SUPERVISOR
Abbas Ghaei,Ali Maleki
عباس قائی (استاد راهنما) علی مالکی (استاد مشاور)
STUDENT
Mojaba Sadegh
مجتبی صادق
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Study of Surface Pattern Influence on Bonding Strength of Powder to Aluminum in Al/Al-Sio2 Nanocomposite Bimetal
Bimetals are widely used in various industries including aerospace, military, marine and infrastructure. In these industries, materials with high strength to weight ratio are required. Aluminum is one of the most widely used metals due to its certain properties such as low weigh, high electrical and thermal conductivity and corrosion and wear resistance. Powder-solid bimetals made up of metal sheets and ceramic powder are popular because of combination of the metal’s properties (high formability) and ceramics (high young's modulus). In comparison to macro-scale powder, nanoscale powder generally yields more desirable mechanical properties. Adhesion of powder to bimetal strips is essential in creating the integrity of structure and desired properties of these materials. In this study, the effect of creating grooves with different shapes and patterns on the surface of aluminum strips in bimetal aluminum-aluminum powder/nanosilica on adhesion of powder to strip was investigated. To create adhesion, aluminum oxide layer that is naturally formed on the surface of aluminum should be removed. Grooves can help break the oxide layer and improve adhesion through creating stress concentration points. Therefore, in this study, groove with different shapes and patterns were modeled on the surface using Abaqus finite element package. As the samples are pressurized during compaction, a pressure boundary condition was enforced on the surface of strips. Using the simulation results, the grooves on which the longitudinal tensile stress in the oxide layer was higher than the ultimate tensile strength of alumina were selected for experimental testing. The selected grooves were created on the surface of aluminum strips through the machining process. 1WT% of nanosilica powder were mixed with pure aluminum powder using a planetary ball mill at 250 rpm for 2 hrs. The powder was then placed between aluminum strips and compacted under 200 MPa pressure. The specimens were then sintered for 1 hr at 600 °C in a furnace with Argon atmosphere. The adhesion was evaluated by peeling test according to ASTM-D1876-01. The effect of type, depth, and density (number of grooves in 4 mm length) of grooves on the adhesion force was studied and the optimum pattern was introduced. The results were analyzed by observing the images of microstructure. The results showed that the simulation results are qualitatively in good agreement with the experimental results. The uniaxial stress-strain curves of the samples were obtained using uniaxial tensile test according to ASTM-E8 and the effect of different groove patterns on the mechanical properties was studied. It was also observed that samples that exhibit greater adhesion in peeling test have a higher tensile strength. The groove pattern with density of 3, depth of 0.8 mm and shape of square was found to be optimal among the samples in terms of the adhesion force. Keywords: Aluminum matrix nano composites, Solid-nanopowder bimetals, Adhesion, Surface patterns.
دوفلزیها کاربرد گستردهای در صنایع مختلف ازجمله هوافضا، نظامی، دریایی و زیرساخت دارند. در این صنایع به موادی با نسبت استحکام به وزن بالا نیاز است و آلومینیوم به علت خواص ویژهای چون وزن کم، هدایت الکتریکی و حرارتی بالا و مقاومت در برابر خورندگی و سایش، از پرکاربردترین فلزات در این صنایع به شمار میرود. دوفلزیهای پودر-جامد که با ورقهای فلزی و پودر سرامیکی ساخته شدهاند، به علت تلفیق خواص فلزات (همچون شکلپذیری) و سرامیکها (مثل مدول یانگ بالا) مورد توجه قرار دارند و البته استفاده از پودر در مقیاس نانو در مقایسه با پودر با ابعاد بالاتر عمدتاً به علت افزایش سطح تماس بیشتر، خواص مؤثرتری ایجاد میکند. چسبندگی پودر به نوارهای دوفلزی در ایجاد یکپارچگی و ساختار مطلوبتر این مواد ضروری است. در این پژوهش، تأثیر ایجاد شیار بر روی سطح نوارهای آلومینیومی در دوفلزی آلومینیوم – پودر آلومینیوم/نانوسیلیکا بر میزان چسبندگی بررسی شده است. لازمهی ایجاد چسبندگی رفع مزاحمت اتصال بین پودر و ورق فلزی و در رأس آنها اکسید آلومینیوم است که به شکل طبیعی روی سطح ایجاد میشود و ایجاد شیار میتواند با ایجاد نقاط تمرکز تنش به راحتتر شکستن این لایه و درنتیجه بالا رفتن میزان چسبندگی کمک کند.ازاینرو در این تحقیق، ابتدا، الگوهای شیار مختلف بر روی سطح به همراه لایهی اکسید آلومینیوم، در نرمافزار Abaqus 6-13 مدلسازی شدند. ازآن جاکه در مراحل ساخت این نوع از دوفلزی نمونهها تحت فشار قرار خواهند گرفت، مدل بعد از ایجاد بارگذاری فشاری با حل گر Abaqus/Standard تحلیل گردید. سپس با انتخاب مسیری روی سطح شیار، توزیع تنش محاسبه شد و شیارهایی که تنش کششی ایجادشده درلایه ی اکسیدی روی آنها در فاصله بزرگتری، بیشتر از حد تسلیم اکسید آلومینیوم بود برای ساخت و آزمون عملی انتخاب شدند. سپس این شیارهای منتخب به روش ماشینکاری با فرز منوال روی نوارهای آلومینیومی ایجاد شدند. پودر مخلوط 1 درصد وزنی نانوسیلیکا/آلومینیوم در آسیاب گلولهای سیارهای با سرعت 250 دور بر دقیقه و مدت 2 ساعت هر بار به میزان 25 گرم تهیه شد. سپس نمونهها در قالب فشردهسازی تحت فشار 200 مگاپاسکال قرار گرفتند. سپس در کورهی تحت گاز آرگون به مدت 1 ساعت و در دمای 600 درجه سانتیگراد تف جوشی شد. چسبندگی پودر به فلز با آزمون ورکنی بر اساس استاندارد ASTM-D1876-01 انجام و پس از بررسی تأثیر نوع و عمق و تراکم (تعداد شیار در 4 میلیمتر طول) الگوی بهینه معرفی شد و نتایج با مشاهدهی ریزساختار با میکروسکوپ نوری تحلیل شد. مقایسه نشان داد نتایجحاصل با نتایج تحلیل اجزای محدود مطابقت خوبی دارد. همچنین آزمون کشش محوری بر اساس استاندارد ASTM-E8 روی نمونههای کشش انجام شد و تأثیر الگوهای مختلف شیار بر استحکام کششی نمونه از طریق تحلیل نتایج مشخص گردید. همچنین مشاهده شد نمونههایی که چسبندگی بیشتری در آزمون ورکنی نشان دادهاند، استحکام کششی بالاتری نیز دارند. الگوی شیار با تراکم 3، عمق 8/0 میلیمتر و شکل A (که هندسه ی آن در متن پروژه مشخص شده است) از نظر طول مؤثر حاصل از تحلیل اجزای محدود و چسبندگی حاصل از آزمون ورکنی و استحکام کششی حاصل از آزمون کشش محوری، الگوی شیار بهینه است. کلمات کلیدی: نانو کامپوزیت زمینه آلومینیوم، دوفلزی جامد – نانو پودر، چسبندگی، الگوی سطحی.