Evaluation of Creep Behavior of Al-Al3V and Al-(Al3V-Al2O3) Nanostructured Composites Produced by Mechanical Alloying and Hot Extrusion
Subject Areas :
Sayedeh Zahra Anvari
1
,
ّF. Karimzadeh
2
,
M. H. Enayati
3
1 - Department of Mechanical and Metallurgical Engineering, Payame Noor University (PNU), Tehran, Iran
2 - Department of Materials Engineering, Isfahan University of Technology, Iran
3 - Department of Materials Engineering, Isfahan University of Technology, Iran
Keywords: Aluminum Matrix Composites, Mechanical Alloying, Hot Extrusion, Creep,
Abstract :
In recent years, the creep and thermal stability of aluminum matrix composites have attracted considerable attention due to their potential for high-temperature applications. The addition of reinforcing particles generally enhances the creep resistance of the aluminum matrix. In this study, the creep behavior of aluminum matrix nanocomposites reinforced with Al3V and Al3V-Al2O3 particles fabricated using mechanical alloying, cold pressing, and hot extrusion was investigated. The morphology and microstructure of the prepared samples were examined using scanning electron microscopy (SEM). The creep behavior of the samples was evaluated in the temperature range of 250-350 °C. The results showed that the true stress exponent of the composites, which was highly dependent on temperature and stress, was close to 5. The creep mechanism at the studied temperatures was found to be dislocation climb. The apparent activation energies for Al-10wt.%(Al3V-Al2O3) and Al-10wt.%Al3V were 178 and 161 kJ/mol, respectively, which were higher than the self-diffusion activation energy in aluminum. The creep behavior of the composites was accompanied by a stress threshold that decreased with increasing temperature.
[1] W.O. Soboyejo, "Advanced structural materials properties, optimization design and applications", Tailor & Fancies Group LLC, New York, 2006.
[2] S. H. Choi, S. Y. Sung, H. J. Choi, Y. H. Sohn, B. S. Han & K. A. Lee, "High temperature tensile deformation behavior of new heat resistant aluminum alloy", Procedia Engineering, vol. 10, pp. 159–164, 2011.
[3] D. Vojtech, A. Michalcova, J. Pilch, P. Sittner, J. Serak & P. Novak, "Structural characteristics and thermal stability of Al–5.7Cr–2.5Fe–1.3Ti alloy produced by powder metallurgy", Journal of Alloys and Compounds, vol. 475, pp. 151–156, 2009.
[4] ی. صابری، س. ناطق، ش. میردامادی،"بررسی خواص کامپوزیت متخلخل زمینه آلومینیوم تقویت شده با نانو ذرات کاربید سیلیسیم با روشهای مختلف ارزیابی خواص خزشی"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 11، شماره 2، صفحه 41-56، 1396.
[5] K. E. Knipling, "Criteria for developing castable, creep-resistant aluminum-based alloys-Areview", Metallkd, vol. 97, pp. 246-265, 2006.
[6] M. Usluuysal, "Creep Behavior Prediction of Al-TiB2 Metal Matrix Composite using Finite Element", Journal of Science and Technology, vol. 8, no. 4, pp. 6-11, 2018.
[7] V. Monfared, H. R. Bakhsheshi‑Rad, M. Razzaghi, D. Toghraie, M. Hekmatifar & F. Berto, "A Review Study for Creep in Different Nanocomposites", Metals and Materials International, vol. 29, pp. 2444–2457, 2023.
[8] H. Xia & et al, "Effect of In-situ TiB2 Particles on the Creep Properties of 3wt.% TiB2/Al-Cu-Mg-Ag Composite", Recent advanced in multicomponent alloys and composites, vol. 74, pp. 4121-4128, 2022.
[9] B. F. Luan, N. Hansen, A. Godfrey, G. H. Wu & Q. Liu, "High strength Al–Al2O3p composites: optimization of extrusion parameters", Materials and Design, vol. 32, pp. 3810–3817, 2011.
[10] M. S. Zedalis & M. E. Fine, "Precipitation and ostwald rippening in dilute Al base-Zr-V alloys", Metallurgical Transactions A, vol. 17, pp. 2187-2198, 1987.
[11] M. E. Fine, "Precipitation hardening of aluminum alloys", Metallugical Transactions A, vol. 6A, pp. 625-630, 1975.
[12] Y. C. Chen, M. E. Fine & J. R. Weertman, "Microstructural evolution and mechanical properties of rapidly solidified A1-Zr-V alloys at high temperatures", Acta Metal Materials, vol. 38, pp. 771-780, 1990.
[13] X. Yu, H. Bakhtiari, J. Zhou, M. Omidi Bidgoli & K. Asemi, "Investigating the Effect of Reinforcing Particles Size and Content on Tensile and Fatigue Properties of Heat-Treated Al7075-SiC Composites Fabricated by the Stir Casting Method", Advances in Characterization of Functional Composite Materials, vol. 74, no. 5, pp. 1859-1869, 2022.
[14] K. E. Knipling, "Development of a nanoscale precipitation-strengthened creep-resistant aluminum alloy containing trialuminide precipitates", Department of materials science and engineering, northwestern university, 2006.
[15] F. H. Froes, "Rapid solidification of light weight metal alloys", Materials Science and Engineering A, vol. 117, pp. 19-32, 1989.
