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作者:余家杰(2003-08-19);推薦:徐業良(2003-11-10)
附註:本文發表於中國機械工程學會第二十屆學術研討會。

鋁合金輪圈鑄造模擬分析

摘要

汽車用鋁合金輪圈通常以重力鑄造,鑄造過程中如果冷卻參數和模具初始溫度沒有妥善控制,凝固之後常會造成輪圈內部縮孔,造成輪圈洩氣。

本研究利用電腦輔助分析軟體,模擬鋁合金輪圈鑄造程序,以穩態收斂之分析結果,依液體陷入(liquid entrapped)現象發展一縮孔指標(Shrinkage Index, SI),並觀察吹水、吹氣、模具初始溫度、以及輪圈幾何造型對於輪圈鑄造縮孔指標之影響,最後並找出SI數值與實際測試中輪圈壓洩測試率之關係。未來應可以此模擬程序與縮孔指標預測輪圈鑄造品質,找出最佳製程參數以期降低輪圈壓洩漏氣率,提高輪圈鑄造品質,降低輪圈生產成本。

關鍵字:電腦輔助工程分析、鋁合金輪圈、縮孔指標、輪圈洩氣率。

1.         前言

鋁合金輪圈的鑄造方式屬於「永久模鑄造法」,此鑄造法除了考慮模具的尺寸設計與鑄模的翹曲外,鑄造過程所產生的鑄件疵病,經常是輪圈在鑄造上所遇到的主要問題,而工程師也經由討論鑄造疵病進而回溯設計模具,或修改製程參數,來降低輪圈鑄造時所產生的缺陷問題。

1.1為鋁合金輪圈鑄造模具示意圖,由於鋁合金輪圈肋與胎環交接部分的幾何型態變化很大,使得此處於凝固時不易得到中央冒口、胎環冒口鋁水的補充,加上不乾淨的鋁水、澆注的溫度過高或太低、澆注的流速過快或過慢、不穩定的模具溫度、不佳的通氣性、不當的模具與冷卻設計等,造成陷入鋁水的氣體無法如預期般排出、凝固時缺乏方向性,產生鑄件氣孔、各種縮孔、充填不足等現象,使得鋁合金輪圈無法通過漏氣測試以及疲勞測試。

1.1 鋁合金輪圈鑄造模具示意圖

近年來鑄造相關研究可以分成兩個主要方向,一類是針對鑄造材料的一些細部特性進行觀察,如結晶、裂縫的成長等[Caton, 2001; Cho, 2001],希望藉由鑄造材料成分的或是改變某化合物所佔的比例以改善鑄造產品的品質;另一類則如Gwyn[1998]對鑄造設計時所需考量的因素,鑄造方法、鑄造截面設計、鑄造截面連接處設計、表面整體性、內部整體性、尺寸大小等進行探討,針對整個鑄造流程以數學模型、CAE工具加以模擬、檢討,並經由實驗比對模擬結果,希望由模具、鑄件的設計,或應用各項幫助冷卻凝固的方法,找出最佳的鑄造流程及參數來提昇產品的品質,這也是本研究探討汽車輪圈鑄造問題嘗試採取之方向。

2.   鋁合金輪圈鑄造模流分析

Pro-E建立欲進行模擬分析之輪圈電腦實體模型,並以ANSYS網格此分析模型,配合自行撰寫之程式將輪圈網格模型匯入鑄造分析軟體ProCAST中,圖2.1所示即為所建立電腦實體模型各部位之名稱與匯入ProCAST之有限元素模型,並將鑄造程序中實際之鋁水初始溫度、澆注時間、吹氣吹水冷卻時間、模具初始溫度等邊界條件,施加於ProCAST有限元素模型進行輪圈鑄造模擬。

