Influence of Mean Stress on Fatigue Behavior of Recycled Al

Abstract

På grunn av det høye energiforbruket og store CO2-utslipp knyttet til produksjonen av aluminiumslegeringer, er det et behov for mer bruk av resirkulert aluminium (Al). Selv om Al har stort potensiale for resirkulering, fører resirkuleringsprosessen til at uønskede legeringselementer som sink (Zn), kobber (Cu) og jern (Fe) blir tilsatt i ulike mengder. Disse stoffene påvirker de mekaniske egenskapene og utmattingsegenskapene. Arbeidet som blir presentert i denne oppgaven har bestått av forsking på utmatting av Al6082-legeringer med forskjellige mengder av Zn, Cu og Fe. Utmattingstesting har blitt gjort med tre ulike varianter av Al6082, merket som GA1, GA2 og GA3. Ettersom GA1 har den laveste prosentandelen av Zn, Cu og Fe, mens GA3 har den høyeste, har utmattingsresultatene deres blitt sammenlignet for å få fram effekten av økt Zn-, Cu- og Fe-innhold på utmattingsegenskapene. I tillegg har to forkskjellige typer prøvestykker av GA3 blitt testet og sammenlignet, der forskjellen er prøvestykkets retning i forhold til ekstruderingen, og dermed ekstruderingslinjenes retning i forhold til lasten (vinkelrett eller parallelt med lastretningen). Utmattingstestingen ble gjort med tre forskjellige spenningsforhold R (-1, 0.1 og 0.4) for å undersøke effekten av middelspenninger på utmattingen av resirkulert Al. Etter utmattingstesting ble bruddflatene studert med elektronmikroskop (SEM), for å få en bedre forståelse av utmattingsegenskapene gjennom undersøkelse av bruddbmekanismene. Zn, Cu og Fe påvirket utmattingsresultatene betydelig, da GA1 presterte bedre enn GA3 med lengre levetid under alle belatninger, og høyere utmattingsfasthet. Resultatene ble også sammenlignet med utmattingsdata for primær (ikke-resirkulert) Al6082 funnet i literaturen, og GA3 var betydelig underlegen ettersom utmattingsfastheten for en levetid på 2 000 000 sykluser var 30-50 % lavere enn hos primær Al. Med en konstant spenningsamplitude førte en økning av spenningsforholdet R (som gir en høyere middelspenning) til en reduksjon av levetiden. Ved å øke R til 0.4 var reduksjonen av levetid større med en spenningsamplitude på 99 MPa enn med 81.5 MPa. Prøvestykker belastet parallelt med ekstruderingsretningen viste høyere utmattingsstyrke enn prøvestykker belastet vinkelrett på ekstruderingsretningen. Forksjellen er større med lengre levetid (lavere spenninger), noe som tilskrives en tidligere initiering av sprekker når ekstruderingslinjene er vinkelrett på lastretningen.

Because of the high energy consumption and CO2-emissions related to the production of aluminium (Al)-alloys, an increased use of recycled Al is desirable. Although Al has great potential for recycling, impurity elements such as zinc (Zn), copper (Cu) and iron (Fe) are added in varying quantity through the recycling process, and affect the mechanical properties and the fatigue properties. The work presented in this thesis has consisted of research on the fatigue behaviour of Al6082 alloys with different amounts of these impurities. Fatigue testing has been performed on three different variations of Al6082, labelled GA1, GA2 and GA3. With GA1 having the smallest amount of impurity elements and GA3 having the largest, their fatigue results are compared to understand the effect of increasing Zn, Cu and Fe contents on the fatigue performance. Additionally, GA3 specimens that were extracted parallel to the extrusion direction and perpendicular to the extrusion direction were tested and compared, to investigate the effect of extraction direction on the fatigue behaviour. The fatigue testing was carried out at three different R-ratios (-1, 0.1 and 0.4), to investigate the effect of mean stresses on the fatigue behaviour of recycled Al. After fatigue testing, fracture surfaces were studied with a scanning electron microscope (SEM), to provide a better understanding of the fatigue behaviour through investigation of the fracture mechanisms. A significant effect of the impurity elements Zn, Cu and Fe was shown, as GA1 per formed better than GA3, with longer fatigue lives at all tested load conditions, and higher fatigue limits. Furthermore, the results were compared with fatigue data on pri mary (non-recycled) Al6082 from the literature, and the fatigue performance of GA3 was significantly inferior to that of the primary Al-alloys. For a fatigue life of 2,000,000 cycles, the stress amplitude for GA3 was reduced by 30-50 % compared to the primary Al. For a constant stress amplitude, increasing the R-ratio (which implies an increase of mean stress) caused a reduction of fatigue life. When increasing the R-ratio to 0.4, the fatigue life was more severely reduced with the stress amplitude at 99 MPa than at 81.5 MPa. Specimens extracted along the extrusion direction showed a higher fatigue strength than specimens extracted perpendicular to the extrusion direction. The difference in fatigue performance between the directions was increasingly significant with increasing fatigue lives (decreasing stress amplitudes), which was attributed to cracks initiating earlier when the extrusion lines are perpendicular to the loading direction.