Optimization of Effective Parameters in the Stir Friction Extrusion Process on Porosity and Tensile Strength of SiC Ceramic Particles Reinforced AA1050 Aluminum Matrix Composite

Subject Areas :

Mojtaba Soleimanipour ¹ , Reza Abedinzadeh ² , Seyyed Ali Eftekhari ³ , Ali Heidari ⁴

1 - Department of Mechanical Engineering, Khomeinishahr Branch, Islamic Azad University, Khomeinishahr, Isfahan, Iran.
2 - Department of Mechanical Engineering, Khomeinishahr Branch, Islamic Azad University, Khomeinishahr, Isfahan, Iran
3 - Department of Mechanical Engineering, Khomeinishahr Branch, Islamic Azad University, Khomeinishahr, Isfahan, Iran.
4 - Department of Mechanical Engineering, Khomeinishahr Branch, Islamic Azad University, Khomeinishahr, Isfahan, Iran.

Received: 2023-02-20 Accepted : 2023-05-29 Published : 2024-02-20

Keywords: Optimization, Porosity, Friction Stir Extrusion, AA1050/SiC composite, Ultimate tensile Strength,

Abstract :

This research, involved dynamic optimization of process parameters on the porosity and tensile strength of AA1050/SiC aluminum composite wires produced by friction stir extrusion (FSE) was carried out. In this regard, SiC ceramic particles reinforced AA1050 composite samples were produced using the FSE process. Also, response surface methodology (RSM) was used to design of experiment. The rotational speed of the punch, extrusion force, and reinforcement percentage weight were determined as input variables of the process. The porosity and tensile strength of produced composite samples were determined as response variables. Analysis of variance (ANOVA) and regression analysis were used to analyze the obtained data. The results showed that rotational speed, extrusion force with second-order effects, and reinforcement percentage with linear effects were effective on the tensile strength and porosity of composite samples. Also, the optimization of FSE process parameters to reach the minimum percentage of porosity and maximum tensile strength was performed using the desirability method. Finally, the optimization results were evaluated based on the validation test. Also, by achieving the maximum value of the desirability function (0.9852), the optimal conditions of process input variables were a rotational speed of 787 rpm, an extrusion force of 11.7 kN, and a reinforcement percentage of 3.86% to simultaneously achieve the maximum ultimate tensile strength (155.4 MPa) and minimum porosity percentage (0.45%). Also, the values obtained from the optimization were compared with the experimental values and the accuracy of the results in tensile strength and porosity were confirmed with 2.57% and 6.78% errors, respectively.

References:

- مراجع
[1] P. K. Sahu & et al., "Wear behavior of the friction stir alloyed AZ31 Mg at different volume fractions of Al particles reinforcement and its enhanced quality attributes", Tribology International, vol. 146, pp. 106268, 2020.

[2] F. Nascimento & et al., "Microstructural modification and ductility enhancement of surfaces modified by FSP in aluminium alloys", Materials Science and Engineering A, vol. 506, no. 1-2, pp. 16-22, 2009.

[3] R. S. Mishra, Z. Ma & I. Charit, "Friction stir processing a novel technique for fabrication of surface composite", Materials Science and Engineering A, vol. 341, no. 1-2, pp. 307-310, 2003.

[4] M. K. Besharati-Givi & P. Asadi, "Advances in friction-stir welding and processing", Elsevier, 2014.

[5] L. Karthikeyan, V. Senthil Kumar & K. Padmanabhan, "Investigations on superplastic forming of friction stir-processed AA6063-T6 aluminum alloy", Materials and Manufacturing Processes, vol. 28, no. 3, pp. 294-298, 2013.

[6] D. Ahmadkhaniha & P. Asadi, "Mechanical alloying by friction stir processing", in Advances in Friction Stir Welding and Processing, Woodhead Publishing London. pp. 387-425, 2014.

[7] P. Asadi & et al., "Effects of SiC particle size and process parameters on the microstructure and hardness of AZ91/SiC composite layer fabricated by FSP", Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 20, pp. 1554-1562, 2011.

[8] P. Asadi, R. Mahdavinejad & S. Tutunchilar, "Simulation and experimental investigation of FSP of AZ91 magnesium alloy", Materials Science and Engineering: A, vol. 528, no. 21, pp. 6469-6477, 2011.

[9] N. Yuvaraj & S. Aravindan, "Fabrication of Al5083/B4C surface composite by friction stir processing and its tribological characterization'', Journal of Materials Research and Technology, vol. 4, no. 4, pp. 398-410, 2015.

[10] A. Kurt, I. Uygur & E. Cete, "Surface modification of aluminium by friction stir processing", Journal of Materials Processing Technology, vol. 211, no. 3, pp. 313-317, 2011.

[11] S. Ahmadifard & et al., "Fabrication of A5083/SiC surface composite by friction stir processing and its characterization", Journal of Science and Technology of Composites, vol. 2, no. 4, pp. 31-36, 2016.

[12] X. Li & et al., "Strain and texture in friction extrusion of aluminum wire", Journal of Materials Processing Technology, vol. 229, pp. 191-198, 2016.

[13] R. A. Behnagh & et al., "Production of wire From AA7277 aluminum chips via friction-stir extrusion (FSE)", Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 45, pp. 1484-1489, 2014.

[14] D. Baffari & et al., "Al-SiC metal matrix composite production through friction stir extrusion of aluminum chips," Procedia Engineering, vol. 207, pp. 419-424, 2017.

[15] R. Pandiyarajan & S. Marimuthu, "Parametric optimization and tensile behaviour analysis of AA6061-ZrO2-C FSW samples using Box-Behnken method", Materials Today: Proceedings, vol. 37, pp. 2644-2647, 2021.

[16] K. K. Jangra & et al., "An experimental investigation and optimization of friction stir welding process for AA6082 T6 (cryogenic treated and untreated) using an integrated approach of Taguchi, grey relational analysis and entropy method", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, vol. 230, no. 2, pp. 454-469, 2016.

[17] S. Verma & et al, "Multi-objective optimum design for FS welded 7039 aluminium alloy considering weld quality issues", Materials Today Communications, vol. 26, pp. 102010, 2021.

[18] M. Koilraj & et al., "Friction stir welding of dissimilar aluminum alloys AA2219 to AA5083–Optimization of process parameters using Taguchi technique", Materials & Design, vol. 42, pp. 1-7, 2012.

[19] M. Ghaffarpour & et al., "Evaluation of dissimilar welds of 5083-H12 and 6061-T6 produced by friction stir welding", Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 44, pp. 3697-3707,2013.

[20] A. H. Sakhaie & et al., "Optimization of friction stir spot welding process parameters to achieve maximum failure load", Iranian Journal of Manufacturing Engineering, vol. 5, no. 1, pp. 13-27, 2018.

[21] G. Jamali, S. Nourouzi & R. Jamaati, "Microstructure and mechanical properties of AA6063 aluminum alloy wire fabricated by friction stir back extrusion (FSBE) process", International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials, vol. 26, pp. 1005-1012, 2019.

[22] G. Jamali, S. Nourouzi & R. Jamaati, "Manufacturing of gradient Al/SiC composite wire by friction stir back extrusion", CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, vol. 35, pp. 735-743, 2021.

[23] آ. بهزادی نژاد، ع. محصل، ح. امیدوار و ن. ستوده، "تأثیر نانوذرات آلومینا، تعداد پاس اختلاط و سرعت دوران در رفتار مکانیکی آلیاژ منیزیم AM60 جوش شده به روش اصطکاکی-اغتشاشی"، فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال 16، شماره 4، صفحه 15-1، زمستان 1401.