2.1 輪圈電腦實體模型與有限元素模型

2.2為鋁合金輪圈鑄造流動與溫度分佈分析結果,右側顏色區塊對應分析溫度單位為 ,圖中鋁水充填時間共花費16秒,由圖中可以看出在充填鋁水的同時即產生熱交換的作用,因此鋁水流動的過程將影響鑄件與模具的製程溫度,且經由鋁水的流動狀態可觀察到模穴內鋁水捲氣的現象,如圖中分析時間8秒之胎環處可看到一明顯的空洞,雖說此時鋁水的流動性良好,氣泡應可順利排出,但若可避免此一現象將有助於鑄造品質的提升。圖2.2圓圈標示處顯示輪圈鑄件散熱不均勻現象,此圖顯示輪圈凝固時,溫度下降的變化無法均勻由鑄件最下處往上降溫,卻於胎環及輪圈肋部區域產生一熱集中區,位於此區域的鋁合金熔液若是無法順利得到胎環冒口或是中央冒口鋁水的補充,則此區域將形成「液體陷入(Liquid-entrapped)」現象[Kreziak, 1993],亦為輪圈鑄件最可能產生鑄造缺陷之位置。

選取胎環與輪圈肋交接的位置並進行此位置的剖面觀察,圖2.3為輪圈鑄件包含胎環與輪圈肋交接的縱剖面圖,圖右側顏色區塊對應鋁合金凝固比率(1100%凝固,00%凝固),由此圖可以清楚的觀察到胎環與輪圈肋交接區周遭的鋁合金凝固比率大於「關鍵凝固比率(Critical solid fraction)70%[Kreziak, 1993],使得此區無法得到胎環以及中央冒口的鋁水補充,因而產生Liquid-entrapped現象,圖中以圓圈標示之處即為得不到由冒口補充之Liquid-entrapped位置。

2.2 鋁合金輪圈鑄造流動與溫度分佈圖

2.3 輪圈凝固狀態縱向剖面圖

2.4為元富鋁業工程師所提供此分析鋁合金輪圈之鑄造實際狀況,圖中經由探傷液所探測出的鋁合金輪圈缺陷部分將以紅色顯示,其中可以看出位於胎環與輪圈肋交接處有明顯的缺陷產生,從缺陷的分佈看來此缺陷分佈由中央部分向外擴展沒有切斷輪圈的肋骨部分,而於輪圈肋部處形成一個不連續的破壞區域,此缺陷明顯為非結構性破壞,乃由不良的鑄造環境所造成的鑄造缺陷,而此缺陷產生的位置與輪圈模型所模擬出的Liquid-entrapped現象位置相同。進一步與元富鋁業工程師討論此分析結果,得知決大部分鋁合金輪圈鑄造問題皆發生於胎環與輪圈肋交接處,與分析結果相符,於是如何將分析結果以一定量的方式表示輪圈鑄造產生的缺陷程度將於以下進行討論。

2.4 鋁合金輪圈實際鑄造缺陷位置

3.   輪圈鑄造缺陷程度判斷準則

模擬軟體所提供的判斷準則為一種定性的圖像型顯示方式(如圖2.22.3),僅可以快速的提供設計者缺陷形成的位置與視覺上的缺陷大小,對於缺陷產生的程度無法有明確量化數據,且僅能提供二維平面顯示,實際胎環與輪圈肋部Liquid-entrapped區域乃是三維的空間,因此根據上述的討論結果定義出以下的輪圈鑄造分析模擬之「縮孔指標(Shrinkage Index, SI)」,期望能有一量化方式由電腦模擬分析軟體之分析結果,推估輪圈鑄造過程中因前述Liquid-entrapped現象造成縮孔,以致產生缺陷之程度。

3.1顯示輪圈胎環與肋交接區域範圍,選取輪圈安裝盤面外40mm與適當可包含輪圈肋之區域,並以輪圈肋交接胎環最高位置及輪圈J部三個條件決定選取的取樣範圍,所取得之指標範本如圖3.1右側之有限元素模型。

3.1 收縮指標取樣範圍

鋁合金輪圈鑄件在凝固時若無法得到冒口提供之鋁水補充,則Liquid-entrapped現象將會出現於輪圈鑄件之中,因此對於縮孔指標SI取樣時間的選擇,則依照輪圈鑄件提供的胎環冒口與中央冒口可正常供應鋁水的時間,作為縮孔指標取樣時間,以Critical solid fraction 70%作為判斷冒口停止供應鋁水的依據。圖3.2顯示當胎環冒口供應鋁水至輪圈鑄件時,胎環與輪圈肋交接上方位置(圖3.2第一個圓圈位置)已有鋁合金凝固超過70%,阻斷了胎環冒口的補充進料,此時胎環冒口對於斷料部分以下的輪圈鑄件失去了效用,但中央冒口仍繼續提供鋁水的補充,直到圖3.2中以圓圈標示的輪圈肋處,亦出現鋁合金凝固達70%阻斷中央冒口鋁水進料補充,此時間輪圈的兩個冒口皆失去作用,但位於胎環與輪圈肋交接位置仍有尚未凝固的鋁合金金屬,於是選取此狀態為縮孔指標的取樣時間標準。

