تولید و مشخصه یابی کامپوزیت‌های Cu/Al/Al2O3 تولید شده به روش اتصال نورد تجمعی (ARB)

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مقاله 14، دوره 7، شماره 28، مرداد و شهریور 1396، صفحه 149-162   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

امید حاتمی¹؛ کامران امینی^{* 2}؛ حمید غیور³

¹کارشناس ارشد، مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران

²دانشیار، مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران دانشیار، دانشکده مکانیک، واحد تیران، دانشگاه آزاداسلامی، تیران، ایران

³دانشیار، مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران

تاریخ دریافت: 06 آذر 1395،  تاریخ بازنگری: 07 اردیبهشت 1396،  تاریخ پذیرش: 25 آبان 1396 

چکیده

در پژوهش حاضر از فرآیندARB به منظور تولید نانوکامپوزیت Cu/Al/Al₂O₃ استفاده شده است. فرآیند نورد بدین ترتیب صورت گرفت که پس از آماده سازی سطحی ورق‌ها، سه ورق آلومینیوم بین چهار ورق مس قرار داده شده و بین آن‌ها پودر اکسید آلومینیوم ریخته شد و این ساندویچ هفت لایه‌ای نورد شد. سپس کامپوزیت حاصل از وسط به دو نیم شده، عملیات سطحی روی آن انجام گرفت و این دو نیمه روی هم قرار گرفتند و دوباره نورد شدند. فرآیند نورد تا 9 مرحله انجام گرفت. به منظور جلوگیری از ترک و شکست در فرآیند نورد بین هر دو مرحله نورد عملیات آنیل در دمای 250 درجه و جهت دستیابی به آلیاژ عملیات آنیل در دمای 850 درجه سانتیگراد انجام شد و همچنین ریزساختار و خواص کششی حین مراحل اعمالی بررسی شدند. بررسی‌های ساختاری و ریزساختاری توسط میکروسکوپ‌های نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) و همچنین آزمون XRD مورد مطالعه قرار گرفت و تغییرات خواص مکانیکی در مراحل مختلف توسط آزمون کشش و سختی سنجی اندازه‌گیری و بررسی شد. همچنین تغییرات خواص خوردگی کامپوزیت در مراحل مختلف بررسی شد. نتایج بررسی‌ها نشان می‌دهد که با تکرار مراحل فرآیند، ضخامت لایه تقویت کننده آلومینیوم کاهش یافته و در مراحل پایانی در اثر شکست در زمینه پخش می‌شود. همچنین پودر اکسیدآلومینیوم به صورت یکنواختی در زمینه توزیع می‌شود. با افزایش تعداد مراحل، اندازه دانه‌های کامپوزیت نسبت به اندازه اولیه آن تا حدود5 برابر کوچک شده و در مرحله پایانی به حدود 26/31 نانومتر می‌رسد. با اعمال فرآیند ARB استحکام نهایی کامپوزیت نسبت به ورق‌های اولیه مس و آلومینیوم از 252 به 420 مگاپاسکال و سختی تقریباً از 55 به 140 ویکرز افزایش یافت. طی بررسی‌ها مشخص شد، شکل غالب خوردگی در این کامپوزیت خوردگی حفره‌ای است لذا می‌توان نتیجه گرفت، مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای محصولات تولید شده به روش ARB  پایین است.

کلیدواژه‌ها

نانو کامپوزی Cu/Al/Al2O3؛ فرآیند اتصال نوردی تجمعی؛ ریز ساختار؛ خواص مکانیکی؛ خواص خوردگی

عنوان مقاله [English]

Characterization of mechanical and corrosion behaviour of multilayered Cu/Al/Al2O3 nano-composite produced by ARB process

نویسندگان [English]

O Hatami¹؛ K Amini²؛ H Ghayour³

²Department of Mechanical Engineering, Tiran Branch, Islamic Azad University, Isfahan, Iran.

چکیده [English]

In this research, the ARB process was used to produce Cu/Al/Al2O3 nano-composite. For this purpose, the rolling process was performed in multistep. In the beginning step, the surface of Al and Cu plates were prepared and then in the second step, three pieces of Al plates were put between four pieces of Cu plates and the boundary of plates was filled with alumina powder. In the third step, these layers were shaped as sandwich layers and rolled. The sandwiches were then cut into half and surface treatment was performed on them. Then, two halves of the composite were overlaid together and then rolled again. The rolling process was conducted for nine cycles. Microstructure and mechanical properties of each composite were analysed during each rolling cycle. Microstructural analysis was carried out via optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). Mechanical properties at various cycles were evaluated by tensile and hardness tests. Phase analysis of the samples was performed by using X-ray diffraction (XRD) analysis. Additionally, the corrosion behaviour of the composites was investigated at different cycles.         
The obtained results showed that by repeating the rolling cycles, the thickness of reinforced aluminium layer decreased and this layer was distributed in the final cycle as a consequence of fracture. In addition, Al2O3 powder was uniformly distributed into the matrix. By increasing the number of the cycles, the structure of the composite was crashed and approximately decreased to 31.26 nanometers in the final cycle. By using the ARB process, the amount of ultimate tensile strength and hardness of composite increased to 420 Mpa and 140 HV as compared with the aluminium plates (252 MPa and 55 HV), respectively. The dominant form of corrosion in this composite is pitting corrosion and thus, the resistance of products prepared via the ARB process against the pitting corrosion is low. 

کلیدواژه‌ها [English]

Cu/Al/Al2O3 Nano-composite, ARB process, Microstructure, mechanical properties, Corrosion properties

مراجع

1- J. Moradgholi; A. Monshi; K. Farmanesh, “Effect of TiO₂ nanoparticles on the bond strength of CP Ti sheet by cold Rolling method", Journal of advanced Materials and Processing, Vol. 5, 32-43, 2017.