[24] س. ا. کفائی، ح. ثابت و م. قنبری حقیقی، "اثر نوع لایه واسط بر خواص مکانیکی و ریزساختار اتصال آلومینیوم 6061 به روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی"، فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال 14، شماره 4، صفحه 23-1، زمستان 1399.

[25] A. Dean & et al., "Response surface methodology'', Design and Analysis of Experiments, pp. 565-614, 2017.

[26] M. Vahdati, "Modelling and optimization of parameters affecting the tensile strength and ductility of aluminum-based composite produced by FSA via RSM", Journal of Science and Technology of Composites, vol. 7, no. 4, pp. 1207-1216, 2021.

[27] D.C. Montgomery, "Design and Analysis of Experiments", John wiley & sons, 2017.

[28] S. Benavides & et al., "Low-temperature friction-stir welding of 2024 aluminum", Scripta Materialia, vol. 41, no. 8, pp. 809-815, 1999.

[29] N. S. Sundaram & N. Murugan, "Tensile behavior of dissimilar friction stir welded joints of aluminium alloys", Materials & Design, vol. 31, no. 9, pp. 4184-4193, 2010.

[30] A. Ahmadi, M. R. Toroghinejad & A. Najafizadeh, "Evaluation of microstructure and mechanical properties of Al/Al2O3/SiC hybrid composite fabricated by accumulative roll bonding process", Materials & Design, vol. 53, pp.13-19, 2014.

[31] M. Azizieh, A. H. Kokabi & P. Abachi, "Effect of rotational speed and probe profile on microstructure and hardness of AZ31/Al2O3 nanocomposites fabricated by friction stir processing", Materials & Design, vol. 32, no. 4, pp. 2034-41, 2011.

6- پی¬نوشت
[1] Friction Stir Extrusion
[2] Friction Stir Welding
[3] Friction Stir Processing
[4] Yuvaraj and Aravindan
[5] Kurt et al
[6] Li et al
[7] Behnagh et al
[8] Baffari et al
[9] Pandiyarajan and Marimuthu
[10] Jangra et al
[11] Verma et al
[12] Koilraj et al
[13] Response Surface Methodology
[14] Analysis of variance
[15] Rotational Speed
[16] Extrusion Force
[17] Reinforcement percentage weight

Full-Text:



فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال هفدهم –  شماره چهارم –  زمستان 1402 (شماره پیاپی 67)، ص­ص. 29-42
	فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir

بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر در فرآیند اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی بر تخلخل و استحکام کششی کامپوزیت زمینه آلومینیوم AA1050 تقویت شده با ذرات سرامیکی SiC

 

مجتبی سلیمانی پور 1،

مقاله پژوهشی

 رضا عابدین زاده 2*، سید علی افتخاری2، علی حیدری2

1- دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، واحد خمینی‌شهر، دانشگاه آزاد اسلامی، خمینی‌شهر، اصفهان، ایران.

2- استادیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد خمینی‌شهر، دانشگاه آزاد اسلامی، خمینی‌شهر، اصفهان، ایران.

* [e-mail]

 

 

اطلاعات مقاله		چکیده
دریافت: 01/12/1401 پذیرش: 08/03/1402		در این تحقیق، بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند بر تخلخل و استحکام کششی سیم‌های کامپوزیتی زمینه آلومینیوم AA1050/SiC تولید شده به روش اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی صورت پذیرفت. در این راستا، نمونه‌های کامپوزیتی زمینه آلومینیوم AA1050 تقویت شده با ذرات سرامیکی SiC، با استفاده از فرآیند اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی تولید شدند. همچنین به‌منظور طراحی آزمایش، از روش سطح پاسخ استفاده شد. سرعت دورانی ابزار، نیروی اکستروژن و ذرات تقویت‌کننده به‌عنوان متغیرهای ورودی فرآیند و درصد تخلخل و استحکام کششی نهایی نمونه‌های کامپوزیتی تولید شده به‌عنوان متغیرهای پاسخ تعیین شدند. به‌منظور آنالیز داده‌های حاصله از آنالیز واریانس و تحلیل رگرسیون استفاده گردید. نتایج نشان داد که سرعت دورانی، نیروی اکستروژن با تأثیرات مرتبه دوم و درصد تقویت‌کننده با تأثیرات خطی بر استحکام کششی و تخلخل نمونه‌های کامپوزیتی مؤثر بودند. همچنین بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند FSE به‌منظور رسیدن به حداقل درصد تخلخل و حداکثر استحکام کششی نهایی به کمک روش مطلوبیت انجام گرفت. در انتها، با اجرای آزمون صحه‌گذاری، نتایج بهینه‌سازی مورد ارزیابی قرار گرفت. با دستیابی به مقدار بیشینه تابع مطلوبیت (9852/0)، شرایط بهینه متغیرهای ورودی فرآیند با سرعت دورانی برابر با rpm 787، نیروی اکستروژن برابر با kN 7/11 و درصد تقویت‌کننده برابر با %86/3 جهت دستیابی هم‌زمان به مقادیر بیشینه استحکام کششی نهایی (MPa 4/155) و کمینه درصد تخلخل (%45/0) انجام پذیرفت. همچنین مقادير حاصل از بهینه‌سازی با مقادير تجربی مقایسه شده و صحت نتایج در استحكام كششي و تخلخل به ترتيب با%57/2 و% 78/6 خطا مورد تأیید قرار گرفت.
کلید واژگان: اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی کامپوزیت AA1050/SiC تخلخل استحکام کششی نهایی بهینه‌سازی

 

Optimization of Effective Parameters in the Stir Friction Extrusion Process on Porosity and Tensile Strength of SiC Ceramic Particles Reinforced AA1050 Aluminum Matrix Composite

 

Mojtaba Soleimanipour1, Reza Abedinzadeh2*, Seyed Ali Eftekhari2, Ali Heidari2

 

1- Ph.D. Student, Department of Mechanical Engineering, Khomeinishahr Branch, Islamic Azad University, Khomeinishahr, Iran.

2- Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Khomeinishahr Branch, Islamic Azad University, Khomeinishahr, Iran.

* [e-mail]

 

Abstract		Article Information
This research, involved dynamic optimization of process parameters on the porosity and tensile strength of AA1050/SiC aluminum composite wires produced by friction stir extrusion (FSE) was carried out. In this regard, SiC ceramic particles reinforced AA1050 aluminum composite samples were produced using the FSE process. Also, response surface methodology (RSM) was used to design of experiment. The rotational speed of the punch, extrusion force, and reinforcement percentage weight were determined as input variables of the process. The porosity and tensile strength of the produced composite samples were determined as response variables. Analysis of variance (ANOVA) and regression analysis were used to analyze the obtained data. The results showed that rotational speed, extrusion force with second-order effects, and reinforcement percentage with linear effects were effective on the tensile strength and porosity of composite samples. Also, the optimization of FSE process parameters to reach the minimum percentage of the porosity and maximum tensile strength was performed using the desirability method. Finally, the optimization results were evaluated based on the validation test. Also, by achieving the maximum value of the desirability function (0.9852), the optimal conditions of the process input variables were a rotational speed of 787 rpm, an extrusion force of 11.7 kN, and a reinforcement percentage of 3.86% to simultaneously achieve the maximum ultimate tensile strength (155.4 MPa) and minimum porosity percentage (0.45%). Also, the values obtained from the optimization were compared with the experimental values and the accuracy of the results in tensile strength and porosity were confirmed with 2.57% and 6.78% errors, respectively.		Original Research Paper Doi:
		Keywords: Friction Stir Extrusion AA1050/SiC Composite Porosity Ultimate Tensile Strength Optimization

