بخشی از مقاله
چکیده:
در صنایع خودروسازی و هوافضا به دلیل نیاز به کاهش مصرف سوخت و حفظ محیط زیست از آلودگی، استفاده از کامپوزیتهای زمینه فلزی که بتواند در عین سبک بودن، استحکام، انعطاف و مقاومت به سایش و خزش مناسبی داشته باشد، رایج شده است. در این میان کامپوزیتهای زمینه آلومینیومی که با ذرات Mg2Si تقویت شدهاند به دلیل داشتن خواص فوق مورد توجه بسیاری در این صنایع قرار گرفتهاند.
ذرات Mg2Si موجود در کامپوزیت درجای Al- Mg2Si دارای مورفولوژی خشن و گوشهدار میباشند که سبب افت خواص مکانیکی این نوع کامپوزیتها میشود. به همین دلیل روشهای متنوعی برای اصلاح ریزساختار این کامپوزیت ارائه شده است که یکی از آسانترین و کم هزینهترین این روشها افزودن عناصر آلیاژی میباشد. در این پژوهش به بررسی تاثیر افزودن اربیوم - Er - بر ریزساختار و استحکام فشاری کامپوزیت درجای Al-15%Mg2Si پرداخته شده است.
کامپوزیت مذکور به روش ریخته گری تولید و پس از افزودن اربیوم به میزان 0/2، 0/4 ، 0/6 و 1 درصد وزنی به آن تغییرات ریزساختاری و رفتار فشاری کامپوزیت مورد بررسی قرار گرفت. مشاهدات نشان داد که افزودن اربیوم به کامپوزیت درجای Al-15%Mg2Si سبب کاهش اندازه ذرات تقویت کننده Mg2Si اولیه نسبت به کامپوزیت اصلاح نشده و همچنین تغییر مورفولوژی این ذرات از حالت نامنظم به منظم و چهاروجهی شده است. همچنین مورفولوژی Mg2Si ثانویه از حالت ورقهای و کشیده به فیبری و نقطهای تغییر یافت. بیشترین میزان بهبود استحکام فشاری برای نمونه حاوی 0/6 درصد وزنی اربیوم مشاهده شد.
.1 مقدمه
داشتن همزمان خواص فیزیکی و مکانیکی عالی کامپوزیتهای زمینه فلزی باعث شده است که این دسته از مواد کاربردهای بسیاری داشته باشند. اخیراً کامپوزیتهای زمینه فلزی تقویت شده با ذرات به دلیل قیمت نسبتا کم و خواص ایزوتروپی که دارند مورد توجه بسیاری قرار گرفتهاند.[1] کامپوزیتهای زمینه فلزی آلومینیومی تقویت شده با ذرات به دلیل استحکام کششی ویژه و مدول بالای آنها و همچنین مقاومت به سایش بالا و انبساط حرارتی کم، به عنوان مواد مهندسی پیشرفته در صنعت خودروسازی به طور روزافزونی مورد استفاده قرار گرفته اند.
از میان روشهای متعدد برای تولید کامپوزیتهای زمینه فلزی ذرهای فرآیند تولید کامپوزیتهای زمینه آلومینیومی درجا دارای مزایایی چون توزیع یکنواخت فاز تقویت کننده، ترشوندگی خوب ذرات، پایداری فصل مشترک زمینه و تقویت کننده، کم بودن مراحل و هزینه تولید صنعتی میباشد. آلیاژهای هایپریوتکتیک Al-Si با مقادیر بالای Mg در حقیقت کامپوزیتهای درجای زمینه آلومینیومی حاوی مقداری ذرات درشت و سخت Mg2Si هستند. کامپوزیتهای Al-Mg2Si پتانسیل بالایی برای استفاده در دیسک ترمز خودرو دارند، زیرا ترکیب بین فلزی Mg2Si دارای دمای ذوب بالا، چگالی پایین، سختی زیاد، ضریب انبساط حرارتی کم و مدول الاستیک بالا میباشد.
با این حال، کامپوزیتهای تولید شده به صورت درجا به دلیل اندازه بزرگ ذرات Mg2Si و زمینه یوتکتیکی ترد، شکل پذیری کمی از خود نشان میدهند.[1] در واقع حضور فازهای Mg2Si اولیه و یوتکتیکی درشت منجر به خواص مکانیکی ضعیف میشوند. بنابراین اصلاح اندازه و تغییر شکل ذرات Mg2Si برای اصلاح خواص مکانیکی بسیار ضروری بنظر میرسد. Qin و همکارانش [2] مشاهده کردند که مورفولوژی ذرات Mg2Si اولیه میتواند توسط استرانسیوم اصلاح شود.
Xiaofeng و همکارانش [3] طی تحقیقاتی مشاهده کردند که افزودن مقدار مناسبی نئودیوم به کامپوزیت درجا Al-Mg2Si سبب اصلاح Mg2Si یوتکتیک و اولیه شد. خواص کششی کامپوزیت اصلاح شده بوسیله مقدار مناسبی از نئودیوم بهبود یافت.
Bai و همکارانش [4] به بررسی تاثیر لانتانیوم بر کامپوزیت درجای Al/Mg2Si پرداختند و به این نتیجه رسیدند که با افزودن 0/4 درصد لانتانیوم سبب ریز و کروی شدن ذرات و به دنبال آن افزایش سختی، استحکام کششی و درصد ازدیاد طول میشود.
