بررسي تحولات فازي و ايجاد ساختار هاي دوگانه نانو/فوق ريز دانه در آلياژ Al6061 حين نورد تبريدي و فرايند اصطکاکي اغتشاشي

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.

آلياژهاي آلومينيوم گروه Al-Mg-Si نظير Al6061 ضمن برخورداري از خواص مطلوبي مانند چگالي کم، مقاومت در برابر خوردگي و نسبت استحکام به وزن قابل قبول داراي نقاط ضعفي نظير سختي و مقاومت به سايش پايين هستند. اين نقايص موجب ايجاد محدوديت در کاربرد آلومينيوم و آلياژهاي آن شده است. به همين دليل در طي سالهاي اخير روش هاي مختلفي از جمله ايجاد ساختار ريز دانه جهت رفع اين مشکلات به کارگرفته شده است. يکي از مسيرهاي توليد مواد ريزدانه استفاده از روش هاي تغيير شکل پلاستيک شديد است. در اين پژوهش از فرايند نورد تبريدي براي توليد پيوسته مواد فوق ريزدانه استفاده شد و براي بهينه سازي ترکيب استحکام و چقرمگي با در نظر گرفتن فاکتورهاي ورودي شامل کرنش، درصد کاهش در هر پاس،سرعت نورد، زمان نگه داري در نيتروژن مايع و دما و زمان پيرسازي طراحي آزمايش ها با روش تاگوچي انجام گرفت. با اعمال پارامترهاي بهينه فرايند شامل 85% کرنش، 5% کاهش در هر پاس، سرعت نورد rpm 8، و اعمال عمليات پير سازي در دماي C ° 130 به مدت 30 ساعت آلياژ Al6061 با ساختار توزيع دوگانه اندازه دانه ها با تنش تسليم و استحکام کششي به ترتيب معادل 362 و 388 مگاپاسکال و 4/12% انعطاف پذيري توليد شد. بررسي ريزساختار نمونه ها با آناليز EBSD ساختاري با توزيع دوگانه دانه هاي فوق ريز در کنار دانه هاي ميکرومتري را نشان داد. همچنين بر اساس بررسي تصاوير TEM و نتايج آناليز EBSD و حضور مرزدانه هاي اصلي و فرعي و نيز رسوبات پس از انجام فرايند نورد تبريدي و پس از انجام عمليات پيرسختي، مکانيزم ايجاد ساختاري با توزيع دوگانه اندازه دانه ها به صورت زير پيشنهاد شد. در مکانيزم پيشنهادي وقوع تبلورمجدد در مراحل پاياني نورد تبريدي در اثر اعمال کرنش و رسيدن به انرژي ذخيره شده بحراني در ماده از يک طرف و ايجاد رسوبات Mg 2 Si در ريزساختار حاصل از فرايند نورد تبريدي و قبل از انجام عمليات پيرسازي به دليل بالا رفتن عيوب ساختاري و ايجاد مسيرهاي نفوذ سريع (نابجايي ها) از طرف ديگر، باعث ايجاد تفاوت در مهاجرت مرزدانه ها و مرحله رشد پس از وقوع تبلورمجدد در مرحله پيرسازي و در نهايت ايجاد ساختاري باتوزيع دوگانه اندازه دانه ها معرفي شده است. بررسي بافت نمونه ها نشان داد، بافت غالب پس از انجام فرايند نورد تبريدي و نيز پس از انجام فرايند پيرسازي بافت مکعبي است. بررسي تصاوير TEM نشان داد رسوبات استحکام بخش در نمونه نورد تبريدي و پيرسازي شده، رسوبات سوزني " ? و رسوبات کروي '? بوده است. ميزان افزايش استحکام در اثر توزيع اين رسوبات در ساختار 11/88 مگاپاسکال محاسبه شد. بررسي پايداري حرارتي نشان داد رفتار مکانيکي مناسب اين آلياژ تا دماي C ° 200 نيز حفظ مي شود. در ادامه پژوهش تحولات ريزساختاري در فرايند اتصال اصطکاکي اغتشاشي به دليل برخورداري از مزايايي نظير حرارت ورودي کم و کنترل ساده فرايند از طريق کنترل پارامتر هاي آن در دو حالت معمولي و زير آب بررسي شد. نتايج نشان داد با اعمال فرايند اتصال اصطکاکي اغتشاشي ماکزيمم دماي بدست آمده بيش از C ° 300 است. در اين دما رسوبات " ? به راحتي حل مي شود. اما در ادامه با کاهش دما و سرد شدن قطعه، رسوبات ?' - Mg 2 Si در ساختار ايجاد مي شوند و از آنجايي که رسوبات '? تاثير کمتري در استحکام بخشي نسبت به " ? دارند، مقادير سختي کمتري بدست مي آيد. اين درحالي است که با اعمال فرايند اتصال در زير آب به دليل حرارت ورودي کمتر ، قطعات دماي پايين تري را تجربه کرده و لذا خواص مکانيکي بعد از اتصال به دليل حضور رسوبات استحکام بخش در ساختار و نيز رشد دانه کمتر داراي مقادير بالاتري است. اندازه دانه ها در فرايند اتصال اصطکاکي اغتشاشي در حالت معمولي و در زير آب به ترتيب معادل µm 3/4 و µm 3/1 بدست آمد. همچنين با در نظر گرفتن تغييرات دمايي در سطح نمونه در فرايند اتصال اصطکاکي اغتشاشي بر طبق مدل هينس و وکيو اندازه دانه نهايي پيش بيني شده معادل µm 49/4 بدست آمد که حاکي از تطابق خوب مدل با اندازه واقعي دانه هاست. بررسي رفتار سايشي نمونه ها نشان داد در ميان نمونه ها نمونه نورد تبريدي و پيرسازي شده داراي بيشترين مقاومت به سايش بدليل داشتن ساختاري با اندازه دانه هاي کمتر و سختي بيشتر است. مکانيزم سايش غالب براي نمونه هاي Al6061 ، نورد تبريدي شده و پيرسازي شده سايش خراشان و سايش چسبان است، البته نمونه پيرسازي شده داراي سطح سايش نسبتا صاف تر است. همچنين نمونه فرايند شده با روش اصطکاکي اغتشاشي در زير آب به دليل سختي بالاتري و دانه هاي ريزتر در منطقه اغتشاش داراي رفتار سايشي بهتري در مقايسه با حالت معمولي است. در سطح سايش نمونه هاي جوشکاري شده ترک هايي ايجاد شده است که مي تواند ناشي از تنش هاي پسماند در حين فرايند جوشکاري باشد که در نهايت منجر به سايش ورقه اي شده است. چقرمگي شکست بر طبق مدل انرژي فرورونده در آزمون نانو فرورونده براي نمونه هاي Al6061-T6 ، نورد تبريدي شده و پيرسازي شده به ترتيب برابر با 07/36، 57/22 و 44/39 مگاپاسکال بدست آمد.