The effects of porosity on the fatigue behaviour of Galfenol

Abstract

The fatigue behaviour of three Galfenol steels, alloys predominantly composed of iron and gallium, was investigated. Gallium contents were 18.4 at.%, 14.9 at.%, and 12.4 at.% for F, C, and M series Galfenol, respectively. C series Galfenol also had 2.2 at.% tertiary chromium, additions known to improve corrosion resistance. For all three alloys, commercially pure gallium was alloyed with low carbon steels, resulting in less than 0.15 at.% carbon content. As-received rods were produced by Bridgman rod extrusion to enhance the preferential grain orientation required to maximize the sought-after magnetostrictive effect. The as-received rods measured 24 mm diameter and 125 mm long and each was machined into eight cylindrical dogbone fatigue specimens with 4.5 mm diameter gauge sections. Constant amplitude fully reversed tension compression (R = -1) fatigue tests were performed on the dogbone specimens. The initial fatigue results were highly scattered with one standard deviation on life being of one order of magnitude. The as-received material was also very porous, with macropores as large as 500 𝜇m. Hence, the primary objective of this study was to determine if reducing the porosity would improve fatigue behaviour. Hot iso-static pressing (HIP) at 310 MPa and 1250 °C increased material densities by 1% ± 0.1% and removed 86% ± 6% of surface area porosity. More importantly, macroporosity was removed and the largest remaining pores after HIP had Feret mean diameters less than 30 𝜇m. After HIP, data scatter increased by 43% for the F series and was reduced by 8% for the C series. Although many of the specimens were longer lasting for the HIP F series, given the resulting high level of scatter, there was not enough statistical evidence to indicate that HIP improved its fatigue behaviour. On the contrary, mean fatigue lives for the HIP C series Galfenol was improved by 95%. Fatigue results of each of the three as-received Galfenol series were essentially the same, indicating that gallium contents between 12.4-18.4 at.% have no effect on fatigue behaviour of Galfenol. Given that fatigue behaviour of C and F series was not dramatically affected by HIP although the porosity was greatly reduced, HIP of M series was not pursued. It is suspected that the relatively large grain size and the weak boundary cohesion caused by gallium rich precipitates are responsible for the persistent large scatter in fatigue data, even after porosity reduction.

La durée de vie en fatigue de trois alliages de Galfenol, un acier principalement composé de fer et de gallium, a été étudiée. Les tenures en gallium des alliages étaient respectivement de 18.4 at.%, 14.9 at.%, et 12.4 at.% pour les séries F, C, et M. La série C contenait 2.2 at.% de chrome comme élément tertiaire, un ajout reconnu pour améliorer la résistance à la corrosion des aciers. La pureté du gallium employé dans les trois alliages et l'acier utilisé resultat en une basse tenure en carbone, soit moins de 0.15 at.%. Les tiges de Galfenol de ce projet furent fabriquées par extrusion Bridgman et mesuraient 24 mm de diamètre et 125 mm en longueur. Chaque tige a été machinées pour produire huit échantillons de fatigue cylindriques avec un diamètre interne de 4.5 mm. Les essais en fatigue consistaient en de chargements uniaxiaux purement alternés (R = -1). Les résultats initiaux étaient très dispersés avec un écart type sur la vie d'un ordre de grandeur. Le matériel possédait des macropores mesurant jusqu'à 500 𝜇m, alors il fut décidé de traiter les tiges par pressage isostatique à chaud (310 MPa et 1250 °C) avant de poursuivre les essais en fatigue. Le traitement de pressage a augmenté la masse volumique des échantillons par 1% ± 0.1% et a réduit par 86% ± 6% la surface totale occupée par les pores. Aussi, ce traitement élimina la macroporosité puisque les pores les plus larges observés suite au traitement mesuraient moins de 30 𝜇m de diamètre. Après le traitement de pressage, la variabilité des résultats en fatigue de la série F (FH) a augmenté de 43% et celle de la série C (CH) a été diminuée de 8%. Étant donné la variabilité des résultats, il n'était pas possible de déterminer statistiquement si le pressage à chaud a contribué à une amélioration nette des résultats. Par contre, les résultats en fatigue de la série CH ont duré en moyenne 95% plus longtemps que les échantillons de la série C. Les résultats en fatigue des trois alliages étaient effectivement les mêmes, indiquant que la tenure en gallium entre 12.4-18.4 at.% a peu d'impact sur la résistance à la fatigue du Galfenol. Puisque les effets de pressage sur les propriétés en fatigue étaient limités, le pressage de la série M n'a pas été poursuivi. Il est soupçonné que la grosseur macroscopique des grains et l'affaiblissement du Galfenol causée par les hautes tenures en gallium sont aussi des causes principales de la variabilité des résultats.