SUPERVISOR
Abbas Najafi-zadeh,MohammadReza Toroghinejad
عباس نجفی زاده (استاد راهنما) محمدرضا طرقی نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Azin Ahmadi
آذین احمدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Evaluation of Microstructure and Mechanical Properties of Nano- Hybrid Composite of Aluminum/Alumina/Siliconcarbide Produced by Accumulative Roll Bonding
In this study, two different methods including accumulative roll boning ( ARB ) and cross roll accumulative roll bonding (CRARB) processes were used for the fabrication of Al/Al 2 O 3 /SiC hybrid composite. Anodizing process was used to grow alumina layer on the substrate of aluminum strips to introduce the Al 2 O 3 particles to the matrix. Also, silicon carbide powder was manually dispersed between aluminum strips. ARB and CRARB processes were applied successfully for eight cycles on the samples including aluminum strips, alumina layers and siliconcarbide powder. Peeling test was used to investigate the effect of different parameters such as reduction in thickness, alumina layer thickness and the amount of siliconcarbide powder on the bond strength of Al-Al strips. Fractured surfaces of the layers after the peeling test were studied by scanning electron microscopy. Furthermore, microstructural variation of samples within different stage of both ARB and CRARB processes were investigated by sccaning electron microscopy. The mechanical properties of produced composites were evaluated by mechanical tests such as tensile test, shear punch test and microhardness test. Also scanning electron microscopy was applied for the determination of fracture mechanism of the samples after the tensile test. Finally microstructure parameters of ARB -processed samples were calculated by using MAUD software.The results indicated that by increasing the thickness of alumina layers the bond strength of Al/Al strips increases. However, by increasing powder content between strips the bond strength redused. Also, the bond strength of aluminum layers improved with increasing the thickness reduction. Furthermore, it was found that by increasing the number of cycles the disributon of the Al 2 O 3 and SiC particles in the aluminum matrix was improved and the porosity between SiC particles and matrix decreases. Moreover, the tensile strength, shear strength and microharness of produced composites were enhanced by proceeding the processes. Elongation of composite samples, decreased in the first and second steps of composite production by ARB and CRARB processes, but it improved with increasing the process cycles during third step. In general the distribution of particles and maehanical propertices of the composites produced with CRARB process were better than ARB-processed composites. In addition, investigation of the effect of particle content showed that mechanical propertices of samples improwed by increasing the volume fraction of alumina and siliconcarbide particle up to a specific amount. However, higher increasing of particle content reduced the thensile strength and shear strength. SEM observation of fracture surfaces after tensile test revealed that the failure mode of brocken composites produced by ARB process was shear ductile rupture type. The crystallites size composite produced by eight cycles of ARB process was less than 100 nm. Keywords : Al/Al 2 O 3 /SiC hyrid composite, Accumulative roll bonding (ARB), Cross-Roll Accumulative Roll Bonding (CRARB), Bond strength, Alumina layer, Microstructure, Mechanical properties, Fracture surface.
در پژوهش حاضر دو فرایند مختلف نورد تجمعی پیوندی (ARB) و نورد تجمعی پیوندی متقاطع (CRARB) برای ساخت نانوکامپوزیت هیبریدی Al/Al 2 O 3 /SiC بهکار گرفته شد. از فرایند آندایزینگ برای افزودن ذرات آلومینا به زمینه استفاده گردید. ذرات کاربیدسیلیسیم نیز به صورت پودر بین لایهها توزیع شدند. فرایندهای ARB و CRARB بهطور موفقیتآمیزی بر روی نمونههای شامل ورقهای آلومینیوم، لایههای آلومینا و ذرات پودر کاربید سیلیسیم تا 8 سیکل اعمال گردید. جهت بررسی تاثیر پارامترهایی از قبیل کاهش ضخامت، ضخامت لایه آلومینا و مقدار پودر کاربیدسیلیسیم بر استحکام پیوند بین لایههای آلومینیومی از آزمون لایهکنی بهره گرفته شد و سطح لایههای باز شده پس از آزمون توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفت. همچنین به منظور بررسی تغییرات ریزساختاری و نحوه توزیع ذرات در طول سیکلهای مختلف فرایندهای ARB و CRARB از میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده گردید. خواص مکانیکی نمونههای کامپوزیتی با استفاده از آزمونهای کشش تک محوره، سنبه برشی و ریز سختی سنجی مورد ارزیابی قرار گرفت. جهت تعیین نوع مکانیزم شکست نمونهها پس از آزمون کشش، از میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده گردید. در پایان نیز پارامترهای ریز ساختاری نمونهها در طول سیکلهای مختلف فرایند ARB با استفاده از نرمافزار MAUD محاسبه گردید. نتایج به دست آمده نشان داد که با افزایش ضخامت لایه آلومینا استحکام پیوند بین لایههای آلومینیومی بهبود پیدا میکند در حالیکه افزایش مقدار پودر SiC باعث کاهش استحکام پیوند میشود. افزایش مقدار کاهش در ضخامت نیز منجر به افزایش استحکام پیوند بین ورقها گردید. بررسی ریزساختاری کامپوزیتها نیز نشان داد که با افزایش تعداد سیکلهای هر دو فرایند، تخلخل در نمونهها کاهش یافته و توزیع ذرات آلومینا و کاربیدسیلیسیم در زمینه بهبود مییابد. به علاوه استحکام کششی، استحکام برشی و ریز سختی نمونههای تولید شده با افزایش تعداد سیکل ها بهبود یافت. درصد ازدیاد طول نمونههای کامپوزیتی تولید شده به روشهای ARB و CRARB در دو مرحله اولیه فرایند ساخت کامپوزیت کاهش شدیدی پیدا کرد اما با ادامهی فرایند در مرحلهی سوم ساخت کامپوزیت، بهبود یافت. در کل یکنواختی توزیع ذرات در زمینه و خواص مکانیکی کامپوزیتهای ساخته شده با روش CRARB بهتر از کامپوزیت ARB شده بود. همچنین بررسی اثر تغییر درصد تقویت کننده بر استحکام کششی و برشی کامپوزیتهای ساخته شده به روش ARB نشان داد که افزایش درصد ذرات تا مقدار مشخصی باعث بهبود در این خواص میشود اما پس این مقدار، خواص کاهش مییابند. با بررسی سطح مقاطع شکست نیز مشاهده شد که مکانیزم شکست در کامپوزیتهای تولید شده با روش ARB از نوع شکست نرم برشی میباشد. اندازه دانه کامپوزیت هیبریدی ARB شده پس از 8 سیکل به کمتر از 100 نانومتر رسید. کلمات کلیدی : کامپوزیت هیبریدی Al/Al 2 O 3 /SiC، نورد تجمعی (ARB) و نورد تجمعی متقاطع (CRARB)، استحکام پیوند، لایه آلومینا، ریزساختار، خواص مکانیکی، سطوح شکست.