[16] P. Malek, M. Janecek & B. Smola, "Structure and properties of rapidly solidified Al-Zr-Ti alloys", Journal of Materials Science, vol. 35, pp. 2625 – 2633, 2000.
[17] W. S. Chang & B. C. Muddle, "Trialuminide intermetallic alloys for elevated temperature applications – overview", Metals and Materials, vol. 3, pp. 1-15, 1997.
[18] Y. W. Kim, "Rapid solidification of aluminium-vanadium rich alloys", Materials Science and Engineering, vol. 98, pp. 207-211, 1988.
[19] S. Z. Anvari, F. Karimzadeh & M. H. Enayati, "Synthesis and charactevisation of nanostructured Al-Al3V and Al-(Al3V-Al2O3) composites by powerd metallurgy", materials science and Technology, vol. 34, no. 2, pp. 1-12, 2017.
[20] DIN 50125: 2016-12; Testing of Metallic Materials—Tensile Test Pieces. Beuth Verlag GmbH: Berlin, Germany, 2016.
[21] M. E. Kassner, "Fundamental of creep in metals and alloys", (second Edition) Elsevier, Oxford, UK, 2009.
[22] E. A. Marquis, D. N. Seidman & D. C. Dunand, "Effect of Mg addition on the creep and yield behavior of an Al–Sc alloy", Acta Materialia, 51 pp. 4751–4760, 2003.
[23] A. M. Farghalli, P. Kyung-Tae & J. L. Enrique, "Creep behavior of discontinuous SiC-A1 composites", Materials and Engineering, A, vol. 50, pp. 21-35, 1992.
[24] S. Wang, B. Shen, S. Gao, D. Li & M. Tu, "Creep Behavior of Mullite short fiber reinforced ZL109 alloy composite at high temperature", Journal of Materials Technology, vol. 17, no. 4, 2001.
[25] H. J. Frost & M. F. Ashby, "Deformation-Mechanism Maps: The Plasticity and Creep of Metals and Ceramics", Pergamon Press, New York, 1982.
[26] K. E. Knipling & D.C. Dunand, "Creep resistance of cast and aged Al–0.1Zr and Al–0.1Zr–0.1Ti (at.%) alloys at 300–400 °C", Scripta Materialia, vol. 59, pp. 387–390, 2008.
[27] K. E. Knipling, D. N. Seidman & D. C. Dunand, "Ambient- and high-temperature mechanical properties of isochronally aged Al–0.06Sc, Al–0.06Zr and Al–0.06Sc–0.06Zr (at.%) alloys", Acta Materialia, vol. 59, pp. 943–954, 2011.
[28] S. Spigarelli, M. Cabibbo, E. Evangelista & S. Cucchieri, "Evaluation of the creep properties of an Al–17Si–1Mg–0.7Cu alloy", Materials Letters, vol. 56, pp. 1059– 1063, 2002.
[29] Y. Li & T. G. Langdon, "Creep behavior of a reinforced Al-7005 alloy", Acta Materialia, vol. 46, no. 4, pp. 1143-l 155, 1998.
[30] M. K. Premkumar, A. Lawley & M. J. Koczak, "Mechanical behavior of powder metallurgy A1-Fe-Ni alloys", Materials Science and Engineering A, vol. 174, pp.127-139, 1994.
[31] J. C. Ehrstrom & A. Pineau, "Mechanical properties and microstructure of A1-Fe-X alloys", Materials Science and Engineering A, vol. 186, pp. 55-64, 1994.
[32] A. B. Pandey, R. S. Mishra & Y. R. Mahajan, "High-temperature creep of A1-TiB2 particulate composites", Materials Science and Engineering A, vol. 189, pp. 95-104, 1994.
[33] M. E. Van Dalen, D. C. Dunand & D. N. Seidman, "Microstructural evolution and creep properties of precipitation-strengthened Al–0.06Sc–0.02Gd and Al–0.06Sc–0.02Yb (at.%) alloys", Acta Materialia, vol. 59, pp. 5224–5237, 2011.
[34] M. Azadi, A. Behmanesh & H. Aroo, "Creep Behaviors at 275 °C for Aluminum-Matrix Nano-composite under Different Stress Levels1", Archives of Foundry Engineering, vol. 21, no. 3, pp. 81 – 89, 2021.
[35] F. Kiarasi, M. Babaei, M. Omidi Bidgoli, K. M. Kashyzadeh & K. Asemi, "Mechanical characterization and creep strengthening of AZ91 magnesium alloy by addition of yttrium oxide
فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال نوزدهم – شماره اول – بهار 1404 (شماره پیاپی 72)، صص. 61-74 | ||
| فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir |
|
ارزیابی رفتار خزشی کامپوزیتهای نانوساختار 
و 
تولید شده به روش آلیاژسازی مکانیکی و اکستروژن گرم
مقاله پژوهشی |
سیده زهرا انوری۱*، فتح الله کریم زاده2، محمد حسین عنایتی2
1- استادیار، گروه مهندسی مکانیک و متالورژی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران.
2- استاد، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران.