 

 

1- مقدمه

روش اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی1 (FSE) به‌عنوان یک فرایند نوین جهت تولید سیم و لوله از براده، پودر و یا مواد حجیم معرفی شده است. اساس کار این فرایند شبیه اکستروژن معکوس است که به‌منظور سهولت در ایجاد سیلان فلزی از حرارت حاصل از اصطکاک استفاده می‌شود. ایده اصلی این روش از فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی2 (FSW) ریشه گرفته ‌است. در مسیر گسترش این روش جوشکاری حالت جامد، فرایندهای اصطکاکی دیگری نظیر (FSP)3 توسعه یافته‌اند که اساس آن بهبود خواص مکانیکی در سطح فلزات می‌باشد. با استفاده از این فرآیند، خواص سطحی فلز پایه همچون سایش، مقاومت خوردگی، سختی، استحکام، انعطاف‌پذیری، عمر خستگی و قابلیت شکل‌پذیری، بهبود می‌یابد [1].

از این روش‌ها در کاربردهایی مانند بهبود خواص مکانیکی [2]، عملیات حرارتی [3]، ساخت کامپوزیت‌های سطحی [3-4]، حذف عیوب موجود در ریزساختار آلیاژها [5]، آلیاژسازی مکانیکی [4 و 6] و همگن کردن ساختار نانوکامپوزیت‌ها استفاده شده است [7-8]. فرایند اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی فرایندی نوین جهت بازیافت مواد فلزی است که توانایی تولید مواد نانو مهندسی با خواص مکانیکی مطلوب را دارد. نوآوری این روش استفاده از حرارت اصطکاک به‌منظور تغییر شکل پلاستیک شدید و سیلان مواد و آلیاژسازی مکانیکی و در نهایت تبدیل پودر و براده به قطعات قابل استفاده ‌است. از سوي دیگر، کامپوزیت‌هاي زمینه فلزی آلومینیم، گروه جدیدي از مواد هستند که در مقایسه با آلیاژ آلومینیم از خواص مطلوبی همچون: مقاومت سایشی، مقاومت خوردگی، سفتی و سختی بالاتر برخوردار هستند.

در این گروه از کامپوزیت‌ها، افزودن مواد پرکننده به‌ویژه ذرات تقویت‌کننده سرامیکی موجب بهبود مقاومت سایشی و فرسایشی آلیاژ آلومینیم می‌شود. یوواراج و آراویندان4 [9] میکروساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت سطحی را بر روی Al5083/B4C مورد مطالعه قرار دادند. آنها دریافتند که افزایش تعداد پاس فرآیند FSP موجب توزیع بهتر ذرات و افزایش سختی و استحکام ماده می‌شود. کورت و همکاران5 [10] نشان دادند که افزایش سرعت دورانی و نرخ پیشروی ابزار منتج به توزیع یکنواختی از ذرات سيليكون كاربيد در کامپوزیت سطحی آلومينيوم 1050 می‌شود. احمدی فرد و همکاران [11] کامپوزیت سطحی زمینه فلزی Al5083/SiC را با استفاده از فرآیند FSP تولید کردند. آنها دریافتند که میکروسختی و استحکام کششی نمونه کامپوزیتی نسبت به فلز پایه بهبود یافته است. لی و همکاران6 [12] جهت بررسی کرنش عرضی و طولی در فرایند اکستروژن اصطکاکی، از آلیاژ Al2195 به‌عنوان نشانگر در زمینه Al6061 استفاده کردند. بحنق و همکاران7 [13] از فرایند اکستروژن اصطکاکی جهت تولید سیم از براده‌های آلیاژ Al7277 استفاده کردند. بافاری و همکاران8 [14] به بررسی فرایند FSE برای تولید کامپوزیت Al2024/SiC پرداختند. نتایج نشان داد که مقادیر بالای ذرات تقویت‌کننده موجب بروز ترک و کاهش خواص مکانیکی گردید. پاندیاراجان و ماریموتو9 [15] بهینه‌سازي جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی را با در نظر گرفتن چهار متغیر مؤثر و دو تابع هدف انجام دادند. بهینه‌سازي با استفاده از رویکرد تابع مطلوبیت و بررسی متغیرهاي مؤثرتر در فرآیند انجام گرفته‌است. جانگرا و همکاران10 [16] چهار متغیر مؤثر بر استحکام کششی نهایی و درصد ازدیاد طول را در جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی آلیاژهاي آلومینیوم بررسی نمودند. ورما و همکاران11 [17] با بررسی چهار متغیر مؤثر، استحکام کششی نهایی و درصد ازدیاد طول را در جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی آلیاژ آلومینیوم، با استفاده از دو روش الگوریتم بهینه‌سازي چند هدفه ژنتیک و الگوریتم بهینه‌سازي چند هدفه ژنتیک ترکیبی بهینه‌سازي کردند. کویلراج و همکاران12 [18] استحکام کششی و سختی در فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلیاژهای آلومینیوم غیرهمجنس Al2219 و Al5083 را بررسی کردند.

در این پژوهش نیز به بررسی و بهینه‌سازی جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلیاژهای غیرهمجنس پرداخته شد. غفارپور و همکاران [19] تأثیر متغیرهای فرآیند جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی را بر خواص مکانیکی اتصال غیرهمجنس آلیاژهاي آلومینیوم Al5083 و Al6061 بررسی کردند. آنها با استفاده از روش طراحی آزمایش متدولوژي سطح پاسخ به بهینه‌سازي متغیرهاي مؤثر فرآیند جوشکاري و مقایسه نتایج به‌دست‌آمده با نتایج حاصل از آزمون تجربی پرداختند. سخایی و همکاران [20] اثر 3 متغیر سرعت دورانی، عمق نفوذ ابزار و سرعت پیشروي ابزار را در جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی Al7075، جهت دستیابی به بیشترین نیروي شکست و مطالعه حالت شکست در اتصالات، با استفاده از روش مدل‌سازي و بهینه‌سازي سطح پاسخ بررسی کردند. جمالی و همکاران [21-22] جهت بهینه‌سازی پارامترهای فرایند اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی از روش طراحی آزمایش تاگوچی استفاده کردند. آنها در تحقيقي ديگر به توليد سيم كامپوزيتي AA6063/SiC در فرایند معکوس اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی پرداختند. بهزادی نژاد و همکاران [23] قطعات آلیاژی AM60 جوشکاری شده به روش اصطکاکی اغتشاشی را تحت تأثیر تعداد پاس اختلاط و حضور نانو ذرات آلومینا بررسی کردند. نتایج نشان داد که افزایش سرعت دورانی موجب افزایش دما و افزایش کرنش و در نتیجه موجب تبلور مجدد و ریزدانه شدن ساختار شده و افزایش بیشتر دما ناشی از افزایش بیشتر سرعت دورانی باعث رشد دانه می‌شود. کفایی و همکاران [24] در تحقیقی اثر متغیرهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی فلز آلومینیوم را با استفاده از لایه واسط و بدون لایه واسط مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که استفاده از آلومینیوم 5556 و 2024 به‌عنوان لایه واسط باعث بهبود خواص مکانیکی ناحیه اتصال گردیده است.

ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ﺗﺤﻘﯿﻘﺎت انجام شده، مطالعات کمی در زمینه بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند FSE در تولید نمونه‌های کامپوزیتی ﺻﻮرت گرفته است. به همین منظور در این مطالعه، نمونه‌ها به روش FSE تولید شد و همچنین طراحی آزمون به روش سطح پاسخ13 (RSM) انجام شد و نتایج حاصله با استفاده از روش آنالیز واریانس14 (ANOVA) مورد تحلیل گرفت. به‌منظور بررسي صحت نتايج، مدل رگرسيون تعیین شده و مقادير معنی‌دار P براي هر يك از نتايج خروجي مورد بحث قرار گرفت. سپس اثر بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر در فرآیند FSE با هدف کاهش میزان تخلخل و افزایش استحکام کششی نمونه‌های کامپوزیتي زمینه آلومینیوم تقویت شده با ذرات سیلیکون کاربید (AA1050/SiC) انجام پذیرفت در نهایت با بهینه‌سازی متغیرهای ورودی فرایند (روش مطلوبیت)، مقادیر مناسب پارامترهای ورودی تعیین گردید و صحه‌گذاری با نتایج تجربی انجام پذیرفت.

 

2- مواد و روش تحقیق

2-1- مواد

در جدول 1 مشخصات شیمیایی پودرهای آلومینیوم 1050 و سیلیکون کاربید آورده شده است. اندازه دانه پودرهای آلومینیوم و سیلیکون کاربید به ترتیب برابر با 10 و 5 میکرون می‌باشد. نتایج آزمایش XRD توسط برنامه Xpert highscor plus مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج آزمونXRD پودر آلومینیوم در شکل 1- الف با الگوی استاندارد آلومینیوم خالص با شماره 00-004-0787- pdf No مطابقت دارد. همچنین استاندارد شماره Ref.Code 01-089-2226 صحت آزمون XRD در مورد سیلیکون کاربید را تأیید می‌نماید (شکل1-ب).

 

 

جدول (1): ترکیب شیمیایی AA1050 و SiC مورد استفاده در تحقیق (AA1050).

عناصر	آلومینیوم	سیلیسم	آهن	مس	منگنز	منیزیم	کرم
درصد وزنی	81/99	0458/0	0046/0	0166/0	0035/0	003/0	108/0
(SiC)
عناصر	SiC	Free C	Free SiO2	Total Fe	Total Al
درصد وزنی	6/98	79/0	44/0	018/0	08/0

 

 

(الف)

(ب)

شکل (1): XRD از: الف) پودر آلومینیوم 1050 و ب) پودر سیلیکون کاربید.

 

2-2- روش تحقیق

از یک ماشین فرز (ماشین‌سازی تبریز مدل fp4mk) با حداکثرrpm 2500 و توان موتور kW4/4 به‌منظور انجام فرايند اكستروژن اصطكاكی اغتشاشي استفاده گردید. قالب مورد استفاده شامل دو قسمت اصلی سنبه و ماتریس می‌باشد که موقعیت آنها در شکل 2 نشان داده شده است. با توجه به طرح آزمایش، طول و قطر سنبه به ترتیب 120 و 7/23 میلی‌متر و قطر روزنه 7 میلی‌متر در نظر گرفته شده است. برای سهولت خروج سیم از سنبه، 115 میلی‌متر از سوراخ سنبه تا قطر 8 میلی‌متر بزرگ‌تر شد. ماتریس با قطر داخلی 24 میلی‌متر و قطر خارجی 44 میلی‌متر و ارتفاع به ترتیب 58 و 45 میلی‌متر ساخته شد و روی کفشک فوقانی قالب نصب گردید. جنس سنبه و ماتریس از جنس فولاد گرمکار 13H می‌باشد که تحت عملیات حرارتی سختکاری قرار گرفت. سنبه از طریق کلت و فشنگی روی محور اصلی ماشین فرز سوار شد و ماتریس با نصب بر روی کفشک متحرک قالب از طریق 4 عدد میله راهنما و کفشک ثابت پایینی بر روی میز ماشین نصب شد. برای تأمین نیروی اکستروژن ثابت از یک جک هیدرولیکی که به یونیت هیدرولیک متصل است استفاده شد. همچنین برای کنترل حرکت پیشروی ماتریس به سمت سنبه از یک ساعت اندازه‌گیری استفاده گردید که می‌توان از این طریق با توجه به تفاوت مساحت مقطع بیلت ورودی و سیم خروجی، طول سیم تولید شده را محاسبه کرد. جهت اندازه‌گیری دمای فرایند از یک ترموکوپل نوع K و یک صفحه نمایشگر دیجیتال استفاده شد.

 

 

شکل (2): نمایی از تجهیزات مورد استفاده در فرایند اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی.

 

2-2-1- انتخاب عوامل آزمایش و متغیرهای پاسخ

با توجه به پیشینه تحقیقات انجام شده در حوزه فرآیندهای FSP و FSE، سه متغیر: سرعت دورانی ابزار15 (RS)، نیروی اکستروژن16 (EF) و درصد وزنی تقویت‌کننده17 (RF%wt) به‌عنوان متغیرهای ورودی آزمایش انتخاب شدند و هر یک از آنها در سه سطح پایین (1-)، میانه (0) و بالا (1+) مورد بررسی قرار گرفتند. دامنه تغییر هر یک از این عوامل بر اساس آزمون‌های اولیه که منتج به تولید سالم نمونه کامپوزیتی شد، تعیین گردید. جدول 2 سطح‌بندی پارامترها را نشان می‌دهد. همچنین، تخلخل و استحکام کششی نهایی (UTS) نمونه‌های کامپوزیتی به‌عنوان متغیرهای پاسخ در نظر گرفته شدند.

 

جدول (2): پارامترهای فرآیند و سطح‌بندی آنها برای طراحی آزمایش

شماره آزمایش	پارامترهای ورودی	سطح 1	سطح 2	سطح 3
1	سرعت دورانی (دور بر دقیقه)	500	750	1000
2	نیروی اکستروژن (کیلونیوتن)	5/5	5/10	5/15
3	درصد وزنی تقویت‌کننده (%)	1	3	5

 

2-2-2- طراحی آزمایش و آنالیز داده‌ها

در این پژوهش از روش سطح پاسخ (RSM) بر مبنای طراحی سه سطحی Box Behnken جهت ارزیابی اثر متغیرهای مستقل بر عملکرد پاسخ و همچنین پیشگویی بهترین مقدار پاسخ استفاده شد [25-26]. مجموع کل آزمایش­ها در این روش برابر با 15 آزمایش است. مدل مورد استفاده در RSM عموماً رابطه درجه دوم است. از داده‌های روش Box Behnken جهت تعیین تناسب معادلات رگرسیون چندجمله‌ای درجه دوم استفاده شد. در اکثر مسائل مربوط به روش RSM، نحوه ارتباط میان پاسخ و متغیرهای ورودی، نامعلوم است؛ بنابراین اولین قدم در این روش، یافتن تقریبی مناسب از رابطه واقعی موجود میان متغیر پاسخ (y) و مجموعه متغیرهای مستقل (𝑥) است. در این پژوهش، از تابع تقریب کننده به‌صورت مدل مرتبه دوم استفاده گشت که به‌صورت رابطه (1) نوشته می‌شود:

 

 

در تابع فوق، 𝛽0 مقدار ثابت، 𝛽𝑖 ضرایب خطی، 𝛽𝑖𝑖 ضرایب مرتبه دو، 𝛽𝑖𝑗 ضرایب تعامل اثر،k تعداد متغیرهای مستقل و 𝜀 مقدار خطای مشاهده‌ شده در پاسخ است. نرم‌افزار مورد استفاده بـه ‌منظور طراحی آزمایش و تحلیل آماری، Minitab 18 است. تجزیه و تحلیل داده‌های حاصل از این پژوهش نیز با استفاده از آنالیز واریانس (ANOVA) انجام گردید. همچنین به‌منظور ایجاد توابع ریاضی میان متغیرهای پاسخ و پارامترهای مؤثر در فرآیند، تحلیل رگرسیون به کار گرفته شد.

