ارزیابی خواص مکانیکی و ریزساختاری کامپوزیت نانو ساختار Ti-SiC تولید شده بوسیله فرایند نورد تجمعی پیوندی

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

در این پژوهش، از فرایند نورد تجمعی پیوندی (ARB) به عنوان یک روش پیشنهادی برای ساخت کامپوزیت زمینه فلزی CP Ti–SiC استفاده گردید. هدف از این پژوهش، ارزیابی خواص مکانیکی و ریزساختاری کامپوزیت CP Ti–SiC تولید شده به‌وسیله فرایند ARB بود. به همین منظور، کامپوزیت‌های با درصد حجمی ذرات 5/1%، 3% و 5% تولید و با تیتانیم ARB شده بدون حضور ذرات مقایسه شد. بررسی‌های میکروساختاری به‌وسیله میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی و آنالیز الگوی پراش پرتو ایکس، بررسی بافت نمونه‌ها و همچنین بررسی‌های خواص مکانیکی در مراحل مختلف فرایند انجام شد. نتایج بررسی‌ها نشان داد که با افزودن ذرات، استحکام پیوند دو لایه به دلیل کاهش سطح تماس ورق‌ها کاهش می‌یابد. بررسی‌های میکروسکوپی، نشان دهنده کاهش تخلخل و همچنین تحلیل‌های کمّی به‌وسیله روش نزدیک‌ترین همسایه، بیان‌گر بهبود توزیع ذرات تقویت کننده با افزایش تعداد سیکل‌های فرایند بود. آنالیز الگوی پراش پرتو ایکس، قابلیت خوبی برای بررسی متغیرهای میکروساختاری ماده ARB شده نشان داد. به طوری‌که تغییرات اندازه کریستال‌های محاسبه شده با این روش و ناهمسان‌گردی اندازه آنها تطابق خوبی با مشاهدات انجام شده به‌وسیله میکروسکوپ الکترونی عبوری و اندازه‌گیری‌های بافت نشان داد. ریز و هم‌محور شدن ساختار دانه‌ها با افزایش تعداد سیکل ARB به‌وسیله دو روش پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی عبوری مشخص شد. برخلاف مشاهدات انجام شده در کرنش‌های کم و متوسط که نشان دهنده ارجحیت صفحات منشوری برای لغزش در تیتانیم CP است، مشخص شد که در کرنش‌های زیاد فرایند ARB، هر سه صفحه منشوری، قاعده و هرمی فعالیت داشته و در تغییرشکل ماده مؤثر هستند. افزایش استحکام کامپوزیت تولید شده توسط فرایند ARB، بیشتر از نمونه بدون ذرات تقویت کننده تولید شده با این فرایند بود. کامپوزیت‌سازی توسط روش ARB منجر به افزایش بیش از 3 برابری در استحکام تسلیم گردید. با این وجود ازدیاد طول ماده به کمتر از 7 درصد رسید. بررسی سطوح شکست نمونه‌های ARB شده، بیان‌گر تغییر مکانیزم شکست از نرم با حفره‌های برشی به نرم با حفره‌های هم‌محور با افزایش تعداد سیکل برای هر دو نمونه کامپوزیتی و بدون ذرات تقویت کننده بود. این پدیده به افزایش شدید استحکام و همچنین افزایش عیوب داخل ماده ARB شده نسبت داده شد. آنیل نمونه‌های ARB شده به منظور حصول ترکیب استحکام و چقرمگی بالا انجام شد. به دلیل متغیرهای زیاد فرایند مانند درصد ذرات، دما و زمان آنیل، طراحی آزمایش با استفاده از روش تاگوچی انجام گرفت. نمونه ARB شده کامپوزیتی Ti–1.5%SiC که در دمای °C500 به مدت 5 دقیقه آنیل شده بود به عنوان نمونه با شرایط بهینه شناخته شد. استحکام و چقرمگی در شرایط بهینه، به ترتیب MPa 624 و J/m 2 124 به دست آمد که در مقایسه با ماده اولیه (استحکام تسلیم MPa 275 و چقرمگی J/m 2 132) افزایش 3/2 برابری در استحکام تسلیم و حفظ 94% از چقرمگی را نشان داد. ازدیاد طول یکنواخت بسیار زیاد (17%~) ماده تولید شده در شرایط بهینه ناشی از افزایش نرخ کارسختی و نرخ کارسختی نرماله شده در مقایسه با تیتانیم اولیه و مرتبط با ساختار کاملاً تبلورمجدد یافته و بسیار ریزدانه (میانگین اندازه دانه ?m 4/1) تیتانیم ARB و آنیل شده و همچنین حضور ذرات تقویت کننده دانسته شد. بررسی قابلیت تغییرشکل ورق تیتانیم کامپوزیتی تولید شده به‌وسیله ARB و آنیل بعدی در فرایند کشش و کشش عمیق و مقایسه آن با تیتانیم اولیه نشان داد که ورق ARB و آنیل شده قابلیت بیشتری برای تغییرشکل بدون نازک شدن دیواره دارد، در حالی که احتمال ایجاد عیب گوش‌واره‌ای شدن در آن نیز بیشتر است. کلمات کلیدی: تیتانیم خالص تجارتی (CP Ti)، کامپوزیت زمینه فلزی، فرایندهای تغییرشکل شدید (SPD)، نورد تجمعی پیوندی (ARB)، آنیل، طراحی آزمایش تاگوچی