تاثير حضور ذرات نانومتري اكسيد تيتانيم روي استحكام پيوند ورق هاي آلومينيم در فرايند نورد اتصالي سرد (CRB)

محمدعلي سلطاني*1، روح اﷲ جماعتي2، محمدرضا طرقي نژاد3
عضو هيأت علمي، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهر مجلسي، گروه مواد، اصفهان، ايران
دانشجوي دكتري، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي اصفهان، اصفهان، ايران
دانشيار، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي اصفهان، اصفهان، ايران
* a.soltani47@yahoo.com
(تاريخ دريافت: 07/06/91، تاريخ پذيرش: 02/10/91)

چكيده
در اين پژوهش، فرايند نـورد اتصـالي سـرد رو ي ورق هـاي آلـومينيم خـالص تجـاري (1050AA) در حضـور و عـدم حضـور ذراتنانومتري اكسيد تيتانيم انجام گرفت. استحكام پيوند بين ورق ها با استفاده از آزمون لايه كني انـدازه گ يـري شـد . هـم چنـين بـه منظـورارزيابي سطح شكست نمونه ها پس از آزمون لايه كني، از ميكروسكوپ الكتروني روبشي استفاده شد. تـاثير پارامترهـاي فراينـد روي استحكام پيوند مورد بررسي قرار گرفت. نتايج به دست آمده از اين پژوهش نشان داد كه با افزايش نانوذرات اكسيد تيتانيم، استحكام پيوند بين لايه ها بعد از فرايند نورد اتصالي سرد، كـاهش ي افـت. در مقـدار ثـابتي از ذرات، هنگـامي كـه م يـزان كـاهش در ضـخامتافزايش يافت، نوسان نيروي لايه كني ميانگين نيز زياد شد. همچنين، با افزايش مقدار ذرات، ميزان كرنش آستانه اي نيز افزايش يافت.

واژه هاي كليدي:
آلومينيم، نانوذرات اكسيد تيتانيم، نورد اتصالي سرد، استحكام پيوند

1- مقدمه
كامپوزيت هاي زمينه آلومينيمي به دليل دارا بودن دانسيته ي كـم،صلبيت بـالا و نـرخ سـايش كـم، مـواد ام يـد بخشـي بـراي صـنايع اتومبي ل، ه وا فض ا و ديگ ر كاربرده اي س اختاري م يباش ند. كامپوزي ته اي ب ا زمين ه ي آل ومينيم ك ه توس ط ذرات تقوي ت شده اند، به علت داشتن خاصيت همسانگردي مورد توجه صـنا يع مختل ف ق رار گرفت هان د [1-2]. در س ال ه اي اخي ر تولي د اي ن كامپوزيت ها با استفاده از روش نورد اتصالي سـرد (CRB) رشـد چشم گيري داشته است. مهم ترين عامل در فراينـد نـورد اتصـالي سرد، استحكام پيوند (چسبندگي يا لايه كني) مي باشد كه تمـام ي خ واص نمون هه اي تولي د ش ده توس ط اي ن روش را م ي توان د تحت الشعاع قرار دهد. به همين علت پژوهش هاي زيادي بر روي پارامترهاي تاثيرگذار بر روي استحكام پيوند در اين روش انجـ ام شده است. پژوهش هـاي ز يـادي روي پارامترهـاي تاثيرگـذار بـراسـتحكام پ يون د در اي ن روش انج ام شـده اس ت. اي ن پارامتره ا عبارت اند از: كاهش در ضخامت [3-11]، عمليات آن يـل پـس ازفرايند [4 و11]، سرعت نورد [4 و11] و حضور ذرات بين ورق ها [8 و12-13].
مورد اخير به تازگي مورد توجه قرار گرفته است، زيرا مي توان با بررسي و بهينـه سـازي ا يـن پـارامتر و انجـام نـورد اتصـالي سـرد،كامپوزي ت تولي د ك رد. علي زاده و پاي دار [12] ب دين منظ ور از ورق هاي آلومينيم 1050 و ذرات مي كرونـي هيبر يـد تي تـانيم بـراي توليد آلومينيم اسفنجي استفاده كردند.
آن ها متوجه شدند كـه حضـور ا يـن ذرات، اسـتحكام پ ي ونـد بـين ورق هاي آلومينيم را كاهش مـي دهـد. هـم چنـين لـو و همكـاران[13] از ورقهـ اي آلـ ومينيم 6060 و ذرات نـ انومتري اكسـ ـيد سيليسيم براي توليد كامپوزيت استفاده كردند. اما آن ها دري افتنـد كه نانوذرات اكسيد سيليسيم موجب افزايش استحكام پيونـد بـين ورق ها مي شود. در نهايت جمـاعتي و طرقـ ي نـژاد [8] بـه بررسـي تاثير نانوذرات آلومينـا روي اسـتحكام پ يونـد ورق هـاي آلـومينيم 1100 پرداختند و متوجه شدند كه با افزايش اين ذرات، استحكام پيوند كاهش م ييابد.
هدف از اين پژوهش، بررسي تاثير حضور ذرات نانومتري اكسيد تيتانيم روي استحكام پيوند ميان ورق هـاي آلـومينيم 1050 اسـتكه تاكنون هيچ مطالعـه ي منتشـر شـده اي در ا يـن زمينـه موجـودنمي باشد. از آن جا كه آلومينيم/ اكسـيد تي تـانيم يـك كامپوز يـت شناخته شده با خواص بسيار مناسب مي باشد، بررسي حضور ا يـن ذرات و تاثير آن روي استحكام پي ونـد ورق هـاي آلـومينيم امـري ضروري به نظر م يرسد. همچنين سطح مقطع شكست نمونه هـاي توليد شده نيز مورد مطالعه و بررسي قرار خواهند گرفت.