 

2-2-3- اندازه‌گیری متغیرهای پاسخ

بـراي محاسـبه چگالی واقعي نمونه‌ها () از دستگاه چگالی متر و بر اساس روش ارشميدس (استاندارد ISO2738) استفاده گردید (رابطه (2)):

 

(1)

 

که در آن،  وزن نمونه در هوا،  وزن نمونه در آب و  چگالی آب می­باشد. برای محاسبه چگالی تئوری از قانون مخلوط‌ها (استاندارد ASTM D1556) استفاده شد. براي تعيين ميزان تخلخـل در نمونـه‌هـاي سيم اکسترود شده از رابطه (3) استفاده‌ گردید:

 

(2)

 

که در آن،  pمقدار تخلخل، ρr چگالی واقعی و ρth چگالی تئوری نمونه ‌است. همچنین برای بررسی ریزساختار نمونه‌ها از میکروسکوپ‌های نوری (OM) و الکترونی (SEM) استفاده گردید. برای میکروسکوپ SEM، فاصله کاری برابر با 10 میلی‌متر و نوع دتکتور، الکترون ثانویه (SE) در نظر گرفته شد. در این راستا، ابتدا سیم‌های تولید شده در یک مقطع یکسان و در جهت عمود برجهت اکستروژن برش خورده و سپس مانت سرد شدند. نمونه‌ها با کاغذ سنباده‌های 80 تا 3000 تحت عملیات سنباده‌زنی قرار گرفتند و پس از آن با استفاده از پارچه و خمیر الماس یک میکرون، صیقل‌کاری شدند.

به‌منظور وضوح تصاویر، آشکارسازی نمونه‌ها با استفاده از محلول حکاکی پولتن اصلاح شده به مدت 120 ثانیه در دمای اتاق انجام شد. اندازه‌گیری استحکام کششی نمونه‌ها بر اساس استاندارد ASTM E8 انجام شد. نمونه‌های کشش در راستای عمود بر مسیر اجرای فرآیند FSE، با استفاده از وایرکات آماده شدند. قطر دنباله و طول کل هر یک از نمونه‌های کشش به ترتیب برابر با 7 و 35 میلی‌متر در نظر گرفته شد. سپس، هر یک از آنها با استفاده از دستگاه کشش Hounsfield و با نرخ پیشروی mm/min 2 در دمای اتاق تحت آزمون كشش قرار گرفتند.

 

2-2-4- بهینه‌سازی

در این تحقیق، به‌منظور بهینه‌سازی پارامترهای ورودی فرآیند FSE از روش مطلوبیت استفاده گردید [27]. هدف تابع مطلوبیت، بهینه‌سازی متغیرهای پاسخ در نظر گرفته شد؛ بنابراین، مطلوبیت به‌صورت رابطه (4) تعریف شد:

 

(3)

 

در رابطه فوق، پارامترهای L و U به ترتیب، حدود پایینی و بالایی مقدار پاسخ y هستند. در این پژوهش، مقدار وزن مساوی یک فرض گردید و در نتیجه، تابع مطلوبیت در مود خطی تعریف شد.

 

3- نتایج و بحث

شکل 3 تصویر SEM به همراه آنالیز عنصری از نمونه کامپوزیت AA1050/SiC تولید شده به روش FSE را در kN 5/15EF=، rpm750 RS= و wt 5% RF= نشان می‌دهد. حضور ذرات آلومینیوم و سیلیکون کاربید در شکل مشاهده می‌شود.

 

(4)

شکل (3): تصویر SEM به همراه آنالیز عنصری از نمونه کامپوزیت AA1050/SiC تولید شده به روش FSE.

 

جدول 3 نتایج حاصله برای تخلخل و استحکام کششی نهایی نمونه‌های کامپوزیتی را بر اساس طراحی آزمایش RSM نشان می‌دهد.

 

 

جدول (3): خروجی‌های تخلخل و استحکام کششی نهایی مطابق با طراحی آزمایش

تخلخل (%)	استحکام کششی (MPa)	مقدار وزنی تقویت‌کننده (%)	نیروی اکستروژن (کیلونیوتن)	سرعت دورانی (دور در دقیقه)	شماره آزمایش
27/1	125	1	5/5	750	1
23/1	133	5	5/5	750	2
89/0	136	1	5/15	750	3
80/0	143	5	5/15	750	4
20/2	103	1	5/10	500	5
92/1	118	5	5/10	500	6
67/1	112	1	5/10	1000	7
58/1	127	5	5/10	1000	8
10/2	109	3	5/5	500	9
72/2	85	3	5/15	500	10
39/2	96	3	5/5	1000	11
35/1	136	3	5/15	1000	12
57/0	148	3	5/10	750	13
48/0	157	3	5/10	750	14
44/0	153	3	5/10	750	15

 

 

جداول 4 و 5 نیز نتایج حاصل از آنالیز واریانس مدل اصلاح شده رگرسیون را به ترتیب برای تخلخل و استحکام کششی نهایی نشان می‌دهند. لازم به ذکر است که میزان ضریب تعیین مدل رگرسیونی ارائه شده برای تخلخل و استحکام کششی به ترتیب %63/98 و %16/96 است. ضریب تعیین، کیفیت برازش داده‌ها را با مدل مشخص می‌کند که هر چه مقدار آن به عدد 100 نزدیک‌تر باشد، قدرت مدل برازش یافته بیشتر می‌باشد [27]. لازم به ذکر است که حذف پارامترها بر اساس نمودار اثرات بهینه باعث کاهش در مقدار ضریب تعیین مدل شده است. میزان سطح ریسک α در فرآیند تحلیل، مساوی 05/0 در نظر گرفته شد. با احتساب 05/0= α و بر اساس نتایج حاصل از آنالیز واریانس، پارامتر سرعت دورانی (عبارت مرتبه دوم RS) مجذور نیروی اکستروژن (EF) و مجذور مقدار تقویت‌کننده (RF) به‌عنوان عبارات مؤثر بر تخلخل و استحکام کششی نهایی نمونه‌های کامپوزیتی شناخته شدند.

برای بررسی صحت مدل رگرسیون، از آزمون عدم برازش استفاده گردید؛ بنابراین با تأیید عدم معنی‌داری آزمون عدم برازش (P Lack of fit>0.05) می‌توان دریافت که مدل به‌خوبی می‌تواند بر داده‌های مورد بررسی، برازش شود. همان‌طور که در جداول مشاهده می‌شود، آزمون عدم برازش برای متغیرهای پاسخ، معنی‌دار نیست و در نتیجه مدل ارائه شده به‌خوبی روند داده‌ها را نشان می‌دهد. از سوی دیگر، بهترین تحلیل زمانی صورت می‌گیرد که هم‌زمان رگرسیون، مؤثر و عدم برازش، غیر مؤثر باشد [27]. از این رو، با توجه به مقادیر P مندرج در جداول فوق‌الذکر ملاحظه می‌شود که عبارت رگرسیون، مؤثر و عبارت عدم برازش، غیر مؤثر است. از این رو، توانایی مدل برازش یافته در توصیف و پیش‌بینی تغییرات متغیرهای پاسخ به‌عنوان تابعی از متغیرهای ورودی، مورد تأیید قرار می‌گیرد.

