Internal damping effects due to the thermal expansion mismatch between aluminium and silicon in an Al 11.8 %Si alloy

X. Zhou; R. Fougères; A. Vincent

doi:doi:10.1051/jp3:1992240

Numéro		J. Phys. III France Volume 2, Numéro 11, November 1992


Page(s)		2185 - 2201
DOI		https://doi.org/10.1051/jp3:1992240

DOI: 10.1051/jp3:1992240
J. Phys. III France 2 (1992) 2185-2201

Internal damping effects due to the thermal expansion mismatch between aluminium and silicon in an Al 11.8 %Si alloy

X. Zhou^{1, 2}, R. Fougères¹ and A. Vincent¹

¹ G.E.M.P.P.M, Bât. 303, Institut des Sciences Appliquées de Lyon, 69621 Villeurbanne, France
² Institute of Solid State Physics, The Chinese Academy of Sciences, Chine

(Received 13 March 1992, accepted 20 July 1992)

Abstract
In order to study the behaviour of the interface between particle and matrix, low frequency Internal Damping (I.D.) has been investigated with a torsion pendulum in an Al 11.8 wt%Si alloy containing large silicon particles with sizes up to 10 $\mu$ m. The I.D. spectra are different on heating and on cooling the specimen. They exhibit a broad poorly defined maximum situated around 240 K on heating and 190 K on cooling, and a high temperature background on which a peak centered around 485 K seems to be superposed. Moreover, I.D. is increased over the whole temperature range 100-550 K as the heating or cooling rate, $\vert\dot{T}\vert$ , is increased, or the oscillation frequency of the pendulum is decreased. The analysis of the experimental results is focused on the temperature rate dependent contribution $\delta_{\dot{T}}$ that is shown to be linked with the internal stresses induced by the difference in the coefficients of thermal expansion (CTE) of the silicon particles and the aluminium matrix. A model is outlined to describe $\delta_{\dot{T}}$ in terms of emission or movement of dislocations that could be induced by the variation of thermal stresses during the I.D. spectrum measurement. A linear relationship between $\delta_{\dot{T}}$ and the temperature rate is derived from the model and this appears to be approximately followed by the experimental data. The other contributions to I.D. are discussed in terms of grain boundary sliding, lattice dislocation movements and diffusional stress relaxation around Si particles.

Résumé
Cette étude a été entreprise afin de développer une méthode de caractérisation du comportement des interfaces particule-matrice dans les matériaux microhétérogènes. Dans ce but, nous avons étudié au pendule de torsion le frottement intérieur (F.I.) basse fréquence dans un alliage aluminium silicium eutectique (11,8 %Si), présentant des particlules de silicium dont la taille peut atteindre 10 $\mu$ m. Les spectres de F.I. en fonction de la température T dans le domaine 100-550 K sont différents au chauffage et au refroidissement de l'échantillon. Ils présentent un maximum, large et mal défini, situé autour de 240 K au chauffage et 190 K au refroidissement, ainsi qu'un fond continu croissant à haute température sur lequel est superposé un pic centré autour de 485 K. De plus, le niveau de F.I. augmente sur l'ensemble du domaine étudié lorsque la vitesse de chauffage ou de refroidissement $\vert\dot{T}\vert$ augmente ou lorsque la fréquence de mesure est réduite. L'analyse des résultats porte essentiellement sur le phénomène dépendant de la vitesse de chauffage ou de refroidissement dont on montre que la contribution, $\delta_{\dot{T}}$ provient de l'action des contraintes internes induites par la différence des coefficients de dilatation des particules de silicium et de la matrice. Nous donnons les bases d'un modèle, qui permet de décrire semi-quantitativement $\delta_{\dot{T}}$ . Celui-ci est fondé sur un mécanisme d'émission et de mouvement de dislocations qui serait induit par les variations des contraintes internes pendant le chauffage ou le refroidissement de l'échantillon. Le modèle prévoit une relation linéaire entre $\delta_{\dot{T}}$ et $\vert\dot{T}\vert$ , qui est vérifiée de façon approchée par les résultats expérimentaux. Les autres contributions au F.I. sont discutées brièvement en terme de F.I. dû aux joints de grain, de mouvement de dislocations et de relaxation par diffusion autour des particules de silicium.