SUPERVISOR
Fakhreddin Ashrafizadeh,MohammadReza Toroghinejad
سيدفخرالدين اشرفي زاده (استاد مشاور) محمدرضا طرقي نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Reza Vafaei
رضا وفائي
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1386
TITLE
Generation of Nano-sized Grains by High Pressure Torsion (HPT) and Evaluation of Microstructure and Mechanical Behavior in a 2024 Aluminium alloy
Generation of Nano-sized Grains by High Pressure Torsion (HPT) and Evaluation of Microstructure and Mechanical Behavior in a 2024 Aluminium alloy In the present study, the process of high pressure torsion (HPT) is used on a commercial 2024 aluminium alloy in order to evaluate the effects of SPD on microstructure, flow stress and hardness at various conditions of temperature, aging and strain rate. The results indicated that not only a very fine microstructure is achievable by this process, but also aging behavior accompanied with SPD can produce special effects on final mechanical properties of this alloy. Studies on severely deformed samples by optical microscopy (OP), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and selected area electron diffraction (SAED) have clearly indicated that structures down to nano-sized grains can be achieved by HPT processing technique. The influential effects of intermetallics and different precipitates already present in the alloy as well as aging constituents, precipitated before, during and after HPT processing on grain refinement and mechanical properties were also studied. The results indicated that alloying elements and temperature have marked influence on grain morphology and ultra fine grain refinement. Coarse intermetallics did not seem to have a noticeable effect on the mechanisms of grain refinement. Such compounds were simply fragmented and distributed or dissolved in the microstructure during SPD process. Energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis of alloying elements provided the identification of soluble and insoluble compounds within the matrix. Furthermore, the insitu behavior of flow stress during HPT deformation and post-microhardness measurements on samples deformed at different temperatures (in the range of -196°C to 400°C) clearly indicated that HPT processing technique is an effective means of acquiring very high hardness (three folds of original value) and flow stress in this alloy. The production of ultrafine nano-sized grains of 20-60 nm by this process at -196°C resulted in highest flow stress though no marked increase in hardness in comparison with HPT deformed samples at room temperature was observed. A marked difference between microhardness distribution across the diameters of pre aged and post aged samples were recorded which indicated the influential effects of aging constituents on the microstructure of the alloy. The best uniformity in distribution of microhardness was measured on HPT deformed samples, post-aged at 190°C. Also insitu HPT deformation at various strain rates in the range of 0.04-0.6 rev/min at different temperatures showed no noticeable effect on flow strength of the alloy. Keywords: Aluminium alloy; High pressure torsion; Nano-sized structure; Electron microscopy; Micro-hardne Aging
چکيده اعمال تغيير شکل پلاستيک شديد روي بسياري از فلزات جهت ايجاد دانههاي فوقريز و نانو و در نتيجه ايجاد خواص مکانيکي منحصر بهفرد در چند سال اخير توجه محافل تحقيقاتيِ زيادي را به خود جلب نموده است. نتايج حاصله روي بسياري از فلزات خالص نشان داده است که فرايندهاي مختلفِ تغييرشکل پلاستيک شديد ميتوانند روشي موثر براي رسيدن به چنين اهدافي باشند. در اين تحقيق با استفاده از فرايند پيچش تحت فشار بالا (HPT) تاثيرِ اعمالِ تغييرشکل پلاستيک شديد روي ساختار، سختي و تنشِ سيلانِآلياژ آلومينيوم 2024 در شرايط مختلفِ دما، نرخ کرنش و عمليات پيري مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است. اعمالِ تغييرشکلِ پلاستيک شديد روي آلياژ آلومينيوم 2024 نه تنها فوقريز شدنِ ساختار را به همراه دارد بلکه پيرسختي پذيري آن همراه با تغييرشکل پلاستيک شديد اثرات خاصي را روي خصوصيات مکانيکيِ آلياژ بهوجود ميآورد. بررسيهاي انجام شده روي نمونههاي تغييرشکل يافته به کمک ميکروسکوپهاي نوري، الکترونيِ روبشي (SEM) و الکتروني عبوري (TEM)، پراش الکترونيِ حوزه انتخابي (SAED)، نشان داد که اعمالِ تغييرشکل پلاستيک شديد در شرايط مختلف منجر به ايجادِ دانههاي فوقريز و نانو در اين آلياژ ميشود. در اين راستا، چگونگيِ ريز شدنِ دانهها ونقش ذراتِ بينِ فلزي و رسوبات در رابطه با مکانيزم تشکيلِ دانههاي فوق مورد مطالعه قرار گرفته است. نتايجِ بدست آمده نشان ميدهند هر چند عناصر آلياژي و دما نقش به سزايي در رابطه با ايجاد دانههاي فوقريز و مورفولوژي آنها دارند ولي وجودترکيبات بين فلزي درشت اثرِ قابل توجهي روي مکانيزم ايجاد دانههاي فوقريز ندارند. اين ذرات در محلول جامد فلز به راحتي خُرد و توزيع ميشوند. برخي از اين ذرات در حين تغييرشکل نيز در زمينه حل ميشوند. شناساييِ عناصرِ موجود در اين ترکيبها با استفاده از نمودارِ طيفسنجي تفکيک انرژي (EDS)، امکانِ مشخص کردنِ فازهاي قابل حل و غيرقابل حل در زمينه را مهيا نمود. همچنين ارزيابي گشتاور در حينِ فرايندِ پيچش تحتِ فشارِ بالا و ارزيابيهاي ميکروسختي بعد از اعمال تغييرشکل، به خوبي نشان داد که اعمال تغييرشکل پلاستيک شديد روش موثري جهت ايجادِ سختيِ بالا (تا حدود 3 برابر) در اينگونه آلياژها ميباشد. اعمال تغييرشکل در محدوده دماهايC°196- تاC °400 نشان داد که دما اثر فاحشي روي ساختار نهايي و تنشِ سيلانِ ماده دارد. ايجاد ساختار نانو در محدوده اندازههاي nm 60-20 به وسيلهي اعمال پيچش تحت فشار بالا در دماي C ° 196- بيشترين افزايش در منحنيِ تنشِ سيلان را حاصل نمود ولي سختي در مقايسه با نمونههايي که در دماي محيط تغيير شکلِ شديد يافته بودند، تغيير محسوسي از خود نشان نداد. تاثير عملياتِ پيري قبل و بعد از HPT روي سختي نيز يکي ديگر از پارامترهاي اساسي است که در توزيع سختي در امتداد قطر نمونهها ميتواند اثرات قابل توجهي داشته باشد. بهترين يکنواختي در توزيع سختي در امتدادِ قطر نمونهها پس از اعمال HPT در دماي محيط و سپس پيرکردنِ آلياژ در دمايC°190 حاصل شد. همچنين نرخ کرنش در دماهاي مختلف و در محدودهي 04/0 تا 6/0 دور در هر دقيقه اثر قابل توجهي روي تنش سيلان از خود نشان نداد. کلمات کليدي: آلياژ آلومينيوم؛ پيچش تحت فشار بالا؛ ساختار نانو؛ ميکروسکوپ الکتروني؛ سختي؛ پيري