ساخت کامپوزیت لایه اي آلومینیوم/ روي تقویت شده با نانو ذرات کاربید سیلیسیم به روش اتصال نوردي تجمعی (ARB) و بررسی
ساختاري و خواص مکانیکی آن

رضا نصیري ده سرخی*1، فتح اله قدس2، محمد تجلی3
1-کارشناس ارشد مهندسی مواد، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
2- استادیار، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
3-استادیار، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
* Reza.n64@gmail.com
(تاریخ دریافت: 22/06/90، تاریخ پذیرش: 08/09/90)

چکیده
در این تحقیق، کامپوزیت لایه اي آلومینیوم/روي تقویت شده با نانو ذرات کاربید سیلیسیم براي اولین بـار بـه روش اتصـال نـورديتجمعی (ARB) تولید گردید و خواص مکانیکی و ریز ساختاري آن مورد بررسی قرار گرفت. در این فرآیند پس از تولیـد نمونـه ي ساندویچی، در هر مرحله میزان کاهش ضخامت حدود 50% به نمونه اعمال شد که معادل با کرنش پلاستیک فون- میـزز 8/. اسـت.
این فرآیند تا 8 سیکل انجام و درنهایت کامپوزیتی با توزیع یکنواخت تکه هاي فلز روي در زمینه ي آلومینیوم و با اسـتحکام کششـی257 مگاپاسکال تولید شد.

کلمات کلیدي:
آلومینیوم/روي، کامپوزیت زمینه فلزي، اتصال نوردي تجمعی، استحکام کششی، نانوذرات

مقدمه
تغییر شکل پلاستیک شـدید (SPD) را مـی تـوان بـه عنـوان تغییـرشکل تا کرنش هاي بالا در دمایی کمتر از دماي تبلور مجدد مـادهبدون عملیات حرارتـی میـانی تعریـف کـرد کـه منجـر بـه ایجـادساختارهاي فوق ریز دانـه مـ ی گـردد [1]. فرآینـد اتصـال نـورديتجمعی (ARB) نسبت به سایر فرآیندهاي تغییر شـکل پلاسـتیکشدید داراي مزایایی از قبیل عدم نیاز به قالب هـا ي گـران قیمـت،سادگی انجام کار و سرعت بالاي تولید اسـت [2]. در ایـن روش ورق هاي مورد نظر پس از آماده سازي اولیه، بـر روي هـم اتصـالمک انیکی ش ده و س پس م ورد اتص ال ن وردي ق رار م ی گیرن د.
محصول تولیدي در راستاي طـولی بـه دو قسـمت مسـاوي تقسـیمشده و پس از تکرار آماده سازي هاي سطحی ،بر روي هم اتصـالمکانیکی شده و با اعمال کـاهش سـطح مقطـع حـدود 50 درصـدمورد اتصال نوردي قرار می گیرند و این عمل بـه طـور تنـاوبی تـاچندین سیکل انجام می شود. بهدلیل کاربرد زیاد و روزافـزون فلـزروي در صنایع اتومبیل سـازي ، چـاپ و انتشـارات و سیسـتم هـايحفاظت خوردگی، با ارتقاء خواص مکـانیکی ایـن فلـز مـ ی تـوان کاربرد آن را در صـنایع توسـعه داد. بـا توجـه بـه اینکـه فلـز رويداراي مزایایی مانند مقاومت خوردگی بالا ،ثبات ابعادي در حـینکاربرد، هدایت الکتریکی و حرارتی مناسـب و عیـوب کـاربرديمانند دانسیتهي بالا، انعطاف پذیري کم است، یکـی از روش هـا ي ارتقاء خواص مکانیکی و فیزیکی این فلز، کامپوزیـت کـردن آنبا موادي است که نقاط ضعف آن را پوشش داده و نقاط قـوت ر ا برجسته می کنند. آلومینیوم ماده اي مناسب براي کامپوزیـت شـدنبا این فلز است زیرا داراي خواصی مانند دانسـیته ي کـم، انعطـافپ ذیري ب الا، مقاوم ت خ وردگی خ وب، ه دایت الکتریک ی و
حرارتی بالا است. همچنین با افزودن نـانو ذرات کاربیـد سیلیسـیم نیـ ز مـ ی تـ وان عـ لاوه بـ ر حفـ ظ دانسـ یته ي پـ ائین بـ رايکامپوزیت،مقاومت سایشی آن را نیز ارتقاء داد.

