SUPERVISOR
MohammadReza Toroghinejad,Ali Shafyei
محمدرضا طرقي نژاد (استاد راهنما) علي شفيعي (استاد راهنما)
STUDENT
Ali Shabani
علي شعباني
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Investigating microstructure and mechanical properties of Al/Ni/Cu nano-composite produced by accumulative roll bonding
In this study, accumulative roll bonding and electroplating processes were used simultaneously to produce Al/Ni/Cu composite. Copper sheets were electroplated by nickel. Then accumulative roll bonding process was done on the samples including aluminum layer, nickel coating, copper layer, nickel coating and aluminum layer for eleven cycles successfully. Peeling test was used to evaluate bonding quality of Al-Cu layers in the presence of nickel coating. During peeling tests, the effect of different parameters on the bonding quality of layers was examined. These parameters were reduction in thickness, nickel coating thickness and post rolling annealing treatment. Then peeling surfaces were examined using optical and scanning electron microscopy. Mechanical properties of the produced composite were tested using different tests such as tensile test, three point bending test, hardness test and microhardness test. In order to determine fracture mechanism of samples during tensile test, fracture surfaces were studied by SEM. Samples were heat treated at different times and temperatures and then the formation of intermetallic compounds in different conditions was investigated. Finally, microstructure parameters of the produced composite were calculated using MAUD software. The results showed that coating copper with nickel reduces the bond strength of Al-Cu strips. However, by increasing the thickness of coating, the bond strength was increased, reaching the highest level, as compared with the strips without coating. Also, the increase in the reduction enhanced the bond strength of the layered strips. Yet, a decrease in bond strength was achieved by post-rolling annealing of the layered strips. It was seen that by increasing the number of ARB cycles, the bending strength of produced composite was increased. Also, it was found that when the number of cycles was increased, not only elongation was increased, but also the tensile strength of the composite was improved. Microhardness for different elements in different cycles was also evaluated. A uniform distribution of reinforcement (copper and nickel) in the matrix was seen after eleven cycles of ARB. Also, SEM fractograph of fracture surfaces illustrated that by increasing ARB cycles, fracture mechanism was changed from ductile to shear ductile and partially, to brittle fracture in the final cycles. Investigation of the effect of nickel percent in the composite showed that mechanical properties of composite were reduced in the primary cycles by increasing nickel percent. However, by increasing ARB cycles, an enhancement was seen in the mechanical properties by increasing nickel percent. The study of the effect of heat treatment at different times and temperatures showed that by increasing time and temperature, volume of intermetallice compound in the composite was increased. Formation of AlCu, Al 2 Cu and AlCu 3 compounds in the composite was seen using XRD and EDS tests. The crystallites size measured by MAUD software for aluminum and copper after eleven cycles of ARB process reached to 97 nm and 81 nm, respectively. The results of measurements by rietveld method were compared with those of the other studies. Therefore, it was obvious that the grain size of the produced composite, using ARB process , is less than 100 nm. Keywords : Metal matrix composite, Al/Ni/Cu, Accumulative roll bonding process, Electroplating nickel, Layered nano-composite, Severe plastic deformation, Mechanical properties and Microstructure
چکيده در پژوهش حاضر، براي اولين بار از دو فرايند آبکاري نيکل و نورد تجمعي به طور هم زمان جهت ساخت کامپوزيت Al-Ni-Cu استفاده شده است. فرايند آبکاري نيکل روي ورق هاي مسي انجام شد. سپس فرايند نورد تجمعي تا يازده سيکل به طور موفقيت آميزي روي ساندويچ اوليه شامل لايه هاي آلومينيوم، پوشش نيکل، مس، پوشش نيکل و آلومينيوم صورت گرفت. به منظور بررسي خواص چسبندگي لايه هاي آلومينيوم و مس در حضور پوشش نيکل، از آزمون لايه کني استفاده شد. در طي اين آزمون پارامترهاي مختلف تاثير گذار بر کيفيت پيوند لايه ها، بررسي شدند. از جمله اين پارامترها، مي توان به کاهش ضخامت، ضخامت پوشش نيکل و هم چنين عمليات حرارتي پس از نورد اشاره نمود. سپس با استفاده از ميکروسکوپ نوري و الکتروني روبشي، سطوح داخلي نمونه هاي لايه کني مورد بررسي قرار گرفتند.خواص مکانيکي کامپوزيت هاي توليد شده، با استفاده از آزمون هاي کشش تک محوره ، خمش سه نقطه اي، سختي سنجي و ريزسختي سنجي ارزيابي شد. جهت بررسي مکانيزم شکست، سطوح شکست با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني بررسي شد. سپس عمليات حرارتي در زمان و دماهاي مختلف روي نمونه ها انجام گرفت و اثر اين تغييرات بر تشکيل ترکيبات بين فلزي بررسي شد. در پايان پارامترهاي ريزساختاري کامپوزيت، با استفاده از نرم افزار MAUD به دست آمد.نتايج نشان داد که بر خلاف تصور، با افزايش ضخامت پوشش نيکل، استحکام چسبندگي لايه ها افزايش مي يابد و هم چنين با عمليات حرارتي پس از نورد، کيفيت پيوند لايه ها کاهش مي يابد. در بررسي خواص مکانيکي کامپوزيت، افزايش چشم گيري در استحکام خمشي و استحکام کششي کامپوزيت، مشاهده گرديد. هم چنين با پيشرفت فرايند نورد تجمعي، سختي کل کامپوزيت و سختي تک تک فازها به صورت جداگانه افزايش يافت. در تغييرات ازدياد طول کامپوزيت با افزايش سيکل هاي فرايند، در ابتدا کاهش و سپس افزايش مشاهده گرديد. بررسي اثر ضخامت پوشش بر خواص مکانيکي نيز نشان داد که با افزايش ضخامت پوشش، ابتدا يک کاهش جزيي و سپس افزايش در اين خواص ايجاد مي شود. با بررسي تغييرات ريزساختاري کامپوزيت توليد شده، مشاهده شد که با افزايش سيکل ها، توزيع يک نواختي از تقويت کننده ها (مس و نيکل) در زمينه ي آلومينيومي ايجاد مي گردد. اين مشاهدات در تطابق کامل با نتايج حاصل از آزمون هاي مکانيکي بودند. در بررسي سطوح شکست نمونه ها نيز، مشاهده شد که شکست در ابتدا با مکانيزم تشکيل ديمپل هاي هم محور و عميق، و در انتها با مکانيزم تشکيل ديمپل هاي برشي و کوچک، اتفاق افتاده است.تشکيل ترکيبات بين فلزي با انجام عمليات حرارتي روي نمونه ها بررسي گرديد. از جمله اين ترکيبات تشکيل شده AlCu 3 ، Al 2 Cu و AlCu مي باشند. تشکيل اين ترکيبات با استفاده از الگوهاي پراش پرتو ايکس و هم چنين آزمون EDS اثبات گرديد. کلمات کليدي : کامپوزيت زمينه فلزي، Al-Ni-Cu، فرايند نورد تجمعي، آبکاري نيکل، نانو کامپوزيت لايه اي، تغييرشکل شديد، خواص مکانيکي و ريزساختار.