سلطاني معاد- Maad Soltani

عنوان : ببهبود خواص سطحي آلياژ منيزيم AZ31B با نانوكامپوزيت سازي سطحي به روش اصطكاكي – اغتشاشي (FSP)

TITLE : improvement of Surface Properties of AZ31B Magnesium Alloy by Surface compositing using Friction Stir Processing (FSP)

چكيده

در اين تحقيق به بررسي كامپوزيت سازي سطح آلياژ منيزيم AZ31B با پركننده­هاي نانولوله كربني، نانو ذرات آلومينا، گرافن و گرافيت   به روش اصطكاكي - اغتشاشي (FSP) پرداخته شد. پارامترهاي مورد بررسي عبارت بودند از سرعت چرخش (rpm 1500-550)، سرعت پيشروي (mm/min 44-12)، تعداد پاس­ها (4-1)، نوع تقويت كننده (نانو لوله كربني، گرافن، گرافيت، نانوآلومينا و مخلوط هيبريدي) و كسر وزني تقويت كننده   (% 4-0). از آزمايش ريزسختي سنجي، متالوگرافي نوري، ميكروسكوپ الكتروني نشر ميداني، طيف سنجي تفرق انرژي، آزمايش كشش، آزمايش سوراخ كردن برشي، آناليز پراش اشعه ايكس و سايش پين بر روي ديسك خشك براي مشخصه­يابي نمونه­هاي توليدي استفاده شد. اين تحقيق در چهار فاز مجزا انجام شد. در فاز اول به بررسي پارامترهاي FSP و بهينه سازي آنها و سپس به مشخص كردن محدوده مناسب درصد وزني CNT براي مرحله بعدي پرداخته شد. جواب مورد بررسي در اين مرحله سختي ناگت بود. در فاز دوم از روش طراحي آزمايش سطح پاسخ استفاده شد و محدوده­هاي مورد بررسي محدودتر شدند تا بهينه سازي به طور دقيق تري انجام شود. مدل سازي بر اساس دو پاسخ سختي ناگت و كاهش وزن ناگت در آزمايش سايش انجام شد. جدول آناليز واريانس براي هر دو پاسخ رسم و آزمايش تاييديه انجام شد. نتايج بهينه سازي شرايط mm/min   24، rpm 660، 4% وزني CNT و 3 پاس را به عنوان شرايط بهينه با سختي ناگت حدود 85 ويكرز و كاهش وزنmg   2/10 معرفي كردند. مدل­هاي ارائه شده به خوبي نتايج را پيش بيني كردند و نتايج واقعي با پيش بيني­ها بسيار نزديك بود. هر دو مدل غيرخطي و انحنا دار بودند. در فاز سوم با ثابت نگه داشتن ساير پارامتر­ها، به تغيير نوع پركننده پرداخته شد و از چهار پركننده (نانو لوله كربني، گرافن، نانو ذره آلومينا، گرافيت ذره اي) و دو حالت هيبريدي (از نانو لوله كربني و نانوآلومينا) استفاده شد. نتايج نشان داد كه خواص سختي و سايشي نمونه نانو لوله كربني­دار با نمونه هيبريدي نانو لوله كربني/نانو آلومينا (نسبت وزني 2:1) تقريباً مشابه است. در فاز چهارم به مشخصه يابي نمونه­هاي فاز سوم پرداخته شد. در ادامه پروفيل سختي نمونه بهينه (حاصل از فاز سوم) ارائه شد. تصاوير متالوگرافي حاكي از ريزدانگي شديد نمونه بهينه و اندازه دانه در نمونه بهينه در حدود 2 ميكرون بود. مكانيزم هاي سايش در نمونه بهينه تركيبي از سايش اكسنده، چسبنده و خراشان تشخيص داده شد. سطوح شكست نمونه كشش حكايت از ريزدانگي شديد و توزيع مناسب ذرات در زمينه داشت و حالت كلي شكست نرم بود. آزمايش سوراخ كردن برشي افزايش حدود 20% مقاومت به برش و 10% كاهش ازدياد طول را نشان داد. استحكام نهايي كششي در منطقه ناگت در حدود MPa 255 در مقايسه با MPA 215 نمونه خام بود. آناليز تفرق اشعه ايكس تشكيل فاز جديدي را نشان نداد.

كلمات كليدي: فرايند اصطكاكي - اغتشاشي ، آلياژ منيزيم AZ31B، كامپوزيت سازي سطحي، نانو لوله كربن، نانو آلومينا، مشخصه يابي

ABSTRACT 

In this study, surface compositing of AZ31B magnesium alloy has been investigated using friction stir processing using diverse fillers such as Carbon Nano Tube and Alumina nano particles. Studied parameters were rotation speed (550-1500 rpm), transverse speed (12-44 mm/min), number of passes (1-4), type of filler (CNT, Geraphen, Graphite, Alumina and mixtures of CNT and Alumina), and the weight percent of filler (0-4%). Microhardness, optical metallography, field emission scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy analysis, tensile and shear-punch tests, XRD analysis, and pin-on-disk wear tests were employed for characterizations of the samples. In the first phase, FSP parameters were investigated and optimized and the accurate range for weight percent of CNT was distinguished. The response in this stage was the hardness of nugget. In phase two, design of experiments (DOE) technique was implemented and investigated ranges became more limited, leading to more precise optimization. ANOVA table for both responses were plotted and the confirmations test were done. Optimized conditions were 24 mm/min, 660 rpm, 4 wt%, and 3 passes by which the responses were 85 Vickers in nugget hardness and 10.2 mg in weight loss. Introduced models predicted the responses well and actual values were very near to the predicted ones. In the third phase the type of filler was changed and four types of fillers (CNT, Graphen, Alumina nano particles, and Graphite) and two hybride types (mixture of CNT and Alumina nano particles) were used. The result showed that the wear and mechanical properties of the sample containing CNT was similar to those of the hybrid sample containing CNT/nano Alumina (2:1 weight ratio). In the fourth phase, the optimized samples in previous phase were characterized. Metallographic studies indicated severe grain refinement in the samples by the grain size reaching to about 2 µm. Wear mechanisms in the samples were a mixture of adhesive, abrasion, oxidation and delamination wear. Tensile fracture represented significant grain refinement and appropriate distribution of particle in the matrix and dimple rupture was the general type of fracture. Sear-punch tests showed 20% increase in shear strength and 10% decrease in elongation. Ultimate tensile strength in nugget zone of the optimized sample was approximately 255 MPa in comparison to 215 MPa for the raw sample. XRD analyses indicated production of no new phase during the process ...