2- مواد و روش تحقيق
در اين تحقيق از آلومينيم خالص تجاري 1050AA استفاده شـد .
براي بررسي تركيب شيميايي آلومينيم مورد اسـتفاده، كوانتـومترپايه ي آلومينيم مورد استفاده قرار گرفت كه نتايج آن در جـدول
(1) آورده شده است.

جدول (1): تركيب شيميايي آلومينيم مورد استفاده.
تركيب شيميايي (wt.%) ماده
،0/01 Mn ،0/09 TiCu ،0/02 MgZr ،0/1 SiFe ،99/55 Al 0/006 ،0/004 ،0/23 آلومينيم 1050

نوارهايي به ابعـادmm × 30 mm × 1 mm 150 در جهـت نـوردورق هاي آلومينيم خالص تجاري خريداري شده، تهيه گرديد. به منظور بررسي تـ اثير حضـور و مقـدار ذرات اكسـيد تيتـانيم روي استحكام پيوند، از نانوذرات اكسيد تيتانيم بـا انـدازه اي كـم تـر ازnm 100 (شكل 1) استفاده شـد . نمونـه هـا ابتـدا در حمـام اسـتن،چربي زدايي شدند و سپس سطح آن هـا توسـط بـرس فـولادي بـاقطر سيم mm 26/0 زبر گرديد. زبري سطح اوليه ي نمونه ها (قبل از برس زني) μm 5/0 بود و پس از عمليات برس زني بـهμm 2/4 افزايش يافت. مقادير زبـري توسـط ميـانگين داده هـاي بـه دسـتآمده از دستگاه زبري سنج در جهت هاي طـولي و عرضـي نمونـهگزارش شده است. نكته ي بسيار مهمي كه بايد به آن توجه شـوداين است كه بايد از لمس كردن سطوح تميـز شـده پرهيـز كـرد،چون چربي ها مانع از تشكيل پيوندي قـوي خواهنـد شـد. پـس ازفراين د آم اده س ازي س طح، ب راي ب ه ح داقل رس اندن تش كيلدوب اره ي اكس يدها در س طوح ب رس زده ش ده، عملي ات ن ورد
اتصالي مي بايست بـه سـرعت انجـام گيـرد. پـس از آمـاده سـازي سطحي، نمونه ها به دقت حمل شده و پس از قـرار گـرفتن ذرات اكسيد تيتانيم و روي هم قرار گرفتن نمونـه هـا، بـه سـرعت نـورد شدند. لازم به ذكر است كه زمان بين آماده سازي سطح و فراينـد نورد كم تر از 120 ثانيه بود. عمليات بـا اسـتفاده از يـك دسـتگاه نورد با ظرفيت 20 تن، قطـر غلتـك mm 125 و سـرعتي برابـر بـا m/min 2 بدون حضور روان كار انجام شد. كاهش ضخامت هاي اعمال شده بر روي نمونه ها بين 30 تا 90% متغيـر بـود . نمايشـي از انجام فرايند نورد اتصالي سرد در شكل (2) آمده است. به منظور بررسي تاثير مقدار نانوذرات اكسـيد تيتـانيم بـر اسـتحكام پيونـد، مقاديري بين 00/0 تا wt.% 00/5 از ذرات به نمونه ها اضافه شد.

شكل (1): تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از نانوذرات اكسيد تيتانيم.