* szanvari@pnu.ac.ir
اطلاعات مقاله |
| چکیده |
دریافت: 03/05/1403 پذیرش: 29/06/1403 | در سالهای اخیر خواص خزشی و پایداري حرارتی کامپوزیتهای زمینه آلومینیمی بهطور گسترده موردتوجه قرار گرفته است. دلیل این موضوع مقاومسازی هر چه بیشتر این مواد جهت کاربردهاي دماي بالا است. بهطورکلی افزودن ذرات تقویتکننده به زمینه آلومینیمی سبب افزایش مقاومت خزشی زمینه میشود؛ بنابراین در این پژوهش رفتار خزشی کامپوزیتهای نانوساختار زمینه آلومینیم حاوی تقویتکنندههای Al3V و Al3V-Al2O3 تولید شده با استفاده از فرآیند آلیاژسازی مکانیکی، پرس سرد و اکستروژن گرم مورد ارزیابی قرار گرفت. مرفولوژی و ریزساختار نمونههای تولید شده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی شد. رفتار خزشی نمونهها در محدوده دمایی 250 تا 350 درجه سانتیگراد مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج بهدستآمده نشان داد حضور ذرات تقویتکننده Al3V و Al3V-Al2O3 باعث بهبود رفتار خزشی نانو کامپوزیتها شده است و هر دو نمونه نانو کامپوزیتی رفتار خزشی مشابهی از خود نشان دادند. همچنین توان تنش ظاهری در محدوده 4-10 به دست آمد و به دما و تنش وابستگی زیادی دارد. بررسیهای انجام شده نشان داد مکانیزم خزش در دماهای موردمطالعه برای هر دو نمونه صعود نابجاییها است. بهعلاوه، انرژی فعالسازی ظاهری برای دو نمونه Al-10wt.%(Al3V-Al2O3) و Al-10wt.%Al3V به ترتیب 178 و 161 کیلوژول بر مول به دست آمد و بزرگتر از انرژی فعالسازی نفوذ خودی در آلومینیم بود. همچنین رفتار خزشی کامپوزیتها همراه با تنش آستانه بود که با افزایش دما کاهش یافت. تصاویر میکروسکوپی سطح شکست نمونههای خزشی نشاندهنده رفتار شکست ترد نمونهها بود. | |
کلید واژگان: کامپوزیت زمینه آلومینیم، آلیاژسازی مکانیکی، اکستروژن گرم، خزش. |
|
Evaluation of Creep Behavior of Al-Al3V and Al-(Al3V-Al2O3) Nanostructured Composites Produced by Mechanical Alloying and Hot Extrusion
Seyedeh Zahra Anvari1*, Fatollah Karimzadeh2, Mohamad Hossein Enayati 2
1- Department of Mechanical and Metallurgical Engineering, Payame Noor University (PNU), Tehran, Iran.
2- Department of Materials Engineering, Isfahan University of Technology, Iran.
* szanvari@pnu.ac.ir
Abstract |
| Article Information |
In recent years, the creep behavior and thermal stability of aluminum matrix composites have attracted considerable attention due to their potential for high-temperature applications. The addition of reinforcement particles to the aluminum matrix is known to enhance creep resistance. In this study, the creep behavior of aluminum matrix nanocomposites reinforced with Al3V and Al3V-Al2O3 particles fabricated using mechanical alloying, cold pressing, and hot extrusion was investigated. The morphology and microstructure of the produced samples were characterized using scanning electron microscopy (SEM). Creep tests were conducted in the temperature range of 250 to 350 °C. The results demonstrated that the presence of Al3V and Al3V-Al2O3 reinforcements improved the creep resistance of the nanocomposites, with both composites exhibiting similar creep behavior. The true stress exponent was found to be in the range of 4-10, indicating a strong dependence on temperature and stress. The dominant creep mechanism at the tested temperatures was determined to be dislocation climb. The apparent activation energies for Al-10wt.%(Al3V-Al2O3) and Al-10wt.%Al3V composites were 178 and 161 kJ/mol, respectively, which were higher than the self-diffusion activation energy of aluminum. The creep behavior of the composites exhibited a threshold stress that decreased with increasing temperature. Fractography revealed a brittle fracture mode for the creep specimens. | Original Research Paper Doi: | |
| Keywords: Aluminum Matrix Composites, Mechanical Alloying, Hot Extrusion, Creep. |
1- مقدمه
آلیاژهای آلومینیم به دلیل دارا بودن خواص مطلوبی نظیر چگالی کم، استحکام ویژه نسبتاً بالا، مقاومت خوردگی مناسب، رسانایی الكتریکی و حرارتی بالا و همچنین کارپذیری مناسب، کاربرد گستردهای در صنایع هوافضا و اتومبیلسازی به خود اختصاص دادهاند [1-3]. یکی از مشکلاتی که آلیاژهای متداول آلومینیم با آن مواجه هستند افت خواص در دمای بالاتر از 150 درجه سانتیگراد است که سبب میشود این آلیاژها نتوانند در کاربردهای دما بالا با سیستمهای آلیاژی دیگر رقابت کنند [4].
دلیل افت خواص مکانیکی این آلیاژها درشت شدن رسوبات استحکامبخش و کاهش نقش آنها در استحکامبخشی و جلوگیری از رشد دانهها در محدوده دمایی فوق است. نیاز به خواص آلیاژهای آلومینیم و همچنین ضرورت افزایش دمای کاری تا 400 درجه سانتیگراد سبب توسعه گروه جدیدی از آلیاژهای آلومینیم شده که بهعنوان آلیاژهای دما بالا شناخته میشوند [5-6].