 

 

جدول (4): نتایج آنالیز واریانس مدل اصلاح شده رگرسیون برای تخلخل.

	درجه آزادی	مجموع مربعات	میانگین مربعات	مقدار - F	مقدار - P
مدل رگرسیون	7	28/7	039/1	87/144	00/0
خطی	3	696/0	232/0	31/32	00/0
سرعت دورانی ابزار (RS)	1	475/0	475/0	22/66	00/0
نیروی اکستروژن (EF)	1	189/0	189/0	35/26	001/0
درصد وزنی تقویت‌کننده (RF)	1	0312/0	031/0	35/4	075/0
درجه2	3	894/5	964/1	72/273	00/0
(RS)2	1	488/5	488/5	64/264	00/0
(EF)2	1	664/0	664/0	56/92	00/0
(RF)2	1	059/0	059/0	25/8	024/0
اثر متقابل	1	688/0	688/0	98/95	00/0
(RS)*(EF)	1	688/0	688/0	98/95	00/0
خطا	7	050/0	007/0		00/0
عدم برازش	5	041/	008/0	87/1	385/0
خطای خالص	2	008/0	004/0
مجموع	14	328/7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول (5): نتایج آنالیز واریانس مدل اصلاح شده رگرسیون برای استحکام کششی نهایی.

منبع تغییر	درجه آزادی	مجموع مربعات	میانگین مربعات	F-مقدار	P- مقدار
مدل رگرسیون	7	43/6245	20/892	12/51	000/0
خطی	3	25/816	08/272	59/15	002/0
سرعت دورانی ابزار (RS)	1	392	00/392	46/22	002/0
نیروی اکستروژن (EF)	1	12/171	12/171	81/9	017/0
درصد وزنی تقویت‌کننده (RF)	1	12/253	12/253	50/14	007/0
درجه2	3	18/4405	39/1468	14/84	000/0
(RS)2	1	16/3950	16/3950	34/226	000/0
(EF)2	1	78/668	78/668	32/38	000/0
(RF)2	1	78/90	78/90	20/5	057/0
اثر متقابل	1	1024	00/1024	67/58	000/0
(RS)*(EF)	1	00/1024	00/1024	67/58	000/0
خطا	7	17/122	45/17		000/0
عدم برازش	5	50/81	30/16	80/0	636/0
خطای خالص	2	67/40	33/20
مجموع	14	60/6367

 

 

روابط 5 و 6 به ترتیب معادلات رگرسیون تخلخل و استحکام کششی نهایی نمونه‌های کامپوزیتی را به‌صورت تابعی از متغیرهای ورودی کدگذاری شده، ارائه می‌کنند:

 

 

همچنین، برای آزمودن صحت توزیع نرمال مانده‌ها از نمودار احتمال نرمال استفاده گردید. همان‌طور که در شکل 4 مشاهده‌ می‌شود، مانده‌ها در هر دو نمودار، عموماً از یک خط راست پیروی می‌کنند و هیچ‌گونه شواهدی مبنی بر غیرنرمال بودن، عدم تقارن و نقاط دورافتاده کمی وجود ندارد.

 

(5)

(6)

(الف)

(ب)

شکل (4): نمودار نرمال درصد خطاهاي ايجاد شده براي پاسخ: الف) تخلخل و ب) استحکام کششی نهایی.

با توجه به استخراج معادلات رگرسیون برای استحکام کششی نهایی و درصد تخلخل نمونه‌های کامپوزیتی، می‌توان مقادیر متغیرهای پاسخ را پیش از اجرای فرآیند و برحسب متغیرهای ورودی، پیش‌بینی نمود. ازاین‌رو، امکان انتخاب ترکیب مناسبی از متغیرهای ورودی فرآیند برای دستیابی به حداکثر پارامترهای پاسخ وجود دارد. چگونگی تغییرات متغیر پاسخ برحسب متغیرهای ورودی را می‌توان به‌صورت نمودارهای سه بُعدی منحنی سطح پاسخ نشان داد. در این نمودارها تأثیرات متقابل دو متغیر ورودی بر روی متغیر پاسخ قابل‌مشاهده است و مقادیر سایر متغیرهای ورودی در سطوح مرکزی (سطح صفر) ثابت در نظر گرفته شده‌اند. ارتباط استحکام کششی نهایی با دو پارامتر نیروی اکستروژن و درصد تقویت‌کننده در شکل 5-الف نشان داده شده است. در این وضعیت، درصورتی‌که سرعت دورانی ثابت در نظر گرفته شود، افزایش هم‌زمان نیروی اکستروژن و مقدار تقویت‌کننده به سطح میانی موجب افزایش استحکام کششی نمونه کامپوزیتی می‌شود. می‌توان گفت مقدار حرارت تولید شده در طول فرآیند اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی از رابطه (7) محاسبه می‌شود [21].

 

 

در این رابطه ω سرعت دورانی ابزار، سرعت زاویه‌ای است، R شعاع تماس، τcontact تنش برشی در سطح تماس است و dA وابسته به سطح تماس است. همان‌طور كه مشاهده مي‌شود شاخص حرارتی مستقیماً با سرعت دورانی ابزار متناسب است.

همان‌طور كه مشاهده ‌مي‌شود شاخص حرارتی مستقیماً با سرعت دورانی ابزار متناسب است؛ بنابراین، درصورتی‌که سرعت دورانی ابزار در مقدار معینی تثبیت شود، افزایش نیرو منتج به افزایش نرخ پیشروی ابزار و تقلیل شاخص حرارتی خواهد شد و اين امر موجب کاهش نرخ انحلال رسوبات تقویت‌کننده شده [28] و خواص کششی نمونه بهبود می‌یابد [29]. از سوی دیگر، ارتباط تخلخل با دو پارامتر نیروی اکستروژن و درصد تقویت‌کننده در شکل 5-ب نشان داده شده است.

 

(7)

(ب)	(الف)

شکل (5): تأثیر پارامترهای ورودی در سرعت دورانی (rpm750) بر: الف) تخلخل و ب) استحکام کششی نهایی.

 

درصورتی‌که سرعت دورانی ابزار در سطح ميانه (rpm 750) تنظیم شود، افزایش نیروی اکستروژن از kN5/10 به kN5/15 همراه با افزایش درصد وزني تقویت‌کننده به wt%5 و توزیع ناهمگن ذرات تقویت‌کننده باعث افزایش تخلخل و کاهش استحکام گرديد (شكل 6-الف و ب). همچنین تنظیم مقادیر سرعت دورانی و نیروی اکستروژن به ترتیب در مقادیر rpm 750 و kN5/10 منتج به دستیابی حداقل تخلخل در نمونه کامپوزیتی گردید (شکل 6-ج). توزیع یکنواخت ذرات تقویت‌کننده در زمینه فلزی موجب تجمع نابجایی‌ها در همسایگی ذرات می‌شود که منجر به افزایش چگالی نابجایی‌ها در زمینه فلزی و فصل مشترک "زمینه - پودر" خواهد شد. ازاین‌رو، استحکام کششی نمونه کامپوزیتی بهبود می‌یابد [30].

