direct vibration process, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 20(2010) s763-s767 109. Wu S., Shulin Lü, Ping An, H. Nakae, Microstructure and property of rheocasting aluminium-alloy made with indirect ultrasonic vibration process Materials Letters, Volume 73, 15 April 2012, Pages 150-153 110. Yoneda, H.; Kondo, T.; Ishino, T., Influence of the vibration during solidification on the primary crystal morphology in hypoeutectic Al-Cu alloys andtheir strength. Transact. of the Japan Foundrymen′s Soc. (1991)Oct. pg. 17 111. Zhao Z., Fan Zi-tian, Jiang Wen-ming, Dong Xuan-pu, Microstructural evolution of Mg9AlZnY alloy with vibration in lost foam casting during semi-solid isothermal heat treatment, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 20(2010) s768-s773 112. www.physics.pub.ro/Cursuri/Vasile_Popescu_-_Fizica_1_2008/Curs4.pdf 113. www.scribd.com/doc/51896293/3/TEMA-2-TOPIREA-I-CRISTALIZAREA-METALELOR 114. www.scrigroup.com/tehnologie/tehnica-mecanica/STUDIUL-INFLUENTEI-VIBRATIILOR62696.php



Rezumat

Teza intitulată „Cercetări privind influența vibrațiilor asupra solidificării aliajului

AlSi10Mg” abordează un domeniu tehnic în continuă dezvoltare pe plan mondial, respectiv

turnarea aliajelor de aluminiu în câmp vibrator.

Scopul principal al tezei de doctorat îl constituie îmbunătățirea proprietăților aliajului

AlSi10Mg la turnarea sa în câmp vibrator. Pentru realizarea acestui obiectiv a fost necesară

proiectarea și realizarea unui stand experimental de turnare în câmp vibrator. Acest stand

asigură și măsurarea parametrilor de proces: frecvența, accelerația, temperatura. S-a urmărit

creşterea numărului de germeni de cristalizare, fragmentarea dendritelor în curs de dezvoltare,

reducerea volumului incluziunilor de gaze, finisarea şi omogenizarea granulaţiei, creşterea

caracteristicilor mecanice.

In urma determinării densității, a microstructurii, a proprietăților mecanice și a vitezei

de propagare a ultrasunetelor se poate concluziona că odată cu creșterea frecvenței se obține

îmbunătățirea proprietăților studiate, dacă aceasta este însoțită de creșterea accelerației în plan

vertical.

Cuvinte cheie: turnare, vibrații, aliaj de aluminiu, proprietăți mecanice

Abstract

The PhD thesis called „Researches concerning the vibrations influence on AlSi10Mg

alloy solidification” approaches a technical domain in continuous worldwide development,

respectively aluminium alloys casting in vibrant field.

The main goal of the thesis is the enhancement of AlSi10Mg alloy properties at casting

in vibrant field. To achieve this objective it was necessary to design and implement an

experimental stand for casting in vibrant field specimens will be tested. This stand also

measures the process parameters: frequency, acceleration, temperature. Casting of AlSi10Mg

alloy in vibrant field sought to increase the number of seed crystals, fragmentation of

emerging dendrites, reducing the volume of gas inclusions, grain finishing and

homogenization and increasing of mechanical properties.

After determining of density, microstructure and mechanical properties and velocity of

ultrasound, one may conclude that increasing the frequency enhances the studied properties, if

this takes place in the same time with increasing of vertical acceleration.

Keywords: casting, vibration, aluminium alloy, mechanical properties



Curriculum Vitae

INFORMAŢII PERSONALE

NUME BANEA Alexandru Ștefan

ADRESĂ Str. I.L. Caragiale nr 2, Râșnov, Brașov, România

TELEFON 0745 255 125 E-MAIL [email protected]

NAŢIONALITATE Română DATA NAŞTERII 18.01.1982

EDUCAŢIE ŞI FORMARE 2010 – 2013 Student-doctorand

Universitatea “Transilvania” Braşov Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor 2005 – 2007 Student-masterand Universitatea “Transilvania” Braşov Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor 2000 – 2005 Student-licență Universitatea “Transilvania” Braşov Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

LIMBI STRĂINE CUNOSCUTE Engleză (bine /bine /bine) COMPETENȚE TEHNICE Cunoştinţe complete ale sistemului de operare

Microsoft Windows şi ale aplicaţiilor uzuale (Microsoft Office etc.), editare grafică: CorelDraw, Modelare 3D: SolidWorks

ACTIVITATE ŞTIINŢIFICĂ 6 articole științifice



Curriculum Vitae

PERSONAL INFORMATIONS

NAME BANEA Alexandru Ștefan

ADRESS Str. I.L. Caragiale nr 2, Râșnov, Brașov, Romania

PHONE 0745 255 125 E-MAIL [email protected]

NATIONALITY Romanian DATA OF BIRTH 18.01.1982 EDUCATION 2010 – 2013 Phd. Student

Transilvania University of Brașov Materials Science and Engineering Faculty 2005 – 2007 Master of Science

Transilvania University of Brașov Materials Science and Engineering Faculty

2000 – 2005 Undergraduate Student

University “Transilvania” Braşov Faculty of Materials Science and Engineering

FOREIGN LANGUAGES English (Proficient user / Proficient user / Proficient user)

TECHNICAL SKILLS MicrosoftWindows and their uzual aplication (Microsoft Office etc.), Digital image processing – CorelDraw, 3D modelling – SolidWorks

SCIENTIFIC ACTIVITY 6 scientific papers

universitatea transilvania din braşov universitatea ...old.unitbv.ro/portals/31/sustineri de...

Documents