17576

17576

بررسي رفتار ترمومكانيكي و شكل‌پذيري آلياژ ريختگي منيزيم طي فرآيند تغيير شكل پلاستيك شديد

دكتري

شناسايي و انتخاب مواد

دي 1395

دكتر محمدتقي صالحي - دكتر حميدرضا صميم بني هاشم

دكتر محمدرضا ابوطالبي - دكتر هاينز پالكوفسكي

مواد و متالورژي

در پژوهش حاضر امكان‌پذيري تغيير شكل شديد آلياژ AZ91 به طور مستقيم از حالت ريختگي به روش ECAP و تعيين شرايط مناسب فرآيند مورد بررسي قرار گرفته است. بدين منظور ابتدا رفتار تغيير شكل گرم اين آلياژ با استفاده از آزمون فشار گرم مورد ارزيابي قرار گرفته و معادله بنيادي مناسب مربوطه بدست آمد. سپس شبيه‌سازي فرآيند ECAP آلياژ مزبور با توجه به معادله بنيادي بدست آمده جهت طراحي قالب و پيش‌بيني محدوده شرايط تغيير شكل شديد آلياژ با استفاده از نرم‌افزار ABAQUS انجام گرفت. با توجه به درشت بودن ساختار اوليه و اندازه دانه‌ها در نمونه ريختگي، امكان تغيير شكل پلاستيك شديد آلياژ در دمايي پايين‌تر از ℃350 فراهم نشد. بنابراين به منظور جلوگيري از ترك خوردن نمونه‌هاي آلياژ AZ91، روش ECAP دو مرحله‌‌اي بدون نياز به عمليات ترمومكانيكي اوليه ارائه گرديد. در اين روش پاس اول در دماي بالا (C˚350) و پاس‌هاي بعدي در دماي پايين‌تر اما ثابت انجام گرفت. آزمايش‌هاي ECAP در سه دماي مختلف C˚320، C˚290 و C˚260 و سه مسير A, CB و C انجام گرفت. تأثير يك مرحله عمليات ترمومكانيكي پيش از فرآيند ECAP نيز توسط يك مرحله نورد اوليه مورد بررسي قرار گرفت. خواص مكانيكي نمونه ها توسط آزمايش كشش در دماي محيط و ريزساختار آن ها توسط SEM و ميكروسكوپ نوري بررسي شد. آناليز فازي نمونه ها نيز توسط آزمايش XRD صورت گرفت. نتايج پژوهش حاضر نشان مي‌دهد كه استفاده از روش دو مرحله دمايي در فرآيند ECAP آلياژ ريختگي AZ91 با دانه هاي درشت اوليه بسيار مؤثر بوده و ضمن تغيير شكل شديد در پاس اول بدون هيچ‌گونه ترك، كاهش دما در پاس‌هاي بعدي رشد دانه را به حداقل مي‌رساند، به نحوي كه انجام فرآيند در دماي پايين‌تر منجر به تشكيل ساختاري با اندازه دانه نهايي كمتر از μm 5 مي‌شود. با توجه مشاهدات ريزساختاري، ريزدانگي چشمگيري در پاس اول در دماي C˚350 حاصل شد. وقوع همزمان تبلور مجدد ديناميكي و رسوب‌گذاري ديناميكي در آلياژ AZ91 عامل اصلي ريزدانه شدن طي فرآيند تغيير شكل شديد است. افزايش ميزان كرنش اعمالي با افزايش تعداد پاس، سبب ازدياد كسر دانه‌هاي تبلور مجدد يافته و همچنين رسوبات Mg17Al12 شد. با توجه به نتايج بدست آمده، رسوبات بزرگتر از μm 1 با اثر جوانه‌زني مؤثر از ذرات PSN سبب افزايش ريزدانگي شده و رسوبات ريزتر با اثر قفل كنندگي مرزدانه‌ها سبب به تأخير افتادن رشد دانه مي‌شوند. كاهش دماي فرآيند موجب تسريع در رسوب‌گذاري ديناميكي، تبلور مجدد ديناميكي و در نتيجه تشكيل ساختاري ريزتر و همگن‌تر شد. با كاهش دما علاوه بر افزايش كسر رسوبات اندازه آنها ريزتر و پايداري آنها نيز بيشتر شده و سبب وقوع ريزدانگي بيشتر در ساختار مي‌گردند. بنابراين ساختار تبلور مجدد يافته پايدارتر خواهد بود. با توجه به نتايج آزمايش كشش در دماي محيط، انجام فرآيند ECAP سبب افزايش همزمان داكتيليته و استحكام در آلياژ مي‌گردد. كاهش اندازه دانه و تشكيل ساختار يكنواخت دليل افزايش داكتيليته با افزايش تعداد پاس است. همچنين با توجه به نتايج مي توان گفت، استحكام در آلياژ AZ91 تحت تأثير مجموعه اي از عوامل ناشي از ريزدانگي و مرزدانه، افزايش دانسيته نابجايي‌ها، محلول جامد و رسوبات است كه سهم هريك از اين مكانيزم‌ها در افرايش استحكام آلياژ پس از فرآيند ECAP به ترتيب 47%، 26%، 16% و 5% محاسبه شد. نتايج نشان داد كه انجام فرآيند از طريق مسير C نسبت به مسير CB و A سبب توليد ساختاري با دانه‌هاي ريزتر مي‌شود. در حاليكه دستيابي به ساختار يكنواخت توسط مسير BC سريع‌تر امكان پذير است. غيريكنواخت بودن ريزساختار و همچنين توزيع غيريكنواخت رسوبات، حضور رسوبات درشت و اثر باندهاي برشي تا كرنش‌هاي بالا دليل كاهش خواص مكانيكي آلياژ توليد شده توسط مسير A است. انجام يك مرحله نورد پيش از فرآيند ECAP سبب ريزدانگي اوليه در نمونه شده و موجب شد تا پاس اول عمليات تغيير شكل شديد در دماي پايين تر (C˚290) انجام پذيرد. با اين وجود درصد ريزدانگي ايجاد شده در ساختار توسط پاس اول ECAP در روش دو مرحله‌اي بسيار بيشتر از عمليات نورد است. با توجه به استحكام بالاتر نمونه‌هاي توليد شده به روش دو مرحله‌اي نسبت به استفاده از نورد اوليه، همچنين صرف انرژي و زمان بيشتر در روش نورد اوليه، به نظر مي‌رسد روش دو مرحله‌اي روش مناسبي جهت تغيير شكل شديد آلياژهاي ريختگي باشد. در نهايت، بر اساس مشاهدات ريزساختاري و نتايج كمي بدست آمده، الگويي جهت ريزدانه شدن آلياژهاي درشت دانه منيزيم در حضور فاز ثانويه ارائه شد. بر مبناي اين الگوي پيشنهادي دماي تغيير شكل، تبلور مجدد ديناميكي، رسوب‌گذاري و دوقلويي نقش مؤثري در توسعه ريزدانگي آلياژ دارند. كلمات كليدي: تغيير شكل پلاستيكي شديد، پرس در كانال زاويه‌دار با مقاطع يكسان، آلياژ منيزيم-آلومينيوم، ريزدانگي، تبلورمجدد ديناميكي، رسوب گذاري ديناميكي