 

(الف)

(ب)

(ج)

شکل (6): الف) و ب): تصوير SEM از توزيع ذرات و تخلخل نمونه سيم كامپوزيتي در 750 rpm =RS و EF=15.5 kN و ج) تصوير SEM نمونه سیم کامپوزیتی در RS=750rpm و EF=10.5kN.

 

مطابق با شکل 7 درصورتی‌که نيروي اكستروژن در سطح میانه (kN 5/10EF=) تنظیم شود، افزایش سرعت دورانی از rpm 500 بهrpm 750 و افزایش درصد وزني تقویت‌کننده به %wt 3 باعث کاهش تخلخل و افزایش استحکام می‌شود.

(ب)	(الف)

شکل (7): تأثیر پارامترهای ورودی در نیروی اکستروژن سطح ميانه (kN 5/10) بر: الف) تخلخل و ب) استحکام کششی نهایی.

 

در این شرايط، افزایش سرعت دورانی به rpm750، موجب افزایش حرارت ورودی، نرم شدن ماده و افزایش نرخ سیلان آن می‌شود که در پی آن، توزیع بهتری از ذرات تقویت‌کننده در فلز پایه اتفاق مي‌افتد (شکل 8). این نتایج با تحقیق کورت و همکاران [10] تطابق خوبی دارد.

 

(ب)	(الف)

شکل (8): تصاوير SEM وOM نمونه سيم كامپوزيتي در RS=750 rpm، EF=10.5 kN و RF=3%wt: الف) توزيع ذرات و ب) تخلخل.

 

همان‌طور كه در شکل 9 مشاهده‌ مي‌شود، افزایش سرعت دورانی ازrpm 750 بهrpm 1000 و افزایش درصد تقویت‌کننده به wt5% افزایش تخلخل و کاهش استحکام کششی اتفاق افتاد. در این وضعیت، افزایش سرعت دورانی موجب افزایش بیش از حد حرارت اصطکاکی و دمای منطقه اغتشاشی شده و منجر به رشد دانه‌ها گرديد. همچنین افزایش مقدار ذرات تقویت‌کننده متأثر از سایر پارامترها منجر به ایجاد ترک و افزایش تخلخل و کاهش استحکام گردید. اثر افزایش ذرات تقویت‌کننده با نتایج تحقیق بافاری و همکاران [14] مقایسه و مورد تأیید قرار گرفت.

(ب)	(الف)

شکل (9): تصاوير SEM وOM نمونه سيم كامپوزيتي rpm1000kN, RS= 5/10%wt, EF=5RF=: الف) توزيع ذرات و ب) تخلخل.

 

مطابق با شکل 10 درصورتی‌که درصد تقویت‌کننده در سطح میانه (wt3%) تنظیم شود، افزایش سرعت دورانی ازrpm 500 به rpm 750 و افزایش نیروی اکستروژن به kN5/10 باعث کاهش تخلخل و افزایش استحکام مي‌گردد.

 

(ب)	(الف)

شکل (10): تأثیر پارامترهای ورودی در مقدار ذرات تقویت‌کننده سطح ميانه (3%) بر: الف) تخلخل و ب) استحکام کششی نهایی.

 

در این وضعیت، افزایش سرعت دورانی موجب نرم شدن ماده و افزایش نرخ سیلان آن شده كه در پی آن افزایش سرعت پیشروی نیز موجب ایجاد دمای تف جوش مناسب و توزیع بهتری از ذرات تقویت‌کننده در فلز پایه گرديد. از سوی دیگر، افزایش نیروی اکستروژن به kN 5/15 باعث افزایش تخلخل و کاهش استحکام کششی می‌شود. در این وضعیت، افزایش نیرو موجب افزایش بیش از حد سرعت پیشروی و در نتیجه عدم فرصت کافی افزایش دما در منطقه اغتشاش شده و منجر به رشد دانه‌ها، عدم توزیع مناسب ذرات و در بعضی از موارد آگلومره شدن ذرات تقویت‌کننده خواهد شد (شکل 11). این نتایج با تحقیق عزیزیه و همکاران [31] همخوانی دارد.

 

 

شکل (11): تصوير OM نمونه سيم كامپوزيتي در RS= 750 rpm RF=3%wt,EF=15.5kN.

 

 در جدول 6، مقادیر بهينه متغیرهای ورودی فرآیند جهت دستیابی به مقادیر کمینه تخلخل و مقادیر بیشینه استحکام کششی نهایی و همچنین مقادیر ترکیب بهینه آمده است.

 

 

جدول (6): مقادیر پارامترهای ورودی بهینه برای حداقل مقدار تخلخل، استحکام کششی نهایی.

پارامترهاي ورودي	مقادير بهينه (تخلخل)	مقادیر بهینه (استحکام)	مقادير ترکیب بهينه
سرعت دوراني (rpm)	787	792	787
نيروي اكستروژن (kN)	7/11	8/11	7/11
تقویت‌کننده (wt%)	5/3	1/4	8/3

 

در این حالت مطابق با شکل 12-الف و ب، مقادیر کمترین تخلخل % 45/0 و بیشترین استحکام کششی (MPa51/155) به ترتیب با مقادیر تابع مطلوبیت (9946/0d=) و (9793/0d=) به دست آمد. همچنین مقادیر مرکب بهینه متغیرهای ورودی فرآیند در بالاترین مقدار تابع مطلوبیت (9885/0 D=) در شکل 12-ج آمده است.

 

(الف)

(ب)

(ج)

شکل (12): نمودار بهينه تأثیر پارامترهای ورودی بهینه بر: الف) تخلخل، ب) استحکام کششی نهایی و ج) ترکیب بهینه.

 

همچنين به‌منظور صحه‌گذاری بين نتايج بهينه‌سازي و نتايج تجربي، آزمون تجربی توسط سنبه‌ای به قطر سوراخ سنبه 7 میلی‌متر، با استفاده از پودر کامپوزیت AA1050/ 4%wt SiC و با تنظیم سرعت دورانی و نيروي اكستروژن در مقادیر نزدیک به مقادیر بهینه متغیرهای ورودی، به انجام رسید. در شكل 13 تصاوير OM و SEM از توزيع ذرات تقویت‌کننده و تخلخل در نمونه سيم كامپوزيتي توليدي نشان داده شده است.

 

(ب)	(الف)

شكل (13): تصاوير SEM وOM نمونه سيم كامپوزيتي درRS=787rpm EF=11.7 kN, EF=3.8%: الف) توزيع ذرات و ب) تخلخل.

جدول 7، نتایج حاصل از آزمون صحه‌گذاری و مقایسه آن با نتایج بهینه‌سازی را ارائه می‌کند. با توجه به اختلاف اندک میان نتایج، صحت و دقت فرآیند بهینه‌سازی برای تعیین ترکیب بهینه متغیرهای ورودی فرآیند، مورد تأیید قرار گرفت. تحقیق وحدتی [26] نیز با اختلاف اندک میان نتایج حاصل از بهینه‌سازی و آزمون صحه-گذاری (کمتر از 8 درصد)، صحت و دقت روند بهینه‌سازی برای تعیین ترکیب بهینه متغیرهای ورودی فرآیند را تأیید نمود.

 

جدول (7): مقایسه نتایج بهینه‌سازي و صحه‌گذاری تجربی.