مواد و روش تحقیق
ورق هـ اي آلومینیـ وم1050 و روي، کـ ه ترکیـ ب شـ یمیایی وخصوصیات آنها در جـدول (1) مشـخص شـده اسـت، در ابعـاد 60 ×120 (میلـی مت ر) و ب ه ترتیـ ب در ض خامت ه اي 9/. و 25/.
میلیمتر برش خـورده و در دماهـاي 350 درجـه سلسـ یوس و 150 درجه سلسیوس هر کدام به مدت 30 دقیقه آنیل شدند [3-4].
براي بررسی خواص مکانیکی کامپوزیت آلومینیوم/ روي تقویت شده با نـانو ذرات کاربیـد سیلیسـیم تولیـد شـده بـه روش اتصـالن وردي تجمعـی، نمون ه ه اي آزم ون کشـش طب ق اس تانداردASTM-E8M بترتیب با طول و پهنـاي گـیج 25 و 6 میلـی متـر درراستاي طولی نورد و در سیکل هاي مختلف فرآینـد تهیـه گردیـد
.[5]
در شکل( 1) ابعاد این نمونههـا نشـان داده شـده اسـت. ورقهـايآلومینیوم و روي پس از برش در ابعاد مورد نظر و انجـام عملیـاتآنیل، مورد عملیات آماده سازيهـاي سـطحی قـرار گرفتنـد. ایـنعملیات در دو مرحله انجام گردید کـه شـامل شستشـوي سـطحیورقها در محلول استون براي چربـی زدایـی و بـرس کـاري ایـنسطوح براي ایجاد زبري مناسب است که منجر به اتصـال مناسـبدر نورد میشود.

جدول (1): خواص و ترکیب شیمیایی ورقهاي اولیه ي مصرفی.
مواد آلومینیوم آنیل شده روي آنیل شده
ترکیب شیمیایی (درصد وزنی) 99/4Al,
./406Fe,./121Si,
./033Cu 97/4Zn, 2Al, ./5Pb,
./1Fe

ابعاد ورق ها
(بر حسب میلی متر)
120×60×./9 120×60×./25

سختی
(بر حسب ویکرز)
25 45

درصد ازدیاد طول
39 16

استحکام تسلیم
(مگا پاسکال) 40 110

شکل(1) ابعاد نمونه هاي آزمون کشش بر طبق استاندارد ASTM- E8M (برحسب میلی متر) بررسی خـواص مکـانیکی کامپوزیـت تولیـدي بـه ایـن روش، بـاانجام آزمون کشش تک محور در هر سیکل از فرآیند انجام شـد.
این آزمون با کاربرد دستگاه کشـش مـدلDARTEC بـا سـرعتثابت 5/. میلیمتر بر دقیقه[6]، و در دمـاي محـیط انجـام گردیـد.
ورق ها با تناوب آلومینیوم/روي/آلومینیوم بـر روي یکـدیگر قـرارداده شدند و براي عدم لغزش ورقهـا بـر روي یکـدیگر در حـینن ورد، ب ا ک اربرد س یمه اي مس ی، ورق ه ا ب ه یک دیگر اتص ال مک انیکی ش دند. مجموع ه ي حاص ل ب ا ض خامت تقریبـی 1/2 میلی متر، پس از پیش گرم در دماي250 درجه سلسیوس بـه مـدت5 دقیقه، با کاربرد غلطک هایی به قطـر 110 میلـی متـر بـا سـرعتچ رخش 45 دور ب ر دقیق ه م ورد عملی ات اتص ال ن وردي ق رارگرفت و به مقدار ضخامت 1/1 میلی متر رسید و تشـکیل نمونـه ي ساندویچی یا نمونه ي سیکل صفرام را داد
(مرحله الف).

شکل (2): تصویر شماتیکی از مراحل مختلف فرآیند اتصال نوردي تجمعی در ساخت کامپوزیت Al/Zn/SiCnp