تکنیکهای مختلفی نظیر کاهش اندازه دانه، ایجاد محلول جامد و رسوب سختی جهت حفظ استحکام فلزات در دمای بالا مورد استفاده قرار گرفتهاند. در حقیقت این روشها را میتوان در دو گروه طبقهبندی کرد:
دسته اول روشهایی که با اضافه کردن عناصر مختلف آلیاژ تولید میکنند و دسته دوم روشهایی با ایجاد یا اضافه کردن تقویتکننده به زمینه کامپوزیت تولید میکنند [7]. بر این اساس تحقیقات گستردهای در خصوص آلیاژهای آلومینیم استحکام یافته توسط رسوبات بهمنظور کاربرد در دمای بالا صورت گرفته است [8-13].
آلیاژهای پایه آلومینیم با برخورداری از چندین ویژگی خاص بهمنظور گسترش آلیاژهای استحکام بالا در دمای بالا موردتوجه قرار گرفتهاند. سلول واحد آلومینیم از نوع مکعبی با سطوح مرکزدار بوده و به دلیل برخورداری از ساختار فشرده مقاومت خزشی بسیار مناسبی در مقایسه با سایر ساختارهای کریستالی دارد. علاوه بر این، تشکیل لایه محافظ رویین بسیار پایدار، منجر به مقاومت بالای این آلیاژها در برابر اکسیداسیون میشود. جهت کاربردهایی که وزن مسئله اساسی است، چگالی پایین آلیاژهای آلومینیم سبب میشود که این مواد با داشتن نسبت استحکام به وزن بالا بتوانند پاسخگوی این نیاز باشند. بهعلاوه آلیاژهای آلومینیم بهطور قابلملاحظهای نسبت به آلیاژهای دما بالا نظیر تیتانیم و نیکل اقتصادی هستند [14].
عناصر آلیاژی موجود در آلیاژهای متداول آلومینیم دارای حد حلالیت قابلتوجه (بیش از یک درصد مولی در نمودار فازی تعادلی با آلومینیم) در محدوده دمای بالا هستند. عناصر روی، نقره، منیزیم، لیتیم، گالیم، ژرمانیم، مس و سیلیسیم باعث تشکیل رسوبات پایدار در دمای بالا نمیشوند [15]. بهمنظور ساخت آلیاژهای آلومینیم مناسب برای کاربرد در دمای بالا از عناصری باید استفاده شود که خصوصیات زیر را داشته باشند [16]:
- توانایی تشکیل کسر حجمی قابلملاحظه از ترکیبات بین فلزی با آلومینیم و با ساختار مشابه زمینه آلومینیم.
- حد حلالیت کم در دمای بالا بهمنظور عدم انحلال فازهای استحکامبخش.
- نفوذپذیری کم در آلومینیم بهمنظور کاهش درشت شدن ذرات فازهای استحکامبخش.
در سالهای اخیر، تحقیقات گستردهای در خصوص آلیاژهای آلومینیم استحکام یافته توسط ذرات تقویتکننده بهمنظور کاربرد در دمای بالا صورت گرفته است. عناصر آلیاژی موجود در آلیاژهای متداول آلومینیم دارای حد حلالیت قابلتوجه در محدوده دمای بالا هستند. فلزات انتقالی حد حلالیت بسیار پایینی در آلومینیم دارند ازاینرو رسوبات ناشی از ترکیب آلومینیم با فلزات انتقالی قابلیت حفظ استحکام آلیاژهای آلومینیم در دمای بالا را دارند. همچنین سینتیک کند نفوذ عناصر آلیاژی نیز از دیگر الزامات حفظ استحکام به شمار میرود که در بین فلزات انتقالی فلز وانادیم کمترین سرعت نفوذ در آلومینیم را داشته و ازاینرو آلیاژهای آلومینیم حاوی ترکیبات بین فلزی Al-V از اهمیت ویژهای برخوردار هستند [17].
به دلیل حد حلالیت و نفوذپذیری کم فلزات انتقالی در آلومینیم، تولید آلیاژهای آلومینیم دمای بالا توسط روشهای متداول نظیر ریختهگری همواره با محدودیتهایی روبهرو بوده است. جدایش و تشکیل فازهای ناخواسته از جمله محدودیتهای این فرآیند محسوب میشوند. ازاینرو برای تولید این آلیاژها از فرآیندهای غیر تعادلی نظیر انجماد سریع و آلیاژسازی مکانیکی استفاده میشود [18]. آلیاژسازی مکانیکی به دلیل سادگی فرآیند و همچنین قابلیت تولید محدوده وسیعی از ترکیبات و آلیاژها فرآیند مناسبی جهت تولید این آلیاژها محسوب شود. علاوه بر این تولید مواد نانوساختار توسط این فرآیند امکانپذیر است.
