Effects of Solidification Thermal Parameters on Microstructure and Mechanical Properties of Sn-Bi Solder Alloys
Creators
- 1. Universidade Federal do Rio Grande do Norte
- 2. Universidade Federal de São Carlos
- 3. Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Description
Samples extracted along the length of directionally solidified (DS) castings of three Sn-xBi alloys (x = 34 wt.%Bi, 52 wt.%Bi and 58 wt.%Bi) were first evaluated metallographically and then subjected to scanning electron microscopy and energy-dispersive x-ray spectroscopy analyses. The characteristic length scale of both eutectic and dendritic phases forming the microstructure were determined and correlated with solidification thermal parameters (growth rate V, and cooling rate Ṫ). Tensile and Vickers hardness tests were performed to allow strength and ductility to be discussed as a function of both microstructure features and alloy solute content. The tertiary dendrite arm spacings along the length of the DS Sn-52 wt.%Bi alloy casting are shown to be lower than those obtained for the Sn-34 wt.%Bi alloy casting. The results of mechanical tests show that, with the decrease in the alloy Bi content, both tensile strength and hardness are improved. This is shown to be mainly attributed to the higher density of Bi precipitates decorating the Sn-rich dendrites, which are finer than the equivalent phase developed for the Sn-52 wt.%Bi alloy. However, the ductility is shown to be significantly improved for specimens associated with regions of more refined microstructure of the Sn-52 wt.%Bi alloy DS casting. A microstructure combining much branched dendrites, fine Bi particles within the β-Sn dendritic matrix and an important proportion of very fine eutectic formed by alternate Bi-rich and Sn-rich phase, seems to be conducive to this higher ductility. In this case, the fracture surface is shown to be more finely broken with presence of dimples for this particular condition, i.e., characteristic of a ductile fracture mode.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
العينات المستخرجة على طول المسبوكات المتصلبة اتجاهيًا (DS) لثلاث سبائك Sn - xBi (x = 34 بالوزن.٪ثنائي، 52 ٪ بالوزنثنائي و 58 بالوزن.٪BI) تم تقييمها لأول مرة من الناحية المعدنية ثم خضعت للمسح المجهري الإلكتروني وتحليلات التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة. تم تحديد مقياس الطول المميز لكل من المرحلتين الانصهارية والتغصنية التي تشكل البنية المجهرية وربطه بالمعلمات الحرارية للتصلب (معدل النمو الخامس، ومعدل التبريد). تم إجراء اختبارات صلابة الشد وفيكرز للسماح بمناقشة القوة والليونة كدالة لكل من ميزات البنية المجهرية ومحتوى ذوبان السبائك. تباعد ذراع التغصن الثالث على طول DS Sn -52 بالوزن.% تبين أن صب السبائك الثنائية أقل من تلك التي تم الحصول عليها لـ Sn -34 بالوزن.٪ صب سبيكة ثنائية. تظهر نتائج الاختبارات الميكانيكية أنه مع انخفاض محتوى سبيكة ثنائية، يتم تحسين كل من قوة الشد والصلابة. يتضح أن هذا يعزى بشكل أساسي إلى الكثافة العالية للرواسب ثنائية التزيين التي تزين التغصنات الغنية بـ Sn، والتي تكون أدق من المرحلة المكافئة التي تم تطويرها لـ Sn -52 بالوزن.٪ سبيكة ثنائية. ومع ذلك، يظهر أن ليونة تحسنت بشكل كبير للعينات المرتبطة بمناطق البنية المجهرية الأكثر دقة لـ Sn -52 بالوزن.% سبك ثنائي السبائك DS. يبدو أن البنية المجهرية التي تجمع بين التغصنات المتفرعة كثيرًا، وجسيمات Bi الدقيقة داخل المصفوفة التغصنية β - Sn ونسبة مهمة من الانصهار الدقيق للغاية التي تشكلها الطور الثنائي الغني والغني بالسن، تؤدي إلى هذه الليونة الأعلى. في هذه الحالة، يظهر أن سطح الكسر مكسور بشكل أكثر دقة مع وجود الغمازات لهذه الحالة بالذات، أي خاصية وضع الكسر المطيل.Translated Description (French)
Échantillons extraits le long de la longueur des pièces moulées solidifiées directionnellement (DS) de trois alliages Sn-xBi (x = 34 en poids.%Bi, 52 % en poids Bi et 58 % en poids%Bi) ont d'abord été évalués métallographiquement, puis soumis à une microscopie électronique à balayage et à des analyses par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie. L'échelle de longueur caractéristique des phases eutectique et dendritique formant la microstructure a été déterminée et corrélée avec les paramètres thermiques de solidification (vitesse de croissance V et vitesse de refroidissement). Des essais de traction et de dureté Vickers ont été effectués pour permettre de discuter de la résistance et de la ductilité en fonction des caractéristiques de la microstructure et de la teneur en soluté de l'alliage. Les espacements des bras de dendrite tertiaire le long de la longueur de la DS Sn-52 wt.Il est démontré que le pourcentage de coulée d'alliage Bi est inférieur à ceux obtenus pour le Sn-34 en poids.% de moulage d'alliage Bi. Les résultats des tests mécaniques montrent que, avec la diminution de la teneur en alliage Bi, la résistance à la traction et la dureté sont améliorées. Ceci est principalement attribué à la densité plus élevée de précipités de Bi décorant les dendrites riches en Sn, qui sont plus fines que la phase équivalente développée pour le Sn-52 wt.