ارزيابي خواص مکانيکي و ريزساختاري کامپوزيت نانو ساختار Ti-SiC توليد شده بوسيله فرايند نورد تجمعي پيوندي

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this study, Accumulative roll bonding (ARB) was used as an alternative method for producing CP Ti-SiC metal matrix composites. The aim of this study was to evaluate the microstructural and mechanical properties of CP Ti-SiC composites produced by ARB process. For this purpose, composites with 1.5, 3 and of 5 vol. % of reinforcements and monolithic material were fabricated by ARB process. Microstructural studies by means of light and electron microscopy and X-ray diffraction pattern analysis, texture measurements and also mechanical examination were done at various stages of the process. The results showed that the addition of particles reduces the bond strength between layers because of the increased energy barrier required for bonding. With increasing ARB cycles, particles distribution was significantly improved with noticeable decrease in fracturing, deboning of particles and porosities. Microstructural parameters of heavily deformed materials have been characterized by X-ray diffraction line profile analysis (XRDLPA) using modified Rietveld method. The results indicated that the XRD technique can be used as a complementary method beside TEM to estimate the microstructural parameters. Crystal size and anisotropy calculated by this method was in a good agreement with the observations of transmission electron microscopy and texture measurements. Formation of nano-size equiaxed grains in the final cycles was demonstrated by the two methods; X-ray diffraction and transmission electron microscopy. A significant increase in yield and tensile strength and a drastic decrease in elongation were observed by applying 8 cycles of ARB process. The strength of the composite samples was higher than that of the monolithic sample and this was caused by the significantly improved distribution of SiC particles in the titanium matrix. The high strength and high toughness monolithic titanium and Ti–SiC p composites were fabricated by accumulative roll bonding (ARB) and subsequent annealing. To clarify the concurrent optimal processing conditions for strength and toughness, optimizing multiple performance characteristics by Taguchi's approach was employed. Yield strength of the processed specimen by optimal factor levels (1.5 vol.%SiC–500°C–5 minutes) was 2.27 times higher and toughness was 5.8% lower than that of the raw titanium material. High uniform elongation (~ 17%) of material produced in optimal conditions, was attributed to the increased rate of work hardening and normalized work hardening rate in contrast with the initial Ti and related to very fine-grained (average grain size of 1.4 ?m) and fully recrystallized structure and also reinforcment particles in ARB-Annealed titanium. Key words: Commercially pure titanium, Severe plastic deformation (SPD), Accumulative roll bonding (ARB), Metal matrix composites, Mechanical properties, Annealing, Taguchi experimental design

