تغییر مورفولوژی فازهای ناپایدار در آلیاژهای 3000 و 5000 آلومینیم با دما

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

خاطره منافی ¹ , مازیار آزادبه ^{2 *}

1 - دانش‌ آموخته کارشناسی ارشد، مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران
2 - استاد، مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران

تاریخ دریافت : 1403/07/30 تاریخ پذیرش : 1404/01/16 تاریخ انتشار : 1403/05/15

کلید واژه: آلیاژهای آلومینیم سری 3000 و 5000, عملیات شبه رسوبی, استحکام ضربه, مورفولوژی, فازهای ناپایدار,

چکیده مقاله :

مقدمه: مطالعات اخیر وجود فازهای ناپایداری در آلیاژهای آلومینیم سری 3000 و 5000 را نشان داده است که تغییر اندازه و مورفولوژی آنها با عملیات شبه رسوبی می‌‌تواند باعث تغییر خواص مکانیکی آلیاژ شود. معمولاً دمای مشخصی برای تغییر مورفولوژی و ریزشدن فازهای ناپایدار گزارش نشده است اما آنچه که مشخص است اندازه و نحوه توزیع این ذرات وابسته به روش تولید و فرآیند تکمیلی می‌باشد. در این تحقیق، تاثیر دمای "عملیات شبه رسوبی" بر بهبود استحکام ضربه‌‌ این رده از آلیاژهای آلومینیم که با روش اکستروژن تولید شده‌اند، مورد بررسی قرار گرفت.

روش‌: با اکستروژن گرم بیلت 4 اینچی، که با ذوب و ریخته گری قوطی آلومینیمی مستعمل نوشیدنی تهیه شده بود، پروفیلی با سطح مقطع مستطیلی 20×10 میلی متر بدست آمد، که نمونه‌های آزمون ضربه چارپی با برش سیم از آن استخراج شد. سپس "عملیات شبه رسوبی" شامل شبه محلول‌سازی در 600°C/8h و سپس کوئنچ شدن در آب و در ادامه شبه پیرسازی در دماهای 300، 400 و °C 500 به مدت زمان 1 ساعت انجام شد. آزمون ضربه مطابق استاندارد  ASTM E23-06در دمای محیط انجام شد.

یافته‌ها: با افزایش دمای شبه پیرسازی از 300 تا °C 500، استحکام ضربه از 72 تا (J/cm²) 87 افزایش یافته است. در حالیکه استحکام ضربه نمونه پس از اکستروژن و بدون عملیات بعدی (یعنی نمونه مرجع) (J/cm²) 55 است. این تغییرات در استحکام ضربه در نتیجه‌ی تغییر در مورفولوژی و توزیع رسوب‌ها با دمای شبه پیرسازی است. رسوب‌ها در این آلیاژ‌ها از نوع مکعبی ، نوع اورتورمبیک  و  هستند.

نتیجه‌گیری: بهبود خواص مکانیکی مربوط به تغییر مورفولوژی فازهای ناپایدار از شکل چند وجهی و زاویه دار به شکل گرد و کروی ریز و توزیع همگن آن‌ها در دمای °C500 است.

مکانیزم شکست بگونه‌ای است که در سطح شکست نمونه مرجع دیمپل‌های با دهانه‌ی درشت و با گوشه‌های نسبتاً تیز به قطر میانگین 61/9 میکرومتر و در نمونه‌ی شبه پیرسازی شده در دمای °C 500 دیمپل‌های ریز و با گوشه‌های نسبتاً گردتر به قطر میانگین 39/5 میکرومتر مشاهده می‌شود که مشابه همین اتفاق فازهای ناپایدار در زمینه ریز شده‌ند. احتمالاً تبلور مجدد در این دما موجب کوچک شدن دیمپل ها شده است.