% d'alliage Bi. Cependant, il est démontré que la ductilité est significativement améliorée pour les échantillons associés à des régions de microstructure plus raffinée du Sn-52 wt.% alliage Bi DS coulée. Une microstructure combinant des dendrites très ramifiées, de fines particules de Bi au sein de la matrice dendritique β-Sn et une proportion importante d'eutectique très fine formée par une alternance de phases riche en Bi- et riche en Sn, semble être propice à cette ductilité plus élevée. Dans ce cas, il est démontré que la surface de fracture est plus finement cassée avec la présence de fossettes pour cette condition particulière, c'est-à-dire caractéristique d'un mode de fracture ductile.Translated Description (Spanish)
Las muestras extraídas a lo largo de la longitud de las piezas fundidas solidificadas direccionalmente (DS) de tres aleaciones de Sn-xBi (x = 34 en peso%Bi, 52% en peso Bi y 58% en peso%Bi) se evaluaron primero metalográficamente y luego se sometieron a microscopía electrónica de barrido y análisis de espectroscopía de rayos X con dispersión de energía. La escala de longitud característica de las fases eutéctica y dendrítica que forman la microestructura se determinó y se correlacionó con los parámetros térmicos de solidificación (tasa de crecimiento V y tasa de enfriamiento). Las pruebas de tracción y dureza Vickers se realizaron para permitir que la resistencia y la ductilidad se discutieran en función de las características de la microestructura y el contenido de soluto de la aleación. Los espaciados del brazo de la dendrita terciaria a lo largo de la longitud del DS Sn-52 wt.Se muestra que el % de fundición de aleación Bi es menor que los obtenidos para el peso de Sn-34.% de fundición de aleación Bi. Los resultados de las pruebas mecánicas muestran que, con la disminución en el contenido de aleación Bi, se mejoran tanto la resistencia a la tracción como la dureza. Esto se atribuye principalmente a la mayor densidad de precipitados de Bi que decoran las dendritas ricas en Sn, que son más finas que la fase equivalente desarrollada para el peso de Sn-52.% de aleación Bi. Sin embargo, se muestra que la ductilidad mejora significativamente para muestras asociadas con regiones de microestructura más refinada del peso de Sn-52.% de fundición DS de aleación Bi. Una microestructura que combina dendritas muy ramificadas, partículas finas de Bi dentro de la matriz dendrítica β-Sn y una proporción importante de eutéctico muy fino formado por una fase alterna rica en Bi y rica en Sn, parece ser propicia para esta mayor ductilidad. En este caso, se muestra que la superficie de fractura se rompe más finamente con la presencia de hoyuelos para esta condición particular, es decir, característica de un modo de fractura dúctil.Files
EffectsSolidificationThermal_SILVA_2017.pdf.pdf
Files
(10.9 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:59200bc096174854cf87c96714d62abb
|
10.9 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تأثيرات المعلمات الحرارية للتصلب على البنية المجهرية والخصائص الميكانيكية لسبائك اللحام Sn - Bi
- Translated title (French)
- Effets des paramètres thermiques de solidification sur la microstructure et les propriétés mécaniques des alliages de soudure Sn-Bi
- Translated title (Spanish)
- Efectos de los parámetros térmicos de solidificación en la microestructura y las propiedades mecánicas de las aleaciones de soldadura Sn-Bi
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2570265037
- DOI
- 10.1007/s11664-016-5225-7
References
- https://openalex.org/W1605444055
- https://openalex.org/W1965501315
- https://openalex.org/W1975068766
- https://openalex.org/W1975161462
- https://openalex.org/W1976515271
- https://openalex.org/W1984857896
- https://openalex.org/W1987206784
- https://openalex.org/W1987516217
- https://openalex.org/W1988190709
- https://openalex.org/W1998685581
- https://openalex.org/W2002523173
- https://openalex.org/W2004751507
- https://openalex.org/W2008204392
- https://openalex.org/W2008362973
- https://openalex.org/W2009083020
- https://openalex.org/W2012530774
- https://openalex.org/W2015929838
- https://openalex.org/W2018068991
- https://openalex.org/W2019322132
- https://openalex.org/W2019447394
- https://openalex.org/W2019735878
- https://openalex.org/W2022089260
- https://openalex.org/W2023250083
- https://openalex.org/W2030223161
- https://openalex.org/W2032403756
- https://openalex.org/W2034019649
- https://openalex.org/W2036912333
- https://openalex.org/W2064314848
- https://openalex.org/W2064409025
- https://openalex.org/W2084461818
- https://openalex.org/W2093559831
- https://openalex.org/W2146473393
- https://openalex.org/W2157743688
- https://openalex.org/W2188595241
- https://openalex.org/W2261947731
- https://openalex.org/W2311937243
- https://openalex.org/W2472041777
- https://openalex.org/W4231700461
- https://openalex.org/W848606769