استحكام پيوند نمونه ها با استفاده از آزمون لايه كنـي و بـر اسـاس
استاندارد ASTM-D1876-01 مورد ارزيـابي قـرار گرفـت. ايـنآزمون با استفاده از دستگاه كشش Hounsfield H50KS بـا بـارkg 50 و سرعتي معادل بـاmm/min 20 انجـام شـد. روش انجـام اين آزمون در شكل (3) نشان داده شده است. همان طـور كـه درشكل (4) مشاهده مي شود، با استفاده از نمودار به دست آمـده از آزمون لايه كني مي توان ميـانگ ين نيـروي لايـه كنـي را بـه دسـتآورد. در نهايت مقدار استحكام پيوند توسط رابطه ي (1) محاسبه مي شود:
(1) پهناي پيوند/نيروي لايه كني ميانگين=استحكام لايه كني ميانگين ســطوح شكســت نمونــههــا پــس از آزمــون لايــه كنــي توســط ميكروسـكوپ الكترونـي روبشـي Philips XL30 مـورد بررسـيقرار گرفت.

شكل (2): فرايند نورد اتصالي سرد در حضور نانوذرات اكسيد تيتانيم.
سرد

شكل (3): روش انجام آزمون لايه كني.

شكل (4): نمونه اي از نمودار به دست آمده از آزمون لايه كني و طريقه ي يافتن نيروي لايه كني ميانگين.

3- نتايج و بحث
شكل (5)، تاثير مقدار ذرات اكسيد تيتانيم روي نيروي لايـه كنـيورق هاي آلومينيم 1050 را در كاهش ضخامت ثابـت 75% نشـانمي دهد. واضح است كه با افزايش مقدار ذرات، نيروي لايه كنـيكاهش مي يابد. علاوه بر آن، اين شكل نشان مـي دهـد كـه بـرايمقادير بالايي از اكسيد تيتانيم (wt.% 00/5)، پيونـد برقـرار شـدهقوي نيست، در حالي كه براي ورق بـدون حضـور ذرات، پيونـدتشكيل شده به قدري قوي مي باشد كـه حـين آزمـون لايـه كنـي، ورق ها از هم جدا نشده و شكست در خود نمونه ها رخ مـي دهـد .
همچنين شكل (5) نشان مـي دهـد كـه حضـور نـانوذرات اكسـيدتيت انيم حت ي در مق ادير بس يار ن اچيز م ي توان د موج ب ك اهش چشم گيري در مقدار نيروي لايه كني شود.

شكل (5): تاثير مقدار نانوذرات اكسيد تيتانيم روي نيروي لايه كني ورق هاي آلومينيم 1050 در كاهش ضخامت ثابت 75%.

ت اثير اف زايش ن انوذرات اكس يد تيت انيم روي س طوح شكس ت نمونه ها در كاهش ضـخامت 75% در شـكل (6) نشـا ن داده شـدهاست. با توجه به شكل مشخص است كه نانوذرات اكسيد تي تـانيم مانع تماس فلز با فلز شده و لذا پيوند ضعيف تري تشكيل ميشود.
تفاوت بين استحكام پيوند در حضـور و عـدم حضـور نـانوذراتاكسيد تيتانيم، قابل توجه مي باشد. هنگامي كه نـانوذرات اكسـيد تيتانيم ميان ورق ها وجود دارند، سطح تماس بسيار كـم تـري بـين فلز بكر اكسترود شده در دو ورق بـه وجـود مـي آيـد (فلـز بكـر،فلزي است كه در زيـر لايـه ي اكسـيد سـطحي ورق قـرار دارد ومي تواند در صورت شكست لايه ي اكسيدي، از ميان اكسـيدهاي
شكسته شده، اكسترود شـود ). ايـن پديـده مـي توانـد بـه وسـيله ي تئوري سد انرژي [14-16] توضيح داده شـود . غلبـه بـر ايـن سـد انرژي، به منظور تشكيل پيوند امري ضـروري اسـت . در حقيقـت هنگامي كه نانوذرات اكسيد تيتانيم بين ورق هاي آلومينيم حضور دارند، انرژي لازم براي ترتيب مجدد اتم هاي سطح براي رسـيدن به يك آرايش پيوندي مناسب و انرژي فعال سازي بـراي تشـكيل پيوند اتم با اتم، به طور قابل توجهي افزايش مي يابد.
علاوه بر توضيح داده شده مي توان به دليل ديگري بـراي كـاهشاستحكام پيونـد در حضـور ذرات نيـز اشـاره نمـود. حضـور ايـننانوذرات منجر به كاهش ضريب اصـطكاك در فصـل مشـتركلايه ها مي شود. زيرا اين ذرات مي توانند به عنوان روان سـاز عمـلنمايند. اما اثر كاهش ضريب اصطكاك روي اسـتحكام پيونـد را مي توان بدين صورت توضيح داد. با كاهش ضـريب اصـطكاك،استحكام پيوند كم تر خواهد شد. اين امر مي تواند به كاهش فشار تماسي ميانگين (P) در نتيجه ي كـاهش ضـريب اصـطكاك بـينورق ها و غلتك ها مربوط باشد. فشار تماسي ميـانگين از رابطـه ي (2) به دست مي آيد كه W ،F و L به ترتيب عبارت اند از نيـروين ورد، پهن اي ورق و ط ول ق وس تماس ي ورق ب ا غلت ك. ب راي كاهش ضخامتي ثابت، با كاهش اصطكاك مقـدار طـول تمـاسغلتك-ورق افزايش مي يابد. بـا توجـه بـه رابطـه ي (2)، افـزايشمقدار طول تمـاس غلتـك-ورق منجـر بـه كـاهش فشـار تماسـيميانگين مي شود و در نتيجه استحكام پيونـد كـاهش مـي يابـد . بـهعبارت ديگر، هنگامي كه اصطكاك كاهش مي يابـد، فشـار لازمبراي دست يابي به يك كاهش ضخامت ثابت زياد مي شود.
P=WL

