خواص كششي دماي بالاي آلومينيم خالص نانو ساختار و نانوكامپوزيت
Al- 5vol%SiC اكسترود شده گرم

سيد عبدالمجيد خادم1، سعيد ناطق2 و حسين يوزباشي زاده2
استاد يار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد علوم و تحقيقات، دانشكده مواد، تهران، ايران
استاد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد علوم و تحقيقات، دانشكده مواد، تهران، ايران
khadem@iau-saveh.ac.ir nategh@sharif.edu
yoozbashi@sharif.edu
(تاريخ دريافت: 03/03/1390 تاريخ پذيرش: 06/05/1390)

چكيده
پودر نانوكامپوزيت Al-5vol%SiC وپودر آلومينيم خالص نانوساختار به كمك آسياب سايشي و استفاده از پودر آلومينيم خالص با ابعاد 20 تا 50 ميكرومتر و نانوذراتSiC با ابعاد 20 تا 50 نانومتر توليد گرديد. سـپس پودرهـاي توليـد شـده بـا روش اكـستروژن گـرم، منـسجم سـازي ومستحكم شدند. به كمك ماشين برش با سيم، نمونههاي كششي مسطح از محصول فشار كاري شده تهيـه گرديـد. نتـايج آزمايـشات كـشش در دماي 25 تا 300 درجه سانتي گراد نشان دادند كه استحكام نمونه هاي آلومينيم نانوكامپوزيت در هر دمايي بيشتر از نانوساختار هستند و با افزايش دما استحكام آنها كاهش مييابد. نتايج شكست نگاري مقاطع شكست، نشانگر شكست ترد براي نانوكامپوزيت و شكست نـرم بـراي آلـومينيمخالص نانوساختار است.

واژه هاي كليدي:
آلياژسازي مكانيكي، متالورژي پودر، نانوكامپوزيت، خواص دماي بالا ،Al/SiC