 2-  H. Chang, M.Y. Zheng, C. Xu, G.D. Fan, H.G. Brokmeier, K. Wu, "Microstructure and mechanical properties of the Mg/Al multilayer fabricated by accumulative roll bonding (ARB) at ambient temperature, Materials Science and Engineering A, 543, 249-256, 2015.

3- R. Jamaati, M. R. Toroghinejad, “Investigation of the parameters of the Repetitive Corrugation Streightening (RCS) process”, Materials Science and Engineering A, Vol. 527, pp. 2320-2326, 2010.

4-  A. Habibi, M. Ketabchi, “Enhanced properties of nano-grained pure copper by equal channel angular rolling and post-annealing”, Materials and Design, Vol. 34, pp. 483-487, 2012.    

5-   G. Sakaia, Z. Horitaa, T.G.Langdon, "Grain refinement and superplasticity in an aluminum alloy processed by high pressure torsion”, Materials Science and Engineering A, Vol. 393, pp. 344-351, 2005.

6- Y.Saito, H. Utsunomia, N.Tsuji, T.Sakai, "Novel ultra-high straining process for bulk materials-development of accumulative roll-bonding (ARB) process process", Acta Materialia, Vol. 47 , pp. 579-583, 1999.      

7-  H. J. Park, N.S. Cho, S.W. Kim, “A study of the hydrostatic extrusion of copper-clad aluminium tube”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 67, pp. 24-28, 1997 .

           

8- M.T.Ivahashi, J.A.del Valle, O.A.Ruano, "Grain refinement of Al–Mg alloys via accumulative roll bonding", Scripta Materialia, Vol. 51, pp. 1093-1097, 2004.

 9 - M.Eizadjou, H.Danesh Manesh, K.Janghorban," Investigation of structure and mechanical properties of multi-layered Al/Cu composite produced by accumulative roll bonding (ARB) process", Composites Science and Technology, Vol. 68, pp. 2003-2009, 2010.

10- A.Mozaffari,  M.Hosseini, H.Danesh Manesh, "Al/Ni metal intermetallic composite produced by accumulative roll bonding and reaction annealing", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 509, pp. 9938-9945, 2011.

 11- P.H.Shingu, K.N.Ishihara, A.Otsuki, "Nano-scaled multi-layered bulk materials manufactured by repeated pressing and rolling in the Cu–Ag system", Materials Science and Engineering A, Vol. 304-306, pp.399-402,2014.

12- A. Shabani, M.R. Toroghinejad, A. Shafyei, "Fabrication of Al/Ni/Cu composite by accumulative roll bonding and electroplating processes and investigation of its microstructure and mechanical properties", Materials Science & Engineering A, Vol. 558, 386-393, 2015.

 13- M.M.Mahdavian, L.Ghalandari, M.Reihanian, “Accumulative roll bonding of multilayered Cu/Zn/Al: An evaluation of microstructure and mechanical properties”, Material Scinence and Engineering A, Vol. 506, 172-178, 2013. 

14- Williamson Hall “X-ray line broadening from filed aluminium and wolfram”, Acta Metall, Vol. 1, pp. 22-31, 1953.

 15- S.H.Lee, Y.Saito, N.Tsuji, T.Sakai, “Role of shear strain in ultragrain refinement by accumulative roll-bonding (ARB) process”, Scripta Mater, Vol. 46, pp. 281-285, 2011.          .

16- P.H. Shingu, K.N. Ishihara, A. Otsuki, I. Daigo, "Nano-scaled multi-layered bulk materials manufactured by repeated pressing and rolling in the Cu–Fe system", Materials Science and Engineering A, Vol. 304-306, 399-402, 2004.           

17- M. Alizadeh, M.H. Paydar, "High-strength nanostructured Al/B4C composite processed by cross-roll accumulative roll bonding", Materials Science and Engineering A, Vol. 538, 14-19, 2015.

18- R. Jamaati, M. R. Toroghinejad, "Application of ARB process for manufacturing high-strength, finely dispersed and highly uniform Cu/Al2O3 composite", Materials Science and Engineering A, Vol. 527, 7430-7435, 2013.

19- M.Alizadeh, "Comparison of nanostructured Al/B₄C composite produced by ARB and Al/B₄C composite produced by RRB process", Materials Science and Engineering A, Vol. 528, pp. 578-582, 2010. 

20- M.Alizadeh, M.H.Paydar, "Fabrication of nanostructure Al/SiCP composite by accumulative roll-bonding (ARB) process", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 492, pp. 231-235, 2010.

21- M.Alizadeh, M.H.Paydar, F. Sharifian Jazi, "Structural evaluation and mechanical properties of nanostructured Al/B₄C composite fabricated by ARB process", Composites part B: Engineering, Vol. 14, pp. 339-343, 2013.

 22- K. Amini, M.R. Hoda, A. Shafyei, "Investigation of the effect of heat treatment on the mechanical properties and microstructure of DIN 1.4057 martensitic stainless steel", Metal Science and Heat Treatment,Vol.55,pp.499-503,2014.

23- K. Amini, A. R. Araghi, A. Akhbarizadeh, "Effect of Deep Cryogenic Heat Treatment on the Wear Behavior of Carburized DIN 1.7131 Grade Steel", Vol. 28, pp. 348-353, 2015.

24- V. Callcut, Copper Development Association, “Aluminium Bronze Alloys Corrosion Resistance Guide”, Publication No 80, July 2009.