F (2)

اي ن نت ـايج در تواف ق كام ل ب ا يافت ه ه اي ديگ ر پژوهش گران [4 و11-12] در اين زمينه است كه استحكام پيوند ميان ورق هاي آلومينيم را مـورد ارزيـابي قـرار داده انـد . بنـابراين بـه طـور كلـيمي توان اظهار داشت كه دو دليل اصلي كـاهش اسـتحكام پيونـددر نتيجــه ي حضــور نــانوذرات اكســيد تيتــانيم ميــان ورق هــاي آلومينيم عبارت است از:
كاهش سطح تماس بين فلزات بكر اكسترود شده
كاهش ضريب اصطكاك ميان ورق هاي آلومينيم در نتيجه ي عملكرد ذرات به عنوان روان ساز

سرد

شكل (6): سطوح شك ست ورق هاي آلومينيم در كاهش ضخامت 75% شامل: (الف) 15/0، (ب) 62/0، (ج) 50/2، و (د) wt.% 00/5 اكسيد تيتانيم در سه بزرگنمايي مختلف.
جدول (2): نيروي لايه كني ميانگين به همراه مقدار نوسان آن براي مقادير مختلفي از كاهش ضخامت و نانوذرات اكسيد تيتانيم.

(wt.%) مقدار ذرات 00/0 15/0 31/0 62/0 25/1 50/2 00/5

ضخامت

در

كاهش
(%)

ضخامت

در

كاهش

(%)

30
35
40
45
50
55
60
65
70 ج
0(±5)
10(±5)
25(±5)
60(±10)
101(±10)
140(±10)
241(±15)
340(±15) ج ج
0(±5)
5(±5)
23(±10)
45(±15)
75(±20)
123(±30)
150(±40) ج ج ج
0(±5)
8(±5)
28(±10)
50(±15)
80(±15)
121(±20) ج ج ج ج
0(±5)
10(±5)
23(±10)
40(±15)
63(±15) ج ج ج ج ج ج
0(±5)
8(±5)
33(±10) ج ج ج ج ج ج ج
0(±5)
13(±5) ج ج ج ج ج ج ج ج ج
75 ش 195(±50) 151(±25) 90(±15) 50(±10) 30(±10) 0(±5)
80 ش 253(±60) 188(±30) 125(±20) 83(±15) 51(±10) 5(±5)
85 ش 338(±65) 258(±35) 168(±20) 115(±15) 75(±15) 18(±5)
90 ش ش 325(±40) 225(±25) 150(±20) 98(±15) 25(±10)
ج: جدا شده پس از فرايند نورد اتصالي سرد، ش: شكسته شدن نمونه حين آزمون لايه كني

