ساخت و ارزیابی ریزساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت نانوساختار آلومینیم – مس با ذرات تقویت کننده ی آلومینا توسط روش اتصال نورد تجمعی (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.

در این پژوهش، کامپوزیت زمینه فلزی آلومینیوم-مس با ذرات تقویت کننده ی آلومینا توسط فرایند نورد تجمعی پیوندی ساخته و خصوصیات مکانیکی و ریزساختاری آن بررسی شد. لایه ی آلومینا توسط فرایند آندایزینگ روی ورق های آلومینیوم تشکیل گردید. سپس ورق آندایز شده بین دو ورق از جنس مس قرار گرفته و فرایند نورد تجمعی پیوندی روی این مجموعه انجام شد. جهت ساخت این کامپوزیت در مرحله ی اول، پارامترهای موثر بر استحکام اتصال ورق ها ارزیابی شد. برای این منظور، ورق ها طی فرایند نورد پیوندی سرد به یکدیگر متصل شدند سپس با انجام آزمون لایه کنی استحکام اتصال آنها ارزیابی شد. عوامل گوناگونی همچون کاهش ضخامت ورق ها، تغییر ضخامت لایه ها و انجام عملیات آنیل پس از نورد پیوندی سرد بررسی شدند. در نهایت سطوح حاصل از این آزمون برای هر دو طرف مس و آلومینیوم با میکروسکوپ های نوری و الکترونی روبشی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج آزمون لایه کنی نشان داد با افزایش میزان کاهش ضخامت و همچنین افزایش ضخامت لایه تا 32 میکرومتر، استحکام اتصال بهبود می یابد. همچنین فرایند آنیل پس از نورد پیوندی، باعث کاهش استحکام اتصال ورق ها شد. در مرحله ی دوم به بررسی کامپوزیت آلومینیوم- مس بدون ذرات آلومینا با درصدهای مختلف مس با تغییر ضخامت لایه های فلزی و انجام فرایند آنیل در زمان ها و دماهای مختلف پرداخته شد. نتایج حاکی از آن بود که با افزایش کسر حجمی مس، استحکام کششی کامپوزیت افزایش ولی ازدیاد طول کاهش یافت. ارزیابی تأثیر فرایند آنیل بر خواص مکانیکی کامپوزیت آلومینیوم- مس حاکی از کاهش استحکام کششی و افزایش ازدیاد طول در زمان های پایین آنیل بود. با افزایش زمان آنیل بر میزان استحکام کششی کامپوزیت افزوده گردید با این وجود، ازدیاد طول کاهش یافت. آزمون پراش پرتو ایکس و آنالیز حرارتی روی کامپوزیت ساخته شده، انجام شد. نتایج نشان داد که طی آنیل کامپوزیت ها، عمدتاً فاز بین فلزی Al 4 Cu 9 تشکیل شد. ارزیابی سطوح شکست نیز نشان داد نحوه ی شکست در کامپوزیت های عملیات حرارتی شده غالباً به شکل ترد بود. در مرحله ی سوم، کامپوزیت آلومینیوم- مس با ذرات آلومینا با استفاده از مقادیر بهینه آزمایشات صورت گرفته با موفقیت طی هفت سیکل نورد تجمعی ساخته شد. ارزیابی های ریز ساختاری نشان داد، با افزایش سیکل های نورد، لایه های بیشتری از مس خرد و در زمینه آلومینیوم توزیع شدند. همچنین ارزیابی خواص مکانیکی با انجام آزمون کشش تک محوری، آزمون خمش سه نقطه ای، آزمون پانچ برشی و ریزسختی ویکرز روی کامپوزیت ساخته شده، انجام شد. نتایج آزمون کشش نشان داد، با افزایش سیکل های نورد تجمعی تا سیکل سوم، استحکام کششی افزایش یافت ولی در سیکل های چهارم و پنجم، استحکام ناگهان کاهش یافت و در نهایت برای دو سیکل ششم و هفتم، استحکام کششی روند افزایشی از خود نشان داد. در ارزیابی سطوح شکست این کامپوزیت ملاحظه شد در سیکل های ابتدایی به دلیل چسبندگی ضعیف لایه های فلزی، حین آزمون کشش این لایه ها از یکدیگر جدا شدند که با افزایش سیکل های نورد تجمعی جدایش لایه ها به شکل قابل توجهی کاهش یافت. اندازه دانه های فرعی لایه های مس و آلومینیوم از داده های پراش پرتو ایکس نمونه ها توسط نرم افزار MAUD ارزیابی شد و نتایج نشان داد طی فرایند نورد تجمعی در هر دو طرف مس و آلومینیوم دانه های فوق ریز تشکیل شده است. کلمات کلیدی : کامپوزیت آلومینیوم-مس-آلومینا، نورد پیوندی سرد، نورد تجمعی، خواص مکانیکی، ریز ساختار و عملیات آنیل.