بهمنظور ساخت قطعه از پودر تولید شده به روش آلیاژسازی مکانیکی به فرآیندهای فشردهسازی و سینتر کردن نیاز است. در هنگام فشردهسازی و ساخت قطعات از پودرهای نانوساختار عدم رشد دانهها و فازها و همچنین عدم وقوع تغییرات فازی ناخواسته از اهمیت بالایی برخوردار است. جهت تولید قطعه از پودرهای کامپوزیتی معمولاً از فرآیندهایی مانند پرس گرم استفاده میشود. یکی از روشهایی که در سالهای اخیر بهعنوان یک روش مؤثر در قطعهسازی از پودرهای نانوساختار موردتوجه قرار گرفته است فرآیند اکستروژن گرم میباشد. با استفاده از این روش میتوان نمونههای نانوساختار با تخلخل کم تولید کرد.
با توجه به مطالعات صورت گرفته مشخص شد که آلیاژهای Al-V میتوانند گزینهای مناسب برای کاربردهای دمای بالا محسوب شوند. وانادیم با نفوذپذیری و حد حلالیت بسیار پایین در زمینه، مکانیزم رشد نفوذی در دمای بالا را به تعویق میاندازد. در این سیستم آلیاژی استحکامبخشی در دمای بالا توسط تشکیل ترکیب بین فلزی Al3V میسر میشود. همچنین تحقیقات نشان داده است که محدودیتهای زیادی در روشهای متداول ریختهگری برای تولید آلیاژهای Al-V وجود دارد. وجود استحالههای متعدد پریتکتیک و پیچیدگیهای موجود در کنترل پارامترهای فرآیند نظیر نرخ سردکنندگی در کنار غیریکنواختیهای ساختاری و حضور فازهای ناخواسته از جمله مهمترین این محدودیتها است. آلیاژسازی مکانیکی بهعنوان یکی از فرآیندهای تولید آلیاژهای آلومینیم دمای بالا به شمار میآید و پودرهای تولید شده به روش آلیاژسازی مکانیکی دارای خصوصیاتی نظیر یکنواختی ساختار و ترکیب شیمیایی، توزیع یکنواخت رسوبات ایجاد شده و اندازه کوچکتر دانهها هستند.
تولید کامپوزیت Al-Al3V قبلاً در چند مورد محدود انجام شده است اما در این مطالعات تولید این کامپوزیت با ساختار نانو مدنظر قرار نگرفته است. بهعلاوه در تحقیقات قبلی ارزیابی کاملی از رفتار حرارتی و خواص مکانیکی بهخصوص در دمای بالا انجام نشده است. لذا تولید نانو کامپوزیت زمینه آلومینیم حاوی ذرات تقویتکننده Al3V موردتوجه قرار گرفت. در تحقیق قبلی [19] کامپوزیتهای نانوساختار Al-Al3V و Al- (Al3V-Al2O3) با استفاده از فرآیند آلیاژسازی مکانیکی و اکستروژن گرم تولید و خواص مکانیکی آن مورد ارزیابی قرار گرفت. ازآنجاییکه توسعه کامپوزیتهای زمینه آلومینیمی برای کاربرد در دمای بالا نیاز به درک درستی از تأثیر ذرات تقویتکننده بر رفتار مکانیکی دمای بالای این کامپوزیتها دارد لذا در این پژوهش بهمنظور ارزیابی خواص دما بالای نمونههای تولیدی، رفتار خزشی نمونهها در محدوده دمایی 250-350 درجه سانتیگراد بررسی شد.
2- مواد و روش انجام آزمایش
مواد اولیه مورد استفاده در این پژوهش شامل پودر آلومینیم (با خلوص 7/99% و اندازه ذرات کمتر از μm100)، پودر وانادیم (با خلوص 99/99% و اندازه ذرات کمتر از μm100)، و پودر اکسید وانادیم (با خلوص % 99/99 و اندازه ذرات کمتر از μm5) است. جهت تولید کامپوزیت نانوساختار Al-10 wt.%Al3V و Al- 10 wt.% (Al3V-Al2O3) از آلیاژسازی مکانیکی، پرس سرد و اکستروژن گرم استفاده شد. براي انجام آلياژسازي مکانيکي از يک دستگاه آسياب گلولهاي سيارهاي استفاده شد.
جهت انجام فرآیند اکستروژن گرم پودرهای تولید شده ابتدا تحت عملیات پرس سرد قرار گرفتند. جنس قالب مورد استفاده فولاد ساده کربنی CK45 بود. قطعات خامی که توسط پرس سرد تولید شدند تحت فرآیند اکستروژن گرم قرار گرفتند. جنس قالب مورد استفاده فولاد گرم کار 2344/1 بود. اکستروژن بهصورت مستقیم با سرعت mm/s 2/0 و در دمای 550 درجه سانتیگراد انجام شد. قطر نهایی نمونه mm8 بود. با توجه به اهداف پژوهش تقویتکننده Al3V به دو شیوه مستقیم از عناصر سازنده و بهصورت غیرمستقیم از احیاء مکانوشیمیایی اکسید وانادیم توسط آلومینیم با استفاده از فرآیند آلیاژسازی مکانیکی سنتز شد. مراحل تولید و جزئیات آن در مرجع [19] آورده شده است.
