بررسی تحولات فازی و ایجاد ساختار های دوگانه نانو/فوق ریز دانه در آلیاژ Al6061 حین نورد تبریدی و فرایند اصطکاکی اغتشاشی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Al-Mg-Si aluminum alloys (6xxx series) despite of good properties including, low density, corrosion resistance and acceptable strength to weight ratio, have low hardness and weak wear resistance as weak points. The latter has limited the usage of aluminum alloys. Hence, in recent years, different methods have been introduced in order to obtain fine-grained structures and overcoming the mentioned weaknesses. One of the powerful methods in this regard is sever plastic deformation. In this investigation cryorolling was used to produce continuous ultra-fine grained Al6061 alloy and the multi-response Taguchi method was used to indicate the best strength and ductility. Finally, applying the optimum parameter’s level in cryorolling resulted in 362 MPa and 388 MPa yield and ultimate tensile strength respectively, along with 12.4% elongation. EBSD and TEM analysis showed the microstructure of cryorolled alloy contained bimodal grains (ultra-fine grains besides large grains) and nanometric strengthening Mg 2 Si precipitates. The improved strength of cryorolled alloy is due to the accumulated of dislocation density as a result of deformation at cryogenic temperatures and bimodal grain microstructure after aging heat treatment. The proposed mechanism regarding the formation of bimodal grain structure include partial recrystallization at final stage of cryorolling deformation due to critical stored energy and precipitation of nanosized ?' and ?" strengthening precipitates as result of high dislocation density and rapid atomic diffusion along with dislocations. The former causes different grain growth rate, and the latter plays an important role on grain boundary migration during aging heat treatment. Thermal stability investigation within 100-500 °C temperature range showed release of lattice strain, dissolution of precipitates and grain growth according to the results due to the limited grain growth up to 200 °C, there would be a little decrease in mechanical properties. In the rest of investigation FSW was used for joining bimodal cryorolled Al6061 alloy. Generally due to the heat input and dissolution of strengthening precipitates, mechanical properties decreased and grain size in stir zone in FSW and SFSW was 4.3 µm and 1.3 µm respectively. Also the mentioned structural features of cryorolled samples, resulted in an increase in the hardness. An increase in the wear resistance of cryorolled an aged Al6061 alloy was also observed. The wear mass loss for Al6061-T6, cryorolled and cryorolled followed by peak aged heat treatment were 63.6, 66.2 and 39.5 mgr respectively. According to the evaluation of wear tracks and derbies, for all samples, the abrasive and adhesive mechanisms were the dominant wear mechanisms.

آلیاژهای آلومینیوم گروه Al-Mg-Si نظیر Al6061 ضمن برخورداری از خواص مطلوبی مانند چگالی کم، مقاومت در برابر خوردگی و نسبت استحکام به وزن قابل قبول دارای نقاط ضعفی نظیر سختی و مقاومت به سایش پایین هستند. این نقایص موجب ایجاد محدودیت در کاربرد آلومینیوم و آلیاژهای آن شده است. به همین دلیل در طی سالهای اخیر روش های مختلفی از جمله ایجاد ساختار ریز دانه جهت رفع این مشکلات به کارگرفته شده است. یکی از مسیرهای تولید مواد ریزدانه استفاده از روش های تغییر شکل پلاستیک شدید است. در این پژوهش از فرایند نورد تبریدی برای تولید پیوسته مواد فوق ریزدانه استفاده شد و برای بهینه سازی ترکیب استحکام و چقرمگی با در نظر گرفتن فاکتورهای ورودی شامل کرنش، درصد