SUPERVISOR
Fatallah Karimzadeh,Mohammad Hossei Enayati
فتح اله کریم زاده (استاد راهنما) محمدحسین عنایتی (استاد راهنما)
STUDENT
Vahab Rastar
وهاب راستار
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Fabrication of Al-Al2O3 Nanocomposite with Mechanical Milling and Hot Pressing and Evaluation of their Dissimilar Joint Prepared by Friction Welding
Aluminum matrix composites reinforced by ceramic particles are one of the promising materials for engineering applications. Joining of aluminum matrix composite components can be done by various methods based on fusion welding and solid state welding. Friction welding, (FW) as a solid state welding process, has some advantages over fusion welding such as smaller heat input, lower residual torsion and thermal stresses and lack of undesirable microstructure from solidification. In this research, aluminum matrix composite powders containing 5, 10 and 15 wt% of Al 2 O 3 nano particles were produced by mechanical milling. Then, bulk specimens (42×12×12 mm) were produced by hot pressing of mechanically milled powder. Finally, the bulk samples were welded to 2014 Al alloy with constant welding parameters. The results showed that after 5 hours of ball milling, an Al-Al 2 O 3 nanocomposite structure with an Al grain size of 75 nm was achieved. This structure remained unchanged after hot pressing. The increasing Al 2 O 3 content increased the hardness value of bulk samples but reduced their density and bending strength. It was revealed that the fracture of bulk nanocomposites occurred by interparticle brittle fracture mechanism. Microstructural observations of dissimilar welds of Al-Al 2 O 3 nanocomposites and 2014 Al alloy showed a fully plasticized region (Z pl ) in joint boundary and a partly deformed region (Z pd ) in the region far from joint line in both side of the weld. Plastic deformation, mechanical mixing and high temperature near weld line led to a uniform structure Z pl region for nanocomposite side with no traces of interparticle boundaries and lamellar structure, resulting from milling process. Increasing the amount of Al 2 O 3 particles in nanocomposite, increased the heat produced during welding processes. The amount of axial up-set (shortening) and the width of Z pl region in case of sample with 5wt% Al 2 O 3 was maximum, owing to high plastic deformation. In all cases, hardness of weld zone in nanocomposite and 2014 Al alloy side were reduced in comparison with base metal, but it should be note that hardness value of joint boundary in 2014 Al alloy side was not the minimum value. While the bending strength of nanocomposite significantly reduced by increasing the reinforcement content, fracture in all cases were found to occur by brittle mechanism with cleavage morphology and that the crack was developed in the nanocomposite side. The results of friction welding of nanocomposite containing 5wt% Al 2 O 3 , demonstrated that the axial up-set and the width of Z pl region were increased by increasing the frictional forging pressure and also increasing the rotation speed. Also TEM study of Z pl region in these system, showed the uniform distribution of Al 2 O 3 nano particles, but Al nanocrystalline structure did not remain in nano sized scale in these zone probably because of formation of recrystallized grains. Keywords: , Nanocomposite, Friction Welding, Al 2 O 3 Nano Particles, 2014 Al Alloy, Mechanical Milling, Hot Pressing, Dissimilar Welding.
امروزه کامپوزیت های زمینه آلومینیمی تقویت شده با ذرات سرامیکی، به عنوان دسته ای از انواع مواد پیشرفته، کاربرد وسیعی در صنعت پیدا کرده اند. اتصال کامپوزیتهای زمینه آلومینیمی با روشهای گوناگونی مبتنی بر جوشکاری ذوبی و جوشکاری حالت جامد انجام میگیرد. در این میان جوشکاری اصطکاکی، به عنوان یکی از روشهای جوشکاری حالت جامد، نسبت به روشهای ذوبی مزایای عمدهای چون حرارت ورودی کمتر، تنشهای پیچشی و حرارتی پایینتر و عدم تشکیل ریزساختارهای نامطلوب حاصل از انجماد دارد. در این پژوهش ابتدا به وسیلهی آسیاب کاری مکانیکی پودرهای نانوکامپوزیتی زمینه آلومینیمی با مقادیر 5، 10 و 15 درصد وزنی نانو ذرات 3 O 2 Al تولید شد. سپس با استفاده فرآیند پرس گرم از پودرهای مذکور قطعات بالک تهیه گردید (در ابعاد mm 12×12×42). در نهایت قطعات بالک تولیدی با ثابت در نظر گرفتن متغیرهای جوشکاری به طور نامتجانس به آلومینیم 2014 متصل شد. نتایج نشان میدهد پس از 5 ساعت آسیابکاری اندازه دانهها به حدود 75 نانومتر رسیده و پس از پرس گرم نیز ثابت میماند. همچنین درحالیکه سختی با افزایش مقدار تقویت کننده افزایش مییابد، دانسیته و استحکام خمشی روندی نزولی دارند. در ضمن مکانیزم شکست در مورد نانوکامپوزیتهای تولیدی شکست ترد از بین ذرات پرس شدهی پودر برآورد میشود. بررسیهای ریزساختاری در مورد جوشکاری اصطکاکی نامتجانس نانوکامپوزیتهای تولیدی به آلومینیم 2014، وجود یک ناحیهی کاملاً تغییر فرم یافته (Z pl ) در مرز اتصال و یک ناحیهی نسبتاً تغییر فرم یافته (Z pd )را در نواحی دورتر از خط اتصال در هر دو سمت جوش نشان میدهد. تغییر فرم پلاستیکی، مخلوط شدن مکانیکی و دمای بالا در مجاورت خط اتصال سبب یکنواختی ناحیهی Z pl در سمت نانوکامپوزیتی شده و اثری از مرزهای بین پودری و ساختار لایهای ناشی از آسیابکاری در این ناحیه به چشم نمیخورد. با افزایش مقدار تقویت کننده در سمت نانوکامپوزیتی گرچه حرارت تولیدی افزایش مییابد، اما به علت تغییر فرم پلاستیکی وسیع در نانوکامپوزیت 5 درصد وزنی، مقدار فرو رفتگی محوری و پهنای ناحیهی Z pl در این سیستم بیشترین مقدار را دارند. در تمام موارد، سختی موضع جوش در سمت نانوکامپوزیتی و سمت آلومینیم 2014 نسبت به فلز پایه کاهش یافته است، اما لازم به ذکر است در سمت آلومینیم 2014 سختی در مرز اتصال کمترین مقدار خود را ندارد. در حالیکه با افزایش مقدار تقویت کننده در سمت نانوکامپوزیتی استحکام خمشی به شدت کاهش مییابد، مکانیزم شکست در تمام موارد شکست ترد با مورفولوژی رخبرگی بوده و ترک درون سمت نانوکامپوزیتی گسترش یافته است. نتایج در مورد جوشکاری اصطکاکی متجانس نانوکامپوزیت 5 درصد وزنی نشان میدهد با افزایش فشارهای اصطکاکی و فورجی و نیز افزایش سرعت دوران، فرو رفتگی محوری و پهنای ناحیهی Z pl افزایش مییابد. در ضمن مطالعهی ناحیهی Z pl این سیستم به وسیلهی میکروسکوپ الکترونی عبوری، ضمن تأیید یکنواختی توزیع نانو ذرات، نشان میدهد احتمالاٌ به دلیل تشکیل دانههای حاصل از تبلور مجدد، ساختار نانومتری در این ناحیه از بین رفته است. کلمات کلیدی: نانوکامپوزیت، جوشکاری اصطکاکی، نانو ذرات 3 O 2 Al، آلومینیم 2014، آسیابکاری مکانیکی، پرس گرم، جوشکاری نامتجانس.