چکیده انگلیسی:

 Recent studies have shown that in 3000 and 5000 series aluminum alloys metastable phases are present that their size and morphology change with a  semi dispersion treatment. Nevertheless, there is no consensus about the temperature to achieve the highest fragmentation of metastable phase. On the whole, the size and distribution of dispersoids are dependent on the fabricating method and complementary steps. In this research, the effect of the temperature of "post treatment" on characteristic of metastable phase and improving the impact strength of the alloys as extruded was investigated .By hot extrusion of 4-inch billet, produced by melting and casting of used beverage aluminum cans, a profile with a rectangular cross-section of 10 × 20 mm was obtained. The samples wire cut from the profile. Then, "semi dispersion treatment" was done in a way, in that the samples which were quasi dissolved at 600°C for 8h followed by water quenching, and then semi aged at temperatures of 300, 400, and 500°C for 1 hour. The Charpy impact test was carried out at room temperature according to ASTM standard E23-06. The results of the Charpy impact test showed that with rising semi aging temperature from 300 to 500 °C, impact toughness increases from 72 to 87 (J/cm²). Meanwhile, the impact strength of the reference sample (after extrusion and without semi dispersion treatment) is 55 (J/cm²).  The change in impact strength is in the result of morphology change and distribution.

 

منابع و مأخذ:

1. Schlesinger ME. Aluminum Recycling. CRC Press; 2006. doi: 10.1201/9781420006247
2. AlSaffar KA, Bdeir LMH. Recycling of Aluminum Beverage Cans. ournal Eng Dev. 2008;12:157–63. ISSN 1813-7822
3. Liu K, Chen XG. Development of Al-Mn-Mg 3004 alloy for applications at elevated temperature via dispersoid strengthening. Mater Des. 2015;84:340–50. doi: 10.1016/j.matdes.2015.06.140
4. Li YJ, Muggerud AMF, Olsen A, Furu T. Precipitation of partially coherent α-Al(Mn,Fe)Si dispersoids and their strengthening effect in AA 3003 alloy. Acta Mater. 2012;60(3):1004–14. doi:10.1016/j.actamat.2011.11.003
5. Huang HW, Ou BL, Tsai CT. Effect of homogenization on recrystallization and precipitation behavior of 3003 aluminum alloy. Mater Trans. 2008;49(2):250–9. doi:10.2320/matertrans.MRA2007615
6. Wen W, Zhao Y, Morris JG. The effect of Mg precipitation on the mechanical properties of 5xxx aluminum alloys. Mater Sci Eng A. 2005;392(1–2):136–44. doi:10.1016/j.msea.2004.09.059
7. Muggerud AMF, Mørtsell EA, Li Y, Holmestad R. Dispersoid strengthening in AA3xxx alloys with varying Mn and Si content during annealing at low temperatures. Mater Sci Eng A. 2013;567:21–8. doi: 10.1016/j.msea.2013.01.004
8. Carrasco C, Inzunza G, Camurri C, Rodríguez C, Radovic L, Soldera F, et al. Optimization of mechanical properties of Al-metal matrix composite produced by direct fusion of beverage cans. Mater Sci Eng A. 2014;617:146–55. doi: 10.1016/j.msea.2014.08.057
9. Warmuzek M, Mrówka G, Sieniawski J. Influence of the heat treatment on the precipitation of the intermetallic phases in commercial AlMn1FeSi alloy. In: Journal of Materials Processing Technology. 2004. p. 624–32.doi:10.1016/j.jmatprotec.2004.07.125
10. Li YJ, Arnberg L. Quantitative study on the precipitation behavior of dispersoids in DC-cast AA3003 alloy during heating and homogenization. Acta Mater. 2003;51(12):3415–28. doi:10.1016/S1359-6454(03)00160-5
11. Li Y, Arnberg L. Precipitation of dispersoids in DC-cast AA3103 alloy during heat treatment. In: TMS Light Metals. 2003. p. 991–7. doi:10.1007/978-3-319-482286_129
12. Merchant HD, Morris JG, Hodgson DS. Characterization of intermetallics in aluminum alloy 3004. Mater Charact. 1990;25(4):33973.doi:10.1016/1044-5803(90)90062-O
13. Metals Handbook, Properties and Selections vol-2, 10th Edition, ASM Metals Park OH, 1990.
14. Alexander DTL, Greer AL. Nucleation of the Al6(Fe, Mn)-to-α-Al-(Fe, Mn)-Si transformation in 3XXX aluminium alloys. I. Roll-bonded diffusion couples. Philos Mag. 2004;84(28):3051–70. doi: 10.1080/14786430410001701760
15. Vladimir Aryshenskii, Fedor Grechnikov, Evgenii Aryshenskii, Yaroslav Erisov SK, MT and AK. Alloying Elements Effect on the Recrystallization Process in Magnesium-Rich Aluminum Alloy. Materials 2022;15,7062. doi: 10.3390/ma15207062.