為得到正確縮孔指標取樣時間,將選取的取樣範圍進行多段的切面討論,圖3.3的藍色虛線方框即為對取樣範圍肋部處,進行每一個切面的觀察,並以程式判斷切面的凝固時間,選取一正確阻斷中央冒口進料的縮孔指標取樣時間,圖中右側部分即為選定的縮孔指標取樣時間下,切面的鋁合金凝固狀態,圖中切面的鋁合金皆凝固70%以上。

選定取樣範圍與取樣時間,理想上應計算出在此取樣時間下之取樣範本下,凝固比率低於70%的體積大小,作為縮孔指標SI的值,但實務上ProCAST並不提供體積計算所需資訊。本研究輪圈有限元素模型中每個元素體積大小大致相同,因此以程式計算在此取樣時間下之取樣範本,共有幾個凝固比率低於70%的節點數,以此數值表示Liquid-entrapped現象在三維空間中的程度大小,即為縮孔指標SI的值。

3.2 輪圈冒口失效狀態

3.3 收縮指標取樣時間

4.         穩態溫度狀態下之輪圈鑄造模擬分析

初始分析過程中將模具溫度設定為同樣之溫度,也就是整個模具的溫度為單一的溫度,而實際鑄造程序模具的溫度乃是模穴內溫度最高,依序遞減至模具外部,且元富鋁業工程師正式生產鋁合金輪圈前,都會先進行試模再次預熱模具,視鑄件產出狀況判斷模具是否以達穩態溫度,加上冷卻條件對於實際狀況而言具有累加性,因此整個模擬程序將拿前一次鑄造輪圈的模具溫度,當作下一次鑄造輪圈的模具初始溫度。如此反覆模擬至模具達一穩態溫度後,模擬結果方能據以判斷鑄造品質。

4.1   模擬重複鑄造過程以達到穩態模具溫度狀態

前述分析模具邊界條件的設定為整個模具任何一處皆為360 等溫,作單一次之鑄造分析模擬。在此依然將此條件作為整體分析之初始條件,但模擬以同一模具重覆進行10次鑄造之過程,而將前一次的模擬完成後之模具溫度,作為下一次模之初始模具溫度,並考慮兩次模擬分析之間取出鑄件時,模具於大氣中靜置冷卻的條件,如此進行鋁合金輪圈鑄造分析10次澆注開模、合模的模擬。

4.1為反覆分析的模具溫度變化示意圖,圖中顯示邊模與下模模具於反覆分析中的溫度變化,顏色區塊對應分析溫度單位為 ,一開始整個模具為360 ,澆注完畢後已可看出鑄件模具已非等溫,吹氣以及吹水冷卻直接影響模具的溫度,間接作用於鑄件上,最後取出物件,將分析完畢的模具溫度作為下次分析的模具初始溫。

4.1 反覆分析鑄造模具溫度變化示意圖

經過10次的反覆分析,觀察各個分析Liquid-entrapped現象變化情形如圖4.2所示,圖中表示出第一次至第九次模擬分析的輪圈縱向剖面,選取時間為Liquid-entrapped形成時間,圖中數字代表分析的次數,從圖中看出Liquid-entrapped由胎環與輪圈肋交接的中段處開始形成,並隨著鑄件模具溫度的收斂逐次向中央冒口移動,而其所佔區域的大小亦慢慢產生變化,於第三次分析後便大致看出Liquid-entrapped產生的位置,而於第五次分析後,Liquid-entrapped的位置以及大小慢慢收斂,圖4.3為縮孔指標SI隨著分析次數的變化,圖中SI數值於第8次分析後逐漸收斂,顯示鑄件模具溫度於反覆第8次分析後達成分析收斂狀態,且觀察模具收斂狀態下所得到的Liquid-entrapped分析位置,更接近元富鋁業公司鋁合金輪圈實際產生的縮孔位置。