نمونه ي حاصل به دو نیم تقسیم و بعد از آماده سازي هاي سـطحی
مجدد، نانو ذرات کاربید سیلیسیم بـه میـزان 1 درصـد حجمـی بـهصـورت یکنواخ ت روي سـطح اتص الی نمونـه پخ ش گردی د ومجموع ه ي حاص ل پ س از اتص ال مک انیکی ب ا اعم ال ک اهشض خامت ح دود 50 درص د م ورد اتص ال ن وردي ق رار گرف ت (مرحله ب.)
این کار تا 8 سیکل به طور تناوبی انجام شد که طبق معیـار تسـلیمفون- میزز معادل با اعمال کرنش 8/. در هر سـیکل اسـت. یعنـیپس از 8 سـیکل بـا احتسـاب کـرنش 62/. بـراي سـیکل صـفرام ،مقدار کـرنش پلاسـتیک 02/7 در نمونـه انباشـته گردیـده اسـت . تص ویر ش ماتیکی از ای ن فرآین د در ش کل (2) نش ان داده ش ده است.
3- نتایج و بحث
ش کل (3) تص اویر میکروس کوپ الکترون ی از ری ز س اختار و
مورفولوژي لایـه هـاي روي در سـاختار لایـه اي کامپوزیـت را درسیکلهاي مختلف فرآیند اتصال نوردي تجمعی، نشـان مـی دهـد.هم انطور ک ه درای ن تص اویر مش خص اس ت ب ا اف رایش تع دادسیکل هاي فرآیند و همچنین کرنش اعمالی بـه نمونـه، لایـه هـايآلومنیـ وم و روي کـ اهش ضـ خامت داده و دچـ ار ناپایـ داريپلاستیک می شـوند . بـه دل یـل شـکل پـذیري و تـوان کـار سـختیبالاتر آلومینیـوم د ر مقایسـه بـا فلـز روي (22/. بـراي آلومینیـوم و15/. براي روي)، درسیکل هاي اولیه لایههاي آلومینیوم بـا جـذبکرنش پلاستیک زیاد و با کاهش ضـخامت بیشـتر، بـه طـور قابـلملاحظهاي کارسخت شـده و در مقابـل، لایـه هـاي سـختتـر فلـزروي در مجاورت لایههاي آلومینیوم تغییر شـکل سـختتـر نشـانمی دهند و دچار ناپایداري و شکست زودرس می شوند [7].
با افزایش تعداد سیکل هاي فرآیند اتصال نوردي تجمعـی، توزیـعیکنواختی از تکـه هـاي لایـه هـاي فلـز روي و نـانو ذرات کاربیـدسیلیسیم در زمینه ي آلومینیوم پدید می آید، بهطوریکـه در سـیکلهش تم فرآین د اتص ال ن وردي تجمع ی، ی ک کامپوزی ت زمین هآلومینی وم ب ا توزی ع یکنواخ ت تک ه ه اي فل ز روي در زمین ه ي آلومینیوم حاصل می شود که ضخامت ایـن لایـههـا بـه کمتـر از 5 میکرون میرسد. در ایـن کامپوزیـت، ذرات کاربیـد سیلیسـیم بـهدلیل داشتن ابعاد نانو متري و درصد حجمی پایین، قابلیت آشـکارشدن در تصاویر میکروسکوپی را ندارند. به نظـر مـی رسـد کـه بـااف زایش تع داد پ اس ه اي فرآین د، ای ن ذرات نی ز ب ه ص ورتیکنواخت در زمینه کامپوزیت پخش میشوند.
شکل( 4) تصویر میکروسکوپ نـوري از ایجـاد برخـی بانـد هـايبرشی در زمینه ي کامپوزیت را نشان می دهد. ایـن بانـدهاي برشـیبا راستاي نورد تقریبأ زاویه ي 45 درجه ایجاد میکننـد کـه سـببب رش و گسس تگی در لای هه اي آلومینی وم و روي م یگردنـد .
همانطور که در برخی از منابع هم ذکر گردیده اسـت [8]، ظهـوراین باندهاي برشی مربـوط بـه سـیکل هـاي بـالاي فرآینـد و نشـاندهنده ي موضعی شدن تغییر شکل است.

شکل (3)تصویر تهیه شده توسط SEM از ساختار کامپوزیت Al/Zn/SiCnp در جهت طولی نورد از: (الف) سیکل دوم( ،ب) چهارم( ،ج) ششم و( د) هشتم