جهت بررسی مرفولوژی و ریزساختار ذرات پودر و قطعات تولید شده از دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مدل Philips-XL30 استفاده شد. تصویر ماکروسکوپی نمونه پرس سرد و اکسترود شده و تصاوير ميکرسکوپ الکتروني روبشي پـودرکامپوزیت تولیدی نمونه 
با کد 
و نمونه 
بـا کد 
و در شکلهای (1) و (2) ديده ميشود.
بهمنظور ارزیابی رفتار خزشی نمونههای اکسترود شده از دستگاه خزش مدل ATM 1 ساخت کشور کانادا موجود در شرکت مهندسی ساخت موتورهای توربین بخار استفاده شد. این دستگاه مجهز به گرمکن و کوره برای انجام آزمون خزش تا دمای 1200 درجه سانتیگراد است. برای انجام آزمون خزش ابتدا نمونه داخل کوره به دمای موردنظر رسیده و سپس تحت بار ثابت شروع به تغییر شکل میکند. نمونههای آزمون خزش مطابق استاندارد DIN 50125 [20] (شکل 3) تهیه شدند.
شکل (1): تصویر ماکروسکوپی نمونه پرس سرد و اکسترود شده.
|
(الف) |
|
(ب) |
شکل (2): تصاوير ميکرسکوپ الکتروني روبشي پودرکامپوزیت تولیدی: الف) نمونه Al-10 wt.%Al3V با کد Al-V و ب) نمونه Al- 10 wt.% (Al3V-Al2O3) با کد Al-V-O.
شکل (3): شکل و ابعاد نمونه خزش بر اساس استاندارد DIN 50125.
3- نتایج و بحث
بهطورکلی در کاربردهای مهندسی برای بیان پایداری ساختاری قطعات تحت تنش، در دماهای بالا و در زمانهای طولانی از آزمون خزش استفاده میشود. دادههای حاصل از آزمون خزش معمولاً بهصورت میزان کرنش با زمان تحت بار یا تنش ثابت و در دمای ثابت گزارش میشود.
در تغییر شکل پلاستیک دما بالا تحت اعمال تنش، لغزش نابجاییها و فرآیندهای نفوذی میتوانند بهطور همزمان در تغییر شکل دخالت داشته باشند. این مکانیزم که بیشتر در تغییر شکل دما بالای فلزات و آلیاژها دیده میشود بهصورت رابطه (1) بیان میشود [21]:
(1): |
| ||
(2): |
| ||
(3): |
| ||
نمونه | توان تنش، n | ||
°C 250 | °C 300 | °C 350 | |
Al-V | 5/9-8/4 | 2/7-9/4 | 4/5-1/4 |
Al-V-O | 8/9-1/5 | 8/7-1/5 | 7/5-1/4 |
جدول (2): مقادیر تنش آستانه برای دو نمونه در دماهای مختلف.
نمونه | تنش آستانه، | ||
°C 250 | °C 300 | °C 350 | |
Al-V | 9/8 | 9/5 | 7/2 |
Al-V-O | 4/9 | 1/6 | 3/3 |
شکل (5): منحنی نرخ کرنش کمینه برحسب 1/T در تنش 15 مگاپاسکال.
بنابراین با توجه به مقدار بهدستآمده برای توان تنش و انرژی فعالسازی خزش و وجود تنش آستانه در رفتار خزشی نمونههای کامپوزیتی را میتوان توسط رابطه خزش توانی اصلاح شده بهصورت رابطه (4) بیان کنیم [22 و 27]:
(4): |
|
(الف) |
|
(ب) |
|
(ج) |
|
شکل (6): منحنیهای ε°m1/n برحسب σ برای نمونه Al-V به ازای توان تنشی الف) 3، ب) 5 و ج) 8.
(الف) |
|
(ب) |
|
(ج) |
|
شکل (7): منحنیهای ε°m1/n برحسب σ برای نمونه Al-V-O به ازای توان تنشی الف)3، ب)5 و ج) 8.
در شکل (8) مقادیر تنش آستانه نمونههای 
و برحسب دما رسم شده است. رابطه تنش آستانه برحسب دما را برای هر دو نمونه بهخوبی میتوان بهصورت خطی با دقت خوبی (995/0R2>) بیان کرد. با برونیابی این منحنی در تنش آستانه برابر صفر میتوان دمایی را که در آن تنش آستانه برابر صفر خواهد شد را به دست آورد. این دما برای نمونه برابر 397 درجه سانتیگراد و برای نمونه 408 درجه سانتیگراد است.
وانگ و همکارانش7 [24] نیز با استفاده از این روش و نتایج آزمایشگاهی دمای 350 درجه سانتیگراد را برای ناپدید شدن تنش آستانه کامپوزیت آلومینیم ZL109-Al2O3-SiC گزارش کردند. به نظر میرسد ناپدید شدن تنش آستانه ناشی از همپوشانی مکانیزم خزشی دیگری با مکانیزم خزش بر مبنای تنش آستانه است.
|
شکل (8): منحنی تنش آستانه برحسب دما برای نمونههای مختلف.
شکل (9) تصاویر میکروسکوپی سطح شکست نمونههای خزشی را نشان میدهد. در هر دو تصویر رفتار شکست نمونهها بهصورت ترد است و صفحات کلیواز دیده میشود. چنین میکرو ساختاری توسط آزادی و همکارانش [34] در بررسی خزش نانو کامپوزیت Al-SiO2 و کیارسی و همکارانش [35] در بررسی رفتار خزشی آلیاژ AZ91 حاوی ذرات تقویتکننده اکسید ایتریم نیز گزارش شده است.
|
(الف) |
|
(ب) |
شکل (9): تصویر میکروسکوپی سطح شکست الف) نمونه Al-V و (ب) نمونه Al-V-O.
