SUPERVISOR
Kaivan Raissi,MohammadReza Toroghinejad
کيوان رئيسي (استاد راهنما) محمدرضا طرقي نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Hajar Farajzadeh dehkordi
هاجر فرج زاده دهکردي
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Investigation of microstructure and mechanical properties of Nano hybrid composite of Aluminum/Alumina/Titanium carbide produced by rolling processes
In this study, Accumulative Roll Boning (ARB) and anodizing processes were used as useful proceeses to fabricate the nano Al/Al 2 O 3 /TiC hybrid composite with highly uniform distributed reinforcement particles. By anodizing the aluminum strips at different times, alumina layer with various thicknesses was achieved. Using the anodized strips with different thicknesses of alumina layer and adding TiC particles, Al/Al 2 O 3 /TiC hybrid composites were fabricated with different volume fractions of alumina and TiC particles. Before the fabricating hybrid composite, the peeling test was utilized for evaluating the effective parameters on bond strength of aluminum/aluminum layers. The results of this test demonstrated that increasing the thickness of alumina layer causes to enhance the bond strength of Al/Al layers and by increasing the volume fraction of TiC particles, the bond strength is declined. Microstructur e of composites in different cycles of ARB process was evaluated by scanning electron microscopy (SEM). The microscopic observations showed that after one cycle, departing and fracturing phenomena occurs in brittle alumina layer and by increasing the number of rolling cycles; the alumina fragments break down to finer particles. By applying eight rolling cycles, the distribution of reinforcement particles (Al 2 O 3 and TiC) in aluminum matrix became completely uniform. For evaluating the mechanical properties of produced hybrid composite in different cycles of process, the tensile test, shear punch test and microhardness test were utilized. It was found that if the number of ARB cycles is increased; the mechanical properties of the hybrid composite such as tensile strength, ultimate shear strength and microhardness were enhanced consequently. Elongation of composite samples; decreased dramatically in the first and two steps of composite production (initial four cycles) and it improved by progressing the process to 8th cycle. The results showed that for composites produced by ARB process, the presence of up to 1.6 vol.% alumina and 1 vol.% of TiC particles in aluminum matrix considerably enhance the tensile strength of hybrid composite. Whereas, increasing the amount of alumina and TiC particles more than the said volume fractions, declines the tensile and shear strength. SEM observations of fracture surfaces after tensile test revealed that the failure mode in produced composites by ARB process was shear ductile rupture. The crystallites size that measured by MAUD software for aluminum and the composite produced by eight cycles of ARB process reached to 155 nm and 75 nm, respectively. Finally Al/Al 2 O 3 /TiC hybrid composite was produced by Cross Roll Accumulative Roll bonding (CR-ARB) process. Comparsion of microstructure of ARB and CR-ARB processed composites indicated that the distribution of particles in CR-ARB processed composite is more uniform than the ARB processed composite. The results of investigation of mechanical properties showed that the CR-ARB processed composites have better mechanical properties as tensile and ultimate shear strength, microhardness and elongation. Keywords : Hybrid composites, Al/Al 2 O 3 /TiC, Accumulative roll bonding (ARB), Cros
چکيده در پژوهش حاضر نانو کامپوزيت هيبريدي آلومينيوم/آلومينا/کاربيد تيتانيم با درصدهاي حجمي مختلف ذرات تقويت کننده با استفاده از فرايند هاي نورد تجمعي (ARB) و آندايزينگ ساخته شد و خواص مکانيکي و ريزساختار آن مورد بررسي واقع گرديد. به منظور ساخت کامپوزيت مذکور با درصدهاي حجمي مختلف ذرات تقويت کننده، ورق هاي آلومينيوم با ضخامت هاي مختلف آندايز شدند و کاربيد تيتانيم نيز به صورت پودر به ساختار کامپوزيت افزوده شد. قبل از اقدام به توليد کامپوزيت، شرايط ايجاد پيوند بين ورق هاي آلومينيوم در حضور لايه آلومينا با ضخامت هاي مختلف و پودر کاربيد تيتانيم با درصد هاي حجمي متفاوت، توسط آزمون لايه کني بررسي و پارامترهاي موثر بر پيوند ايجاد شده مورد مطالعه قرار گرفت. به منظور بررسي خواص مکانيکي کامپوزيت هاي توليد شده از آزمون هاي کشش تک محوري، سنبه برشي و ريز سختي سنجي استفاده شد. نحوه توزيع ذرات تقويت کننده در زمينه در سيکل هاي مختلف فرايند با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني روبشي ((SEM مورد مطالعه قرار گرفت. سطوح شکست نمونه ها پس از آزمون کشش نيز توسط ميکروسکوپ الکتروني روبشي بررسي گرديد و مکانيزم شکست در کامپوزيت هاي توليد شده تعيين شد. پارامترهاي ريزساختاري از قبيل اندازه دانه فرعي، ميکرو کرنش و دانسيته نابجايي ها با استفاده از نرم افزار MAUD به دست آمد. در ادامه کامپوزيت هيبريدي آلومينيوم/ آلومينا/ کاربيد تيتانيم با استفاده از فرايند نورد تجمعي متقاطع (CR-ARB) توليد و خواص مکانيکي و ريزساختار آن با کامپوزيت توليد شده با فرايند ARB مقايسه گرديد. نتايج حاصل از انجام آزمون لايه کني نشان داد که افزايش ضخامت لايه آلومينا، منجر به افزايش استحکام پيوند ورق هاي آلومينيوم گرديده است. در ضمن افزودن مقدار پودر کاربيد تيتانيم در بين ورق هاي آلومينيوم، موجب کاهش استحکام پيوند بين آن ها شد. مشاهدات ريزساختاري نشان داد که با افزايش تعداد سيکل نورد تجمعي، توزيع ذرات تقويت کننده در زمينه يکنواخت تر شده و پيوند بين ذرات و زمينه بهبود مي يابد. با بررسي خواص مکانيکي مشخص شد که افزايش تعداد سيکل نورد موجب افزايش استحکام کششي، استحکام برشي نهايي و ريز سختي گرديده است. به علاوه درصد ازدياد طول کامپوزيت در سيکل هاي اوليه دچار کاهش شده و پس از آن روند افزايشي را طي کرد. بررسي تأثير افزايش درصد حجمي فازهاي تقويت کننده نشان داد که در مقدار کاربيد تيتانيم ثابت، با افزايش ميزان آلومينا تا حدود6/1 درصد حجمي، استحکام کامپوزيت افزايش و در مقادير بيشتر آلومينا، کاهش مي يابد. در حالي که در مقدار ثابت آلومينا، افزودن بيش از 1 درصد حجمي کاربيد تيتانيم استحکام را کاهش مي دهد. بررسي سطوح شکست نمونه ها نشان داد که مکانيزم شکست در کامپوزيت هاي توليد شده با فرايند ARB از نوع شکست نرم برشي مي باشد. اندازه گيري پارامترهاي ريزساختاري با استفاده از نرم افزار MAUD نشان داد که پس از انجام هشت سيکل فرايند ARB، اندازه دانه در کامپوزيت هيبريدي و آلومينيوم خالص به ترتيب حدود 75 و 155 نانومتر شده است. درضمن کامپوزيت توليد شده با فرايند CR-ARB، داراي ريزساختار يکنواخت تر و خواص مکانيکي بهتري نسبت به کامپوزيت توليد شده با فرايند ARB بود.