شکل (4) باندهاي برشی ایجاد شده در زمینه ي کامپوزیت در سیکل هاي بالاي فرآیند

منحنی هاي تنش مهندسی- کرنش مهندسی مربوط به ایـن آزمـوندر شکل (5) و نمودار مربوط به خلاصه تغییرات خـواص کششـیدر شکل( 6) نشان داده شده است. طبق این نمودارهـا بـا افـزایش تعـداد س یکل فرآین د اتص ال ن وردي تجمع ی، می زان اس تحکام کششــی کامپوزیــت بطــور پیوســته افــزایش یافتــه و بــه میــزان257مگاپاسکال در سیکل هشتم می رسد کـه بترتیـب 4/3 و 48/2 برابر استحکام کششی ورق هاي آلومینیوم و روي اولیه آنیل شـدهاست. میزان ازدیاد طول کـل و یکنواخـت نیـز بـا افـزایش تعـدادسیکل در ابتدا افزایش یافته و سپس از سیکل دوم تا سیکل هشـتمکاهش مییابد. دلیل این رفتار را این گونه میتوان بیـان کـرد کـهدرسیکلهاي ابتدایی به دلیل کار سختی کمتر، میزان ازدیاد طـولاف زایش یافت ه و س پس در س یکله اي ب الاتر ب ا اف زایش می زان کارسـختی و ب الا رف تن اس تحکام از مق دار ازدی اد ط ول کاس ته میشود [9]. نانو ذرات کاربید سیلیسـیم نیـز بـا توزیـع یکنواخـتخ ود در زمین ه ي ای ن کامپوزی ت، ب ه ص ورت م وانعی در مس یر حرکت نابجایی ها عمل کرده و تأثیر زیادي بر افـزایش اسـتحکامو سختی ایفا میکنند.

شکل (5) دیاگرام تنش مهندسی-کرنش مهندسی کامپوزیت در سیکلهاي مختلف فرآیند اتصال نوردي تجمعی

شکل (6) تغییرات خواص کششی کامپوزیت در سیکلهاي مختلف فرآیند اتصال نوردي تجمعی

شکل (7) تغییرات میکرو سختی ویکرز لایههاي آلومینیوم و روي در سیکلهاي مختلف فرآیند ARB

شکل (8): تصویر تهیه شده توسط SEM از سطح شکست کامپوزیت در سیکلهاي دوم( الف)، چهارم( ب)، ششم( ج) و هشتم( د) فرآیند اتصال نوردي تجمعی
مقدار میکروسختی ویکرز در لایـه هـاي آل ومینیـوم و روي در هـرسـ یکل فرآین د و در نقـاط مختل ف نمونـه ان دازه گیـري و می زان متوسطی براي آنها گزارش شد. نمودار تغییـرات میکـرو سـختیویکرز در سـیکل هـاي مختلـف فرآینـد در شـکل( 7) نشـان دادهش ده اس ت. ب ا دق ت در ای ن نم ودار مش اهده م ی ش ود ک ه در سیکل هاي ابتـدایی فرآینـد مقـدار تغییـرات سـختی در لایـه هـايآلومینیوم نسبت به لایههاي روي آهستهتر است به ایـن معنـی کـهمیزان سختی در لایههاي روي در ابتدا به سـرعت افـزایش یافتـه وبه یک مقدار بیشینه می رسد و تا سیکلهاي پایـانی تغییـر چنـدانینمیکند و این در حالی است که در لایـه هـاي آلومینیـوم افـزایشسختی در لایهها بـه آهسـتگی انجـام مـیگیـرد و ایـن افـزایش تـاسیکلهاي پایانی نیز ادامه دارد و در سیکل هشتم فرآیند بـه یـکحالت اشباع تقریبی میرسد. براي بررسی مکانیزم و نوع شکسـتکامپوزیت در سیکلهاي مختلف فرآیند اتصال نـوردي تجمعـی،بعد از انجام آزمون کشش تک محور، سطح شکست نمونههـا بـهکمـک میکروسـکوپ الکترون ی روبشـی ( SEM) مـورد بررس یقرار گرفت. شکل (8) تصاویر میکروسـکوپ الکترونـی از سـطحشکست نمونهها در سیکلهاي مختلف فرآیند را نشان میدهد.

همانطور که این تصاویر نشـان مـیدهنـد در سـیکلهـاي ابتـداییفرآین د، تعـداد و عم ق حفرات ی کـه اص طلاحاً دیمپ ل نامی دهمی شود، زیاد هسـتند کـه نشـان دهنـده ي شکسـت نـرم اسـت. بـاافزایش تعداد سیکل از میزان و عمق این دیمپلها کاسته می شـودو حالت شکست متمایل بـه شکسـت تـرد مـیگـردد و در سـیکل پایانی سطوح شکست داراي دیمپل هاي اندك بـا حالـت کشـیدهشده هستند که حالت شکست را میتوان نرم برشی بیان کـرد کـه جهت کشیدگی این دیمپلها نیز نشـان دهنـده ي جهـت گسـترشترك است[9].