4- نتیجهگیری
مهمترین نتایج بهدستآمده در این پژوهش عبارتاند از:
1- حضور ذرات تقویتکننده Al3V و Al3V-Al2O3 باعث بهبود رفتار خزشی نانو کامپوزیتها شده و رفتار خزشی هر دو نمونه Al-10wt.%(Al3V-Al2O3) و Al-10wt.%Al3V مشابه بود.
2- رسم منحنی ε°m1/n برحسب σ نشان داد که رفتار خزشی کامپوزیتها همراه با تنش آستانه بود و با افزایش دما کاهش یافت.
3- توان تنش ظاهری (n) بهشدت به دما و تنش وابسته بوده و مقدار آن در محدوده 10-4 به دست آمد.
4- انرژی فعالسازی ظاهری برای دو نمونه Al-10wt.%(Al3V-Al2O3) و Al-10wt.%Al3V به ترتیب 178 و 161 کیلوژول بر مول به دست آمد، این مقادیر در مقایسه با انرژی فعالسازی نفوذ خودی در شبکه برای آلومینیم (kJ/mol142) بیشتر است.
5- مکانیزم خزش در دماهای موردمطالعه صعود نابجاییها به دست آمد.
5- منابع
[1] W.O. Soboyejo, "Advanced structural materials properties, optimization design and applications", Tailor & Fancies Group LLC, New York, 2006.
[2] S. H. Choi, S. Y. Sung, H. J. Choi, Y. H. Sohn, B. S. Han & K. A. Lee, "High temperature tensile deformation behavior of new heat resistant aluminum alloy", Procedia Engineering, vol. 10, pp. 159–164, 2011.
[3] D. Vojtech, A. Michalcova, J. Pilch, P. Sittner, J. Serak & P. Novak, "Structural characteristics and thermal stability of Al–5.7Cr–2.5Fe–1.3Ti alloy produced by powder metallurgy", Journal of Alloys and Compounds, vol. 475, pp. 151–156, 2009.
[4] ی. صابری، س. ناطق، ش. میردامادی،"بررسی خواص کامپوزیت متخلخل زمینه آلومینیوم تقویت شده با نانو ذرات کاربید سیلیسیم با روشهای مختلف ارزیابی خواص خزشی"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 11، شماره 2، صفحه 41-56، 1396.
[5] K. E. Knipling, "Criteria for developing castable, creep-resistant aluminum-based alloys-Areview", Metallkd, vol. 97, pp. 246-265, 2006.
[6] M. Usluuysal, "Creep Behavior Prediction of Al-TiB2 Metal Matrix Composite using Finite Element", Journal of Science and Technology, vol. 8, no. 4, pp. 6-11, 2018.
[7] V. Monfared, H. R. Bakhsheshi‑Rad, M. Razzaghi, D. Toghraie, M. Hekmatifar & F. Berto, "A Review Study for Creep in Different Nanocomposites", Metals and Materials International, vol. 29, pp. 2444–2457, 2023.
[8] H. Xia & et al, "Effect of In-situ TiB2 Particles on the Creep Properties of 3wt.% TiB2/Al-Cu-Mg-Ag Composite", Recent advanced in multicomponent alloys and composites, vol. 74, pp. 4121-4128, 2022.
[9] B. F. Luan, N. Hansen, A. Godfrey, G. H. Wu & Q. Liu, "High strength Al–Al2O3p composites: optimization of extrusion parameters", Materials and Design, vol. 32, pp. 3810–3817, 2011.
[10] M. S. Zedalis & M. E. Fine, "Precipitation and ostwald rippening in dilute Al base-Zr-V alloys", Metallurgical Transactions A, vol. 17, pp. 2187-2198, 1987.
[11] M. E. Fine, "Precipitation hardening of aluminum alloys", Metallugical Transactions A, vol. 6A, pp. 625-630, 1975.
[12] Y. C. Chen, M. E. Fine & J. R. Weertman, "Microstructural evolution and mechanical properties of rapidly solidified A1-Zr-V alloys at high temperatures", Acta Metal Materials, vol. 38, pp. 771-780, 1990.
[13] X. Yu, H. Bakhtiari, J. Zhou, M. Omidi Bidgoli & K. Asemi, "Investigating the Effect of Reinforcing Particles Size and Content on Tensile and Fatigue Properties of Heat-Treated Al7075-SiC Composites Fabricated by the Stir Casting Method", Advances in Characterization of Functional Composite Materials, vol. 74, no. 5, pp. 1859-1869, 2022.
[14] K. E. Knipling, "Development of a nanoscale precipitation-strengthened creep-resistant aluminum alloy containing trialuminide precipitates", Department of materials science and engineering, northwestern university, 2006.
[15] F. H. Froes, "Rapid solidification of light weight metal alloys", Materials Science and Engineering A, vol. 117, pp. 19-32, 1989.