4.2 Liquid-entrapped現象反覆分析下之狀態

4.3 反覆分析下SI指標之變化

4.2   穩態模具溫度下吹氣冷卻對縮孔指標之影響

吹氣冷卻對於輪圈鑄造程序上確實具有其影響程度,其直接作用於邊模模具上,間接影響胎環與輪圈肋相接處,若吹氣冷卻之時間太長,將提早胎環冒口失效時間,太短則無法於中央冒口失效前,儘量帶離胎環與輪圈肋交接處之熱量,使Liquid-entrapped愈驅明顯。

4.1為不同的吹氣冷卻時間於輪圈型號905之製程程序,表格中之時間為Liquid-entrapped的形成時間,表中灰色表格為原始的905吹氣冷卻時間,以每提早及延後40秒鐘吹氣時間為間隔,其中第一格部分為澆注完畢便馬上啟動吹水冷卻條件,表中可看出不同吹氣冷卻條件下Liquid-entrapped形成時間相同,表示吹氣冷卻僅影響胎環冒口失效時間。圖4.4為吹氣冷卻時間與SI之數值關係變化,從圖中看出隨著吹氣冷卻時間縮短,SI數值增加,降低邊模帶走胎環與輪圈肋交接處之熱量,因此在Liquid-entrapped形成時間相同下,較長的吹氣冷卻時間可使SI數值降低,但過長的吹氣冷卻使胎環冒口補充鋁水之時間縮短,使SI數值提高,因此元富鋁業工程師決定以66~240秒之時間作為吹水冷卻作用時間,可說相當恰當。

4.1 不同吹氣冷卻作用時間下SILiquid-entrapped形成時間

 

作用時間16~240

作用時間26~240

作用時間66~240

作用時間106~240

作用時間146~240

SI

21

20

20

26

35

Time(sec.)

163

164

164

164

164

4.4吹氣冷卻時間與SI數值關係

4.3   穩態模具溫度下吹水冷卻時間對縮孔指標之影響

吹水冷卻對於鋁合金輪圈鑄造程序具有相當之影響性,經由吹水冷卻直接影響下模的模具溫度,下模模具再影響輪圈肋部鋁合金熔液的凝固情形,間接決定中央冒口補充鋁水於胎環與輪圈肋處之作用,因此如何決定施加於下模模具的吹水冷卻條件時間,將影響冒口供應鋁水至胎環與輪圈肋處之時間,並決定冒口失效的時間與SI的數值。

4.2整理出不同的吹水冷卻作用時間於輪圈型號905之製程程序,表格中之時間為Liquid-entrapped的形成時間,當吹水冷卻作用時間被減少為20秒時,鋁輪圈鑄件無法於成型時間內成型,因此不考慮其SI值與Liquid-entrapped的形成時間。表中灰色表格為原始的905吹水冷卻時間,以每增加及減少10秒鐘吹水時間為間隔,觀察其SI值的變化,圖4.5為吹水冷卻時間與SI之數值關係變化,從圖中可看出吹水冷卻時間過長,反而造成冒口失效時間提前,SI值增高、降低輪圈鑄造品質。而吹水作用時間於30秒及40秒時,兩者SI數值相同,但是對於輪圈成型的狀態,吹水冷卻作用時間30秒時其凝固比率略低於吹水冷卻作用時間40秒之凝固比率,因此在同樣的SI值情況下,吹水冷卻作用時間為40秒之製程條件可說是最佳的吹水冷卻參數,此參數亦驗證元富鋁業工程師的經驗判斷。

4.2 不同吹水冷卻作用時間下SILiquid-entrapped形成時間

 

作用時間20

作用時間30

作用時間40

作用時間50

作用時間60

作用時間70

SI

X

20

20

26

37

45

Time(sec.)