کاهش در هر پاس،سرعت نورد، زمان نگه داری در نیتروژن مایع و دما و زمان پیرسازی طراحی آزمایش ها با روش تاگوچی انجام گرفت. با اعمال پارامترهای بهینه فرایند شامل 85% کرنش، 5% کاهش در هر پاس، سرعت نورد rpm 8، و اعمال عملیات پیر سازی در دمای C ° 130 به مدت 30 ساعت آلیاژ Al6061 با ساختار توزیع دوگانه اندازه دانه ها با تنش تسلیم و استحکام کششی به ترتیب معادل 362 و 388 مگاپاسکال و 4/12% انعطاف پذیری تولید شد. بررسی ریزساختار نمونه ها با آنالیز EBSD ساختاری با توزیع دوگانه دانه های فوق ریز در کنار دانه های میکرومتری را نشان داد. همچنین بر اساس بررسی تصاویر TEM و نتایج آنالیز EBSD و حضور مرزدانه های اصلی و فرعی و نیز رسوبات پس از انجام فرایند نورد تبریدی و پس از انجام عملیات پیرسختی، مکانیزم ایجاد ساختاری با توزیع دوگانه اندازه دانه ها به صورت زیر پیشنهاد شد. در مکانیزم پیشنهادی وقوع تبلورمجدد در مراحل پایانی نورد تبریدی در اثر اعمال کرنش و رسیدن به انرژی ذخیره شده بحرانی در ماده از یک طرف و ایجاد رسوبات Mg 2 Si در ریزساختار حاصل از فرایند نورد تبریدی و قبل از انجام عملیات پیرسازی به دلیل بالا رفتن عیوب ساختاری و ایجاد مسیرهای نفوذ سریع (نابجایی ها) از طرف دیگر، باعث ایجاد تفاوت در مهاجرت مرزدانه ها و مرحله رشد پس از وقوع تبلورمجدد در مرحله پیرسازی و در نهایت ایجاد ساختاری باتوزیع دوگانه اندازه دانه ها معرفی شده است. بررسی بافت نمونه ها نشان داد، بافت غالب پس از انجام فرایند نورد تبریدی و نیز پس از انجام فرایند پیرسازی بافت مکعبی است. بررسی تصاویر TEM نشان داد رسوبات استحکام بخش در نمونه نورد تبریدی و پیرسازی شده، رسوبات سوزنی " ? و رسوبات کروی '? بوده است. میزان افزایش استحکام در اثر توزیع این رسوبات در ساختار 11/88 مگاپاسکال محاسبه شد. بررسی پایداری حرارتی نشان داد رفتار مکانیکی مناسب این آلیاژ تا دمای C ° 200 نیز حفظ می شود. در ادامه پژوهش تحولات ریزساختاری در فرایند اتصال اصطکاکی اغتشاشی به دلیل برخورداری از مزایایی نظیر حرارت ورودی کم و کنترل ساده فرایند از طریق کنترل پارامتر های آن در دو حالت معمولی و زیر آب بررسی شد. نتایج نشان داد با اعمال فرایند اتصال اصطکاکی اغتشاشی ماکزیمم دمای بدست آمده بیش از C ° 300 است. در این دما رسوبات " ? به راحتی حل می شود. اما در ادامه با کاهش دما و سرد شدن قطعه، رسوبات ?' - Mg 2 Si در ساختار ایجاد می شوند و از آنجایی که رسوبات '? تاثیر کمتری در استحکام بخشی نسبت به " ? دارند، مقادیر سختی کمتری بدست می آید. این درحالی است که با اعمال فرایند اتصال در زیر آب به دلیل حرارت ورودی کمتر ، قطعات دمای پایین تری را تجربه کرده و لذا خواص مکانیکی بعد از اتصال به دلیل حضور رسوبات استحکام بخش در ساختار و نیز رشد دانه کمتر دارای مقادیر بالاتری است. اندازه دانه ها در فرایند اتصال اصطکاکی اغتشاشی در حالت معمولی و در زیر آب به ترتیب معادل µm 3/4 و µm 3/1 بدست آمد. همچنین با در نظر گرفتن تغییرات دمایی در سطح نمونه در فرایند اتصال اصطکاکی اغتشاشی بر طبق مدل هینس و وکیو اندازه دانه نهایی پیش بینی شده معادل µm 49/4 بدست آمد که حاکی از تطابق خوب مدل با اندازه واقعی دانه هاست. بررسی رفتار سایشی نمونه ها نشان داد در میان نمونه ها نمونه نورد تبریدی و پیرسازی شده دارای بیشترین مقاومت به سایش بدلیل داشتن ساختاری با اندازه دانه های کمتر و سختی بیشتر است. مکانیزم سایش غالب برای نمونه های Al6061 ، نورد تبریدی شده و پیرسازی شده سایش خراشان و سایش چسبان است، البته نمونه پیرسازی شده دارای سطح سایش نسبتا صاف تر است. همچنین نمونه فرایند شده با روش اصطکاکی اغتشاشی در زیر آب به دلیل سختی بالاتری و دانه های ریزتر در منطقه اغتشاش دارای رفتار سایشی بهتری در مقایسه با حالت معمولی است. در سطح سایش نمونه های جوشکاری شده ترک هایی ایجاد شده است که می تواند ناشی از تنش های پسماند در حین فرایند جوشکاری باشد که در نهایت منجر به سایش ورقه ای شده است. چقرمگی شکست بر طبق مدل انرژی فرورونده در آزمون نانو فرورونده برای نمونه های Al6061-T6 ، نورد تبریدی شده و پیرسازی شده به ترتیب برابر با 07/36، 57/22 و 44/39 مگاپاسکال بدست آمد.