بررسی ریز ساختار و مقاومت به سایش کامپوزیت سطحی AZ31B/SiO2/Graphite

استفاده از آلیاژهای منیزیم در صنایع هوافضا و حمل و نقل، به دلیل سبکی و در نتیجه مصرف سوخت کمتر، مورد توجه است. دانستیه این آلیاژها دو سوم آلیاژهای آلومینیوم بوده و استحکام ویژه آن‌‌ها بالاست، اما مقاومت سایشی کم، کاربردشان را محدود می‌کند. برای بهبود خواص آلیاژهای منیزیم از روش‌های مختلف استفاده شده است که یکی از موثرترین آن‌ها کامپوزیت سازی است.

در بین روش‌های مختلف ساخت کامپوزیت به فرآیند اصطکاکی اغتشاشی توجه زیادی شده است. این روش یکی از روش‌های حالت جامد برای اصلاح ریز ساختار و تولید کامپوزیت در سطح مواد است که نسبت به فرآیندهایی نظیر پاشش حرارتی یا تولید پوشش با کمک لیزر دمای کاری پایین دارد و می‌تواند از اکسیداسیون و تولید فازهای نامطلوب جلوگیری کند. در این فرآیند، ابزاری غیرمصرفی و چرخان شامل پین و شانه وارد نمونه می‌شود، به گونه‌ای که شانه ابزار نیز گرمای ناشی از تغییر فرم پلاستیک نمونه بدون رسیدن به دمای ذوب نرم و شرایط پیشروی ابزار را فراهم می‌کند. چرخش و پیشروی ابزار، سبب توزیع ذرات تقویت کننده در ریز ساختار می‌شود.

منیزیم
آلیاژ منیزیم

در سال‌های اخیر، پژوهش‌هایی برای تولید کامپوزیت‌های سطحی بر آلیاژهایی نظیر آلومینیوم، منیزیم، مس، فولاد و تیتانیم به روش اصطکاکی اغتشاشی با اهداف مختلف مانند افزایش سختی، استحکام، مقاومت به سایش و … انجام شده است. در برخی از پژوهش‌ها صرفا از یک ذره تقویت کننده استفاده شده است. به عنوان مثال، نانو کامپوزیت‌های پایه منیزیمی تقویت شده با سیلیکای آمورف با اندازه ذرات اولیه 20 نانومتر، با افزایش تعداد پاس انجام فرآیند اصطکاکی اغتشاشی، ذرات سلیکا به صورت مناسب در ریز ساختار توزیع می‌شوند. همچنین سختی کامپوزیت منیزیم تقویت شده با آلومینا با افزایش تعداد پاس‌های فرآیند اصطکاکی اغتشاشی، افزایش می‌یابد. اما کامپوزیت‌های هیبریدی (کامپوزیت تولید شده با بیش از یک نوع ذره تقویت کننده) می‌تواند به صورت موثرتر باعث بهبود خواص شود، زیرا خواص کامپوزیت‌های هیبریدی از خواص دو نوع ذره تقویت کننده تاثیر می‌پذیرد. با استفاده همزمان از ذرات سخت کاربید تیتانیم و آلومینا و توزیع این ذرات در آلیاژ منیزیم AZ91 باعث تولید ساختار دانه ریز و افزایش خواص مکانیکی می‌شوند. همچنین با اضافه کردن نانوذرات WC-10Co-4Cr و نانولوله‌های کربنی چند دیواره به آلیاژ منیزیم AZ91 و استفاده از فرآیند اصکاکی اغتشاشی، باعث توزیع مواد تقویت کننده در ریز ساختار آلیاژ منیزیم شده و خواص سایشی نامطلوب و سختی کم این آلیاژ را بهبود می‌بخشد. در تحقیقی کامپوزیت سطحی هیبریدی حاوی ذرات سخت کاربید بور و ذرات نرم گرافیت را بر سطح آلیاژ منیزیم به روش اصطکاکی اغتشاشی تولید کردند. آن‌ها گزارش کردند که اگرچه حضور ذرات سخت کاربید بور مقاومت به سایش را افزایش می‌دهد، اما هنگامی که این ذرات در کنار ذرات نرم گرافیت به آلیاژ منیزیم اضافه می‌شوند، مقاومت به سایش افزایش بیش‌تری می‌یابد. دلیل این مطلب تشکیل لایه گرافیت در سطح نمونه است که از تماس فلز-فلز جلوگیری کرده و مقاومت به سایش را افزایش می‌دهد.

در این گزارش، برای افزایش خواص سطحی آلیاژ منیزیم AZ31B، به عنوان یکی از پرکاربردترین آلیاژهای منیزیم، کامپوزیت هیبریدی منیزیم تقویت شده با مخلوط سیلیکا (به عنوان جزء دارای سختی بالا) و گرافیت (به عنوان جزء روانکار) با استفاده از فرآیند اصطکاکی اغتشاشی تولید شده است. ذرات سخت سلیکا، سختی کم آلیاژ منیزیم و گرافیت را جبران می‌کند و انتظار می‌رود، با حضور همزمان سلیکا و گرافیت مقاومت به سایش بهبود یابد. در این پژوهش، اثر تعداد پاس فرآیند اصطکاکی اغتشاشی، به عنوان عامل توزیع کننده ذرات، بر ریزساختار، سختی، خواص سایشی و نیز ارتباط ریزساختار-خواص بررسی شده است. همچنین با توجه به تاثیر فرآیند اصطکاکی اغتشاشی بر ریز ساختار، نمونه‌هایی بدون حضور ذرات سلیکا و گرافیت تولید شد تا اثر استفاده از ذرات تقویت کننده بر تغییر خواص نیز مورد بررسی قرار گیرد.

مواد و روش‌ها

از ورق AZ31B با ضخامت 3.5mm به عنوان زمینه استفاده شده است. همچنین از مخلوط سلیکای آمورف با اندازه ذرات 20-30 nm و گرافیت با اندازه ذرات 10-80 nm با نسبت وزنی 2 به عنوان تقویت کننده استفاده شده است. سپس شیاری با فرز پولکی با ضخامت 0.6mm و عمق  2.5mm در سطح ورق ایجاد و ذرات تقویت کننده در داخل شیار قرار داده شد. سرعت چرخش ماشین فرز برای فرآیند اصطکاکی اغتشاشی، 1250 rpm و سرعت پیشروی 50mm/min و زاویه بین ابزار و نمونه 3 درجه و نمونه‌ها 2  پاس و 4 پاس تحت فرآیند اصطکاک اغتشاشی قرار گرفتند. به منظور بررسی نقش ذرات تقویت کننده، نمونه‌هایی بدون حضور این ذرات تحت فرآیند اصطکاکی اغتشاشی قرار گرفتند.( نمونه تقویت نشده (M) ، نمونه کامپوزیتی (H)، و عدد مقابل نشان دهنده تعداد پاس‌های فرآیند اصطکاکی اغتشاشی).

برای آشکارسازی ریز ساختار نمونه‌ها به مدت 4 تا 6  ثانیه در محلول پیکرال (0.28gr اسید پیکریک، 10cc اتانول 96  درصد، 1.4cc استیک و 1.4cc آب مقطر) قرار داده شد. برای تهیه تصاویر از میکرسکوپ نوری مدل، میکرسکوپ روبشی مجهز به EDS و کیکرسکوپ الکترونی نشر میدانی استفاده شده است.

سختی سنجی با اعمال نیروی 200gr و زمان 10 s توسط دستگاه میکروسختی مدل Buehler انجام شد. آزمون سایش به روش پین روی دیسک مطابق استاندارد ASTM G99-05 در شرایط خشک، دمای محیط 30°C و رطوبت نسبی  30 درصد انجام شد. قطر پین فو2 mm و سختی آن 58 HRC، سرعت پیشروی 0.07 m/s، نیروی عمودی 7.5 N، مسافت آزمون 500m و قطر چرخش پین 9 mm بود.

بررسی ریزساختار در ناحیه هم‌زده

آلیاژ AZ31B دارای دانه‌هایی با اندازه‌های متفاوت با متوسط 33.5µm است. ریز ساختار این آلیاژ شامل زمینه α-Mg و ترکیب بین فلزی Al-Mn است.

تغییر فرم پلاستیک شدید و گرمای ناشی از فرآیند اصطکاکی اغتشاشی، باعث تبلور مجدد دینامیک و کاهش اندازه‌ دانه شده به گونه‌ای که متوسط اندازه دانه نمونه M2 نسبت به آلیاژ منیزیم اولیه 73 درصد کاهش یافته است. اگرچه متوسط اندازه دانه نمونه  M4 نسبت به نمونه M2 افزایش  46.7درصدی داشته، اما متوسط اندازه دانه این نمونه نسبت به آلیاژ منیزیم اولیه 59.7 درصد کم‌تر است. با افزایش تعداد پاس، حل شدن رسوبات موجود در ریز ساختار و افزایش اندازه آن‌ها، باعث اثر قفل کنندگی کم‌تر و رشد دانه‌ها شد.ضریب انتقال حرارت پایین برای آلیاژهای منیزیم، دلیل دیگری برای رشد دانه پس از تبلور مجدد است. با افزایش تعدا پاس، اندازه دانه نمونه‌های کامپوزیتی نیز کاهش یافت و پس از دو و چهار پاس به ترتیب به 11.3 و 6.7µm رسید. کاهش متوسط اندازه دانه برای این نمونه‌ها به ترتیب  66.3 و 80 درصد و بیش‌تر از نمونه‌های M2 و M4 است. زیرا برای نمونه‌های H علاوه بر تبلور مجدد دینامیکی، اثر قفل کنندگی زنر نیز از رشد دانه جلوگیری کرده و باعث کاهش بیش‌تر اندازه‌های دانه می‌شود. با افزایش تعداد پاس توزیع ذرات باعث افزایش اثر مکانیزم زنر و افزایش مکان‌های جوانه زنی دانه‌های جدید در هنگام تبلور مجدد شد و اندازه دانه کاهش یافت به گونه‌ای که پس از چهار پاس اندازه دانه نمونه H4 نسبت به نمونه M4 به نصف کاهش یافت. با افزایش تعداد پاس، دامنه تغییرات متوسط اندازه نمونه‌های M تغییر چندانی نداشت، اما برای نمونه‌های کامپوزیتی پراکندگی اندازه دانه با افزایش تعداد پاس کاهش می‌یابد و ریز ساختار نمونه پس از 4  پاس همگن می‌شود.

ریز سختی در ناحیه هم زده

برای تمام نمونه‌ها سختی نسبت به آلیاژ منیزیم اولیه افزایش یافته است. پس از پاس چهارم، رشد دانه به دلیل انحلال و درشت شدن ترکیبات بین فلزی ریز ساختار آلیاژ منیزیم اولیه، باعث کاهش سختی نمونه M4 شد. رابطه هال-پچ برحسب اندازه دانه آلیاژ منیزیم اولیه و نمونه‌های M به صورت زیر به دست می‌آید:

برای نمونه‌های H با افزایش تعداد پاس، سختی افزایش می‌یابد و سختی نمونه‌های H از نمونه‌های M بیش‌تر است. سختی بیش‌تز نمونه‌ H2  نسبت به M2، علی رغم داشتن اندازه دانه بزرگ‌تر، به دلیل حضور ذرات سخت سیلیکا در ساختار است. افزایش سختی در ساختارهای کامپوزیتی، علاوه بر مکانیزم استحکام  بخشی مرزدانه، ناشی از اندر کنش نابجایی و ذرات تقویت کننده است. ذرات تقویت کننده به دو طریق حرکت نابجایی‌ها را به تاخیر می‌اندازند، نابجایی این ذرات را بریده و یا آن‌ها را دور می‌زند. اگر ذرات تقویت کننده سخت باشند، نابجایی نمی‌تواند آن‌ها را برش دهد و باید از آن‌ها عبور کند و مکانیزم اوروان حاکم می‌شود.

در این رابطه  فاصله بین ذرات، G مدول بروشی زمینه، b بردار برگرز و r شعاع متوسط ذرات است. همان‌گونه که بیان شد با افزایش تعداد پاس، ذرات توزیع شده و فاصله بین آن‌ها کاهش می‌یابد. بنابراین کاهش فاصله بین ذرات، باعث افزایش استحکام دهی ناشی از مکانیزم اوروان می‌شود. علاوه بر این، اختلاف در ضریب انبساط حرارتی زمینه و تقویت کننده دانستیه نابجایی‌هارا افزایش داده و سبب استحکام بخشی می‌شود. همچنین برای نمونه‌های H و M، با افزایش تعداد پاس و همگن‌تر شدن ریز ساختار، اختلاف بین حداقل و حداکثر سختی کم‌تر می‌شود. کاهش پراکندگی اعداد سختی برای نمونه‌های کامپوزیتی تائید می‌کند که ذرات به خوبی توزیع شده و موفق به کنترل رشد دانه و ایجاد ریز ساختار همگن شده‌اند. بنابراین، حضور دانه‌های کوچک در مقابل دانه‌های بزرگ علت پراکندگی اعداد سختی است و همگراشدن نتایج سختی سنجی به عدد متوسط سختی و همگرا شدن نتایج سختی سنجی به عدد متوسط سختی، نتیجه دیگر انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی است.

آزمون سایش

آلیاژ پایه و نمونه‌های H و M بعد از 500 متر را نشان می‌دهد. میزان کاهش وزن نمونه‌ها با افزایش سختی کاهش می‌یابد. در نمونه‌های M که روان‌کار گرافیت حضور ندارد، وزن سایش یافته از نمونه‌های H بیش‌تر است. برای نمونه‌های H، توزیع ذرات گرافیت، به عنوان جزء روانکار، نیروی اصطکاک را کاهش داده و گرافیت با تشکیل لایه در سطح نمونه از تماس فلز با فلز جلوگیری کرده و مقاومت سایش را افزایش می‌دهد. برای نمونه‌های H2، H4 اگر چه سختی تقریبا ثابت است، اما وزن سایش یافته نمونه H4 کم‌تر است. زیرا برای نمونه H4 ذرات سلیکا و گرافیت در ریز ساختار به خوبی توزیع شده‌اند. در کسر حجمی ثابت از ذرات تقویت کننده، وقتی ذرات بیش‌تری بارهای وارد شده به نمونه را تحمل کرده، میزان تنش برشی وارد شده به هر ذره کاهش یافته و احتمال جدا شدن آن از زمینه کم می‌شود. نمونه H4 کم‌ترین وزن سایش یافته را بین تمام نمونه‌ها دارد.

شیب نمودارها در 100 متر اول انجام آزمون بیشتر از 200 متر دوم و سوم انجام آزمون است. به عبارت دیگر، در 100 متر اول انجام آزمون افزایش شدید در نرخ سایش مشاهده شد، زیرا ناهمگونی‌های سطحی قطعه و پین و تغییر شکل و جدایش برجستگی‌های کوچکی که در سطح نمونه و پین وجود دارد، باعث افزایش نرخ سایش می‌شود؛ اما پس از 100 متر که درگیری های مکانیکی کاهش یافت، این تأثیر کمتر شده و نرخ سایش برای تمامی نمونه‌ها کاهش یافت. کار سختی دلیل دیگر کاهش نرخ سایش در مسافت‌های بیشتر آزمون است. نرخ سایش نمونه H4 بیش از 33درصد کمتر از آلیاژ اولیه بود.

نتیجه گیری

در این پژوهش نانوکامپوزیت هیبریدی پایه منیزیم تقویت شده با مخلوط ذرات سیلیکا و گرافیت به روش اصطکاکی اغتشاشی تولید شد. مهم‌ترین نتایج حاصل از این تحقیق عبارتند از:

  • -افزایش تعداد پاس، سبب توزیع مناسب ذرات در ناحیه هم‌زده و جلوگیری از رشد دانه شد به نحوی که پس از 4 پاس، ریزساختار دارای دانه‌های ریز هم‌محور بوده و کاهش 80 درصدی در اندازه دانه و افزایش9  درصدی در سختی نسبت به آلیاژ پایه دیده شد.
  • با افزایش تعداد پاس علاوه بر کاهش اندازه دانه، تفاوت در اندازه دانه‌های ریز و درشت کاهش یافته و ریز ساختار همگن شد. این مطلب، باعث کاهش پراکندگی اعداد سختی نیز شد.
  • نتایج آزمون سایش به روش پین و دیسک نشان داد مقاومت به سایش نمونه کامپوزیتی پس از 4 پاس بیش از 11 درصد بیشتر از نمونه‌ای بود که بدون حضور ذرات تقویت کننده تحت فرایند اصطکاکی اغتشاشی قرار گرفته ا ست. ایجاد لایه اکسیدی در حین آزمون سایش، سختی بیشتر و تشکیل لایه گرافیت در سطح نمونه دلیل افزایش مقاومت به سایش این نمونه بود.

منبع:

بررسی ریز ساختار و مقاومت به سایش کامپوزیت سطحیAZ31B/SiO2/graphite تولید شده به روش اصطکاکی اغتشاشی  (مهدی رضائیان دلوئی ، حسن عبداهلل پور 2 ، محمد تجلی ،سید مصطفی موسوی زاده نوقابی)

http://journals.miau.ac.ir/article_3747.html

محصولات مرتبط

فهرست