ساخت و ارزيابي ريزساختار و خواص مکانيکي کامپوزيت نانوساختار آلومينيم – مس با ذرات تقويت کننده ي آلومينا توسط روش اتصال نورد تجمعي (ARB)

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this study, dissimilar Al-Cu multilayered composite reinforced by alumina particles were successfully produced via accumulative roll bonding process and its properties were characterized. Coated Al strips using anodizing process were positioned between two Cu layers to form primary sandwich followed by roll bonding to a specification reduction. For synthetizing a composite with acceptable properties, effect of different parameters on the bond strength of layers was firstly evaluated. These parameters included different reductions, varying thickness of oxide film and post-roll annealing process. The roll-bonded strips were then characterized by peeling test and the peeled surfaces were investigated by optical and scanning electron microscopy. The peeling test revealed that, by increasing the reduction and thickness of the oxide layer, the bond strength was increased. In order to investigate the parameters affecting Al-Cu composite, for the second step, different amounts of initial metals were produced and annealed for different periods and temperatures. Mechanical evaluations revealed that by increasing the amount of Cu in Al matrix, the tensile strength was increased, while elongation was decreased. Furthermore, annealing at shorter times deteriorated tensile strength of the composite while the elongation improved, while at prolonged times the tensile strength of specimens increased and elongation decreased. Also, thermal analysis via DSC and phase analysis by XRD revealed that during annealing, Al 4 Cu 9 intermetallic was formed. After optimizing the best condition for producing Al-Cu composite, the composite with alumina particles were produced by ARB process up to seven cycles. Microstructural evaluation revealed that, by increasing ARB cycles, more Cu layers fractured and distribution of alumina particles in the matrix was improved. Also, different mechanical characterizations including tensile, bending, shear punch and micro hardness tests were conducted on produced composite. Tensile test showed that by increasing the ARB cycles up to the third cycle, tensile strength was improved, after which it was suddenly decreased for the fourth and fifth cycles and finally for the last sixth and seventh ARB cycles, it increased. Moreover, investigation of fractured composites indicated that micro crack formation between the metallic layers and micro void formation at metal/particles interfaces resulted in composite fracture. Finally, mean grain size was investigated for Al and Cu layers by MAUD software. Results showed that crystallite size were reached to less than 100 nm after the seventh ARB cycle for both metallic layers. Key words: Al-Cu-Al 2 O 3 composite, cold roll bonding, accumulative roll bonding, mechanical investigation, microstructure evaluations and annealing treatment.

چکيده در اين پژوهش، کامپوزيت زمينه فلزي آلومينيوم-مس با ذرات تقويت کننده ي آلومينا توسط فرايند نورد تجمعي پيوندي ساخته و خصوصيات مکانيکي و ريزساختاري آن بررسي شد. لايه ي آلومينا توسط فرايند آندايزينگ روي ورق هاي آلومينيوم تشکيل گرديد. سپس ورق آندايز شده بين دو ورق از جنس مس قرار گرفته و فرايند نورد تجمعي پيوندي روي اين مجموعه انجام شد. جهت ساخت اين کامپوزيت در مرحله ي اول، پارامترهاي موثر بر استحکام اتصال ورق ها ارزيابي شد. براي اين منظور، ورق ها طي فرايند نورد پيوندي سرد به يکديگر متصل شدند سپس با انجام آزمون لايه کني استحکام اتصال آنها ارزيابي شد. عوامل گوناگوني همچون کاهش ضخامت ورق ها، تغيير ضخامت لايه ها و انجام عمليات آنيل پس از نورد پيوندي سرد بررسي شدند. در نهايت سطوح حاصل از اين آزمون براي هر دو طرف مس و آلومينيوم با ميکروسکوپ هاي نوري و الکتروني روبشي مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج آزمون لايه کني نشان داد با افزايش ميزان کاهش ضخامت و همچنين افزايش ضخامت لايه تا 32 ميکرومتر، استحکام اتصال بهبود مي يابد. همچنين فرايند آنيل پس از نورد پيوندي، باعث کاهش استحکام اتصال ورق ها شد. در مرحله ي دوم به بررسي کامپوزيت آلومينيوم- مس بدون ذرات آلومينا با درصدهاي مختلف مس با تغيير ضخامت لايه هاي فلزي و انجام فرايند آنيل در زمان ها و دماهاي مختلف پرداخته شد. نتايج حاکي از آن بود که با افزايش کسر حجمي مس، استحکام کششي کامپوزيت افزايش ولي ازدياد طول کاهش يافت. ارزيابي تأثير فرايند آنيل بر خواص مکانيکي کامپوزيت آلومينيوم- مس حاکي از کاهش استحکام کششي و افزايش ازدياد طول در زمان هاي پايين آنيل بود. با افزايش زمان آنيل بر ميزان استحکام کششي کامپوزيت افزوده گرديد با اين وجود، ازدياد طول کاهش يافت. آزمون پراش پرتو ايکس و آناليز حرارتي روي کامپوزيت ساخته شده، انجام شد. نتايج نشان داد که طي آنيل کامپوزيت ها، عمدتاً فاز بين فلزي Al 4 Cu 9 تشکيل شد. ارزيابي سطوح شکست نيز نشان داد نحوه ي شکست در کامپوزيت هاي عمليات حرارتي شده غالباً به شکل ترد بود. در مرحله ي سوم، کامپوزيت آلومينيوم- مس با ذرات آلومينا با استفاده از مقادير بهينه آزمايشات صورت گرفته با موفقيت طي هفت سيکل نورد تجمعي ساخته شد. ارزيابي هاي ريز ساختاري نشان داد، با افزايش سيکل هاي نورد، لايه هاي بيشتري از مس خرد و در زمينه آلومينيوم توزيع شدند. همچنين ارزيابي خواص مکانيکي با انجام آزمون کشش تک محوري، آزمون خمش سه نقطه اي، آزمون پانچ برشي و ريزسختي ويکرز روي کامپوزيت ساخته شده، انجام شد. نتايج آزمون کشش نشان داد، با افزايش سيکل هاي نورد تجمعي تا سيکل سوم، استحکام کششي افزايش يافت ولي در سيکل هاي چهارم و پنجم، استحکام ناگهان کاهش يافت و در نهايت براي دو سيکل ششم و هفتم، استحکام کششي روند افزايشي از خود نشان داد. در ارزيابي سطوح شکست اين کامپوزيت ملاحظه شد در سيکل هاي ابتدايي به دليل چسبندگي ضعيف لايه هاي فلزي، حين آزمون کشش اين لايه ها از يکديگر جدا شدند که با افزايش سيکل هاي نورد تجمعي جدايش لايه ها به شکل قابل توجهي کاهش يافت. اندازه دانه هاي فرعي لايه هاي مس و آلومينيوم از داده هاي پراش پرتو ايکس نمونه ها توسط نرم افزار MAUD ارزيابي شد و نتايج نشان داد طي فرايند نورد تجمعي در هر دو طرف مس و آلومينيوم دانه هاي فوق ريز تشکيل شده است. کلمات کليدي : کامپوزيت آلومينيوم-مس-آلومينا، نورد پيوندي سرد، نورد تجمعي، خواص مکانيکي، ريز ساختار و عمليات آنيل.