مقدمه
آلياژهاي متـداول آلـومينيم از نظـر سـبك وزنـي و كمـي هزينـه مطلــوب هــستند امــا اســتفاده از آن هــا گــاهي بخــاطر نرمــي وخصوصيات آن در دماهاي بالا، محدود ميشـود [1]. تحقيقـاتنشان داده اسـت كـه اسـتفاده از ذرات تقويـت كننـده سـراميكيموجب بهبود استحكام كششي در دماهاي مختلف شده مـيشـود [1 و 6]. نانوكامپوزيتهاي زمينه آلـومينيمي كـه داراي اجزائـيبا ابعاد نانو هستند نسبت به كامپوزيتهـاي داراي تقويـت كننـدهميكروني داراي استحكام بالاتري ميباشند [7]. اطلاعـات كمـيدر مورد استحكام كششي نانوكامپوزيتهاي زمينه آلـومينيمي بـاتقويت كننـده كاربيـد سيليـسيم منتـشر شـده اسـت. تـأثير درجـهحرارت روي اسـتحكام فـشاري نانوكامپوزيـتAl-5vol.%SiC در حالت هاي مختلف با ذرات نـانوئي و ذرات ميكرونـي توسـطك امراني و همك ارانش [7] م ورد مطالع ه ق رارگرف ت. نت ايج تحقيقات آن ها نشان ميدهد كه در هر دو حالت افـزايش درجـهح رارت موج ب ك اهش اس تحكام و اف زايش انعط اف پ ذيري م يگ ردد و ب راي ذرات ن انوئي ب ه ن سبت ميكرون ي اس تحكامبيشتري بدست ميآيد [5 و 7]. تـأثير دمـا روي خـواص فـشاري
نانوكامپوزيت 5Al-10% V2O توليـد شـده بـه روش آلياژسـازيمكانيكي و اكستروژن توسط بلاز و همكارانش [8] مورد مطالعه قرار گرفت . آنها تنش سيلان اين نانوكامپوزيـت را در محـدوده 623 ت ا 923 كل وين بررس ي كردن د و م شاهده نمودن د ك ه ب ا افزايش درجه حـرارت حـداكثر تـنش سـيلان كـاهش مـييابـد . علي رغم ك ارس ختي كم ي ك ه در دم اه اي 903 و 873 كل وين مشاهده شد، در ساير دماهـا سـرعت كـارنرمـي بيـشتر از سـرعتك ارس خت اس ت ك ه عل ت آن ب ه بازي ابي دين اميكي در زمين ه آلومينيم نسبت داده شده است. فركل و همكارانش [9] استحكام و سختي منيزيم تقويت شده با ذرات نانومتري SiC در دماي بـالارا مورد بررسي قرار دادند. اين نـانوكامپوزيـت بـا روش آسـيابمكانيكي و اكستروژن در دماي بـالا توليـد گرديـد. آنهـا رفتـارمكانيكي اين نـانوكامپوزيـت هـا را در دماهـاي 100، 200 و 300 درجه سانتي گراد بررسي كردند . نتيجه كاهش سختي و استحكامدر دما هاي بالا بود كـه بـه واكـنشهـاي احتمـالي بـين منيـزيم و نانوذرات SiCو يا فرآينـد هـايي نظيـر صـعود و يـا از بـين رفـتننابجائيه ا نـسبت داده ش د و موج ب ك اهش چگـالي نابجائيه ا مـي گ ردد. ح سن و همك ارانش [10] ني ز تحقيق اتي در م ورد خواص كشـشي دمـاي بـالاي نـانوكامپوزيـت 3o2Mg-Al انجـامدادند. نتايج اين تحقيق نشان داد كه در دمـاي 150 و 200 درجـهسـانتي گـراد اسـتحكام نـانوكامپوزيـ ت 3o2Mg-1.1Al كـاهش وانعط اف پ ذيري آن اف زايش م ي ياب د. كـامراني و همك ارانش [7] خواص فشاري دماي بالاي نانوكامپوزيت آلومينيم بـا ذراتكاربي د سيلي سيم را م ورد مطالع ه ق رار دادن د و نت ايج م شابهيگرفتند.
عليرغم تحقيقا ت گسترده در زمينـههـاي مختلـف آسـيابكـاريمكانيكي آلو مينيم با ذرات كاربيد سيليـسيم، اطلاعـات كمـي درمورد خواص مكانيكي دماي بالاي آنهـا منتـشر شـده اسـت. در ايـن تحقي ق ب ا روش آس ياب ك اري مك انيكي پ ودر آل ومينيم و نـ انوذرات كاربيـ د سيليـ سيم و همچنـ ين آلـ ومينيم خـ الص و اكستروژن آن ها مواد نانوكامپوزيـت و نـانوسـاختار از ايـن مـواد تولي د گردي د و خ واص كش شي دم اي ب الا ب راي آنه ا م ورد آزمايش قرار گرفت.

مواد و روش تحقيق
در اين پژوهش از پودر آلومينيوم توليد شـده طبـق شـكل (1) بـهعنوان ماده زمينه استفاده شده است. اين پـودر از طريـق افـشانشتوسط گاز نيتروژن توليد شده است. از ذرات كاربيد سيليسيم بـهعنوان جزء تقويت كننده كامپوزيت استفاده شد كـه طبـق شـكل(2) داراي ابعاد 20 تا 50 نانومتر بود.

