Publication

Solidification of binary hypoeutectic alloy matrix composite castings

Andreas Mortensen
1996
Article
Résumé

We consider a binary hypoeutectic alloy casting which solidifies in dendritic form in an unreinforced engineering casting and seek to predict its microstructure in a metal matrix composite. We focus on the case where the reinforcement is fixed in space and fairly homogeneously distributed. We assume that the reinforcement does not catalyze heterogeneous nucleation of the solid. We show that the reinforcement can cause several microstructural transitions in the matrix alloy, depending on the matrix cooling rate, the width, Lambda, of interstices left between reinforcing elements, and the initial velocity V of the solidification front. These transitions comprise the following: (1) coalescence of dendrite arms before solidification is complete, causing solidification to proceed in the later stages of solidification with a nondendritic primary phase mapping the geometry of interstices delineated by reinforcement elements; (2) sharp reduction or elimination of microsegregation in the matrix by diffusion in the primary solid matrix phase; and (3) a transition from dendrite to cell formation, these cells featuring significant undercoolings or a nearly plane front configuration when reinforcing elements are sufficiently fine. Quantitative criteria are derived for these transitions, based on previous work on composite solidification, observations from directional solidification experiments, and current solidification theory. Theory is compared with experimental data for aluminum-copper alloys reinforced with alumina fibers and for the dendrite to cell transition using data from directional succinonitrile-acetone solidification experiments. Theory and experiment show good agreement in both systems.

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Composite à matrice métallique
Un composite à matrice métallique (CMM) est un matériau réunissant deux éléments : une matrice métallique, par exemple en aluminium, magnésium, zinc ; un renfort métallique ou céramique, tel que des fils d’acier, particules de carbure de silicium (SiC), fibres de carbone, alumine. Les composites à matrice métallique ayant de la céramique comme renfort sont appelés « cermets ». Le sigle MMC signifie « Metal Matrix Composite », c'est-à-dire « composite à matrice métallique » ou CMM en français.
Solidification
La solidification est l'opération (plus ou moins réversible) au cours de laquelle un liquide passe à l'état solide. Cela peut se faire par refroidissement (cas le plus courant), par augmentation de la pression, par cristallisation, par catalyse ou bien par une combinaison de ces phénomènes. La congélation peut aussi permettre la solidification de certains fluides (l'eau par exemple). La solidification de l'eau se fait à une température de .
État solide
vignette|Solide en laiton conçu par Piet Hein prenant la forme d'un superœuf.|alt=Superœuf solide de couleur dorée posé sur une surface indéfinissable. L’état solide est un état de la matière caractérisé par l'absence de liberté entre les molécules ou les ions (métaux par exemple). Les critères macroscopiques de la matière à l'état solide sont : le solide a une forme propre ; le solide a un volume propre. Si un objet solide est ferme, c'est grâce aux liaisons entre les atomes, ions ou molécules composants du solide.
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