X

169

168

160

153

151

4.5 吹水冷卻時間與SI數值關係

5.   輪圈外型與鑄造品質影響比對分析

本章節將以另一只肋骨造型差異甚大的輪圈型號917進行鑄造模擬分析比對,討論肋骨造型對鑄造品質之影響,並討論不同的胎環尺寸對鑄造輪圈的影響,最後並整理本研究訂定之縮孔指標與實際測試輪圈洩氣率之關係。

5.1   肋幾何形狀對鑄造品質的影響

5.1為輪圈型號905與輪圈型號917的正面視圖與肋的截面形狀,圖中顯示此兩種輪圈輪圈肋的幾何型態,輪圈型號905肋數較少,輪圈肋的截面積為1060.7mm2,輪圈型號917肋數為905的兩倍,輪圈肋的截面積為405.31mm2,輪圈型號905肋截面的面積為輪圈型號917肋截面的2.62倍。表5.1為輪圈型號905與輪圈型號917在元富鋁業公司實際開發時之冷卻條件之比較。

5.1 型號905917輪圈肋部幾何形狀

5.1 型號905917冷卻條件之比較

 

905

917

鋁水充填時間

16

24

吹氣作用時間

66~開模

24~開模

吹水作用時間

126~166

74~134

模具初始溫度

360

360

輪圈成型時間

240

210

由表5.1的比較可以看出,由於905有較大的輪圈肋截面積,鋁水充填時間較短,且輪圈肋較不易凝固,增加輪圈中央冒口補充鋁水的時間,使胎環與輪圈肋交接處在失去胎環冒口的補充時,還可得到來自中央冒口的鋁水補充,輪圈成型時間也拉長。反之由於輪圈型號917肋的截面積較小,輪圈肋中的鋁水較快凝固,使中央冒口補充鋁水的時間縮短,若胎環冒口於此時亦同時失去效用,則胎環與輪圈肋交接位置將產生較差的凝固條件,使鋁輪圈鑄件無法通過壓洩測試,因此吹水、吹氣的時間安排都比905提前且作用時間加長。

此處將輪圈型號917同樣的冷卻條件施加於輪圈型號905,比較不同的肋骨幾何形狀對於輪圈冒口供應鋁水的影響。表5.2為輪圈型號905917輪圈鑄件冒口失效時間與對應之SI數值,從表中看出在相同的鑄造冷卻參數下,兩者冒口失效的順序不同,輪圈型號905冒口失效順序為先胎環冒口再中央冒口,而輪圈型號917中央冒口與胎環冒口於同樣時間下失效。由於兩者輪圈肋骨的幾何型態差異甚大,使得輪圈肋骨處的鋁水凝固時間相差43秒,造成中央冒口無法如輪圈型號905般補充胎環與輪圈肋處之鋁水,使得兩者SI值差異甚大。

5.2為輪圈型號905917冒口失效的輪圈縱向剖面圖與對應發生時間,從圖中可明顯看出當輪圈型號905胎環冒口失效時,905輪圈肋骨處之鋁水尚維持流動狀態,使中央冒口可以順利將鋁水補充至鑄件各處,而當輪圈型號917胎環冒口失效時,917輪圈肋骨之鋁水也已凝固,使得中央冒口失效的時間同於胎環冒口,造成胎環與輪圈肋交接部位同時失去兩個冒口的補充。

5.2 輪圈鑄件冒口失效時間

 

905

917

胎環冒口失效時間

124

116

中央冒口失效時間

161

116

SI

31

132

5.2 輪圈鑄件冒口失效狀態

5.2   SI指標與輪圈洩氣率之關係

對於所生產出的鋁合金輪圈鑄件,在經過切削冒口等加工成型過後,每一顆鋁輪圈成品皆須在經過「壓密洩氣測試」(簡稱壓洩測試),測驗生產完成的鋁輪圈是否可以通過壓洩測試而不產生漏氣。此壓洩測試程序一定是在鋁輪圈加工完畢,準備裝箱出貨的最後一道手續,若是鋁輪圈無法通過壓洩測試,則此顆鋁輪圈便無法出貨,所造成的不只是製造成本的損失,甚至生產效率的降低。例如前一節中分析的917_1為原始的輪圈鑄件設計,鑄造品質於試做程序下便相當低劣,試做20917_1輪圈鑄件即有12個輪圈鑄件無法通過壓洩測試,漏氣率為60%,因此元富鋁業工程師進而修改模型,將胎環厚度增加0.75mm(917_2)以期生產鑄件能夠通過壓洩測試,但仍有40%的試做洩氣率,直到將胎環厚度增加1.5mm(917_3),才將試做洩氣率降至約28%

本節將嘗試找出SI指標對應輪圈的洩氣率之關係,檢驗本研究設定之SI指標與實際測試結果之正確性,並提供元富鋁業公司以電腦輔助分析後取得的SI數值,參考至輪圈洩氣率的方式。

以輪圈型號905931以及輪圈型號917為例,表5.3905931917_3為實際大量生產的鋁輪圈測試數據,而917_1917_2則為元富鋁業工程師於修改模型過後,進行試模測試所得到的測試數據,表中總測試個數為所有此型號輪圈進行壓洩測試之個數,洩氣數則為無法通過壓洩測試產生漏氣現象的鋁輪圈個數,洩氣比率則為兩者的比值。將洩氣比率配合SI數值繪製如圖5.3SI數值與輪圈洩氣比率關係圖,顯示SI數值和實測洩氣率有正確之趨勢,且似乎成非線性關係,即SI超過某一數值時,實測洩氣率將大幅增加。如果能持續累積模擬分析與實際測試對照之數據,應能建立以電腦輔助分析結果之SI指標預測實際測試洩氣率之模式。

5.3 鋁輪圈壓洩測試數據

 

905

931

917_3

917_2

917_1

總測試個數

917

1135

1139

20

20

洩氣數

86

203

316

8

12

洩氣比率%

9.38

17.9

27.74

40

60

5.3 SI數值與輪圈洩氣比率關係圖

6.   結論

實際鑄造過程中,即使模具初始時加熱至等溫,以同一模具反覆鑄造過程中,鑄造模具的溫度實際為不等溫狀態,且由於其模穴內側與鋁合金熔融金屬直接接觸,因此模穴內側通常為模具溫度最高之處,並依次遞減向模具外部。通常為了保持鑄件良好且統一的鑄件品質,元富公司工程師於實際大量生產之前,接會進行試產之動作,並視試產鑄件狀態判斷此時模具是否為穩態溫度分佈狀況下。因此在進行鋁合金輪圈的鑄造模擬分析時,必須考慮模具在穩態溫度狀況的影響,分析結果才能正確判斷輪圈鑄造品質。

取液體陷入現象定義「縮孔指標(Shrinage Index, SI)」,並以胎環與輪圈肋部失去冒口補充鋁合金熔液之時間為取樣時間,與圖3.9所選定的胎環與輪圈肋交接處之取樣範圍,為液體陷入存在之區域,計算穩態收斂狀況下的SI數值,做為電腦輔助分析所得到的量化數據,反應鋁合金輪圈鑄造品質。

本研究發現適當的吹水、吹氣冷卻條件與初始模具溫度,才有助於鋁合金鑄件品質的提升,過度或是不足都將降低鑄件的品質,將分析出的吹水、吹氣冷卻條件與初始的模具溫度,對應元富鋁業工程師吹水、吹氣冷卻條件與初始模具溫度施加上的經驗,發現元富鋁業工程師所施加的製程參數確為最佳的製程參數條件。

除了相關冷卻條件對於鑄造品質的影響外,輪圈的幾何形狀亦為輪圈鑄造程序中需考慮的鑄造條件。本研究輪圈肋骨幾何形狀差異極大的兩個輪圈進行分析、比對,發現由於輪圈肋骨截面積不同,使冒口作用的型態改變,造成了SI數值差異極大。對於肋骨截面積較小的輪圈,元富公司的修改策略是增加其胎環厚度,分析結果亦發現此策略有助於提升鋁輪圈的鑄造品質。

鋁輪圈鑄造完成後,經過切削加工等處理,準備裝些出廠前,皆須通過輪圈壓洩測試,通不過壓洩測試,產生漏氣,則此輪圈將無法出廠,需列為不良品,送回熔煉廠重新製作,不僅是資源上的浪費,更對產能效率有很大的影響。本研究以電腦輔助分析所取得的SI指標,與元富鋁業公司的實際壓洩測試數據比較,發現兩者關係有正確的趨勢,是實務上可以參考的指標。

參考文獻

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Jung Wook Cho, Shibata, H., 2001. “Effect of solidification of mold fluxes on the heat transfer in casting mold,” Journal of Non-Crystalline Solids, v282, n1

Kreziak, G.., Rigaut, C., Santarini, M., 1993. “Low pressure permanent mould process simulation of a thin wall aluminum casting,” Materials Science & Engineering A: Structural Materials: Properties, Microstructure and Processing, v A173, n1-2