مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

اثر فرآیند فورج چندجهته روی ریزساختار و خواص مکانیکی نانو کامپوزیت‌های AZ31 تقویت‌شده با نانوذرات SiC

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
حامد مظفری 1
فرشاد اکبری‌پناه 1
سیدحسن نوربخش 2
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ملایر، ملایر
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران
چکیده
در این پژوهش ۱/۵% حجمی از نانوذرات SiC از طریق روش ریخته‌گری گردابی به آلیاژ منیزیم AZ۳۱ افزوده شد. سپس شمش‌های ریختگی در دمای °C۴۰۰ با نسبت اکستروژن ۳/۷۸ اکسترود شدند. پس از اکستروژن، مواد برای ۲، ۴، ۶ و ۸ عبور در معرض فرآیند فورج چندجهته در دمای °C۳۲۰ قرار گرفتند. به‌منظور ارزیابی خواص مکانیکی مواد اکسترود و MDFشده، از آزمون‌های سنبه برشی (SPT) و میکروسختی ویکرز استفاده شد. نتایج به‌دست‌آمده از این آزمون‌ها نشان دادند که نانوذرات سرامیکی سخت باعث بهبود استحکام برشی و سختی آلیاژ زمینه شده‌اند. مقادیر استحکام برشی تسلیم، استحکام برشی نهایی و سختی آلیاژ اکسترودشده به‌ترتیب MPa۸۶/۷۰، MPa۱۱۹/۴۳ و HV۵۲/۵۵ به دست آمدند، در حالی ‌که در نانوکامپوزیت AZ۳۱/SiCp اکسترودشده این مقادیر به‌ترتیب ۹/۹۱%، ۵/۴۸% و ۱۳/۹۹% افزایش یافتند. همچنین ملاحظه شد که نانوکامپوزیت‌های فرآوری‌شده با فرآیند فورج چندجهته خواص مکانیکی بهتری نسبت به مواد MDFنشده ارایه می‌دهند. نتایج مشخص کردند که پس از دو عبور اول، بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی نانوکامپوزیت پدید آمده است، به‌طوری‌ که استحکام برشی تسلیم، استحکام برشی نهایی و سختی نسبت به حالت اکسترودشده به‌ترتیب ۲۷/۱۲%، ۱۷/۹۵% و ۱۶/۰۳% افزایش یافته‌اند. خواص مکانیکی طی عبورهای بعدی به‌صورت تناوبی با کاهش و افزایش همراه بودند. مشاهدات ریزساختاری نیز نشان دادند که روند تغییرات متوسط اندازه دانه، طی افزایش عبورهای MDF تناوبی بوده است. پس از عبور دوم دانه‌ها نسبت به حالت اکسترود ریزتر شدند و در دو عبور بعدی اندازه آنها افزایش یافت. از عبور چهارم تا عبور ششم اندازه دانه‌ها کاهش پیدا کرد و کمترین اندازه دانه در این حالت به دست آمد، در حالی‌ که در دو عبور آخر دانه‌ها کمی رشد کردند. با وجود ساختار ریزتر و همگن‌تری که در عبورهای ششم و هشتم ایجاد شد اما بهترین خواص مکانیکی در عبور دوم حاصل شد و این یعنی افزون بر تغییرات ریزساختاری تحولات ایجادشده در بافت ماده طی فرآیند MDF نیز خواص مکانیکی را تحت تاثیر قرار داده است.
کلیدواژه‌ها
ریخته‌گری گردابی
نانوذرات SiC
فورج چندجهته
خواص مکانیکی
اندازه دانه

موضوعات

عنوان مقاله English

Effect of Multidirectional Forging on Microstructures and Mechanical Properties of Nano-SiC Reinforced AZ31 Nanocomposites

نویسندگان English

H. Mozafary 1
F. Akbaripanah 1
S.H. Nourbakhsh 2
1 Mechanical Engineering Department, Malayer University, Malayer, Iran
2 Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
چکیده English

