SUPERVISOR
Abbas Najafi-zadeh,MohammadReza Toroghinejad
عباس نجفي زاده (استاد راهنما) محمدرضا طرقي نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Azin Ahmadi
آذين احمدي
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Evaluation of Microstructure and Mechanical Properties of Nano- Hybrid Composite of Aluminum/Alumina/Siliconcarbide Produced by Accumulative Roll Bonding
In this study, two different methods including accumulative roll boning ( ARB ) and cross roll accumulative roll bonding (CRARB) processes were used for the fabrication of Al/Al 2 O 3 /SiC hybrid composite. Anodizing process was used to grow alumina layer on the substrate of aluminum strips to introduce the Al 2 O 3 particles to the matrix. Also, silicon carbide powder was manually dispersed between aluminum strips. ARB and CRARB processes were applied successfully for eight cycles on the samples including aluminum strips, alumina layers and siliconcarbide powder. Peeling test was used to investigate the effect of different parameters such as reduction in thickness, alumina layer thickness and the amount of siliconcarbide powder on the bond strength of Al-Al strips. Fractured surfaces of the layers after the peeling test were studied by scanning electron microscopy. Furthermore, microstructural variation of samples within different stage of both ARB and CRARB processes were investigated by sccaning electron microscopy. The mechanical properties of produced composites were evaluated by mechanical tests such as tensile test, shear punch test and microhardness test. Also scanning electron microscopy was applied for the determination of fracture mechanism of the samples after the tensile test. Finally microstructure parameters of ARB -processed samples were calculated by using MAUD software.The results indicated that by increasing the thickness of alumina layers the bond strength of Al/Al strips increases. However, by increasing powder content between strips the bond strength redused. Also, the bond strength of aluminum layers improved with increasing the thickness reduction. Furthermore, it was found that by increasing the number of cycles the disributon of the Al 2 O 3 and SiC particles in the aluminum matrix was improved and the porosity between SiC particles and matrix decreases. Moreover, the tensile strength, shear strength and microharness of produced composites were enhanced by proceeding the processes. Elongation of composite samples, decreased in the first and second steps of composite production by ARB and CRARB processes, but it improved with increasing the process cycles during third step. In general the distribution of particles and maehanical propertices of the composites produced with CRARB process were better than ARB-processed composites. In addition, investigation of the effect of particle content showed that mechanical propertices of samples improwed by increasing the volume fraction of alumina and siliconcarbide particle up to a specific amount. However, higher increasing of particle content reduced the thensile strength and shear strength. SEM observation of fracture surfaces after tensile test revealed that the failure mode of brocken composites produced by ARB process was shear ductile rupture type. The crystallites size composite produced by eight cycles of ARB process was less than 100 nm. Keywords : Al/Al 2 O 3 /SiC hyrid composite, Accumulative roll bonding (ARB), Cross-Roll Accumulative Roll Bonding (CRARB), Bond strength, Alumina layer, Microstructure, Mechanical properties, Fracture surface.
چکيده در پژوهش حاضر دو فرايند مختلف نورد تجمعي پيوندي (ARB) و نورد تجمعي پيوندي متقاطع (CRARB) براي ساخت نانوکامپوزيت هيبريدي Al/Al 2 O 3 /SiC بهکار گرفته شد. از فرايند آندايزينگ براي افزودن ذرات آلومينا به زمينه استفاده گرديد. ذرات کاربيدسيليسيم نيز به صورت پودر بين لايهها توزيع شدند. فرايندهاي ARB و CRARB بهطور موفقيتآميزي بر روي نمونههاي شامل ورقهاي آلومينيوم، لايههاي آلومينا و ذرات پودر کاربيد سيليسيم تا 8 سيکل اعمال گرديد. جهت بررسي تاثير پارامترهايي از قبيل کاهش ضخامت، ضخامت لايه آلومينا و مقدار پودر کاربيدسيليسيم بر استحکام پيوند بين لايههاي آلومينيومي از آزمون لايهکني بهره گرفته شد و سطح لايههاي باز شده پس از آزمون توسط ميکروسکوپ الکتروني روبشي مورد بررسي قرار گرفت. همچنين به منظور بررسي تغييرات ريزساختاري و نحوه توزيع ذرات در طول سيکلهاي مختلف فرايندهاي ARB و CRARB از ميکروسکوپ الکتروني روبشي استفاده گرديد. خواص مکانيکي نمونههاي کامپوزيتي با استفاده از آزمونهاي کشش تک محوره، سنبه برشي و ريز سختي سنجي مورد ارزيابي قرار گرفت. جهت تعيين نوع مکانيزم شکست نمونهها پس از آزمون کشش، از ميکروسکوپ الکتروني روبشي استفاده گرديد. در پايان نيز پارامترهاي ريز ساختاري نمونهها در طول سيکلهاي مختلف فرايند ARB با استفاده از نرمافزار MAUD محاسبه گرديد. نتايج به دست آمده نشان داد که با افزايش ضخامت لايه آلومينا استحکام پيوند بين لايههاي آلومينيومي بهبود پيدا ميکند در حاليکه افزايش مقدار پودر SiC باعث کاهش استحکام پيوند ميشود. افزايش مقدار کاهش در ضخامت نيز منجر به افزايش استحکام پيوند بين ورقها گرديد. بررسي ريزساختاري کامپوزيتها نيز نشان داد که با افزايش تعداد سيکلهاي هر دو فرايند، تخلخل در نمونهها کاهش يافته و توزيع ذرات آلومينا و کاربيدسيليسيم در زمينه بهبود مييابد. به علاوه استحکام کششي، استحکام برشي و ريز سختي نمونههاي توليد شده با افزايش تعداد سيکل ها بهبود يافت. درصد ازدياد طول نمونههاي کامپوزيتي توليد شده به روشهاي ARB و CRARB در دو مرحله اوليه فرايند ساخت کامپوزيت کاهش شديدي پيدا کرد اما با ادامهي فرايند در مرحلهي سوم ساخت کامپوزيت، بهبود يافت. در کل يکنواختي توزيع ذرات در زمينه و خواص مکانيکي کامپوزيتهاي ساخته شده با روش CRARB بهتر از کامپوزيت ARB شده بود. همچنين بررسي اثر تغيير درصد تقويت کننده بر استحکام کششي و برشي کامپوزيتهاي ساخته شده به روش ARB نشان داد که افزايش درصد ذرات تا مقدار مشخصي باعث بهبود در اين خواص ميشود اما پس اين مقدار، خواص کاهش مييابند. با بررسي سطح مقاطع شکست نيز مشاهده شد که مکانيزم شکست در کامپوزيتهاي توليد شده با روش ARB از نوع شکست نرم برشي ميباشد. اندازه دانه کامپوزيت هيبريدي ARB شده پس از 8 سيکل به کمتر از 100 نانومتر رسيد. کلمات کليدي : کامپوزيت هيبريدي Al/Al 2 O 3 /SiC، نورد تجمعي (ARB) و نورد تجمعي متقاطع (CRARB)، استحکام پيوند، لايه آلومينا، ريزساختار، خواص مکانيکي، سطوح شکست.