نتايج به دست آمده از آزمون لايه كني در جدول (2) آورده شده است. همچنين اثر كاهش ضخامت و مقدار نانوذرات روي ميزان نوسان نيـروي لايـه كنـي ميـانگين در شـكل (7) نشـان داده شـدهاست.
با توجه بـه جـدول (2)، بـراي مقـادير كـاهش ضـخامت كـم درمقدار ثابتي از ذرات، پيوند برقرار نمي شود به طوري كه دو نـوارپس از فرايند نورد اتصالي سرد از هم جدا مـي شـوند بـدون ايـنكه هيچ نيرويي به آن ها اعمال شـود . در حـالي كـه بـراي مقـاديركاهش ضخامت زياد، پيوند تشكيل شده بسيار قوي مـي باشـد تـاجايي كه حين آزمون لايه كنـي، شكسـت در خـود نمونـه هـا رخمي دهد.
بايد به اين نكته توجه كرد كه نوسان نيروي لايه كني ميـانگ ين در نتيجــه ي غيريكنــواختي منــاطق پيونــد يافتــه سرتاســر نوارهــاي آلومينيمي مي باشد. به عبارت ديگر، با افزايش يكنـواختي منـاطقپيوند يافته، مقدار نوسان نيروي لايه كني ميانگين كاهش خواهـديافت. مقدار كاهش در ضـخامت و نيـز ميـزان نـانوذرات اكسـيدتيتانيم نقش مهمي را در تعيين نوسان نيروي لايه كني ميانگين ايفا مي كنند. با توجه به جدول (2) و شكل (7) مي توان نكات مهمـيرا استخراج كرد. در مقـدار ثـابتي از ذرات، هنگـامي كـه ميـزانكاهش در ضخامت افـزايش مـي يابـد، نوسـان نيـروي لايـه كنـيميانگين نيز زياد مي شـود . در حقيقـت، بـا افـزايش منـاطق پيونـد يافته، يكنواختي اين مناطق در سرتاسر نوار كاهش مي يابـد و لـذامقدار نوسان زياد مي شود.
هـم چنـين ، نوارهـاي بـدون ذرات، مقـدار نوسـان كـم تـري را درمقايسه با نوارهاي حاوي اكسيد تيتانيم دارا مي باشند زيرا هنگامي كه ذرات به سـطح ورق افـزوده مـي شـوند، يكنـواختي آن هـا در برخي از قسمت ها ممكن است مطلوب نباشد. از طرف ديگر، در حضور ذرات اكسيد تيتـانيم، هنگـامي كـه مقـدار ذرات افـزايشم ي يابن د، مق دار نوس ان در ي ك ك اهش ض خامت ثاب ت، ك م مي شـود . بـا افـزايش مقـدار ذرات، منـاطق پيونـد نيافتـه افـزايشخواهند يافت.

لذا، يكنواختي مناطق پيوند يافته در سرتاسر نوار افزايش مـي يابـدو در نتيجه مقدار نوسان كـم مـي شـود . شـكل (8)، اثـر هـم زمـانمقدار كاهش ضخامت و نانوذرات اكسيد تيتـانيم روي اسـتحكامپيوند (استحكام لايه كني ميانگين) را نشان مي دهد. واضـح اسـتكه با افزايش مقدار كاهش ضخامت و نيز با كاهش مقدار ذرات اكس يد تيت انيم، اس تحكام پيون د بهب ود م ي ياب د. تئ وري ف يلم [3-11و14-16] پيشنهاد مي كند كه ذرات اكسيد تيتـانيم مـانع ازپيوند ميان فلزات بكر اكسترود شده مي شـوند . لـذا منـاطق پيونـديافته و در نتيجه استحكام پيوند كاهش مي يابد. با توجه بـه شـكل(8)، بايد به اين نكته توجه كرد كه مقدار شيب ميانگين منحني ها براي مقادير مختلفي از ذرات اكسيد تيتانيم، ثابت نميباشد.
در حقيقت، بـا افـزايش مقـدار ذرات، شـيب ميـانگين منحنـي هـاكاهش مي يابد. در واقع، افزودن ذرات ميان نوارهاي آلومينيم در مقادير كاهش ضخامت كم منجر به افزايش سد انرژي بـه ميـزانچشم گيري مي شود. بنابراين، شيب منحني هـا در مقـادير كـاهشضخامت كم، كاهش مي يابد.

شكل (7): اثر ميزان كاهش ضخامت و مقدار ذرات روي ميزان نوسان نيروي لايه كني ميانگين.

شكل (8): اثر هم زمان مقدار كاهش ضخامت و ذرات اكسيد تيتانيم روي استحكام پيوند (استحكام لايه كني ميانگين).