1396/03/31

1/1/1900 12:00:00 AM

In this work, the workability of the as-cast AZ91 alloy was investigated by the equal channel angular pressing (ECAP) method. The hot compressive behavior of the alloy was first studied and the constitutive equation was extracted. Based on this constitutive equation, the ECAP processing was simulated by ABAQUS FEM software package to design the ECAP die and to predict the pressing speed. Since due to the initial coarse structure of the alloy, the ECAP processing was not successful at below 350˚C, a two-step ECAP processing was employed to avoid cracking the sample. The main benefit of such procedure was that no preceding thermomechanical process was required prior to ECAP. The first pass was done at 350˚C, while the next passes were carried out at a lower temperature, to minimize the grain growth. To study the effect of temperature, ECAP processing was done at three temperatures of 320˚C, 290˚C, and 260˚C via route BC. The process was repeated at 290˚C via two other routes of A and C and the microstructure and the mechanical properties of the alloy were investigated. A hot rolling process was employed to study the effect of a thermomechanical processing prior to ECAP. The mechanical properties and microstructure evolution of ECAPed samples were investigated by tensile tests and optical and scanning electron microscopy, respectively. The X-ray diffraction analysis was used to identify the phases and to determine the crystallite size of the samples. According to the microstructural observations, simultaneously occurrence of dynamic recrystallization (DRX) and dynamic precipitation (DP) are the main reasons for the grain refinement during the ECAP processing. Increasing the strain level led to the increasing the fraction of DRXed grains as well as Mg17Al12 precipitates. The results reveal that the Mg17Al12 precipitates have two effects on the development of the refined structure. The coarse precipitates (bigger than 1μm) act as a nucleation site and promote dynamic recrystallization. The smaller precipitates with pinning the new grain boundaries can also retard the grain growth and provide more grain refinement. The tensile test results showed that an increase in strength and ductility was obtained after ECAP processing because of grain refinement in the microstructure. The strength of the AZ91 alloy was affected by grain refinement, dislocation density, precipitates and solid solution strengthening mechanism. The effect of each mechanism was calculated 47%, 26%, 5% and 16% respectively. Using route C resulted in a finer grain size. However, the ECAP processing via route BC led to the formation of a homogenous microstructure in lower strain levels. Nonhomogeneous microstructure, the presence of shear bands in the structure, and non-uniform distribution of precipitates are the main reasons of weak mechanical properties of the sample after ECAP processing via route A. Doing an initial rolling process prior to ECAP resulted in decreasing the temperature at the first ECAP pass. Nevertheless, the two-step ECAP processing led to the higher grain refinement compared to rolling+ECAP processing. A model based on microstructural observations and quantitive results was proposed for development of the microstructure of AZ91 alloy during ECAP. In this model, the effect of ECAP temperature, DRX, DP and twinning on the grain refining and development of structure has been considered. Keywords: Equal channel angular pressing; magnesium-aluminum alloy; grain refinement; dynamic recrystallization; dynamic precipitation.