25790

بررسي ريزساختار و خواص مكانيكي نانوكامپوزيت هيبريدي پايه آلومينيوم 1050 با ذرات تقويت‌كننده Al2O3-TiC توليدشده به روش فرايند هم‌زدن اصطكاكي

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد

1397

1400/9/14

دكتر حميدرضا جعفريان - دكتر عليرضا ايواني

مهندسي مواد و متالورژي

روش¬هاي مختلفي براي ساخت كامپوزيت¬هاي زمينه فلزي وجود دارد كه روش¬هاي حالت جامد به واسطه برتري¬هايي همچون همگن بودن ريزساختار حاصل، بيشتر مورد توجه قرار گرفته¬اند. فرايند هم¬زدن اصطكاكي (FSP ) فرايند حالت جامدي است كه براي ساخت كامپوزيت¬هاي سطحي مورد استفاده قرار مي¬گيرد. در اين پژوهش به بررسي ريزساختار و خواص مكانيكي نانوكامپوزيت هيبريدي AA1050/〖Al〗_2 O_3-TiC توليدشده به روش FSP پرداخته شد. بدين منظور، با استفاده از FSP نانوكامپوزيت¬هاي AA1050/〖Al〗_2 O_3-TiC، AA1050/〖Al〗_2 O_3 و AA1050/TiC توليد شد و تاثير نوع ذرات تقويت¬كننده و تعداد پاس فرايند بر ريزساختار و خواص مكانيكي آن¬ها بررسي شد. براي بررسي تاثير نوع ذرات تقويت¬كننده سه نوع پودر سراميكي 〖Al〗_2 O_3 ، TiC و مخلوط پودري 50-50 از هر دو پودر، در شيار ايجاد شده بر ورق آلومينيومي اضافه شد و تحت فرايند FSP قرار گرفت. همچنين با اعمال سه تعداد پاس مختلف 1، 2 و 4 تاثير تعداد پاس فرايند بر ريزساختار و خواص مكانيكي مورد بررسي قرار گرفت. درنتيجه 9 نمونه مختلف نانوكامپوزيتي، از ورق AA1050 آنيل¬شده توليد شد و مورد بررسي قرار گرفت. همچنين براي مقايسه نتايج، 2 نمونه ديگر (آلومينيوم آنيل¬شده و آلومينيوم FSP شده) به عنوان نمونه¬هاي مرجع آماده گرديد. با ثابت در نظر گرفتن ساير پارامترها از جمله كسر حجمي ذرات تقويت¬كننده، سرعت پيش¬روي و سرعت چرخشي ابزار، تعداد پاس فرايند به عنوان پارامتر اصلي براي دستيابي به جريان مواد و توزيع ذرات مناسب معرفي شد. از طرف ديگر، هر دو پارامتر نوع ذرات تقويت-كننده و تعداد پاس فرايند به عنوان پارامترهاي تعيين¬كننده براي رسيدن به خواص مكانيكي مطلوب در نانوكامپوزيت¬ها در نظر گرفته شدند. تغييرات ريزساختار و توزيع نانوذرات اضافه¬شده به¬وسيله ميكروسكوپ نوري و ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني بررسي شد. براي بررسي تشكيل احتمالي تركيبات و فازهاي جديد از پراش¬سنجي پرتو ايكس و براي شناسايي عناصر موجود در ريزساختار نمونه¬ها در بزرگنمايي بالا از طيف¬سنجي پراش انرژي استفاده شد. براي ارزيابي خواص مكانيكي نانوكامپوزيت¬ها از آزمون كشش، آزمون ريزسختي ويكرز و آزمون سايش پين بر روي ديسك استفاده شد. همچنين براي بررسي سطوح شكست و سايش از ميكروسكوپ الكتروني روبشي استفاده شد. نتايج حاصل نشان داد كه فرايند FSP موجب ريزدانه شدن ريزساختار مي¬شود و اعمال پاس بيشتر منجر به ريزدانه شدن بيشتر، توزيع ذرات يكنواخت¬تر و كاهش ذرات درشت آگلومره¬شده و به دنبال آن موجب يكنواختي بيشتر خواص مكانيكي مي¬شود. وجود نانوذرات تقويت¬كننده با توزيع مناسب مانع رشد دانه شده و باعث ايجاد ريزساختار ريزدانه مي-شود. نتايج حاصل از آزمون¬هاي ريزسختي، كشش و سايش نشان داد كه هر 9 نمونه نانوكامپوزيتي خواص مكانيكي بالاتري نسبت به 2 نمونه مرجع غيركامپوزيتي داشتند و اعمال پاس بيشتر منجر به بهبود و همچنين يكنواختي خواص مكانيكي نمونه¬ها مي¬شود. نتايج آزمون كشش نشان داد كه استحكام نمونه¬هاي هيبريدي بيشتر از نمونه¬هايي كه با پودر TiC توليد شده¬اند است و استحكام نمونه¬هاي داراي TiC از نمونه¬هايي كه با پودر 〖Al〗_2 O_3 توليد شده¬اند بيشتر است. در نمونه هيبريدي با 4 پاس FSP استحكام كششي نهايي به مقدار MPa43/114 رسيد كه در مقايسه با نمونه اوليه آلومينيوم آنيل¬شده با استحكام كششي نهايي MPa35/61، استحكام كششي نهايي به ميزان 52/86% افزايش داشت. نتايج آزمون ريزسختي ويكرز نشان داد كه سختي نمونه¬هايي كه با يك نوع پودر تقويت¬كننده توليد شده¬اند تقريبا به يك اندازه مي¬باشد و سختي نمونه¬هاي هيبريدي به مقدار جزئي از آن¬ها بيشتر است. مقادير ريزسختي در نمونه¬هاي نانوكامپوزيتي 4 پاسي در محدوده Hv42 تا Hv49 قرار گرفت و نسبت به ريزسختي فلز پايه حدود 39 تا 62 درصد افزايش داشت. نتايج آزمون سايش نشان داد كه مقاومت به سايش نمونه¬هاي داراي 〖Al〗_2 O_3 بيشتر از نمونه¬هاي هيبريدي و مقاومت به سايش نمونه¬هاي هيبريدي بيشتر از نمونه¬هاي داراي TiC مي¬باشد.