در هر صورت، افزايش مقدار كاهش در ضخامت مـي توانـد ايـنك اهش ش يب را جب ران نماي د (ب راي مق دار ذرات ك م: 00/0، 15/0، 31/0، 62/0، و wt.% 25/1). به عبارت ديگـر، در مقـاديركاهش ضـخامت زيـاد، تغييرشـكل پلاسـتيك مـي توانـد بـر سـد
انــــرژي چيــــره شــــود. امــــا، بــــا افــــزايش مقــــدار ذرات (بيش تر از wt.% 25/1)، مقدار سد انرژي به حدي زياد مي شـودكه نقش تغييرشكل پلاستيك در چيره شدن بر سد انرژي كاهش مي يابد. به همين دليل، شيب منحني هاي مربـوط بـه مقـدار ذراتزيــاد (50/2 و wt.% 00/5) بــه تغييــرات كــاهش در ضــخامت حساس نميباشد.
به منظور برقراري پيوند ميان دو نوار فلزي، بـه مقـدار تغييرشـكل حداقلي ن يـاز اسـت كـه تغييرشـكل آسـتانه اي نـام دارد . بنـابراين تعيين اين مقدار در فرايند نورد اتصالي سرد بسيار مهم مـ ي باشـد . اثر مقدار ذرات اكسيد تيتانيم روي تغييرشكل آستانه اي در شكل (9) نش ان داده ش ده اس ت. واض ح اس ت ك ه مق دار تغييرش كل آستانه اي به طور قابل توجهي به ميزان ذرات اكسيد تيتانيم وابسته است. با افزايش مقدار ذرات، ميزان كرنش آستانه اي نيز افـزايشمي يابد. به عنوان مثال، مقدار تغييرشكل آستانه اي براي نمونه هاي
سرد
بدون ذرات اكسيد تيتانيم برابر بـا 35% اسـت ، در حـالي كـه ايـنمقدار براي نمونه هاي حاوي wt.% 00/5 اكسـيد تيتـانيم برابـر بـا75% مي باشد. دليل اين موضوع را مي تـوان بـا اسـتفاده از تئـوريسد انرژي توضيح داد. اين تئوري پيشنهاد مي كند قبل از اين كـهدو سطح از فلز بكر بتوانند به يكديگر برسند، مي بايست بـر يـكسد انـرژي غلبـه كـرد. بـالاتر از ايـن مقـدار، اسـتحكام پيونـد بـهس رعت اف زايش م يياب د. ع لاوه ب ر آن، هنگ امي ك ه مق دارتغييرشكل (كاهش ضخامت) كم تر از ميزان تغييرشكل آستانه اي است، تنها تعداد كمي از ترك هاي سطحي بـه وجـود مـي آيـد ولذا مقدار فلز بكر در تماس با يكـديگر در فصـل مشـترك نـاچيزمي باشد. بنابراين سطوح فلز بكر نمـي تواننـد بـه طـور مناسـب درتماس با هم قرار گيرند زيرا آلودگي هـا در تشـكيل پيونـد تـاخيرايجاد مي كنند. همـان طـور كـه در شـكل (9) مشـاهده مـي شـود،مقدار ذرات تاثير بسيار مهمـي روي ميـزان تغييرشـكل آسـتانه اي دارد. با كـاهش مقـدار ذرات اكسـيد تيتـانيم، اتـم هـاي آلـومينيمبيش تري انرژي فعـال سـازي لازم بـراي تشـكيل پيونـد را كسـبمي كنند. بنابراين، نقش تغييرشكل در چيره شـدن بـر سـد انـرژيكاهش مي يابد. به عبارت ديگـر، كـاهش مقـدار ذرات منجـر بـهتشكيل پيوندي موفق حتي در كاهش ضخامت هاي كم مي شود.

شكل (9): تغييرات تغييرشكل آستانه اي نسبت به مقدار ذرات اكسيد تيتانيم.

با مقايسه ي نتايج به دست آمده در اين پژوهش و مقالـه ي منتشـرشده اي در مورد تاثير نانوذرات آلومينا روي استحكام پيونـد [8]، مشــخص شــد كــه بــه علــت انتخــاب فلــز و ذرات مختلــف،تفاوت هايي در نتيجه به وجود مي آيـد . ايـن اختلافـات در شـكل10 نشان داده شده است. مي توان مشاهده كرد كه استحكام پيوند نواره اي آل ومينيم 1100 ب يش ت ر از نواره ـاي آلــومينيم 1050 مــي باشــد. آليــاژ آلــومينيم 1100 شــامل حــداقلwt.% 00/99 آلومينيم مي باشد و برخي مواقع به عنوان آلومينيم خالص تجاري ني ز ن ام ب رده م يش ود. در ح الي ك ه، آلي اژ آل ومينيم 1050 (آلومينيم خالص تجاري) شـامل حـداقلwt.% 50/99 آلـومينيممي باشد. شكل پذيري و انعطاف پذيري هـر دو آليـاژ بسـيار عـالياست. در هر صورت، بر اساس شكل (10)، ميتوان نتيجه گرفت كه شكل پذيري آلياژ آلومينيم 1100 بيش تـر از 1050 مـي باشـد . بــرخلاف آليــاژ آلــومينيم 1050، آلــومينيم 1100 داراي مقــدار كنترل شده اي (wt.% 20/0-05/0) از عنصر مس مـي باشـد . لـذامي توان چنين استدلال كرد كه حضور مقـدار كنتـرل شـده اي از عنصر مس منجر به افـزايش شـكل پـذيري آليـاژ آلـومينيم 1100 نسبت به 1050 مي شود. در حين فراينـد نـورد اتصـالي سـرد، بـازشدن لايه ي اكسيد سطحي كه پس از آماده سازي سـطحي توليـدشده است منجر به تماس فلز با فلز شده و پيوند تشكيل مـي شـود . در اي ن م ورد، آل ومينيم 1100 ب ه عل ت پلاستيس يته ي ب الاترش نسبت به آلومينيم 1050 مي تواند لايه ي اكسيدي را راحت تر بـازكند و بنابراين پيوند قويتري تشكيل دهد.
از طرف ديگر، براساس شكل (10)، واضح اسـت كـه هـم ذراتآلومينا و هم ذرات اكسيد تيتانيم منجر به كاهش استحكام پيونـدميان نوارهاي آلومينيم مي شـوند . در هـر صـورت، اثـر نـانوذراتاكسيد تيتانيم نسـبت بـه نـانوذرات آلومينـا در كـاهش اسـتحكامپيوند، بسيار چشم گيرتر است. به بيـاني ديگـر، در حضـور ذراتآلومينا، استحكام پيوند نوارهاي آلومينيم بسيار بيش تر مـي باشـد .
دلايل ايـن موضـوع در ادامـه آورده شـده اسـت. در حـين نـورداتصالي سرد، فلز به طور پلاستيكي تغييرشكل مي يابد و در جهت نورد منبسط مي شـود . براسـاس تئـوري فـيلم، آلـومينيم از طريـقترك هاي ايجاد شده در لايه هاي اكسيد سطحي و نيز توسط بـازكــردن لايــهي متشــكل از ذرات، ســيلان مــي يابــد. بنــابراين، شكل پذيري فلز بكر داراي تاثير مهمي است، زيرا بايـد از طريـقلايه ي اكسيد سطحي و نيز لايه ي متشكل از ذرات عبور كنـد . از آن جايي كه شـكل پـذيري آلـومينيم 1100 بـيش تـر از آلـومينيم1050 است، مي توان نتيجه گرفـت كـه فلـز بكـر آلـومينيم 1100 مي تواند لايه ي اكسيدي و لايـه ي متشـكل از ذرات را راحـت تـرباز كنـد . لـذا، اسـتحكام پيونـد نوارهـاي آلـومينيم 1100 حـاويذرات آلومينا بـيش تـر از نوارهـاي آلـومينيم 1050 حـاوي ذراتاكسيد تيتانيم ميباشد.