شكل (1): ميكروگراف ذرات پودرآلومينيم خالص مصرفي

شكل (2): تصوير ميكروسكوپ عبوري (TEM) از پودر كاربيد سيليسيم مصرفي
براي توليد پودر نانوكامپوزيت Al-5vol.% SiC، با توجه به وزن مخصوص مواد اوليه و كـسر حجمـي مـد نظـر، تـوزين پـودرهـاتوسط يك ترازوي ديجيتال با دقت 01/0 گرم صـورت گرفـت.
بدليل استفاده از آسياب مكانيكي در توليد پودر كامپوزيتي، نيـازبه عامل كنترل كننده فراينـد (PCA)١ بـود . بـراي ايـن منظـور ازاسيد استئاريك كه شايع ترين عامل كنترل كننده فراينـد مـصرفيدر مورد كامپوزيت ها اسـت، اسـتفاده شـد. ميـزان عامـل كنتـرلكننده فرايند مصرفي دو درصدوزنـي بـود. پـس از تـوزين دقيـقمواد اوليه، مخلوط سازي پودرهاي آلومينيوم، كاربيد سيليـسيم واسيد استئاريك در داخـل يـك ظـرف درب دار مناسـب ريختـه شده و به مدت ده دقيقه به صورت دستي مخلوط گرديد و سپس به آسياب اضافه گرديد. بـراي آسـياب مخلـوط هـاي پـودري، از يك آسياب سايشي2 استفاده شد. از گلوله هايي از جنس فـولاد وبا قطرmm 6-5 در آسياب استفاده شد. نسبت وزني بين گلولـه وپــودر 20:1 انتخــاب شــد . پــس از پرشــدن حــد ود يــك ســوم محفظهها، در ب آنها بسته شده و گاز آرگون بـه عنـوان اتمـسفرمحافظ به مدت 15 دقيقه داخـل محفظـههـا دميـده شـد. آسـيابكردن پودرها تا 35 ساعت براي آلومينيم خالص و تـا 25 سـاعتبراي حالـت كـامپوزيتي ادامـه يافـت. ضـمن آسـيابكـاري، بـهصورت مداوم دا خل محفظهها گاز آرگـون دميـده شـد. پـس ازآسياب پودرها، مخلوطهاي پودري داخـل فويـلهـايي از جـنسآلومينيوم پيچيده شد و به منظور حذف مواد فعال كننـده موجـود (اسيد استئاريك ) به مدت 1 ساعت در كوره با اتمسفر گاز خنثيآرگون در دمـاي 450 درجـه سـانتيگـراد سـاعت حـرارت دادهش دند. پ س از اي ن مرحل ه، پودره ا در ق وطيه ايي از ج نس آلومينيوم با قطر داخلـي حـدودmm 60 و ارتفـاع مناسـب ريختـهشده و طي دو مرحله آماده شدند. ابتدا با فـشار حـدودMPa 220 پرس سرد گرديدند تا چگالي افزايش يابد. اين موضوع علاوه بركم ك ب ه اف زايش چگ الي پ ـس از اك ستروژن گ ـرم، مق دار
در قوطي ها توسط اعمـال فـشار بـسته و بـراي مرحلـه اكـستروژنآماده شدند . قبل از آغاز عمليـات اكـستروژن قـوطيهـا، سـنبه و
اكسيداسيون ذ رات پودر آلومينيوم را هم كاهش ميدهـد . سـ پس قالب به منظور همدمايي كامل، داخـل كـوره پيـشگرم در دمـاي500 درجه سانتي گراد به مدت حدود 45 دقيقـه پيـشگرم شـدند.
سپس قوطي ها داخل محفظه اكستروژن قرار گرفتنـد. اكـستروژنقوطيها با نسبت 9:1 انجام شد. سـطح مقطـع بيلـتهـاي بدسـتآمده مستطيل شكل و با ابعاد 15-22 ميليمتر بود. به منظور انجـام
آزمون كشش محصول اكستروژن شده توليدي توسط برش سيم (Wire Cut) ب ه نمون هه اي ص فحهاي كوچ ك ب ا ط ول گ يج
20 ميليمتر و مقطع 2 در 5 ميليمتر مربع طبق شكل (3) بريده شـد .
سپس نمونه هاي كشش مطابق استاندارد [11ASTM E8] توسـطبرش سيم ايجاد شد.

شكل (3): ابعاد نمونه كشش (كليه ابعاد به ميليمتر)

از آنجايي كه از روش برش سيم براي سـاخت نمونـههـا اسـتفادهشد، نا صافيهايي روي سطح نمونه ايجاد ميشود. لـذا از سـمبادهبا درجه 1200 براي برطرف كـردن ايـن اثـرات اسـتفاده شـد. در نهاي ت ب ه منظ ور ح ذف ت نشه اي ناش ي از عملي ات س اخت، نمونهها داخل كورهاي با اتمسفر آرگـون بـه مـدت 2 سـاعت در دماي 200 درجه سانتيگراد تابكاري شدند.