In this study, 1.5vol.% of SiC nanoparticles was added to AZ31 magnesium alloy via a stir-casting method. Next, the as-cast ingots were extruded at 400°C with the ratio of 3.78. After extruding, the materials were subjected to multidirectional forging (MDF) at 320°C for 2, 4, 6, and 8 passes. In order to evaluate the mechanical properties of extruded and MDFed materials, shear punch (SPT) and Vickers microhardness tests were applied. The results of these tests showed that hard ceramic nanoparticles improved the shear strength and hardness of the matrix alloy. The shear yield strength, ultimate shear strength, and hardness of extruded alloy were 86.70 MPa, 119.43 MPa, and 52.55 HV, respectively, while in extruded AZ31/SiCp nanocomposite, these values increased by 9.91%, 5.48%, and 13.99%, respectively. It was also observed that nanocomposites processed with multi-directional forging offer better mechanical properties than non-MDFed materials. The results indicated that after the first two passes, there was a significant improvement in the mechanical properties of the nanocomposites, such that the shear yield strength, ultimate shear strength, and hardness were improved in contrast with the extruded state by 27.12%, 17.95%, and 16.03%, respectively. Mechanical properties during the next passes were periodically reduced and increased. Microstructural observations also showed that the average grain size variations were periodic during the increase of MDF passes. After the second pass, the grains were finer than the extruded state, and their size increased in the next two passes. From 4th to 6th pass, the grain size decreased and the smallest grains were obtained in this case, while in the last two passes, the grains grew slightly. Despite the smaller and homogeneous structure created by the 6th and 8th passes, the best mechanical properties were obtained in the second pass, which means, in addition to the microstructural changes, also modifications in the material texture during the MDF process had an impact on mechanical properties.

کلیدواژه‌ها English

Stir-casting
SiC nanoparticles
Multidirectional forging
Mechanical properties
Grain size
Ye HZ, Liu XY. Review of recent studies in magnesium matrix composites. Journal of materials science. 2004;39(20):6153-6171. [Link] [DOI:10.1023/B:JMSC.0000043583.47148.31]
Alam ME, Hamouda AMS, Nguyen QB, Gupta M. Improving microstructural and mechanical response of new AZ41 and AZ51 magnesium alloys through simultaneous addition of nano-sized Al2O3 particulates and Ca. Journal of Alloys and Compounds. 2013;574:565-572. [Link] [DOI:10.1016/j.jallcom.2013.04.207]
Kainer KU. Magnesium alloys and technologies. Hoboken: John Wiley & Sons; 2006. [Link]
Nguyen QB, Tun KS, Lim CYH, Wong WLE, Gupta M. Influence of nano-alumina and sub-micron copper on mechanical properties of magnesium alloy AZ31. Composites Part B: Engineering. 2013;55:486-491. [Link] [DOI:10.1016/j.compositesb.2013.06.041]
Masoudpanah SM, Mahmudi R. The microstructure, tensile, and shear deformation behavior of an AZ31 magnesium alloy after extrusion and equal channel angular pressing. Materials & Design. 2010;31(7):3512-3517. [Link] [DOI:10.1016/j.matdes.2010.02.018]
Matin A, Fereshteh Saniee F, Abedi HR. Microstructure and mechanical properties of Mg/SiC and AZ80/SiC nano-composites fabricated through stir casting method. Materials Science and Engineering: A. 2015;625:81-88. [Link] [DOI:10.1016/j.msea.2014.11.050]
Xia X, Chen Ming, Lu Y, Fan F, Zhu C, Huang J, Deng T, et al. Microstructure and mechanical properties of isothermal multi-axial forging formed AZ61 Mg alloy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013;23(11):3186-3192. [Link] [DOI:10.1016/S1003-6326(13)62851-4]
Habibnejad-Korayem M, Mahmudi R, Poole W. Enhanced properties of Mg-based nano-composites reinforced with Al2O3 nano-particles. Materials Science and Engineering: A. 2009;519(1):198-203. [Link] [DOI:10.1016/j.msea.2009.05.001]
Qiao XG, Ying T, Zheng MY, Wei ED, Wu K, Hu XS, et al. Microstructure evolution and mechanical properties of nano-SiCp/AZ91 composite processed by extrusion and equal channel angular pressing (ECAP). Materials Characterization. 2016;121:222-230. [Link] [DOI:10.1016/j.matchar.2016.10.003]
Nie KB, Deng KK, Wang XJ, Wang T, Wu K. Influence of SiC nanoparticles addition on the microstructural evolution and mechanical properties of AZ91 alloy during isothermal multidirectional forging. Materials Characterization. 2017;124:14-24. [Link] [DOI:10.1016/j.matchar.2016.12.006]
Wu K, Deng K, Nie K, Wu Y, Wang X, Hu X, et al. Microstructure and mechanical properties of SiCp/AZ91 composite deformed through a combination of forging and extrusion process. Materials & Design. 2010;31(8):3929-3932. [Link] [DOI:10.1016/j.matdes.2010.03.021]
Nie KB, Wang XJ, Hu XS, Wu YW, Deng KK, Wu K, et al. Effect of multidirectional forging on microstructures and tensile properties of a particulate reinforced magnesium matrix composite. Materials Science and Engineering: A. 2011;528(24):7133-7139. [Link] [DOI:10.1016/j.msea.2011.06.016]
Zhao Z, Chen Q, Hu C, Shu D. Microstructure and mechanical properties of SPD-processed an as-cast AZ91D+Y magnesium alloy by equal channel angular extrusion and multi-axial forging. Materials & Design. 2009;30(10):4557-4561. [Link] [DOI:10.1016/j.matdes.2009.04.023]
Huang H, Zhang J. Microstructure and mechanical properties of AZ31 magnesium alloy processed by multi-directional forging at different temperatures. Materials Science and Engineering: A. 2016;674:52-58. [Link] [DOI:10.1016/j.msea.2016.07.052]
Akbari Panah F, Salavati MA, Mahmudi R. The effects of extrusion and Multi-Directional Forging (MDF) processes on microstructure, shear strength and microhardness of AM60 magnesium alloy. Modares Mechanical Engineering. 2017;16(11):409-416. [Persian] [Link]
Goyal S, Karthik V, Kasiviswanathan KV, Valsan M, Sankara Rao KB, Raj B. Finite element analysis of shear punch testing and experimental validation. Materials & Design. 2010;31(5):2546-2552. [Link] [DOI:10.1016/j.matdes.2009.11.031]
Guduru RK, Darling KA, Kishore R, Scattergood RO, Koch CC, Murty KL. Evaluation of mechanical properties using Shear–Punch testing. Materials Science and Engineering: A. 2005;395(1-2):307-314. [Link] [DOI:10.1016/j.msea.2004.12.048]
Nie KB, Deng KK, Wang XJ, Xu FJ, Wu K, Zheng MY. Multidirectional forging of AZ91 magnesium alloy and its effects on microstructures and mechanical properties. Materials Science and Engineering: A. 2015;624:157-168. [Link] [DOI:10.1016/j.msea.2014.11.076]
Nie KB, Wu K, Wang XJ, Deng KK, Wu YW, Zheng MY. Multidirectional forging of magnesium matrix composites: Effect on microstructures and tensile properties. Materials Science and Engineering: A. 2010;527(27-28):7364-7368. [Link] [DOI:10.1016/j.msea.2010.08.007]
Deng KK, Wang XJ, Gan WM, Wu YW, Nie KB, Wu K, et al. Isothermal forging of AZ91 reinforced with 10 vol.% silicon carbon particles. Materials Science and Engineering: A. 2011;528(3):1707-1712. [Link] [DOI:10.1016/j.msea.2010.10.091]
Huang SJ, Ho CH, Feldman Y, Tenne R. Advanced AZ31 Mg alloy composites reinforced by WS2 nanotubes. Journal of Alloys and Compounds. 2016;654:15-22. [Link] [DOI:10.1016/j.jallcom.2015.09.066]
Salandari-Rabori A, Zarei-Hanzaki A, Fatemi SM, Ghambari M, Moghaddam M. Microstructure and superior mechanical properties of a multi-axially forged WE magnesium alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2017;693:406-413. [Link] [DOI:10.1016/j.jallcom.2016.09.198]
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 19، شماره 4
فروردین 1398
صفحه 981-989