سنتز ترکیب بین فلزی نانوساختار Al3Zr و مطالعه تاثیر افزودن آن بر خواص مکانیکی کامپوزیت زمینه آلومینیم

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مقاله 8، دوره 5، شماره 20، مرداد و شهریور 1394، صفحه 87-100   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

سید عبد المجید خادم¹؛ کریم زنگنه مدار²؛ ابراهیم خزایی^{* 3}؛ تقی شجاعی⁴

¹استادیار دانشگاه آزاد اسلامی، واحد ساوه، گروه مهندسی مواد، ساوه، ایران.

²دانشیار گروه مهندسی مواد دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

³دانش آموخته کارشناسی ارشد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد ساوه، گروه مهندسی مواد، ساوه، ایران.

⁴مدرس گروه هوافضای مرکز تحقیقات آیرودینامیک قدر،دانشگاه جامع امام حسین(ع)، تهران، ایران.

تاریخ دریافت: 30 شهریور 1394،  تاریخ پذیرش: 30 شهریور 1394 

چکیده

در این پژوهش، سنتز ترکیب بین­فلزی Al₃Zr از مخلوط پودرهای آلومینیم و زیرکونیم و مطالعه تاثیر افزودن آن بر خواص مکانیکی نانوکامپوزیت زمینه آلومینیمی مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا جهت سنتز ترکیب یاد شده پودرهای خام اولیه با نسبت استوکیومتری مشخص در کوره­ای در دمای °C 700 در اتمسفر آرگون قرار گرفتند. سپس ترکیب بالا که دارای ساختاری متراکم بود به ذرات پودر تبدیل شد. بمنظور بررسی فازی و ریخت شناسی ذرات پودری تشکیل شده، از آنالیـز فازی XRD و میکروسکوپ الکترونـی روبشـی SEM مجهز به طیف­سنج EDS استفاده شد. نتایج نشان دادند ترکیـب بین­فلزی Al₃Zr با موفقیت تشکیل شده و هیچ فاز ناخواسته­ای در ترکیب ظاهر نشده است. در مرحله بعد، پودر بدست آمده در درصدهای گوناگون (10، 15 و 25 درصد وزنی) با پودر آلومینیم مخلوط و در یک آسیای سیاره­ای جهت آسیاکاری قرار داده شد. آسیاکاری مکانیکی در اتمسفر آرگون و با نسبت گلوله به پودر 20:1 و سرعت آسیاکاری 300 دور بردقیقه انجام شد. با استفاده از آنالیز XRD و از روش ویلیـامسـون­هـال میانگین اندازه نانو بلورها برای نمونه­های کامپوزیتی برابر 56 نانومتر محاسبه گردید. سپس مخلوط حاصل به روش پرس گرم شکل داده شد. برای مقایسه خواص مکانیکی از آزمون استحکام فشاری و سختی استفاده شد. مقادیر بدست آمده از آزمون­های انجام شده بیانگر این مطلب است که فرایند آسیای مکانیکی و افزایش درصد وزنی ذرات Al₃Zr باعث افزایش استحکام و سختی نانوکامپوزیت زمینه آلومینیمی می­شوند، اما انعطاف­پذیری کاهش می­یابد. نتایج نشان داد نمونه کامپوزیتی با 25 درصد وزنی ترکیب بین­فلزی به ترتیب دارای استحکام فشاری و سختی برابر با  MPa498 و  VHN193 می­باشد.

کلیدواژه‌ها

ترکیب بین‌فلزیAl3Zr؛ آسیاکاری مکانیکی؛ نانوکامپوزیت؛ خواص مکانیکی

مراجع

1- I.A. Ibrahim, F.A. Mohamed, and E.J. Lavemi,"Particulate Reinforced Metal Matrix Composite", Journal of Mater Science, 26, pp. 1137-1156, 1991.

2- Y.X. Lu, X.M. Meng, and C.S. Lee, "Microstructure and Mechanical Behavior of a SiC Particles Reinforced Al-5Cu Composite Under Dynamic Loading", Journal of Mater Processing Technology, 94, pp. 175-178, 1999.

3- Z. Yu-Tao, Z. Song-Li, and CHEN Gang.,"Aluminum Matrix composites reinforced by in situ Al₂O₃ and Al₃Zr Particles Fabricated Via Magnetochemistry Reaction",Trans. Nonferrous Met. Soc. Chi08/9*-/*]= M na 20. 2129-2133, 2010.

4- B. Kaveendran, G.S. Wang, L.J. Huang, L. Geng, H.X. Peng. ," In Situ (Al₃Zr + Al₂O₃np)/2024Al Metal Matrix Composite with Novel Reinforcement Distributions Fabricated by Reaction Hot Pressing", Journal of Alloys and Compounds 581, pp. 16–22, 2013.