شكل (10): اثر نوع فلز (آلومينيم 1100 و 1050) و نوع ذرات (آلومينا و اكسيد تيتانيم) روي استحكام پيوند.

از سوي دي گر مي توان پيشنهاد كـرد كـه بـالاتر از مقـدار كـاهشضخامت خاصي، ذرات توانايي شكستن لايه ي اكسـيدي كـه درسطح وجود دارد را پيدا مي كنند، زيرا ذرات سراميكي سخت تـراز نوارهاي آلومينيمي هستند. بدين ترتيب ذرات موجب به وجود آوردن سطوح بكري مي شوند كه به علت نبود زمان كـافي بـرايتشكيل دوباره ي اكسيد، اين سطوح مي توانند اكسترود شده و بـهطور موثري موجب قوي تر شدن پيوند شوند. در هـر صـورت، ازآن جايي كه سختي ذرات آلومينا بيش تر از ذرات اكسيد تيتـانيماست، مي توان نتيجه گرفت كه نانوذرات آلومينا مي توانند لايه ي اكسيدي را راحت تر و سـريع تـر بشـكنند. لـذا، در حضـور ذراتآلومينا، استحكام پيوند نوارهاي آلومينيمي بسيار بيشتر مي باشد.

4- نتيجه گيري
در اين پژوهش بـه بررسـي تـاثير حضـور و مقـدار ذرات اكسـيدتيتانيم روي استحكام پيوند ورق هاي آلومينيم 1050 كه از طريـقفرايند نورد اتصالي سرد توليد شده انـد، پرداختـه شـد. مهـم تـريننتايج به دست آمده از اين تحقيق به شرح زير است:
با افزايش مقدار ذرات اكسيد تيتانيم، نيروي لايه كني كـاهشمــــي يابــــد. بــــراي مقــــادير بــــالايي از اكســــيد تيتــــانيم (wt.% 00/5)، پيوند برقـرار شـده قـوي نبـود. حضـور نـانوذراتاكسيد تيتانيم حتي در مقادير بسيار ناچيز مي تواند موجب كاهش چشم گيري در مقدار نيروي لايه كني شود.
سطوح شكست نشان ميدهـد كـه ذرات اكسـيد تيتـانيم مـانعتماس فلز با فلز شده و لذا پيونـد ضـعيفتـري تشـكيل مـي شـود. تفاوت بين استحكام پيوند در حضور و عدم حضور ذرات اكسيد تيتانيم، قابل توجه بـود . هنگـامي كـه ذرات اكسـيد تيتـانيم ميـانورق ها وجود داشتند، سطح تماس بسـيار كـم تـري بـين فلـز بكـراكسترود شده در دو ورق به وجود مي آيد.
در مقــدار ثــابتي از ذرات، هنگــامي كــه ميــزان كــاهش درضخامت افزايش يابد، نوسان نيروي لايه كنـي ميـانگين نيـز زيـادمي گـردد . بـه طـور كلـي، نوارهـاي بـدون ذرات، مقـدار نوسـانكم تري را در مقايسه با نوارهاي حـاوي اك سـيد تيتـانيم دارا مـي -باشند. در حضور ذرات اكسيد تيتانيم، هنگامي كـه مقـدار ذراتافزايش مي يابد، مقدار نوسان نيروي لايـه كنـي ميـانگين در يـككاهش ضخامت ثابت، كم ميگردد.
مقدار شيب ميانگين منحني هاي استحكام پيوند بـراي مقـاديرمختلفي از ذرات اكسيد تيتانيم، ثابت نبود. در حقيقت، با افزايش مقدار ذرات، شيب ميانگين منحنيها كاهش مي يابد.
سرد
مقدار تغييرشـكل آسـتانه اي بـه طـور قابـل تـوجهي بـه ميـزانذرات اكسيد تيتانيم وابسته است. با افـزايش مقـدار ذرات، ميـزانكرنش آستانه اي نيز افزايش مي يابد. مقدار تغييرشـكل آسـتانه اي براي نمونه هاي بدون ذرات اكسيد تيتانيم برابر بـا 35% مـي باشـد ، در حالي كه اين مقدار براي نمونه هاي حاوي wt.% 00/5 اكسيد تيتانيم برابر با 75% ميباشد.
اثر نـانوذرات اكسـيد تيتـانيم نسـبت بـه نـانوذرات آلومينـا دركاهش استحكام پيوند، بسيار چشـم گيرتـر مـي باشـد . بـه عبـارت ديگر، در حضور ذرات آلومينا، استحكام پيوند نوارهاي آلومينيم بسيار بيشتر ميباشد.