[16] P. Malek, M. Janecek & B. Smola, "Structure and properties of rapidly solidified Al-Zr-Ti alloys", Journal of Materials Science, vol. 35, pp. 2625 – 2633, 2000.
[17] W. S. Chang & B. C. Muddle, "Trialuminide intermetallic alloys for elevated temperature applications – overview", Metals and Materials, vol. 3, pp. 1-15, 1997.
[18] Y. W. Kim, "Rapid solidification of aluminium-vanadium rich alloys", Materials Science and Engineering, vol. 98, pp. 207-211, 1988.
[19] S. Z. Anvari, F. Karimzadeh & M. H. Enayati, "Synthesis and charactevisation of nanostructured Al-Al3V and Al-(Al3V-Al2O3) composites by powerd metallurgy", materials science and Technology, vol. 34, no. 2, pp. 1-12, 2017.
[20] DIN 50125: 2016-12; Testing of Metallic Materials—Tensile Test Pieces. Beuth Verlag GmbH: Berlin, Germany, 2016.
[21] M. E. Kassner, "Fundamental of creep in metals and alloys", (second Edition) Elsevier, Oxford, UK, 2009.
[22] E. A. Marquis, D. N. Seidman & D. C. Dunand, "Effect of Mg addition on the creep and yield behavior of an Al–Sc alloy", Acta Materialia, 51 pp. 4751–4760, 2003.
[23] A. M. Farghalli, P. Kyung-Tae & J. L. Enrique, "Creep behavior of discontinuous SiC-A1 composites", Materials and Engineering, A, vol. 50, pp. 21-35, 1992.
[24] S. Wang, B. Shen, S. Gao, D. Li & M. Tu, "Creep Behavior of Mullite short fiber reinforced ZL109 alloy composite at high temperature", Journal of Materials Technology, vol. 17, no. 4, 2001.
[25] H. J. Frost & M. F. Ashby, "Deformation-Mechanism Maps: The Plasticity and Creep of Metals and Ceramics", Pergamon Press, New York, 1982.
[26] K. E. Knipling & D.C. Dunand, "Creep resistance of cast and aged Al–0.1Zr and Al–0.1Zr–0.1Ti (at.%) alloys at 300–400 °C", Scripta Materialia, vol. 59, pp. 387–390, 2008.
[27] K. E. Knipling, D. N. Seidman & D. C. Dunand, "Ambient- and high-temperature mechanical properties of isochronally aged Al–0.06Sc, Al–0.06Zr and Al–0.06Sc–0.06Zr (at.%) alloys", Acta Materialia, vol. 59, pp. 943–954, 2011.
[28] S. Spigarelli, M. Cabibbo, E. Evangelista & S. Cucchieri, "Evaluation of the creep properties of an Al–17Si–1Mg–0.7Cu alloy", Materials Letters, vol. 56, pp. 1059– 1063, 2002.
[29] Y. Li & T. G. Langdon, "Creep behavior of a reinforced Al-7005 alloy", Acta Materialia, vol. 46, no. 4, pp. 1143-l 155, 1998.
[30] M. K. Premkumar, A. Lawley & M. J. Koczak, "Mechanical behavior of powder metallurgy A1-Fe-Ni alloys", Materials Science and Engineering A, vol. 174, pp.127-139, 1994.
[31] J. C. Ehrstrom & A. Pineau, "Mechanical properties and microstructure of A1-Fe-X alloys", Materials Science and Engineering A, vol. 186, pp. 55-64, 1994.
[32] A. B. Pandey, R. S. Mishra & Y. R. Mahajan, "High-temperature creep of A1-TiB2 particulate composites", Materials Science and Engineering A, vol. 189, pp. 95-104, 1994.
[33] M. E. Van Dalen, D. C. Dunand & D. N. Seidman, "Microstructural evolution and creep properties of precipitation-strengthened Al–0.06Sc–0.02Gd and Al–0.06Sc–0.02Yb (at.%) alloys", Acta Materialia, vol. 59, pp. 5224–5237, 2011.
[34] M. Azadi, A. Behmanesh & H. Aroo, "Creep Behaviors at 275 °C for Aluminum-Matrix Nano-composite under Different Stress Levels1", Archives of Foundry Engineering, vol. 21, no. 3, pp. 81 – 89, 2021.
[35] F. Kiarasi, M. Babaei, M. Omidi Bidgoli, K. M. Kashyzadeh & K. Asemi, "Mechanical characterization and creep strengthening of AZ91 magnesium alloy by addition of yttrium oxide nanoparticles", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, vol. 236, no. 8, pp. 1489-1500, 2022.
6- پینوشت
[1] Automatic Tensile Machines
[2] Viscous Glide
[3] Pandey et al
[4] Li et al
[5] Knipling et al
[6] Stress Detachment
[7] Wang et al
Please cite this article using:
Seyedeh Zahra Anvari, Fatollah Karimzadeh, Mohamad Hossein Enayati, Evaluation of Creep Behavior of Al-Al3V and Al-(Al3V-Al2O3) Nanostructured Composites Produced by Mechanical Alloying and Hot Extrusion, New Process in Material Engineering, 2025, 19(1), 61-74.
Sanad
Links
Related Centers
Technical Support
Official pages
The rights to this website are owned by the Raimag Press Management System.
Copyright © 2021-2025