Razavykia و همکارانش [ 5] نشان دادند که افزودن بیسموت به کامپوزیت درجا Al-20% Mg2Si باعث کاهش اندازه متوسط ذرات تقویت کننده Mg2Si و افزایش چگالی متوسط میشود.
VaziriYeganeh و همکاران [6] در پی تحقیقاتشان نشان دادند که افزودن فسفر اندازه متوسط ذرات Mg2Si اولیه را در شرایط ریختگی از 220 به 22 میلیمتر کاهش داد. همچنین نتایج آزمون کشش نشان داد که مقدار بهینه فسفر برای بهبود بخشیدن به استحکام کششی و درصد ازدیاد طول نمونههای اکسترود گرم شده، 1 درصد وزنی است.
Akhlaghi و همکاران [7] نشان دادند که با افزودن لانتانیوم به کامپوزیت درجا Al-15%Mg2Si اندازه متوسط ذرات اولیه Mg2Si از 17 به 10 میکرومتر کاهش یافت. همچنین دریافتند که با افزودن 3 درصد لانتانیوم، استحکام کششی از 217 به 223 مگاپاسکال افزایش یافت.
Ghorbani و همکارانش [8] مشاهده کردند که با افزودن 2 درصد منگنز به کامپوزیت درجای Al-15%Mg2Si مورفولوژی ذرات Mg2Si اولیه مکعبی شکل می شود و حالت بهینه برای بهبود استحکام کششی و درصد ازدیاد طول می باشد. انتظار میرود که اصلاح ذرات Mg2Si بتواند خواص مکانیکی کامپوزیتها را افزایش بدهد.
در این پژوهش تاثیر عنصر اربیوم - Er - بر ریزساختار و در نتیجه خواص فشاری کامپوزیت درجای Al-15%Mg2Si مورد بررسی قرار گرفته است.
.2 مواد و روش آزمایش
در این پژوهش با استفاده از آلومینیوم، منیزیم و سیلیسیوم با درصد خلوص بالا و با نسبتهای وزنی مشخص - Al-9.5Mg- 5.5Si - با احتساب درصد اتلاف آنها، کامپوزیت درجای Al-15%Mg2Si ریختهگری شد. به این صورت که آلومینیوم خالص را درون بوته گرافیتی قرار داده و با استفاده از کوره الکتریکی تا دمای 800 درجه سانتی گراد حرارت داده شد. پس از آن به اندازه 5/5 درصد وزنی سیلیسیوم درون مذاب ریخته و به منظور توزیع یکنواخت ذرات درون مذاب از همزن مکانیکی استفاده شد. سپس در دمای 750 درجه سانتی گراد به اندازه 9/5درصد وزنی منیزیم به مذاب اضافه و در همین دما ذوبریزی انجام شد. قالب فولادی که مطابق استاندارد ASTM B557M-02a sub-size specimens ساخته شد - شکل - 1 را تا دمای 200 درجه سانتیگراد پیشگرم کرده و پس از ذوبریزی در دمای محیط قرار داده تا سرد شود. کامپوزیت تولید شده را مجددا ذوب کرده و درصدهای مختلف 0 - Er، 0/2، 0/4، 0/6 و 1 درصد وزنی - توسط آمیژان Al-30%Er به آن اضافه شد. نمونههای به دست آمده پس از عملیات متالوگرافی در نهایت با محلول آبی HF 0.5% اچ شد. جهت بررسی ریزساختاری کامپوزیتهای تولید شده از میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM مدل تسکن1 مجهز به طیفسنجی پراش انرژی پرتو ایکس - EDX2 - و جهت بررسی رفتار فشاری کامپوزیت مذکور از از دستگاه یونیورسال اینسترون3 با سرعت جابجایی فک 1mm/min استفاده شد.
شکل -1 قالب فلزی ساخته شده مطابق با استاندارد ASTM B557M-02a sub-size specimens
.3 نتایج و بحث
شکل 2، تصاویر ریزساختاری کامپوزیت درجای Al-15%Mg2Si با درصدهای مختلف اربیوم 0 - ، 0/2، 0/4، 0/6 و 1 درصد وزنی - را نشان میدهد. در شکل -2الف مورفولوژی ذرات Mg2Si اولیه به صورت چندوجهی، با گوشه های تیز و اندازه متوسط ذرات 14 P و همچنین ذرات Mg2Si ثانویه به صورت ورقهای و کشیده قابل مشاهده میباشند. با مقایسه تصاویر ریزساختار کامپوزیت درجای Al-15%Mg2Si مشاهده میشود که در تصویر کامپوزیت حاوی 0/2 درصد وزنی اربیوم - شکل -2ب - اندازه متوسط ذرات Mg2Si اولیه به 12 P رسیده است. اما Mg2Si ثانویه از حالت ورقهای شکل خارج شده و به صورت نقطهای در آمدهاند. با افزایش درصد اربیوم به 0/4 درصد وزنی، اندازه متوسط ذرات Mg2Si اولیه نسبت به حالت قبل کاهش یافته و به 9 P رسیده و ذرات Mg2Si ثانویه همچنان به صورت نقطهای شکل است. با افزایش درصد اربیوم به مقادیر بالاتر از 0/4 درصد وزنی اربیوم، اندازه ذرات اولیه Mg2Si به مقدار بسیار ناچیز تغییر کرده است. در حالی که Mg2Si یوتکتیکی کاملا با یکدیگر متفاوت است