جدول (1): چگالي كامپوزيت Al-5vol.%SiC و نمونه Al توليدي به روش آ سياب مكانيكي و اكستروژن گرم

نمونه چگالي چگالي درصد اندازه
نمونه تئوري حفرهها دانه
11963478472

( nm)grgr
1776986-138074

( Cm3 ) ( Cm3 )
35 0 2/72 2/72 Al-5vol.%SiC
55 0 2/70 2/7 Al
ب راي انج ام آزم ايش ك شش در حال ت گ رم و دم اي ات اق از دستگاه كشش مدل MST ساخت كشور آمريكـا بـا ظرفيـت 15 تن استفاده گرديـد . چگـالي نمونـه Al-5vol.%SiCو نمونـهAl توسط روش ارشميدس محاسبه شد . جدول (1) نتـايج حاصـل رانشان مي دهد. به منظور تعيين چگالي تئوري از قـانون مخلـوطهـااسـ تفاده شـده اسـت. نتـايج حاصـل نـشان مـي دهنـد كـه پـس ازاكستروژن تعداد زيادي از حفرهها حذف شـدهانـد و چگـالي بـهحد تئوري بسيار نزديك است (99%>).
شـ كل (4) نيـ ز نـ شان دهنـ ده ريـ ز سـ اختار نـ انوكامپوزيـ ت Al-5vol.%SiC در بزرگنمائي بـالا اسـت. انـدازه گيـري انـدازهرسوبات به كمك اين شكل بخوبي توزيع مناسـبي از ذرات نـانورا نشان مـي دهـد و همخـواني خـوبي بـا انـدازه اوليـه ذرات SiC دارد.

شكل (4): ميكرو گراف مربوط به نانوكامپوزيت اكستروژن شده

3-نتايج و بحث
جدول (2) نتايج آزمايش كشش براي نمونهها را در دمـا ي اتـاق و دما هاي بالا نشان ميدهد. مشاهده مـيشـود كـه اولاً اسـتحكامكششي نمونه هاي آلومينيم خالص آسياب شده و نـانوكـا مپوزيتي نسبت به آلومبنيم خالص آسياب نشده (با انـدازه دانـه ميكرونـي) كه با همان شرايط توليد شده است، بسيار بالاتر است.
ثاني اً اس تحكام نمون هه اي ن انوك امپوزيتي ب الاتر از نمون هه اي آلومينيم خالص نانوساختار است . با توجه به اينكه انـدازه دانـههـابــراي هــر دو حالــت نــانوكــامپوزيتي و خــالص آســياب شــده (نانوساختار) كمتر از 100 نانومتر است، بنابـ راين يـك دليـل بـالابــودن اســتحكام ريــز بــودن دانــههــا اســت . بــالا بــودن ميــزان ك ارس ختي (چگ الي نابجائيه ا) ني ز از عوام ل ديگ ر ب الا ب ودن استحكام است.
براي حالت نانوكامپوزيت، وجود ذرات ريـز تقويـت كننـده نيـزباعث افزايش و حفظ استحكام در دماهاي بالا است. همـهي ايـنعوام ل موج ب اف زايش چن دين براب ري اسـتحكام ، ن سبت ب ه آلومينيم خالص با ابعاد دانههاي ميك روني شده است كه بـا روشاكستروژن مشابه ساير نمونهها توليد شده ولي آسياب نشده است. محققين ديگري نيز تأثير آ سيابكاري و ايجاد نـانو كامپوزيـت را بطور مشابه گزارش نموده اند [12 و 14].

جدول (2): تغييرات استحكام كامپوزيت Al-5 vol.%SiC و نمونه Al توليدي
به روش آسياب مكانيكي و اكستروژن گرم

ازدياد
طول
(%) استحكام
نهائي
(Mpa) استحكام تسليم
(Mpa) درجه
حرارت
(oc) نمونه
17 530 500 25 Al-5%SiC نانوكامپوزيت
– 449 – 15
0 Al-5%SiC
نانوكامپوزيت
– 225 – 30
0 Al-5%SiC نانوكامپوزيت
21 463 231 25 آلومينيم خالص
نانوساختار
– 368 – 15
0 آلومينيم خالص
نانوساختار
– 178 – 30
0 آلومينيم خالص
نانوساختار
49 88 64 25
آلومينيم خالص آسياب نشده با ساختار ميكروني