چکيده در اين پژوهش، از فرايند نورد تجمعي پيوندي (ARB) به عنوان يک روش پيشنهادي براي ساخت کامپوزيت زمينه فلزي CP Ti–SiC استفاده گرديد. هدف از اين پژوهش، ارزيابي خواص مکانيکي و ريزساختاري کامپوزيت CP Ti–SiC توليد شده به‌وسيله فرايند ARB بود. به همين منظور، کامپوزيت‌هاي با درصد حجمي ذرات 5/1%، 3% و 5% توليد و با تيتانيم ARB شده بدون حضور ذرات مقايسه شد. بررسي‌هاي ميکروساختاري به‌وسيله ميکروسکوپ‌هاي نوري و الکتروني و آناليز الگوي پراش پرتو ايکس، بررسي بافت نمونه‌ها و همچنين بررسي‌هاي خواص مکانيکي در مراحل مختلف فرايند انجام شد. نتايج بررسي‌ها نشان داد که با افزودن ذرات، استحکام پيوند دو لايه به دليل کاهش سطح تماس ورق‌ها کاهش مي‌يابد. بررسي‌هاي ميکروسکوپي، نشان دهنده کاهش تخلخل و همچنين تحليل‌هاي کمّي به‌وسيله روش نزديک‌ترين همسايه، بيان‌گر بهبود توزيع ذرات تقويت کننده با افزايش تعداد سيکل‌هاي فرايند بود. آناليز الگوي پراش پرتو ايکس، قابليت خوبي براي بررسي متغيرهاي ميکروساختاري ماده ARB شده نشان داد. به طوري‌که تغييرات اندازه کريستال‌هاي محاسبه شده با اين روش و ناهمسان‌گردي اندازه آنها تطابق خوبي با مشاهدات انجام شده به‌وسيله ميکروسکوپ الکتروني عبوري و اندازه‌گيري‌هاي بافت نشان داد. ريز و هم‌محور شدن ساختار دانه‌ها با افزايش تعداد سيکل ARB به‌وسيله دو روش پراش پرتو ايکس و ميکروسکوپ الکتروني عبوري مشخص شد. برخلاف مشاهدات انجام شده در کرنش‌هاي کم و متوسط که نشان دهنده ارجحيت صفحات منشوري براي لغزش در تيتانيم CP است، مشخص شد که در کرنش‌هاي زياد فرايند ARB، هر سه صفحه منشوري، قاعده و هرمي فعاليت داشته و در تغييرشکل ماده مؤثر هستند. افزايش استحکام کامپوزيت توليد شده توسط فرايند ARB، بيشتر از نمونه بدون ذرات تقويت کننده توليد شده با اين فرايند بود. کامپوزيت‌سازي توسط روش ARB منجر به افزايش بيش از 3 برابري در استحکام تسليم گرديد. با اين وجود ازدياد طول ماده به کمتر از 7 درصد رسيد. بررسي سطوح شکست نمونه‌هاي ARB شده، بيان‌گر تغيير مکانيزم شکست از نرم با حفره‌هاي برشي به نرم با حفره‌هاي هم‌محور با افزايش تعداد سيکل براي هر دو نمونه کامپوزيتي و بدون ذرات تقويت کننده بود. اين پديده به افزايش شديد استحکام و همچنين افزايش عيوب داخل ماده ARB شده نسبت داده شد. آنيل نمونه‌هاي ARB شده به منظور حصول ترکيب استحکام و چقرمگي بالا انجام شد. به دليل متغيرهاي زياد فرايند مانند درصد ذرات، دما و زمان آنيل، طراحي آزمايش با استفاده از روش تاگوچي انجام گرفت. نمونه ARB شده کامپوزيتي Ti–1.5%SiC که در دماي °C500 به مدت 5 دقيقه آنيل شده بود به عنوان نمونه با شرايط بهينه شناخته شد. استحکام و چقرمگي در شرايط بهينه، به ترتيب MPa 624 و J/m 2 124 به دست آمد که در مقايسه با ماده اوليه (استحکام تسليم MPa 275 و چقرمگي J/m 2 132) افزايش 3/2 برابري در استحکام تسليم و حفظ 94% از چقرمگي را نشان داد. ازدياد طول يکنواخت بسيار زياد (17%~) ماده توليد شده در شرايط بهينه ناشي از افزايش نرخ کارسختي و نرخ کارسختي نرماله شده در مقايسه با تيتانيم اوليه و مرتبط با ساختار کاملاً تبلورمجدد يافته و بسيار ريزدانه (ميانگين اندازه دانه ?m 4/1) تيتانيم ARB و آنيل شده و همچنين حضور ذرات تقويت کننده دانسته شد. بررسي قابليت تغييرشکل ورق تيتانيم کامپوزيتي توليد شده به‌وسيله ARB و آنيل بعدي در فرايند کشش و کشش عميق و مقايسه آن با تيتانيم اوليه نشان داد که ورق ARB و آنيل شده قابليت بيشتري براي تغييرشکل بدون نازک شدن ديواره دارد، در حالي که احتمال ايجاد عيب گوش‌واره‌اي شدن در آن نيز بيشتر است. کلمات کليدي: تيتانيم خالص تجارتي (CP Ti)، کامپوزيت زمينه فلزي، فرايندهاي تغييرشکل شديد (SPD)، نورد تجمعي پيوندي (ARB)، آنيل، طراحي آزمايش تاگوچي