جوشکاری اصطکاکی – اغتشاشی نانو کامپوزیت AI-B4C تولید شده به روش نورد تجمعی و ارزیابی خواص اتصال

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this study, Al/4 vol.% B4C composite was produced by accumulative roll bonding process after 10 consecutive cycles. Then, Friction Stir Welding of composite samples was performed with tool rotational speeds of 560, 710 and 900 rpm and welding speeds of 100, 200 and 300 mm/min. In order to investigate the influences of pin profile on microstructure and mechanical properties, 4 different pin geometries (cylindrical, square, triangular and hexagonal) were selected to fabricate the joints at 900 rpm–300 mm/min condition. The composite microstructure showed that after 10 ARB cycles, the reinforcement particles were fine and distributed uniformly in the aluminum matrix. Tensile strength and hardness of produced composite were about 2.9 and 2.4 times as high as that of the annealed pure aluminum, respectively, while the elongation decreased from 41% to 8.5%. Fracture surface of composite samples showed ductile dimples. Due to the low welding speed and high pressure tools on composite layer structure, the joining of composites at different rotational speed and also at welding speed of 100 mm/min was not successfully performed. Voids were observed in the stir zone of welds using welding speed of 200, 300 mm/min at 900 rpm that strongly decreased tensile strength. Using greater rotational speed, sufficient heat input was provided for material flow during FSW and desirable joints were obtained. Results showed that the role of heat input and final grain size are more effective than that of the reinforcement size and distribution. Joints obtained at 900 rpm-200 mm/min welding parameter showed the least tensile strength and hardness and the most elongation between other welding parameters, whereas the most tensile strength and hardness and the lowest elongation were achieved in the joint obtained at 710 rpm-300 mm/min condition. Fractography of the tensile fracture surfaces of welded samples revealed ductile dimples which were grown and deeper by increase rotational speed or decrease welding speed. Microstructural evolution of welded samples by various pin geometries showed that the most fragment and distribution of reinforcement particles were obtained by square pin and also the most tensile strength, hardness and elongation were achieved in the joint obtained by this pin. Deep voids were observed in stir zone of hexagonal pin which revealed the least tensile strength, hardness and elongation. Key words: Accumulative roll, Composite, Friction stir welding, Heat input, Microstructure, Mechanical properties, Tool pin geometry

در این پژوهش کامپوزیت vol.% B 4 C4 Al-به روش نورد تجمعی و پس از 10 سیکل نورد متوالی تولید شد. سپس جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی نمونه‌های کامپوزیتی با سرعت‌های چرخش ابزار 560، 710 و rpm 900 و سرعت‌های جوشکاری 100، 200 و mm/min 300 انجام شد. به منظور بررسی تاثیر هندسه پین ابزار جوشکاری بر ریزساختار و خواص مکانیکی، نمونه‌های کامپوزیتی با سرعت چرخش و پیشروی ثابت به ترتیب rpm 900 و mm/min 300 و با استفاده از چهار هندسه پین مختلف شامل، استوانه‌ای، مربعی، مثلثی و شش ضلعی تحت جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی قرار گرفتند. بررسی‌های ریزساختاری کامپوزیت اولیه نشان داد که انجام 10 سیکل فرآیند نورد تجمعی، سبب خرد شدن و توزیع یکنواخت ذرات تقویت‌کننده در زمینه‌ی آلومینیمی شده است. بررسی خواص مکانیکی نیز نشان داد که استحکام کششی و سختی کامپوزیت تولید شده به ترتیب 9/2 و 4/2 برابر مقادیر مربوط به آلومینیم آنیل شده اولیه است، در حالی که درصد ازدیاد طول از 41 % به 5/8 % کاهش یافت. سطح شکست نمونه‌های کامپوزیتی، حضور حفره‌ها و دیمپل های هم‌محور را نشان داد که بیانگر مکانیزم شکست نرم در این مواد می‌باشد. انجام جوشکاری با سرعت‌های چرخش مختلف و سرعت جوشکاری mm/min 100 به دلیل سرعت پیشروی کم ابزار و وارد شدن فشار زیاد از طرف ابزار جوشکاری به ساختار لایه‌لایه کامپوزیت اولیه، موفقیت آمیز نبود و اتصال برقرار نشد. جوشکاری با سرعت چرخش rpm 560 و سرعت‌های پیشروی 200 و mm/min 300 نیز به علت حرارت جوشکاری کم وارد شده به قطعه و عدم سیلان و امتزاج مناسب ماده‌ی حول پین، باعث ایجاد حفره‌هایی در ریزساختار جوش‌های مربوطه شد که کاهش شدید خواص مکانیکی را به دنبال داشت. انجام جوشکاری با سرعت‌های چرخش بالاتر به علت اعمال حرارت ورودی بیشتر به نمونه باعث ایجاد اتصالات سالم و بدون عیبی شد. بررسی‌های ریزساختاری و خواص مکانیکی نمونه‌های جوشکاری شده با سایر متغیرهای جوشکاری نشان داد که تاثیر حرارت ورودی و اندازه دانه نهایی ساختار جوش بر خواص اتصالات حاصل، بیشتر از نقش اندازه ذرات تقویت‌کننده و توزیع آن‌ها در زمینه است. نتایج نشان داد که با انجام جوشکاری در حالت mm/min 200 - rpm 900 به علت حرارت ورودی بیشتر و رشد سریع‌تر دانه‌های تبلورمجدد یافته در منطقه‌ی جوش، کم‌ترین میزان استحکام کششی و سختی و بیشترین درصد ازدیاد طول حاصل شد. شرایط بهینه نیز از لحاظ بهبود ریزساختار و خواص مکانیکی برای اتصال ایجاد شده با پارامتر mm/min 300 - rpm 710 به دست آمد که به علت حرارت ورودی کمتر، بیشترین میزان استحکام کششی و سختی و کم‌ترین درصد ازدیاد طول را نشان داد. سطح شکست نمونه‌های جوشکاری شده با سرعت چرخش بیشتر و یا سرعت پیشروی کمتر، حفره‌ها و دیمپل های بزرگ‌تری را در مقایسه با سایر نمونه‌های نشان داد. نتایج ریزساختاری و خواص مکانیکی مربوط به اتصالات جوشکاری شده با هندسه پین‌های مختلف نشان داد که پین مربعی به علت فاکتور اغتشاشی ضربانی بالاتر، خرد شدن بیشتر و توزیع یکنواخت‌تر ذرات تقویت‌کننده در زمینه را ایجاد کرده است که در نتیجه بیشترین میزان استحکام کششی، درصد ازدیاد طول و سختی برای اتصال حاصل از آن ایجاد شده است. به علت سیلان و امتزاج نا مناسب ماده‌ی اطراف پین شش ضلعی، عیوب حفره‌ای شکل در ریزساختار جوش ایجاد شده به وسیله ی این پین مشاهده شد که باعث افت خواص مکانیکی شد به نحوی که اتصال جوشکاری حاصل، کم‌ترین میزان استحکام کششی، درصد ازدیاد طول و سختی را از خود نشان داد. کلمات کلیدی: نورد تجمعی، کامپوزیت، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، حرارت ورودی، ریزساختار، خواص مکانیکی، هندسه پین ابزار.