شكل (5): منحنيهاي تنش-كرنش بر حسب زمان آسياب براي نمونههاي
آلومينيم خالص نانوساختار در دماهاي مختلف

شكل (6): منحنيهاي تنش- كرنش بر حسب زمان آسياب براي نمونههاي نانوكامپوزيت در دماهاي مختلف

شكل (7): تغييرات استحكام نهائي بر حسب زمان آسياب، براي نمونههاي آلومينيم خالص نانو ساختار و نانوكامپوزيت در دماهاي مختلف
اشكال (5) و (6) منحني هاي تـنش-كـرنش را بـراي حالـتهـايآلومينيم خالص آسياب شده و نانوكامپوزيت در دماهاي مختلفنشان ميدهد.
همچنين شـكل (7) نـشان دهنـده تغييـرات اسـتحكام كشـشي بـرحسب دما است. شكل (7) نشان ميدهد كه استحكام كشـشي بـاافزايش دما كاهش مييابد ولي ، در عين حال نانوكامپوزيتها درهـر دمـائي داراي اسـتحكام بي شتري نـسبت بـه آلـومينيم خ الص نانوساختار هستند. دلايل زيادي براي كاهش استحكام با افـزايشدما، بيان شده است.
بازيك3[1] و ژائو4[15] بيـان كردنـد كـه بـا افـزايش دمـا، زمينـه نرمتر شده و تمركز تنش در اطراف ذرات در اثر مقادير مختلفـيازضرايب انبساط حرارتـي زمينـه و تقويـت كننـده بوجـود آمـدهاست، كه اين اتفاق نسبت به دماي اتاق، راحتتـر رخ مـيدهـد .
در چنين شرايطي در فصل مـشترك ذرات و زمينـه يـك فرآينـدبازيابي ديناميكي، ايجاد مـي شـود و بنـابراين انتظـار مـيرود كـه هرگونه اختلاف تنشي يا كرنش نامتناسب را بتـوان بـا اسـتفاده ازيك فرآيند احياء و بازيابي به حالت آرامش و آزادي رساند.
ايــن پديــده منجــر بــه كــاهش اســتحكام و ســختي مــيشــود.
اونورو5 [2] بيـشتر بـودن اسـتحكام دمـاي بـالا در كامپوزيـتهـا نسبت به حالت غيركامپوزيتي را بـه ذرات تقويـت كننـده نـسبتميدهد كه از طريق انتقال نيرو به ذرات صورت ميگيـرد . ذرات تقويت كننده در دماهاي بالا نيز مانع درشت شدن دانهها مي شود و موجب افزايش بيشتر اسـتحكام كامپوزيـت هـا مـي شـود . نقـشريزذرات در جلوگيري از رشـد دانـههـا در نـانوكامپوزيـت هـايآلومينيم با نانوذرات كاربيد سيليسيم از يافتههاي كامراني [7] نيز ميباشد كه عامل استحكام بالاتر نانوكامپوزيتها در دماهاي بالااست.
شك ست نگ اري از مق اطع شك ست ن شان م يده د ك ه ب راي نانوكامپوزيت، نوع شكست در تمـام شـرايط عمـدتأ حالـت تـرداست، اما براي آلومينيم خالص از نرمي بالاتري برخـوردار اسـت و با كاهش دما تردي بيشتر ميشود (اشكال8 و 9).
3089148-761 شكل (9): مقطع شكست نمونه آلومينيم خالص نانوساختار پس از آزمايش كشش در دماي 300 درجه سانتيگراد در 2 بزرگنمائي مختل

4-نتيجه گيري
فرآيند آسيابكاري پودر قبل از توليد قطعه موجـب افـزايشبسيار زياد اسـتحكام قطعـات توليـدي از طريـق متـالورژي پـودر ميشود.
افزودن نانو ذرات كاربيـد سليـسيم تـأثير قابـل ملاحظـهاي درافزايش استحكام دماي بالا و دماي اتاق با فرآيند آسيابكاري واكستروژن پودر نسبت به آلومينيم خالص آسـياب شـده دارد كـه ميتوان دليل آن را وجود نانوذرات سراميكي كاربيد سيليـسيم وشكل (8): سطح مقطع شكست نمونههاي نانوكامپوزيتي پس از آزمايش انتقال نيرو به آنها دانست.
كشش در دماي الف):300، ب):150 و ج): 25 درجه سانتيگراد 3- شك ست نگ اري نمون هه ا ن شان دهن ده شك ست ت رد ب راي نانوكامپوزيت و شكست نرم براي آلـومينيم خـالص نـانوسـاختاراست.

