SUPERVISOR
Fatallah Karimzadeh,Mohammad Hossei Enayati
فتح اله کريم زاده (استاد راهنما) محمدحسين عنايتي (استاد راهنما)
STUDENT
Vahab Rastar
وهاب راستار
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Fabrication of Al-Al2O3 Nanocomposite with Mechanical Milling and Hot Pressing and Evaluation of their Dissimilar Joint Prepared by Friction Welding
Aluminum matrix composites reinforced by ceramic particles are one of the promising materials for engineering applications. Joining of aluminum matrix composite components can be done by various methods based on fusion welding and solid state welding. Friction welding, (FW) as a solid state welding process, has some advantages over fusion welding such as smaller heat input, lower residual torsion and thermal stresses and lack of undesirable microstructure from solidification. In this research, aluminum matrix composite powders containing 5, 10 and 15 wt% of Al 2 O 3 nano particles were produced by mechanical milling. Then, bulk specimens (42×12×12 mm) were produced by hot pressing of mechanically milled powder. Finally, the bulk samples were welded to 2014 Al alloy with constant welding parameters. The results showed that after 5 hours of ball milling, an Al-Al 2 O 3 nanocomposite structure with an Al grain size of 75 nm was achieved. This structure remained unchanged after hot pressing. The increasing Al 2 O 3 content increased the hardness value of bulk samples but reduced their density and bending strength. It was revealed that the fracture of bulk nanocomposites occurred by interparticle brittle fracture mechanism. Microstructural observations of dissimilar welds of Al-Al 2 O 3 nanocomposites and 2014 Al alloy showed a fully plasticized region (Z pl ) in joint boundary and a partly deformed region (Z pd ) in the region far from joint line in both side of the weld. Plastic deformation, mechanical mixing and high temperature near weld line led to a uniform structure Z pl region for nanocomposite side with no traces of interparticle boundaries and lamellar structure, resulting from milling process. Increasing the amount of Al 2 O 3 particles in nanocomposite, increased the heat produced during welding processes. The amount of axial up-set (shortening) and the width of Z pl region in case of sample with 5wt% Al 2 O 3 was maximum, owing to high plastic deformation. In all cases, hardness of weld zone in nanocomposite and 2014 Al alloy side were reduced in comparison with base metal, but it should be note that hardness value of joint boundary in 2014 Al alloy side was not the minimum value. While the bending strength of nanocomposite significantly reduced by increasing the reinforcement content, fracture in all cases were found to occur by brittle mechanism with cleavage morphology and that the crack was developed in the nanocomposite side. The results of friction welding of nanocomposite containing 5wt% Al 2 O 3 , demonstrated that the axial up-set and the width of Z pl region were increased by increasing the frictional forging pressure and also increasing the rotation speed. Also TEM study of Z pl region in these system, showed the uniform distribution of Al 2 O 3 nano particles, but Al nanocrystalline structure did not remain in nano sized scale in these zone probably because of formation of recrystallized grains. Keywords: , Nanocomposite, Friction Welding, Al 2 O 3 Nano Particles, 2014 Al Alloy, Mechanical Milling, Hot Pressing, Dissimilar Welding.
چکيده امروزه کامپوزيت هاي زمينه آلومينيمي تقويت شده با ذرات سراميکي، به عنوان دسته اي از انواع مواد پيشرفته، کاربرد وسيعي در صنعت پيدا کرده اند. اتصال کامپوزيتهاي زمينه آلومينيمي با روشهاي گوناگوني مبتني بر جوشکاري ذوبي و جوشکاري حالت جامد انجام ميگيرد. در اين ميان جوشکاري اصطکاکي، به عنوان يکي از روشهاي جوشکاري حالت جامد، نسبت به روشهاي ذوبي مزاياي عمدهاي چون حرارت ورودي کمتر، تنشهاي پيچشي و حرارتي پايينتر و عدم تشکيل ريزساختارهاي نامطلوب حاصل از انجماد دارد. در اين پژوهش ابتدا به وسيلهي آسياب کاري مکانيکي پودرهاي نانوکامپوزيتي زمينه آلومينيمي با مقادير 5، 10 و 15 درصد وزني نانو ذرات 3 O 2 Al توليد شد. سپس با استفاده فرآيند پرس گرم از پودرهاي مذکور قطعات بالک تهيه گرديد (در ابعاد mm 12×12×42). در نهايت قطعات بالک توليدي با ثابت در نظر گرفتن متغيرهاي جوشکاري به طور نامتجانس به آلومينيم 2014 متصل شد. نتايج نشان ميدهد پس از 5 ساعت آسيابکاري اندازه دانهها به حدود 75 نانومتر رسيده و پس از پرس گرم نيز ثابت ميماند. همچنين درحاليکه سختي با افزايش مقدار تقويت کننده افزايش مييابد، دانسيته و استحکام خمشي روندي نزولي دارند. در ضمن مکانيزم شکست در مورد نانوکامپوزيتهاي توليدي شکست ترد از بين ذرات پرس شدهي پودر برآورد ميشود. بررسيهاي ريزساختاري در مورد جوشکاري اصطکاکي نامتجانس نانوکامپوزيتهاي توليدي به آلومينيم 2014، وجود يک ناحيهي کاملاً تغيير فرم يافته (Z pl ) در مرز اتصال و يک ناحيهي نسبتاً تغيير فرم يافته (Z pd )را در نواحي دورتر از خط اتصال در هر دو سمت جوش نشان ميدهد. تغيير فرم پلاستيکي، مخلوط شدن مکانيکي و دماي بالا در مجاورت خط اتصال سبب يکنواختي ناحيهي Z pl در سمت نانوکامپوزيتي شده و اثري از مرزهاي بين پودري و ساختار لايهاي ناشي از آسيابکاري در اين ناحيه به چشم نميخورد. با افزايش مقدار تقويت کننده در سمت نانوکامپوزيتي گرچه حرارت توليدي افزايش مييابد، اما به علت تغيير فرم پلاستيکي وسيع در نانوکامپوزيت 5 درصد وزني، مقدار فرو رفتگي محوري و پهناي ناحيهي Z pl در اين سيستم بيشترين مقدار را دارند. در تمام موارد، سختي موضع جوش در سمت نانوکامپوزيتي و سمت آلومينيم 2014 نسبت به فلز پايه کاهش يافته است، اما لازم به ذکر است در سمت آلومينيم 2014 سختي در مرز اتصال کمترين مقدار خود را ندارد. در حاليکه با افزايش مقدار تقويت کننده در سمت نانوکامپوزيتي استحکام خمشي به شدت کاهش مييابد، مکانيزم شکست در تمام موارد شکست ترد با مورفولوژي رخبرگي بوده و ترک درون سمت نانوکامپوزيتي گسترش يافته است. نتايج در مورد جوشکاري اصطکاکي متجانس نانوکامپوزيت 5 درصد وزني نشان ميدهد با افزايش فشارهاي اصطکاکي و فورجي و نيز افزايش سرعت دوران، فرو رفتگي محوري و پهناي ناحيهي Z pl افزايش مييابد. در ضمن مطالعهي ناحيهي Z pl اين سيستم به وسيلهي ميکروسکوپ الکتروني عبوري، ضمن تأييد يکنواختي توزيع نانو ذرات، نشان ميدهد احتمالاٌ به دليل تشکيل دانههاي حاصل از تبلور مجدد، ساختار نانومتري در اين ناحيه از بين رفته است. کلمات کليدي: نانوکامپوزيت، جوشکاري اصطکاکي، نانو ذرات 3 O 2 Al، آلومينيم 2014، آسيابکاري مکانيکي، پرس گرم، جوشکاري نامتجانس.