1400/10/04

Investigation of Microstructure and Mechanical Properties of AA1050-based Hybrid Nanocomposite Reinforced with Al2O3 and TiC Produced by Friction Stir Processing

12/5/2022 12:00:00 AM

There are different methods for fabricating metal matrix composites. Among these, soild-state methods have received more attention due to advantages such as homogeneity of the resulting microstructure. Friction Stir Processing (FSP) is a soild-state process used to fabricate surface composites. In this study, the microstructure and mechanical properties of AA1050/〖Al〗_2 O_3-TiC hybrid nanocomposite produced by FSP method was studied. For this purpose, AA1050/〖Al〗_2 O_3-TiC, AA1050/〖Al〗_2 O_3 and AA1050/TiC nanocomposites were fabricated by FSP and the effect of the type of reinforcing nanoparticles and the number of passes on microstructure evolution and mechanical properties were studied. Implementing constant parameters such as volume fraction of reinforcing particles, tool traverse speed and rotational speed, the number of passes was introduced as the main parameter to achieve proper material flow and particle distribution. On the other hand, both reinforcing nanoparticles type and number of passes were considered as determining parameters to achieve the desired mechanical properties in nanocomposites. Microstructure evolution and distribution of added nanoparticles were examined by optical microscope (OM) and field emission scanning electron microscope (FE-SEM). X-ray diffraction (XRD) was used to investigate the possible formation of new compounds and phases, and energy diffraction spectroscopy (EDS) was used to identify elements in the microstructure of the samples at high magnifications. To evaluate the mechanical properties of nanocomposites, tensile test, Vickers microhardness test and pin-on-disk wear test were conducted. Scanning electron microscopy (SEM) was also used to explore fracture and wear surfaces. The results showed that the FSP process leads to grain refinement and application of more passes leads to more grain refinement, more uniform particle distribution and reduction of agglomerated coarse particles, followed by more uniformity in mechanical properties. The presence of reinforcing nanoparticles with proper distribution inhibits grain growth and creates a fine-grained microstructure. The results of tensile, microhardness and wear tests showed that all nine nanocomposite samples had higher mechanical properties than the two non-composite reference samples and application of more passes lead to improvement as well as uniformity of mechanical properties of the samples. The results of tensile test showed that the tensile strength of AA1050/〖Al〗_2 O_3-TiC hybrid samples is higher than AA1050/TiC samples and the tensile strength of AA1050/TiC samples is higher than AA1050/〖Al〗_2 O_3 samples. The ultimate tensile strength of the hybrid sample with four FSP passes, compared to as-annealed sample with a ultimate tensile strength of 61.35MPa, increased by 86.52% and reached 114.43Mpa. The results of the Vickers microhardness test showed that the hardness of the samples produced with one type of reinforcing powder is almost the same and the hardness of the hybrid samples is slightly higher than them. The values of microhardness in 4-pass nanocomposite samples reached 42Hv to 49Hv and increased by 39% to 62% compared to the microhardness of the base metal. The wear test results showed that the wear resistance of AA1050/〖Al〗_2 O_3 samples is higher than AA1050/〖Al〗_2 O_3-TiC hybrid samples and the wear resistance of AA1050/〖Al〗_2 O_3-TiC hybrid samples is higher than AA1050/TiC samples.

فرايند هم زدن اصطكاكي , نانوكامپوزيت هيبريدي , ذرات تقويت‌كننده Al2O3-TiC , خواص مكانيكي , ريزساختار , تعداد پاس

Friction Stir Processing , Hybrid Nanocomposites , Al2O3 َand TiC Reinforcement Particles , Mechanical Properties , Microstructure , Number of Passes