SUPERVISOR
MohammadReza Toroghinejad,Ali Shafyei
محمدرضا طرقی نژاد (استاد راهنما) علی شفیعی (استاد راهنما)
STUDENT
Ali Shabani
علی شعبانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Investigating microstructure and mechanical properties of Al/Ni/Cu nano-composite produced by accumulative roll bonding
In this study, accumulative roll bonding and electroplating processes were used simultaneously to produce Al/Ni/Cu composite. Copper sheets were electroplated by nickel. Then accumulative roll bonding process was done on the samples including aluminum layer, nickel coating, copper layer, nickel coating and aluminum layer for eleven cycles successfully. Peeling test was used to evaluate bonding quality of Al-Cu layers in the presence of nickel coating. During peeling tests, the effect of different parameters on the bonding quality of layers was examined. These parameters were reduction in thickness, nickel coating thickness and post rolling annealing treatment. Then peeling surfaces were examined using optical and scanning electron microscopy. Mechanical properties of the produced composite were tested using different tests such as tensile test, three point bending test, hardness test and microhardness test. In order to determine fracture mechanism of samples during tensile test, fracture surfaces were studied by SEM. Samples were heat treated at different times and temperatures and then the formation of intermetallic compounds in different conditions was investigated. Finally, microstructure parameters of the produced composite were calculated using MAUD software. The results showed that coating copper with nickel reduces the bond strength of Al-Cu strips. However, by increasing the thickness of coating, the bond strength was increased, reaching the highest level, as compared with the strips without coating. Also, the increase in the reduction enhanced the bond strength of the layered strips. Yet, a decrease in bond strength was achieved by post-rolling annealing of the layered strips. It was seen that by increasing the number of ARB cycles, the bending strength of produced composite was increased. Also, it was found that when the number of cycles was increased, not only elongation was increased, but also the tensile strength of the composite was improved. Microhardness for different elements in different cycles was also evaluated. A uniform distribution of reinforcement (copper and nickel) in the matrix was seen after eleven cycles of ARB. Also, SEM fractograph of fracture surfaces illustrated that by increasing ARB cycles, fracture mechanism was changed from ductile to shear ductile and partially, to brittle fracture in the final cycles. Investigation of the effect of nickel percent in the composite showed that mechanical properties of composite were reduced in the primary cycles by increasing nickel percent. However, by increasing ARB cycles, an enhancement was seen in the mechanical properties by increasing nickel percent. The study of the effect of heat treatment at different times and temperatures showed that by increasing time and temperature, volume of intermetallice compound in the composite was increased. Formation of AlCu, Al 2 Cu and AlCu 3 compounds in the composite was seen using XRD and EDS tests. The crystallites size measured by MAUD software for aluminum and copper after eleven cycles of ARB process reached to 97 nm and 81 nm, respectively. The results of measurements by rietveld method were compared with those of the other studies. Therefore, it was obvious that the grain size of the produced composite, using ARB process , is less than 100 nm. Keywords : Metal matrix composite, Al/Ni/Cu, Accumulative roll bonding process, Electroplating nickel, Layered nano-composite, Severe plastic deformation, Mechanical properties and Microstructure
در پژوهش حاضر، برای اولین بار از دو فرایند آبکاری نیکل و نورد تجمعی به طور هم زمان جهت ساخت کامپوزیت Al-Ni-Cu استفاده شده است. فرایند آبکاری نیکل روی ورق های مسی انجام شد. سپس فرایند نورد تجمعی تا یازده سیکل به طور موفقیت آمیزی روی ساندویچ اولیه شامل لایه های آلومینیوم، پوشش نیکل، مس، پوشش نیکل و آلومینیوم صورت گرفت. به منظور بررسی خواص چسبندگی لایه های آلومینیوم و مس در حضور پوشش نیکل، از آزمون لایه کنی استفاده شد. در طی این آزمون پارامترهای مختلف تاثیر گذار بر کیفیت پیوند لایه ها، بررسی شدند. از جمله این پارامترها، می توان به کاهش ضخامت، ضخامت پوشش نیکل و هم چنین عملیات حرارتی پس از نورد اشاره نمود. سپس با استفاده از میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی، سطوح داخلی نمونه های لایه کنی مورد بررسی قرار گرفتند.خواص مکانیکی کامپوزیت های تولید شده، با استفاده از آزمون های کشش تک محوره ، خمش سه نقطه ای، سختی سنجی و ریزسختی سنجی ارزیابی شد. جهت بررسی مکانیزم شکست، سطوح شکست با استفاده از میکروسکوپ الکترونی بررسی شد. سپس عملیات حرارتی در زمان و دماهای مختلف روی نمونه ها انجام گرفت و اثر این تغییرات بر تشکیل ترکیبات بین فلزی بررسی شد. در پایان پارامترهای ریزساختاری کامپوزیت، با استفاده از نرم افزار MAUD به دست آمد.نتایج نشان داد که بر خلاف تصور، با افزایش ضخامت پوشش نیکل، استحکام چسبندگی لایه ها افزایش می یابد و هم چنین با عملیات حرارتی پس از نورد، کیفیت پیوند لایه ها کاهش می یابد. در بررسی خواص مکانیکی کامپوزیت، افزایش چشم گیری در استحکام خمشی و استحکام کششی کامپوزیت، مشاهده گردید. هم چنین با پیشرفت فرایند نورد تجمعی، سختی کل کامپوزیت و سختی تک تک فازها به صورت جداگانه افزایش یافت. در تغییرات ازدیاد طول کامپوزیت با افزایش سیکل های فرایند، در ابتدا کاهش و سپس افزایش مشاهده گردید. بررسی اثر ضخامت پوشش بر خواص مکانیکی نیز نشان داد که با افزایش ضخامت پوشش، ابتدا یک کاهش جزیی و سپس افزایش در این خواص ایجاد می شود. با بررسی تغییرات ریزساختاری کامپوزیت تولید شده، مشاهده شد که با افزایش سیکل ها، توزیع یک نواختی از تقویت کننده ها (مس و نیکل) در زمینه ی آلومینیومی ایجاد می گردد. این مشاهدات در تطابق کامل با نتایج حاصل از آزمون های مکانیکی بودند. در بررسی سطوح شکست نمونه ها نیز، مشاهده شد که شکست در ابتدا با مکانیزم تشکیل دیمپل های هم محور و عمیق، و در انتها با مکانیزم تشکیل دیمپل های برشی و کوچک، اتفاق افتاده است.تشکیل ترکیبات بین فلزی با انجام عملیات حرارتی روی نمونه ها بررسی گردید. از جمله این ترکیبات تشکیل شده AlCu 3 ، Al 2 Cu و AlCu می باشند. تشکیل این ترکیبات با استفاده از الگوهای پراش پرتو ایکس و هم چنین آزمون EDS اثبات گردید. کلمات کلیدی : کامپوزیت زمینه فلزی، Al-Ni-Cu، فرایند نورد تجمعی، آبکاری نیکل، نانو کامپوزیت لایه ای، تغییرشکل شدید، خواص مکانیکی و ریزساختار.