5- مراجع
D. Božića, M. Vilotijević, V. Rajkovićb and Ž. Gnjidić,
“Mechanical and Fracture Behaviour of a SiC-ParticleReinforced Aluminum Alloy at High Temperature,” Materials Science Forum , Vol. 494, pp. 487-492, 2005.
J. O˜noroa, M.D. Salvadorb, L.E.G. Cambroneroc, “HighTemperature Mechanical Properties of Aluminium Alloys Reinforced with Boron Carbide Particles,” Materials Science and Engineering A, vol. 499, pp. 421–426, 2009.

M. Khakbiz, F. Akhlaghi,”Synthesis and Structural Characterization of Al–B4C Nano-Composite Powdersby Mechanical Alloying,” Journal of Alloys and Compounds, Vol. 479, pp. 334–341, 2009.

M. Tavoosi, F. Karimzadeh, M.H. Enayati, A. Heidarpour, “Bulk Al–Zn/Al2O3 Nanocomposite Prepared By Reactive Milling And Hot Pressing Methods,” Journal of Alloys and Compounds, Vol. 475, pp. 198–201, 2009.

S. Kamrani, R. Riedel, S.M. Seyed Reihani and H.J. Kleebe, “Effect of Reinforcement Volume Fraction on the Mechanical Properties of Al_SiC Nanocomposites Produced by Mechanical Alloying and Consolidation,” Journal of Composite Materials, Vol. 44, pp. 313-326, 2010.

U. Cocen and K. Onel, “Ductility and Strength of Extruded SiCp/Aluminum-Alloy Composites,” ”, Composites Science and Technology, Vol. 652, pp. 275-282, 2002.

سپيده كامراني، پايان نامه دكتري، “بررسي تأثير كسر حجمي نانوذرات تقويت كننده بر رفتار رشد دانهها و خواص فشاري نانوكامپوزيت”،
Al-SiC دانشگاه صنعتي شريف،1387

6- پي نوشت

Process control agent
Attritor
Bozic
zhao
O˜noroa

L. Blaz a, Z. Sierpinski a, M. Tumidajewicz a, J. Kaneko b, M. Sugamata, “Structures and hot deformation of Al– V2O5 Mechanically Alloyed Composite,” Journal of Alloys and Compounds , vol. 378, pp. 343–346, 2004.

H. Ferkel , B.L. Mordike, “Magnesium Strengthened by SiC Nanoparticles,” Materials Science and Engineering A, vol. 298, pp. 193–199, 2001.

S.F. Hassan , M.J. Tan , M. Gupta b, “High-temperature Tensile Properties of Mg/Al2O3 Nanocomposite,” Materials Science and Engineering A, Vol. 486, pp. 56–62, 2008.

Annual Book of ASTM Standards , Vol.01.02, 1999.

M. Sherif EL-Eskandarany, “Mechanical Alloying for Fabrication of Advanced Engineering Materials. New York, U.S.A.: ,William Andrew Publishing , 2000.

M.A. Meyers , A. Mishra, D.J. Benson, “Mechanical Properties of Nanocrystalline Materials,” Progress in Materials Science , Vol. 51, pp. 427–556, 2006.

F.Tang, M Hagiwara , Julie M. Schoenung, “Microstructure and Tensile Properties of Bulk Nanostructured Al-5083/SiCp Composites Prepared By Cryomilling,” Materials Science and Engineering A, Vol. 407, pp. 306–314, 2005.

D. Zhao, F. R. Tuler, J. Loyd,”Fracture at Elevated Temperatures In A Particle Reinforced Composite”Acta Metallurgica et Materialia, Vol. 42, pp. 2525, 1994



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید