SUPERVISOR
Morteza Shamanian esfahani,Ahmad KermanPour
مرتضی شمعانیان اصفهانی (استاد راهنما) احمد کرمانپور (استاد راهنما)
STUDENT
Hamed Adinehlou
حامد آدینه لو
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Friction Stir Welding of Al-Al2O3 Nonostructure Composite Fabricated by Accumulative Roll Bonding and Evaluation of Joint Properties
Particulate reinforced aluminum matrix composites have recently become a major focus of attention in aerospace, motor sport and automotive industrial fields due to their several attractive advantages over conventional base alloys, such as high specific stiffness and strength to weight ratio at room or elevated temperatures. Friction stir welding is a promising candidate for joining particulate reinforced aluminum matrix composites since this method is a solid state process, therefore, the formation of brittle solidification products are not easily produced; the energy input and distortion are significantly lower than in fusion welding techniques, thus improving the welding properties. In this research, Al- 5Vol%Al 2 O 3 composite was produced after 10 cycles of accumulative roll bonding process. Then, the composites were friction stir welded using 9 different welding parameters including rotation speeds of 900, 1120 and 1400rpm and welding speeds of 63, 80 and 100mm/min. A K type thermocouple was used to record the temperature of the weld line. This thermocouple was fixed in retreating side of the weld line. On the other hand, in order to study the effects of welding tool, at a specific welding parameter, effects of four different pin profiles (square, triangular, hexagonal and cylindrical) were evaluated. Microstructural and mechanical assessments were performed using scanning electron microscopy, tensile test and microhardness measurements. The fracture surfaces were examined and the mechanisms of fracture surfaces were also characterized. A uniform distribution was observed after 10 cycles of rolling while no porosity was seen in the matrix/particle interface and adhesion of reinforcement particles to matrix were improved. The mechanical properties of produced composites were better than those of pure annealed aluminum. The initial composite showed ductile fracture with shallow dimples. Some porosity and discontinuity was observed in the samples welded at low rotation speed of the 900rpm and welding speed of 63, 80 and 100mm/min because of inadequate heat input and weak stirring action. Here, the mechanical properties were poor because of discontinuities in microstructure. By increasing the rotation speed, good weld faces were achievied because enough heat input was supplied. The samples welded at rotation speed of 1120rpm-100mm/min, with maximum revolution pitch value (Welding Speed/Rotation Speed) of 0.089mm/r, showed the highest value of tensile strength and hardness and the lowest value of elongation. The samples produced at speed of 1400rpm-63mm/min with minimum revolution pitch value of 0.045mm/r, showed lowest tensile strength and hardness value and the highest value of elongation. Welded samples exhibited ductile fracture and initial shallow dimples become deeper because of heat input of welding process. The results of four different pin profiles showed that the fragmentation and distribution of particles is more desirable while square pin profile was used. The effect of dynamic volume/static volume ratio and pulsating stir of the pin profiles were played the main role in fragmentation and distribution of particles simoltaneously. These two parameters had the highest value in square and triangular pin profiles. In this case, the highest values of tensile strength, hardness and elongation were achieved and it was related to square pin profile. Keywords: Accumulative Roll Bonding, Friction Stir Welding, fragmentation, Revolution pitch, Fractography, pin profiles.
کامپوزیتهای زمیته فلزی به عنوان دستهای از مواد پیشرفته، امروزه کاربرد گستردهای در صنایع هوافضا، خودروسازی و غیره پیدا کردهاند. جوشکاری این دسته از مواد با مشکلات بسیاری همراه میباشد. از بین فرایندهای جوشکاری مختلف، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی به دلیل خواص منحصر به فرد خود، از جمله بهترین روشهای اتصال کامپوزیتها محسوب میشود. در این تحقیق، ابتدا با استفاده از فرایند نورد تجمعی کامپوزیت 3 O 2 Al Vol%5-Al با اعمال 10سیکل نورد تولید شده است.سپس کامپوزیت تولیدشده با در نظر گرفتن 9 متغیرجوشکاری شامل سه سرعت چرخش 900، 1120 و rpm1400 و سه سرعت جوشکاری 63، 80 و mm/min100 و ثابت در نظر گرفتن دیگر پارامترها، تحت جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی قرار گرفته است. به منظور ثبت دما، از ترموکوپل نوع K در قسمت پسرو جوش استفاده شده است. در ادامه با در نظر گرفتن چهار هندسهی پین مختلف (مربع، مثلث، ششضلعی و استوانه) تاثیر شکل پین بر نحوه توزیع ذرات و خواص مکانیکی کامپوزیت تولید شده بررسی شده است. بررسیهای ریزساختاری کامپوزیت های اولیه و نمونههای جوشکاریشده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام شده است. ارزیابیهای خواص مکانیکی نیز توسط آزمون کشش و سختیسنجی صورت گرفته است. همچنین سطح مقطع شکست نمونهها قبل و بعد از جوشکاری مطالعه و مکانیزم شکست تعیین شده است. ارزیابیهای ریزساختاری از کامپوزیت تولیدشده نشان داده است که پس از 10 سیکل نورد، توزیع ذرات تقویتکننده بهبود یافته است و ریزساختار بدون تخلخلی در فصلمشترک ذرات و زمینه ایجاد شده است. خواص مکانیکی کامپوزیت تولیدشده و مقایسه آن با آلومینیم خالص تجاری آنیلشده تغییرات قابل ملاحظهی استحکام کششی، سختی و درصد ازدیاد طول را نشان داده است. شکستنگاری نمونهها نیز حضور دیمپلهای کمعمق را گزارش کرده و مکانیزم شکست نیز نرم بوده است. بررسی ریزساختار جوش نشان داد که پارامترهای rpm900- 63، 80 و mm/min100 به جهت عدم تامین حرارت کافی منجر به ایجاد ریزساختار معیوب دارای حفره و عدمپیوستگی بوده و نامطلوب بوده اند. نتایج حاصل از آزمون کشش و سختی سنجی نیز برای 3 متغیر rpm900- 63، 80 و mm/min100 نتایج ضعیفی راگزارش کرده است. مجموعه متغیرهای دیگر با ایجاد حرارت کافی، ریزساختار کامل و بدون نقصی را ایجاد کردهاند. از بین این متغیرها، با توجه به مقدار درجه دوران (نسبت سرعت جوشکاری به سرعت چرخش ابزار) که معیاری از میزان حرارت ورودی نیز میباشد، متغیرrpm1120- mm/min100 با داشتن بالاترین عدد درجه دوران mm/r089/0، کمترین حرارت را به قطعهکار وارد کرده و دارای بالاترین استحکام کششی و سختی و پایینترین درصد ازدیاد طول بوده است. همچنین متغیرrpm1400- mm/min63 نیز با درجه دوران mm/r045/0 بیشترین حرارت را به قطعه وارد کرده و دارای پایینترین استحکام و سختی و بیشترین درصد ازدیاد طول بوده است. شکستنگاری نمونههای جوشکاریشده دیمپلهای عمیقتری را در مقایسه با کامپوزیتهای اولیه نشان داده است که موید شکست نرم بوده است. نتایج حاصل از هندسههای مختلف پین، خردشدن بیشتر و توزیع یکنواختتر ذرات تقویت کننده را برای پین مربعی در مقایسه با شکلهای دیگر نشان داده است. نتایج حاصل از آزمون کشش برای هندسههای مختلف پین، بالاترین استحکام کششی، سختی و درصد ازدیاد طول را برای پین مربعی نشان داده است. کلمات کلیدی: نورد تجمعی، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، درجه دوران، شکستنگاری، پروفیل پین.