5- مراجع

P.K. Rohatgi, “Cast Aluminum–Matrix Composites for Automotive Applications”, JOM, pp. 10–15, 1991.

K.K. Chawla, A.H. Esmaeili, A.K. Datye and A.K. Vasudevan, “Effect of Homogeneous/Heterogeneous Precipitation on Aging Behavior of SiCp/Al 2014 Composite”, Scripta Materialia, Vol. 25, pp. 1315–1319, 1991.

N. Bay, “Cold Welding Part II, Process Variation and Application, Metal Construction”, Vol. 18, pp. 486–490, 1986.

R. Jamaati and M.R. Toroghinejad, “Investigation of the Parameters of the Cold Roll Bonding (CRB) Process”, Materials Science and Engineering A, Vol. 527, pp.
2320–2326, 2010.

L.R. Vaidyanath and D.R. Milner, “Significance of Surface Preparation in Cold Pressure Welding of Metals”, British Welding Journal, Vol. 7, pp. 1–6, 1960.

R. Jamaati and M.R. Toroghinejad, “Effect of friction, Annealing Conditions and Hardness on the Bond Strength of Al/Al Strips Produced by Cold Roll Bonding Process”, Materials and Design, Vol. 31, pp. 4508–4513, 2010.

N. Bay, “Cold welding part III, Influence of Surface Preparation on Bond Strength”, Metal Construction, Vol.
18, pp. 625–629, 1986.

R. Jamaati and M.R. Toroghinejad, “Effect of Al2O3 NanoParticles on the Bond Strength in CRB process”, Materials Science and Engineering A, Vol. 527, pp. 4858–4863, 2010.

L.R. Vaidyanath, M.G. Nicholas and D.R. Milner, “Pressure Welding by Rolling”, British Welding Journal, Vol. 6, pp. 13–28, 1959.

R. Jamaati and M.R. Toroghinejad, “The Role of Surface Preparation Parameters on Cold Roll Bonding of Aluminum Strips”, Journal of Materials Engineering Performance, Vol. 20, pp. 191–197, 2011.

R. Jamaati and M.R. Toroghinejad, “Cold Roll Bonding Bond Strengths: Review”, Materials Science and Technology, Vol. 27, pp. 1101–1108, 2011.

M. Alizadeh and M.H. Paydar, “Study on the Effect of Presence of TiH2 Particles on the Roll Bonding Behavior of Aluminum Alloy Strips”, Materials and Design, Vol. 30, pp. 82–86, 2009.

C. Lu, K. Tieu and D. Wexler, “Significant Enhancement of Bond Strength in the Accumulative Roll Bonding Process Using Nano-Sized SiO2 Particles”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 209, pp. 4830– 4834, 2009.

N. Bay, “Cold welding part I, Characteristic, Bonding Mechanisms, Bond Strength”, Metal Construction, Vol.
18, pp. 369–372, 1986.

H.A. Mohamed and J. Washburn, “Mechanism of Solid State Pressure Welding”, Welding Journal, pp. 302s–310s, 1975.

J.A. Cave and J.D. Williams, “The Mechanisms of Cold Pressure Welding by Rolling. Journal of Instrument Metals”, Vol. 101, pp. 203–207, 1975.



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید