بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش کامپوزیت Al/Cu-Fe به کمک فرآیند اصطکاکی تلاطمی و با افزودن ذرات آهن - اندازه - 10 m و ذرات مس - اندازه - 14-25 m تولید شده و اثر تعداد پاس و نسبتهای وزنی مختلف ذرات تقویتکننده بر خواص مکانیکی و ریزساختار ناحیه تلاطم یافته بررسی شد. ذرات تقویتکننده در نسبتهای وزنی %50آهن-%50مس، %75آهن-%25مس و %25آهن-%75مس استفاده شد و همچنین فرآیند در 3 و 5 پاس مورد مطالعه قرارگرفت. بهمنظور مطالعات ریزساختاری از میکروسکوپهای نوری و الکترونی روبشی استفاده شد. همچنین ترکیبات بینفلزی تشکیلشده به صورت درجا با کمک آزمون تفرق اشعه ایکس شناسایی شدند.
علاوه بر این، آزمونهای کشش طولی برای ارزیابی خواص مکانیکی کامپوزیت مورد استفاده قرار گرفت. نتایج حاصل نشان داد که نمونهی %50آهن-%50مس فرآیند شده در 5 پاس بهدلیل اندازه دانه کوچکتر، ریزتر بودن ذرات تقویتکننده و توزیع یکنواخت آنها و همچنین افزایش درصد ترکیبات بینفلزی، نسبت به نمونههای دیگر دارای استحکام بالاتری میباشد. استحکام میانگین این نمونه به میزان قابل توجه %175 نسبت به فلز پایه آنیل شده افزایش یافته است. افزایش درصد وزنی مس موجب آگلومره شدن ذرات و در نتیجه توزیع نامناسب پودر میشود. ترکیبات بینفلزی Al3Fe، Al5Fe2، AlCu، Al2Cu وتشکیل میشود، که با افزایش تعداد پاس و به تبع آن افزایش میزان حرارت ورودی، مقدارترکیبات بینفلزی افزایش مییابد.
کلمات کلیدی: فرآیند اصطکاکی تلاطمی، آلومینیوم، پودر آهن، پودر مس، کامپوزیت درجا
مقدمه
کامپوزیتهای زمینه آلومینیومی - AMCs3 - تقویت شده توسط ذرات تقویت کننده، بهدلیل نسبت استحکام به وزن خوب، مدول الاستیک و سختی زیاد بسیار مورد توجه قرارگرفتهاند .[1-3] برای ساخت کامپوزیتهای زمینه آلومینیومی روشهای حالت مذاب و جامد استفاده شدهاست. فرآیند اصطکاکی تلاطمی - 4FSP - یک روش حالت جامد است که توسط میشرا و همکارانش گسترش یافت که بر پایهی اصول جوشکاری اصطکاکی تلاطمی - 5FSW - است. در فرآیند اصطکاکی تلاطمی یک ابزار چرخشی غیر مصرفی با طراحی خاص پین و شانه در داخل نمونه کار قرار میگیرد و در طول خط مشخص حرکت میکند که موجب بهبود ریزساختار میشود. گرمای ایجاد شده در اثر اصطکاک بین ابزار چرخشی و ماده اطراف و تغییر شکل پلاستیک ماده منجر به نرم شدن ماده اطراف پین ابزار شده و سیلان ماده را آسانتر میکند. ایجاد سیلان و تلاطم در ماده اطراف پین، میتواند امکان پخش ذرات تقویت کننده - در صورت وجود - در زمینه آلومینیومی را فراهم کرده و منجر به تشکیل کامپوزیت شود .[4-7]بهطور کلی دو نوع ذرات تقویت کننده برای تهیهی کامپوزیتهای زمینه آلومینیومی به روش اصطکاکیتلاطمی استفاده میشود:
الف- تقویتکنندههایی که در حین فرایند با زمینه آلومینیومی واکنش نمی دهند مانند .[9]
ب- تقویتکنندههایی مانند ذرات [10] Ni، [11] Fe، [12] Fe3O4 و [13] TiO2، که در حین فرایند با زمینه آلومینیومی واکنش داده و منجر به شکل گیری ترکیبات با سختی بالاتر مانند ترکیبات بین فلزی - 6IMCs - میشوند. این کامپوزیتها که کامپوزیتهای درجا نامیده میشوند دارای مزایایی مانند ریزساختار همگنتر و اتصال قویتر بین ذرات تقویتکننده و زمینهی آلومینیوم هستند .[14-15]در پژوهشی که توسط سرکار خرمی و همکارانش [16] انجام شد، از پودر میکرومتری آهن در زمینه آلومینیوم به عنوان تقویتکننده استفاده شد، نتایج آنها نشان داد هرچه تعداد پاس فرآیند اصطکاکی تلاطمی بیشتر باشد، توزیع ذرات تقویت کننده در زمینه آلومینیوم بهتر و میزان آگلومره آن کمتر است. علاوه بر این،ترکیبات بینفلزی Al5Fe2 و Al3Fe در فصل مشترک پودرهای آهن و زمینه آلومینیوم تشکیل و با افزایش تعداد پاسهای فرآیند ضخامت آنها افزایش یافت.
در این پژوهش از مخلوط پودرهای میکرومتری آهن و مس برای تقویت کردن زمینه آلومینیومی با استفاده از روش فرآیند اصطکاکی تلاطمی استفاده میشود. علاوه بر این اثر نسبتهای مختلف درصد وزنی پودرهای تقویتکننده آهن و مس درشرایط 3 و 5 پاس فرآیند، بر ریزساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت تولید شده مورد بررسی قرار میگیرد. دلیل انتخاب پودرهای آهن و مس، استحکام بالاتر آنها نسبت به آلومینیوم خالص تجاری آنیل شده و احتمال تشکیل ترکیبات بین فلزی مطابق دیاگرامهای فازی دوتایی Al-Fe و Al-Cu و سه تایی Al-Fe-Cu میباشد. انتظار میرود این ترکیبات به صورت درجا حین فرآیند تولید شده و موجب افزایش سختی و استحکام کامپوزیت شوند. از سوی دیگر، استفاده×از×پودرهای×مخلوط×شده Al-Cu× میتواند×از×تشکیل×خوشههای×بزرگ×آهن و مسجلوگیری نماید.
روش آزمایش
در این پژوهش از ورق آلومینیوم 1050 آنیل شده به ابعاد 150×70×4 mm3 به عنوان فلز زمینه استفاده شد. برای تقویت زمینه و ایجاد کامپوزیت از مخلوط پودرهای آهن - با خلوص %99,5 و با اندازه دانه - 10 m و مس - با خلوص %99,5 و با اندازه دانه - 14-25 m استفاده شد. ورقهای آلومینیوم 1050 اولیه برای انجام فرآیند، به شکل مستطیلهایی به طول 150mm و عرض 70mm برش دادهشد. به منظور وارد کردن مخلوط پودر آهن و مس در زمینه آلومینیومی، شیارهایی با عمق 3 mm، عرض 2 mm و طول 150 mm در مرکز نمونه های آلومینیومی ایجاد شد. ذرات تقویت کننده آهن و مس با 3 نسبت وزنی مختلف %50 - آهن-%50 مس، %25 آهن-%75مس، %75آهن-%25مس - به مدت 30 دقیقه در دستگاه توربولار قرار گرفت تا مخلوط حاصل کاملا همگن و یکنواخت شود.در این پژوهش از دو ابزار از جنس فولاد H13 عملیات حرارتی شده با سختی 52-54 HRC، یکی برای بستن شیار و جلوگیری از خروج پودر در حین فرآیند و دیگری برای انجام فرآیند اصطکاکی تلاطمی استفاده شد. برای انجام فرآیند اصطکاکی تلاطمی ابزاری متشکل از پین استوانهای شکل به قطر 5 mm و ارتفاع 3,2 mm و شانه به قطر 20mm به کار گرفته شد.پس از وارد کردن مخلوط پودرها در شیار و بسته شدن سطح شیار با ابزار بدون پین، فرآیند اصطکاکی تلاطمی با سرعت انتقالی 100mm/min و سرعت دورانی 1400rpm انجام شد. هر نمونه حاوی پودر با نسبت
