جوشکاري اصطکاکي – اغتشاشي نانو کامپوزيت AI-B4C توليد شده به روش نورد تجمعي و ارزيابي خواص اتصال

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this study, Al/4 vol.% B4C composite was produced by accumulative roll bonding process after 10 consecutive cycles. Then, Friction Stir Welding of composite samples was performed with tool rotational speeds of 560, 710 and 900 rpm and welding speeds of 100, 200 and 300 mm/min. In order to investigate the influences of pin profile on microstructure and mechanical properties, 4 different pin geometries (cylindrical, square, triangular and hexagonal) were selected to fabricate the joints at 900 rpm–300 mm/min condition. The composite microstructure showed that after 10 ARB cycles, the reinforcement particles were fine and distributed uniformly in the aluminum matrix. Tensile strength and hardness of produced composite were about 2.9 and 2.4 times as high as that of the annealed pure aluminum, respectively, while the elongation decreased from 41% to 8.5%. Fracture surface of composite samples showed ductile dimples. Due to the low welding speed and high pressure tools on composite layer structure, the joining of composites at different rotational speed and also at welding speed of 100 mm/min was not successfully performed. Voids were observed in the stir zone of welds using welding speed of 200, 300 mm/min at 900 rpm that strongly decreased tensile strength. Using greater rotational speed, sufficient heat input was provided for material flow during FSW and desirable joints were obtained. Results showed that the role of heat input and final grain size are more effective than that of the reinforcement size and distribution. Joints obtained at 900 rpm-200 mm/min welding parameter showed the least tensile strength and hardness and the most elongation between other welding parameters, whereas the most tensile strength and hardness and the lowest elongation were achieved in the joint obtained at 710 rpm-300 mm/min condition. Fractography of the tensile fracture surfaces of welded samples revealed ductile dimples which were grown and deeper by increase rotational speed or decrease welding speed. Microstructural evolution of welded samples by various pin geometries showed that the most fragment and distribution of reinforcement particles were obtained by square pin and also the most tensile strength, hardness and elongation were achieved in the joint obtained by this pin. Deep voids were observed in stir zone of hexagonal pin which revealed the least tensile strength, hardness and elongation. Key words: Accumulative roll, Composite, Friction stir welding, Heat input, Microstructure, Mechanical properties, Tool pin geometry

چکيده در اين پژوهش کامپوزيت vol.% B 4 C4 Al-به روش نورد تجمعي و پس از 10 سيکل نورد متوالي توليد شد. سپس جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي نمونه‌هاي کامپوزيتي با سرعت‌هاي چرخش ابزار 560، 710 و rpm 900 و سرعت‌هاي جوشکاري 100، 200 و mm/min 300 انجام شد. به منظور بررسي تاثير هندسه پين ابزار جوشکاري بر ريزساختار و خواص مکانيکي، نمونه‌هاي کامپوزيتي با سرعت چرخش و پيشروي ثابت به ترتيب rpm 900 و mm/min 300 و با استفاده از چهار هندسه پين مختلف شامل، استوانه‌اي، مربعي، مثلثي و شش ضلعي تحت جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي قرار گرفتند. بررسي‌هاي ريزساختاري کامپوزيت اوليه نشان داد که انجام 10 سيکل فرآيند نورد تجمعي، سبب خرد شدن و توزيع يکنواخت ذرات تقويت‌کننده در زمينه‌ي آلومينيمي شده است. بررسي خواص مکانيکي نيز نشان داد که استحکام کششي و سختي کامپوزيت توليد شده به ترتيب 9/2 و 4/2 برابر مقادير مربوط به آلومينيم آنيل شده اوليه است، در حالي که درصد ازدياد طول از 41 % به 5/8 % کاهش يافت. سطح شکست نمونه‌هاي کامپوزيتي، حضور حفره‌ها و ديمپل هاي هم‌محور را نشان داد که بيانگر مکانيزم شکست نرم در اين مواد مي‌باشد. انجام جوشکاري با سرعت‌هاي چرخش مختلف و سرعت جوشکاري mm/min 100 به دليل سرعت پيشروي کم ابزار و وارد شدن فشار زياد از طرف ابزار جوشکاري به ساختار لايه‌لايه کامپوزيت اوليه، موفقيت آميز نبود و اتصال برقرار نشد. جوشکاري با سرعت چرخش rpm 560 و سرعت‌هاي پيشروي 200 و mm/min 300 نيز به علت حرارت جوشکاري کم وارد شده به قطعه و عدم سيلان و امتزاج مناسب ماده‌ي حول پين، باعث ايجاد حفره‌هايي در ريزساختار جوش‌هاي مربوطه شد که کاهش شديد خواص مکانيکي را به دنبال داشت. انجام جوشکاري با سرعت‌هاي چرخش بالاتر به علت اعمال حرارت ورودي بيشتر به نمونه باعث ايجاد اتصالات سالم و بدون عيبي شد. بررسي‌هاي ريزساختاري و خواص مکانيکي نمونه‌هاي جوشکاري شده با ساير متغيرهاي جوشکاري نشان داد که تاثير حرارت ورودي و اندازه دانه نهايي ساختار جوش بر خواص اتصالات حاصل، بيشتر از نقش اندازه ذرات تقويت‌کننده و توزيع آن‌ها در زمينه است. نتايج نشان داد که با انجام جوشکاري در حالت mm/min 200 - rpm 900 به علت حرارت ورودي بيشتر و رشد سريع‌تر دانه‌هاي تبلورمجدد يافته در منطقه‌ي جوش، کم‌ترين ميزان استحکام کششي و سختي و بيشترين درصد ازدياد طول حاصل شد. شرايط بهينه نيز از لحاظ بهبود ريزساختار و خواص مکانيکي براي اتصال ايجاد شده با پارامتر mm/min 300 - rpm 710 به دست آمد که به علت حرارت ورودي کمتر، بيشترين ميزان استحکام کششي و سختي و کم‌ترين درصد ازدياد طول را نشان داد. سطح شکست نمونه‌هاي جوشکاري شده با سرعت چرخش بيشتر و يا سرعت پيشروي کمتر، حفره‌ها و ديمپل هاي بزرگ‌تري را در مقايسه با ساير نمونه‌هاي نشان داد. نتايج ريزساختاري و خواص مکانيکي مربوط به اتصالات جوشکاري شده با هندسه پين‌هاي مختلف نشان داد که پين مربعي به علت فاکتور اغتشاشي ضرباني بالاتر، خرد شدن بيشتر و توزيع يکنواخت‌تر ذرات تقويت‌کننده در زمينه را ايجاد کرده است که در نتيجه بيشترين ميزان استحکام کششي، درصد ازدياد طول و سختي براي اتصال حاصل از آن ايجاد شده است. به علت سيلان و امتزاج نا مناسب ماده‌ي اطراف پين شش ضلعي، عيوب حفره‌اي شکل در ريزساختار جوش ايجاد شده به وسيله ي اين پين مشاهده شد که باعث افت خواص مکانيکي شد به نحوي که اتصال جوشکاري حاصل، کم‌ترين ميزان استحکام کششي، درصد ازدياد طول و سختي را از خود نشان داد. کلمات کليدي: نورد تجمعي، کامپوزيت، جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، حرارت ورودي، ريزساختار، خواص مکانيکي، هندسه پين ابزار.