4- نتیجه گیري
با انجـام فرآینـد اتصـال نـوردي تجمعـی و کـاربرد ورقهـايآلومینیوم و روي و نانو ذرات تقویـت کننـده ي کاربیـد سیلیسـیم ،براي اولین بار کامپوزیـت لایـه اي آلومینیـوم/روي بـا نـانو ذرات تقویت کننده ي کاربید سیلیسیم تولید گردید که داراي اسـتحکامخیلی بالاتري نسبت به مواد اولیه ي کاربردي است.
با افزایش تعداد سیکلهـاي فرآینـد اتصـال نـوردي تجمعـی، ضخامت لایههاي روي کاسته شده و پس از انجـام 8 سـیکل ایـنفرآیند، کامپوزیتی با توزیع یکنواخت تکههـاي ورق روي و نـانوذرات کاربید سیلیسیم در زمینه ي آلومینیوم و با اسـتحکام کششـی257 مگاپاسکال بدست آمد.
با اندازه گیري تغییرات سختی در لایـه هـاي آلومینیـوم و رويمشخص شد که با افزایش تعداد سیکل فرآینـد ، میـزان سـختی درآنها افزایش مییابد و در نهایت به یک حالـت اشـباع در سـیکلهشتم مـی رسـد ولـی سـرعت افـزایش سـختی در ایـن لایـه هـا بـامتفاوت است.
بـا بررس ی سـطح شکس ت نمونـه ه ا مشـخص گردی د کـه ب اافزایش تعداد سـیکل فرآینـد اتصـال نـوردي تجمعـی از تعـداد وعمـق دیمپــل هــا در ســطح کاسـته شــده و حالــت شکســت در سیکل هاي پایانی به صورت نرم برشی تبدیل میشود.

مراجع
[۱] Valiev RZ, Langdon TG. “Principles of Equal-Channel Angular Pressing as a Processing Tool for Grain Refinement”. Prog. Mater. Sci. ٥z, pp.۸۸۱–۹۸۱, ۲۰۰٦.

[۲] Shaarbaf M., Toroghinejad M.R. “Nano-Grained Copper Strip Produced by Accumulative Roll Bonding Process”. Mater. Sci. Eng. A ٤۷۳, pp.۲۸-۳۳, ۲۰۰۸.

[۳] Sakai G, Horita Z, Langdon TG. “Grain Refinement and
Superplasticity in an Aluminium Alloy Processed by HighPressure Torsion”. Mater. Sci. Eng. A۳۹۳, pp. ٥۱-۳٤٤,
۲۰۰٥.

M. Movahedi, H.R. Madaah-Hosseini, A.H. Kokabi. “The Influence of Roll Bonding Parameters on the Bond Strength of Al-۳۰۰۳/Zn Soldering Sheets” . Materials Science and Engineering A ٤۸۷, pp. ٤۱۷ -٤۲۳, ۲۰۰۸.

Roohollah Jamaati, Mohammad Reza Toroghinejad “Manufacturing of High-Strength Aluminum/Alumina Composite by Accumulative Roll Bonding”. Materials Science and Engineering A ٥۲۷, pp.٤۱٤٦– ٤۱٥۱, ۲۰۱۰.

Saito Y, Utsunomiya H, Tsuji N, Saksi T. “Novel ultraHigh Straining Process for Bulk Materials Development of the Accumulative Roll Bonding (ARB) Process”.Acta mater. ٥۷۹, pp. ٤۷–۸۳, ۱۹۹۹.

[۷] Mozaffari A., Danesh Manesh H., Janghorban K. “Evaluation of Mechanical Properties and Structure of Multilayered Al/Ni Composites Produced by Accumulative Roll Bonding (ARB) Process ” .Journal of Alloys and Compounds ٤۸۹, pp.۱۰۳–۱۰۹. ۲۰۱۰.

[۸] Shahabi H.Sh., Danesh Manesh H. “Micro-Structural Evaluation of Cu/Nb Nano-Layered Composites Produced by Repeated Press and Rolling Process” Journal of Alloys and Compounds ٤۸۲, pp.٥۲٦–٥۳٤, ۲۰۰۹.

[۹] Eizadjou M., Kazemi Talachi A., H. Danesh Manesh, H. Shakur Shahabi, K Janghorban. “Investigation of Structure and Mechanical Properties of Multi-Layered Al/Cu Composite Produced by Accumulative Roll Bonding (ARB) Process”. Composites Science and Technology ٦۸, pp.۲۰۰۳–۲۰۰۹, ۲۰۰۸.



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید