رفتار کششی آلیاژ AZ91 حاوی نقره و تحت ریخته‌گری با شرایط مختلف

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

پوریا کمایی ¹ , مهدی خراسانیان ² , سید رضا علوی زارع ³ , مصطفی اسکندری ⁴

1 - دانش‌آموخته کارشناسی ارشد گروه مهندسی مواد، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران
2 - استادیار گروه مهندسی مواد، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران
3 - دانشیار گروه مهندسی مواد، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران
4 - استادیار گروه مهندسی مواد، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

تاریخ دریافت : 1402/05/31 تاریخ پذیرش : 1402/08/14 تاریخ انتشار : 1401/11/01

کلید واژه: ریزساختار, آزمون کشش, ریخته‌گری, آلیاژ منیزیم AZ91, مبردگذاری,

چکیده مقاله :

چکیده
هدف از پژوهش حاضر، مطالعه رفتار آلیاژ منیزیم AZ91 در آزمون کشش سرد و گرم بود. برای این منظور، آلیاژ مذکور در شرایط انجمادی همراه با مبردگذاری و بدون مبردگذاری ریخته‌گری شد. در حین آماده‌سازی مذاب، عنصر نقره در مقادیر مختلف به مذاب اضافه گردید. آزمون کشش تک‌محوری در دمای اتاق و در دمای 120 درجه سانتیگراد بر روی نمونه‌های آلیاژی با درصدهای مختلف نقره و با شرایط انجمادی متفاوت انجام گرفت. نتایج نشان داد که حضور نقره در آلیاژ سبب تغییر در مورفولوژی فاز Mg₁₇Al₁₂ و تغییر در ریزساختار و خواص کششی آلیاژ شد. ریزساختار و مورفولوژی رسوبات توسط میکروسکوپ نوری مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین سطح شکست آلیاژ پس از آزمون کشش توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی شد. تغییر در مورفولوژی این فاز بر خواص مکانیکی آلیاژ اثر قابل ملاحظه‌ای دارد. این فاز یک فاز ترد و شکننده بوده و می‌تواند در کنار ساختار بلوری هگزاگونال منیزیم سبب تضعیف رفتار کششی آلیاژ گردد. بهترین رفتار کششی برای نمونه با wt% 0.1 نقره بدون مبردگذاری به دست آمد. در این نمونه فاز Mg₁₇Al₁₂ به صورت پراکنده و با پیوستگی کمتر در مرز دانه ظاهر شد. هنگامی که مقدار نقره به wt% 0.4 افزایش یافت، خواص کششی به دلیل افزایش اندازه رسوبات این فاز در ریزساختار کاهش قابل ملاحظه‌ای یافت. انجماد همراه با مبرد اثر مثبتی بر خواص کششی آلیاژ در دماهای بالا و پایین نداشت.
مقدمه: در پژوهش حاضر، اثر افزودن نقره به عنوان عنصر آلیاژی همراه با تغییر در شرایط انجماد با و بدون استفاده از مبردگذاری بر ریزساختار و خواص کششی آلیاژ AZ91 با استفاده از آزمون‌های کشش در دمای اتاق و کشش در دمای °C 120 مورد مطالعه قرار گرفت. نکته مهم در پژوهش حاضر استفاده از عنصر نقره است که در مطالعات پیشین کمتر به آن پرداخته شده است. برای افزودن بسیاری از عناصر آلیاژی، مشکلاتی از قبیل احتمال اکسید شدن، تبخیر شدن و ورود به سرباره وجود دارد. هممچنین بسیاری از عناصر آلیاژی باید به صورت ترکیبی و در قالب یک آمیژان وارد مذاب شوند، در صورتی که در این مطالعه، عنصر نقره به صورت گرانول خالص به مذاب اضافه شد. نقره به عنوان یک عنصر نجیب تمایل کمتری به ایجاد ترکیبات شیمیایی و بین‌فلزی از خود نشان می‌دهد و از این لحاظ پایداری خوبی را در هنگام آماده‌سازی مذاب و ریخته‌گری دارد. چنین خصوصیاتی این امکان را به وجود آورده که در پژوهش حاضر، ریخته‌گری بدون نیاز به اتمسفر کنترل شده انجام گیرد. در بسیاری از تحقیقات مشابه، خواص کششی دمای بالا در محدوده‌ای از دما مورد بررسی قرار گرفته‌اند که مکانیسم های خزشی فعال می‌باشند، اما در این پژوهش، دما تا این اندازه بالا نیست و محدوده دمایی پایین‌تر است و هدف بررسی رفتار کشش در دمای بالا بدون رخداد خزش است. در اغلب مطالعات مربوط به رفتار مکانیکی آلیاژ AZ91 اندازه دانه مهم‌ترین پارامتر مورد مطالعه بوده است، در صورتی که در این پژوهش، اهمیت و نقش فاز β-Mg₁₇Al₁₂ به عنوان فاز ترد موجود در آلیاژ مورد تأکید بوده و اثر این فاز بر خواص کششی مد نظر می‌باشد. قابل ذکر است که مباحث تفسیر ریزساختار، ترکیب شیمیایی و آنالیز عنصری فازهای موجود در آلیاژ در یک مقاله دیگر به قلم نویسندگان حاضر به چاپ رسیده است.
روش­:
نمونه‌های AZ91 (با ترکیب شیمیایی متوسط حاوی 9 درصد وزنی Al، 0.9 درصد وزنی روی و 0.2 درصد وزنی منگنز) با استفاده از ریخته‌گری در قالب دائمی تولید شدند. مواد اولیه به صورت شمش تجاری در داخل یک کوره مقاومت الکتریکی گرم شدند. قالب فولادی مجهز به مبرد مسی دارای سیستم آبگرد در یک جعبه عایق حرارتی نگهداری می‌شد. عملیات ریخته گری در دمای 650، 750 و 850 درجه سانتی‌گراد با یا بدون مبرد انجام شد. نمونه‌های مکعبی (2×2×2 سانتی‌متر مکعب) از قسمت میانی و نزدیک به مرکز قطعات ریخته‌گری شده بریده شدند. سطح نمونه‌ها با استفاده از کاغذهای سنباده SiC از شماره 60# تا 2500# سنباده‌زنی شد. سپس نمونه‌ها بر روی یک نمد مخصوص و با استفاده از یک محلول شوینده تجاری صیقل داده شدند. برای بررسی ریزساختار، نمونه‌ها توسط محلول استیک پیکرال (مخلوطی از 10 میلی‌لیتر اسید استیک، 4.2 گرم اسید پیکریک، 10 میلی‌لیتر آب مقطر و 70 میلی‌لیتر اتانول) به مدت 1 ثانیه حکاکی شدند. برای بررسی ریزساختار نمونه‌ها از میکروسکوپ نوری استفاده شد.
برای ارزیابی رفتار مکانیکی نمونه‌ها، آزمون‌های کشش در دمای اتاق (طبق استاندارد ASTM-E8) و در دمای °C 120 (طبق استاندارد ASTM-E21) انجام شدند.
یافته­ ها:
اثر هم‌زمان 0.1 درصد وزنی نقره و مبردگذاری
در شکل 3، نتایج آزمون‌های کشش دمای اتاق بر روی نمونه‌های حاوی 0.1 درصد وزنی نقره و با شرایط انجمادی متفاوت مربوط به نمونه 1 (ریخته‌گری بدون مبرد در دمای ˚C 650)، نمونه 2 (ریخته‌گری با مبرد در دمای ˚C 750) و نمونه 3 (ریخته‌گری با مبرد در دمای ˚C 850) نشان داده شده است. همان گونه که در شکل 3 مشاهده می‌شود، واضح است که رفتار کششی AZ91 با 0.1 درصد وزنی نقره پس از انجماد با مبردگذاری افت داشته است. نتایج نشان می‌دهد که نمونه حاوی wt% 0.1 نقره و ریخته‌گری شده در  °C 650 دارای بهترین خواص کششی در بین تمام نمونه‌های با انجماد بدون مبردگذاری است.
ذوب‌ریزی از °C 850 با انجماد همراه با مبردگذاری باعث بهبود خواص کششی در مقایسه با نمونه ریخته‌گری شده در دمای °C 750 درجه سانتیگراد شده است.  به منظور توضیح عملکرد مکانیکی نمونه‌های مورد بحث، بررسی ریزساختار نمونه‌ها برای توضیح عملکرد مکانیکی آنها ضروری است. شکل 4 ریزساختار نمونه‌های ریخته‌گری شده در شرایط مختلف در پژوهش حاضر را نشان می‌دهد.
تصاویر میکروسکوپی نمونه‌های حاوی 0.1 درصد وزنی نقره و ریخته گری شده در شرایط مختلف در شکل‌های 4-الف، 4-ب و 4-ج به نمایش در آمده است. انجماد همراه با مبردگذاری می‌تواند مورفولوژی فاز Mg₁₇Al₁₂ را تغییر دهد. در نمونه‌های با حالت‌های مختلف انجماد، اندازه و توزیع Mg₁₇Al₁₂ متفاوت است. برای نمونه ریخته‌گری شده در °C 650، که بدون مبردگذاری تولید شده، سرعت سرد شدن بسیار بالا بود که باعث شده فاز Mg₁₇Al₁₂ به صورت رسوبات مرزدانه‌ای ریز ظاهر شود. انجماد همراه با مبردگذاری نرخ انتقال حرارت را کاهش داده و این باعث تغییر در مورفولوژی Mg₁₇Al₁₂ به صورت پیوستگی کمتر و ضخامت بیشتر شده است. این اثر توسط چن و همکاران نیز گزارش شده است. کاهش نرخ انتقال حرارت سبب افزایش اندازه دانه‌های فاز زمینه گردیده و به تبع آن فاز Mg₁₇Al₁₂ نیز ضخیم‌تر شده است. مقایسه بین نمونه‌های ذوب‌ریزی شده در °C 650 و °C 850 نشان می‌دهد که انجماد همراه با مبردگذاری تقریباً تأثیری بر مورفولوژی فاز β ندارد، اما دمای ذوب‌ریزی بالاتر منجر به ضخامت بیشتر فاز β شده است. به طور خلاصه باید گفت که پس از انجماد همراه با مبردگذاری، ریزساختار AZ91 حاوی 0.1 درصد وزنی نقره تغییر یافته است.
مبردگذاری منجر به کاهش مقدار فاز Mg₁₇Al₁₂ و به طور هم‌زمان منجر به تولید رسوبات درشت و ضخیم Mg₁₇Al₁₂ می‌شود. این واقعیت باعث خواص مکانیکی ضعیف نمونه ریخته‌گری شده در °C 750 در دمای اتاق شده است. ...
نتیجه­ گیری:
- افزودن نقره به مذاب آلیاژ AZ91 باعث تغییر ریزساختار و خواص مکانیکی این آلیاژ شد.
- هنگامی که نقره به AZ91 اضافه شد، مورفولوژی فاز Mg₁₇Al₁₂ از شبکه‌های مرزدانه‌ای ریز به رسوبات درشت و ضخیم با پیوستگی کمتر تغییر یافت.
- کاهش پیوستگی فاز β منجر به بهبود خواص کششی در اتاق و دماهای بالا شد.
- برای نمونه‌های حاوی مقادیر مختلف نقره بدون مبردگذاری، در آزمون کشش سرد، افزودن نقره سبب بهبود رفتار کششی آلیاژ شد. در آزمون کشش گرم نیز همین روند تکرار شد.
- در آزمون کشش سرد نمونه‌های حاوی wt% 0.1 نقره، استحکام تسلیم و استحکام کششی برای نمونه ریخته‌گری شده در  °C 650 بیشترین مقدار بود که مبردگذاری سبب کاهش این مقادیر شد. با افزایش دمای ذوب‌ریزی، مقادیر استحکام افزایش اندکی پیدا کرد. مقادیر کرنش شکست برای نمونه تولید شده با مبردگذاری در °C 850 بیشترین مقدار بود. نتایج آزمون کشش گرم نیز تقریباً به همین منوال بود

چکیده انگلیسی:

Abstract
The aim of the present research was to study the behavior of AZ91 magnesium alloy under cold and hot tension tests. The alloy was cast under solidification conditions with and without a chill. During the preparation of the melt, silver was added in different amounts to the melt. The uniaxial tensile test was performed at room temperature and at 120 °C on the samples with different percentages of silver and with different solidification conditions. The results showed that the presence of silver in the alloy caused a change in the morphology of the Mg17Al12 phase and a change in the microstructure and tensile properties of the alloy. The change in the morphology of this phase has a significant effect on the mechanical properties of the alloy. This phase is a brittle phase, and along with the hexagonal crystal structure of magnesium, can deteriorate the tensile behavior of the alloy. The best tensile behavior was obtained for the sample with 0.1 wt% silver without a chill. In this sample, the Mg₁₇Al₁₂ phase appeared as a dispersed phase with less continuity at the grain boundaries. When the amount of silver increased to 0.4 wt%, the tensile properties decreased significantly due to the increase of the size of this phase in the microstructure. solidification with a chill had no positive effect on the tensile properties of the alloy at high and low temperatures.
Introduction:The aim of the present research was to study the behavior of AZ91 magnesium alloy under cold and hot tension tests. The alloy was cast under solidification conditions with and without a chill. During the preparation of the melt, silver was added in different amounts to the melt.  Methods: AZ91 specimens were produced using permanent mold casting. The raw materials were heated in the form of commercial ingots in an electric furnace, and after melting, silver was introduced into the melt in the form of commercial pure granules.
Findings:
In Figure 3, the results of room temperature tensile tests on samples containing 0.1 wt% of silver and with different solidification conditions namely sample 1 (casting without chill at 650 ˚C), sample 2 (casting with chill at 750 ˚C) and Sample 3 (casting with chill at 850 ˚C) is shown.

منابع و مأخذ:

[1].       Unal M, Ahmet Goren H, Koc E, Turen Y, Ahlatci H, Sun Y. Effect of cooling rate and 2 Wt % silicon addition on microstructure and mechanical properties of Az91 Mg alloys. Int J Mech Prod Eng [Internet]. 2017;(5):2320–2092.

[2].       Mabuchi M, Kobata M, Chino Y, Iwasaki H. Tensile properties of directionally solidified AZ91 Mg alloy. Mater Trans. 2003;44(4):436–9. DOI: 10.2320/matertrans.44.436.

[3].       Srinivasan A, Pillai UTS, Pai BC. Microstructure and mechanical properties of Si and Sb added AZ91 magnesium alloy. Metall Mater Trans A Phys Metall Mater Sci. 2005;36(8):2235–43. DOI: 10.1007/s11661-005-0342-6.

[4].       Muraliraja R, Vettrivel H, Elansezhian R. Synthesis and characterization of magnesium alloy added with Yttrium and to study the microstructure and mechanical properties. Int J Eng Innov Technol. 2013;2(7):388–92. DOI: 10.2320/matertrans.44.436.

[5].       Wang SR, Guo PQ, Yang LY, Wang Y. Microstructure and mechanical properties of AZ91 alloys by addition of Yttrium. J Mater Eng Perform. 2009;18(2):137–44. DOI: 10.1007/s11665-008-9255-z.

[6].       Suresh M, Srinivasan A, Ravi KR, Pillai UTS, Pai BC. Influence of boron addition on the grain refinement and mechanical properties of AZ91 Mg alloy. Mater Sci Eng A. 2009;525(1–2):207–10. DOI: 10.1016/j.msea.2009.07.019.

[7].       Srinivasan A, Swaminathan J, Pillai UTS, Guguloth K, Pai BC. Effect of combined addition of Si and Sb on the microstructure and creep properties of AZ91 magnesium alloy. Mater Sci Eng A. 2008;485:86–91. DOI: 10.1016/j.msea.2007.09.059.

[8].       Kumar P, Mondal AK, Chowdhury SG, Krishna G, Ray AK. Influence of additions of Sb and/or Sr on microstructure and tensile creep behaviour of squeeze-cast AZ91D Mg alloy. Mater Sci Eng A [Internet]. 2017;683(2016):37–45. DOI: 10.1016/j.msea.2016.12.006.

[9].       Chen SN, Yang W, Yu H, Zhang YL, Yang W, Yu H, et al. Effects of microstructure modification and pressurized solidification on mechanical property of AZ91 alloy. J Alloys Compd. 2014;611:1–6. DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.05.033.

[10].     Wang ZW, Wang HX, Gong JL, Li M, Cheng WL, Liang W. Modification and refinement effects of Sb and Sr on Mg17Al12 and Mg2Si phases in Mg-12Al-0.7Si alloy. China Foundry. 2016;13(5):310–5. DOI: 10.1007/s41230-016-5112-0.

[11].     Wei W, Chunxiang X, Jinshan Z, Weili C, Xiaofeng N. Effects of Ce addition on microstructure , mechanical properties and corrosion resistance of as-cast AZ80 magnesium alloy. China Foundry. 2014;11(3):157–62.

[12].     Gusieva K, Sato T, Sha G, Ringer SP, Birbilis N. Influence of low level Ag additions on Mg-alloy AZ91. Adv Eng Mater. 2013;15(6):485–90. DOI: 10.1002/adem.201200321.

[13].     Bian J, Yu B, Sun W, Jiang L, Liu X, Zheng L, et al. Improving the microstructure and tensile properties of AZ91 magnesium alloy via electromagnetic stirring Improving the microstructure and tensile properties of AZ91 magnesium alloy via electromagnetic stirring. Mater Res Express. 2019;6(12):1–10. DOI: 10.1088/2053-1591/ab7219.

[14].     Askaran M, Malekan M, Emamy M, Lotfpour M. Grain refinement , microstructural characterization , and tensile properties of die-cast AZ91 alloy via lead and tin additions. J Ultrafine Grained Nanostructured Mater. 2019;52(2):218–28. DOI: 10.22059/jufgnsm.2019.02.11.

[15]. عسکران م ر، امامی م، ملکان م. بررسی تاثیر سرب بر ریز ساختار و خواص مکانیکی آلیاژ منیزیم AZ91. مجله مواد نوین. 1397;9(1):25–36.

[16].     Afsharnaderi A, Malekan M, Emamy M, Ghani JR, Lotfpour M. Microstructure evolution and mechanical properties of the AZ91 magnesium alloy with Sr and Ti additions in the as-cast and as-aged conditions. J Mater Eng Perform [Internet]. 2019;28(11):6853–63. DOI: 10.1007/s11665-019-04396-2.

[17].     افشار نادری آ، راثی‌زاده غنی ج، ملکان م، امامی م. بررسی تاثیر استرانسیم بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ منیزیم AZ91. مجله مواد نوین. 1397;8(4):31–42.

[18].     Bonnah RC, Fu Y, Hao H. Microstructure and mechanical properties of AZ91 magnesium alloy with minor additions of Sm , Si and Ca elements. China Foundry. 2019;16(5):319–25. DOI: 10.1007/s41230-019-9067-9.

[19].     Afsharnaderi A, Lotfpour M, Mirzadeh H, Emamy M, Malekan M. Enhanced mechanical properties of as-cast AZ91 magnesium alloy by combined RE-Sr addition and hot extrusion. Mater Sci Eng A [Internet]. 2020;792. DOI: 10.1016/j.msea.2020.139817.

[20].     Marodkar AS, Patil H, Borkar H. Microstructure , mechanical properties and fretting wear behavior of gravity die cast and squeeze cast AZ91 Mg alloy. Metallogr Microstruct Anal [Internet]. 2023;12(4):702–13. DOI: 10.1007/s13632-023-00974-y.

[21].     Marodkar AS, Patil H, Borkar H. Effect of squeeze casting and combined addition of calcium and strontium on microstructure and mechanical properties of AZ91 magnesium alloy. Int J Met. 2023;17:2252–2270. DOI: 10.1007/s13632-023-00974-y.

[22].     Khorasanian M, Zaree SRA, Kamaei P, Eskandari M. Addition of silver to an Mg–Al–Zn alloy treated by conventional and chilled solidification: A microstructural approach. Phys Met Metallogr. 2020;121(14):1393–9. DOI: 10.1134/S0031918X20130074.

[23].     Khorasanian M, Yeganeh M, Gholamzadeh N, Alavi Zaree SR. Effect of addition of silver and chilled casting on corrosion behavior of AZ91 magnesium alloy. Int J Met [Internet]. 2021;15:1184–96. DOI: 10.1007/s40962-020-00558-4.

[24].     Chen Y, Feng Y, Wang L, Wang L, Jia G, Guo E. Effect of cooling rate and Al content on solidification behavior and microstructure evolution of as-cast Mg – Al – Ca – Sm alloys. J Therm Anal Calorim [Internet]. 2019;135:2237–46. DOI: 10.1007/s10973-018-7434-1.

[25].     Maldar AR, Ebrahimi R, Davoodi A. The effect of homogenization on microstructure and hot ductility behaviour of AZ91 magnesium alloy. Kov Mater. 2010;48(5):277–84. DOI: 10.4149/km_2010_5_277.

[26].     Fu P, Peng L, Jiang H, Ding W, Zhai C. Tensile properties of high strength cast Mg alloys at room temperature: A review. China Foundry. 2014;11(4):277–86. 
 
[27].     Fu L, Wang XB, Gou PL, Le QC, Jia WT, Tang Y. Microstructures and tensile properties of AZ91 magnesium alloys with Ca, Sm, and La elements additions. Adv Eng Mater. 2017;19(12):1–9. DOI: 10.1002/adem.201700230.

[28].     Zhu S, Easton MA, Abbott TB, Nie JF, Dargusch MS, Hort N, et al. Evaluation of magnesium die-casting alloys for elevated temperature applications: microstructure, tensile properties, and creep resistance. Metall Mater Trans A Phys Metall Mater Sci. 2015;46(8):3543–54. DOI: 10.1007/s11661-015-2946-9.