5- J.S. Benjamin, E. Artz, and C. Schultz,"New Materials by Mechanical Alloying Techniques", Colw-Hirson (FRG), pp. 3-19, 1998.

6- Y. Chank, S. Berger, B. Z. Weiss, and Broolc-Levinson, "Solid State Amorphization by Mechanical Alloying- an Atomistic Model", Acta Matter, vol. 42, No. 11, pp. 3679-3685, 1994.

7- C. Suryanarayana, Mechanical Alloying and Milling, Marcel Dekker, New York, 2004.

8- K.I. Moon, K.S. Lee, and J.“Study of the Microstructure of Nanocrystalline Al-Ti Alloys Synthesized by Ball Milling in a Hhydrogen Aatmosphere and Hot Extrusion,”Alloy. Compd. 291, pp. 312–321, 1999.

10- T.T. Sasaki, T. Mukai, and K. Hono, "A High-Strength Bulk Nanocrystalline Al–Fe alloy Processed by Mechanical Alloying and Spark Plasma Sintering",Scripta Mater. 57, pp. 189–192, 2007.

12- H. Wang, G. Li, Y. Zhao, and Z. Zhang. ," Microstructure, Billet Surface Quality and Tensile Property of (Al₂O₃ +Al₃Zr)p/Al Composites in Situ Synthesized with Electromagnetic Field",Journal of Alloys and Compounds 509, pp.  ) 5696–5700,  2011.

13- B. Srinivasarao, C. Suryanarayana, K. Oh-ishi, K. Hono, "Microstructure and Mechanical Properties of Al–Zr Nanocomposite Materials", Materials Science and Engineering A 518, pp. 100-107, 2009.

14- Koch, C.C., "The Synthesis and Structure of Nanocrystalline, Material Produced by Mechanical Attrion" Nanostructured Materials, Vol. 2, pp. 109-129, 1993.

15- Fecht, H.J., Helstern, E., Fu, Z., and Johnson, W.L., "Nanocrystalline Metals Prepared by High-Energy Ball Milling", Metallurgical Transaction A, Vol. 21A, pp. 2333-2337, 1990.

16- Bhattacharya, A.K., and Arzt, E., "Plastic Deformation and Its Influence on Diffusion Process During Mechanical Alloying", Scripta Metallurgicaet Materialia Vol. 28, pp. 3895-4000, 1993.

17- C.Suryanarayana, G.H. Chen, and F.H. Froes, Milling Maps for Phase Identification During Mechanical Alloying , Scr. Mater. 26, pp. 1727-1732,1992.

18- C. Suryanarayana, "Mechanical Alloying and Milling", Progress in Materials Science, 46, pp. 1-184, 2001.

19- Z. RazaviHesabi, H.R. Hafizpour and A. Simchi, "An Investigation on the Compressibility of Aluminum/Nano-Alumina Composite Powder Prepared by Blending and Mechanical Milling", Materials Science and Engineering A 454–455,pp. 89-98,2007.

20- M. Rahimian, N. Parvin, and N. Ehsani, “Investigation of Particle Size and Amount of Alumina on Microstructure and Mechanical Properties of Al Matrix Composite Made by Powder Metallurgy”; Mater. Sci. Eng. A 527, pp. 1031–1038, 2010.

21- G. E. Dieter, "Mechanical Metallurgy", Third Edition, Mc Graw-Hill, 1976.

22- ع. عبدالهی و ع. علیزاده، "تولید نانوکامپوزیت دو جزیی فوق مستحکم زمینه آلومینیومی به روش آلیاژسازی مکانیکی و اکستروژن داغ و بررسی خواص مکانیکی آن" ، مجله مواد نوین، جلد 4، شماره 1، ص 83-98، پاییز 1392.

23- A. Alizadeh,and E. Taheri-Nassaj, “Mechanical properties and Wear Behavior of Al–2 wt.% Cu Alloy Composites Reinforced by B₄C Nanoparticles and Fabricated by Mechanical Milling and Hot Extrusion”; Mater. Charact. 67, pp. 119-128, 2011.

24- N. Al-Aqeelia, G. Mendoza-Suareza, C. Suryanarayana, and R.A.L. Drewa, “Development of New Al-Based Nanocomposites by Mechanical Alloying; ” Mater. Sci. Eng. A. 480: Issues 1–2, Pages 392–396, 15 May 2008.

25- Deng, C.F., Wang, D.Z., Zhang, X.X., and Li, A.B.,“Processing and Properties of Carbon Nanotubes Reinforced Aluminum Composites,” Mater. Sci. Eng. A, Vol. 444, pp. 138–145, 2007.

26- Shewmon, P. G., Transformations in Metals, Mc Graw-Hill, New York, 1969