پاسخ خروجی	بهینه‌سازی	صحه‌گذاری (تجربی)	اختلاف (%)
استحکام کششی نهایی (MPa)	4/155	5/159	57/2
تخلخل (%)	4568/0	49/0	78/6

 

4- نتیجه‌گیری

در این مقاله، مطالعه تجربی و تحلیل آماري پارامترهاي مؤثر بر خواص مکانیکی سیم كامپوزیتی AA1050/SiC تولید شده به روش اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی با استفاده از روش سطح پاسخ انجام شد. سپس به روش مطلوبیت پارامترهای بهینه تعیين گردید. در پایان نتایج بهینه‌سازی با آزمون تجربی مقایسه شده و مورد صحه‌گذاری واقع شد. نتایج حاصل از تحقیق به شرح ذیل می‌باشد:

1- سرعت دورانی و مجذور آن بیشترین تأثیر را بر تخلخل و استحکام کششی دارند.

2- نیروی اکستروژن دومین عامل مؤثر بر تخلخل می‌باشد. همچنین اثر تقابل سرعت دورانی-نیروی اکستروژن تأثیر بالایی بر تخلخل و استحکام کششی دارد.

3- کاهش نیروی اکستروژن و کاهش مقدار ذرات SiC نسبت به سطح ميانه (wt 3% RF=وkN 5/10EF=)، منتج به افزایش تخلخل (% 65) در نمونه کامپوزیتی گرديد. در این حالت، کاهش سرعت پيشروي ماتريس موجب افزایش مدت‌زمان تماس ابزار با فلز پایه شده که اين امر منجر به افزایش بیش از اندازه حرارت اصطکاکی گرديد. ازاین‌رو، افزایش دمای منطقه اغتشاشی منتج به رشد دانه‌ها و کاهش استحکام کششی نمونه مي‌شود که در مقایسه با نتایج تحقیق بافاری و جمالی [14 و22] مورد تأیید می‌باشد.

4- هنگامي که تقویت‌کننده در سطح میانه (wt 3%) تنظیم شد، افزایش سرعت دورانی ازrpm 500 به rpm750 و افزایش نیروی اکستروژن به kN 5/10 باعث کاهش تخلخل (% 79) و افزایش استحکام کششی (% 31) گرديد [10 و 28].

5- افزایش سرعت دورانی از rpm750 بهrpm 1000 و افزایش درصد تقویت‌کننده به wt 5% باعث افزایش تخلخل (% 72) و کاهش استحکام کششی (% 17) گردید [21].

6- بهینه‌سازی متغیرهای ورودی فرآیند با بالاترین مقدار تابع مطلوبیت (9852/ 0= D) جهت دستیابی هم‌زمان به مقادیر بیشینه استحکام کششی نهایی MPa) 4/155) و کمینه درصد تخلخل (%45/0) انجام پذیرفت.

7- مقادير حاصل از بهینه‌سازی با مقادير تجربی مقایسه شده و صحت نتایج در استحكام كششي و تخلخل به ترتيب با % 57/2 و % 78/6 خطا مورد تأیید می‌باشد.

 

 

5- مراجع

[1] P. K. Sahu & et al., "Wear behavior of the friction stir alloyed AZ31 Mg at different volume fractions of Al particles reinforcement and its enhanced quality attributes", Tribology International, vol. 146, pp. 106268, 2020.

 

[2] F. Nascimento & et al., "Microstructural modification and ductility enhancement of surfaces modified by FSP in aluminium alloys", Materials Science and Engineering A, vol. 506, no. 1-2, pp. 16-22, 2009.

 

[3] R. S. Mishra, Z. Ma & I. Charit, "Friction stir processing a novel technique for fabrication of surface composite", Materials Science and Engineering A, vol. 341, no. 1-2, pp. 307-310, 2003.

 

[4] M. K. Besharati-Givi & P. Asadi, "Advances in friction-stir welding and processing", Elsevier, 2014.

 

[5] L. Karthikeyan, V. Senthil Kumar & K. Padmanabhan, "Investigations on superplastic forming of friction stir-processed AA6063-T6 aluminum alloy", Materials and Manufacturing Processes, vol. 28, no. 3, pp. 294-298, 2013.

 

[6] D. Ahmadkhaniha & P. Asadi, "Mechanical alloying by friction stir processing", in Advances in Friction Stir Welding and Processing, Woodhead Publishing London. pp. 387-425, 2014.

 

[7] P. Asadi & et al., "Effects of SiC particle size and process parameters on the microstructure and hardness of AZ91/SiC composite layer fabricated by FSP", Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 20, pp. 1554-1562, 2011.

 

[8] P. Asadi, R. Mahdavinejad & S. Tutunchilar, "Simulation and experimental investigation of FSP of AZ91 magnesium alloy", Materials Science and Engineering: A, vol. 528, no. 21, pp. 6469-6477, 2011.

 

[9] N. Yuvaraj & S. Aravindan, "Fabrication of Al5083/B4C surface composite by friction stir processing and its tribological characterization'', Journal of Materials Research and Technology, vol. 4, no. 4, pp. 398-410, 2015.

 

[10] A. Kurt, I. Uygur & E. Cete, "Surface modification of aluminium by friction stir processing", Journal of Materials Processing Technology, vol. 211, no. 3, pp. 313-317, 2011.

 

[11] S. Ahmadifard & et al., "Fabrication of A5083/SiC surface composite by friction stir processing and its characterization", Journal of Science and Technology of Composites, vol. 2, no. 4, pp. 31-36, 2016.

 

[12] X. Li & et al., "Strain and texture in friction extrusion of aluminum wire", Journal of Materials Processing Technology, vol. 229, pp. 191-198, 2016.

 

[13] R. A. Behnagh & et al., "Production of wire From AA7277 aluminum chips via friction-stir extrusion (FSE)", Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 45, pp. 1484-1489, 2014.

 

[14] D. Baffari & et al., "Al-SiC metal matrix composite production through friction stir extrusion of aluminum chips," Procedia Engineering, vol. 207, pp. 419-424, 2017.

 

[15] R. Pandiyarajan & S. Marimuthu, "Parametric optimization and tensile behaviour analysis of AA6061-ZrO2-C FSW samples using Box-Behnken method", Materials Today: Proceedings, vol. 37, pp. 2644-2647, 2021.

 

[16] K. K. Jangra & et al., "An experimental investigation and optimization of friction stir welding process for AA6082 T6 (cryogenic treated and untreated) using an integrated approach of Taguchi, grey relational analysis and entropy method", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, vol. 230, no. 2, pp. 454-469, 2016.

 

[17] S. Verma & et al, "Multi-objective optimum design for FS welded 7039 aluminium alloy considering weld quality issues", Materials Today Communications, vol. 26, pp. 102010, 2021.

 

[18] M. Koilraj & et al., "Friction stir welding of dissimilar aluminum alloys AA2219 to AA5083–Optimization of process parameters using Taguchi technique", Materials & Design, vol. 42, pp. 1-7, 2012.

 

[19] M. Ghaffarpour & et al., "Evaluation of dissimilar welds of 5083-H12 and 6061-T6 produced by friction stir welding", Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 44, pp. 3697-3707,2013.

 

[20] A. H. Sakhaie & et al., "Optimization of friction stir spot welding process parameters to achieve maximum failure load", Iranian Journal of Manufacturing Engineering, vol. 5, no. 1, pp. 13-27, 2018.

 

[21] G. Jamali, S. Nourouzi & R. Jamaati, "Microstructure and mechanical properties of AA6063 aluminum alloy wire fabricated by friction stir back extrusion (FSBE) process", International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials, vol. 26, pp. 1005-1012, 2019.

 

[22] G. Jamali, S. Nourouzi & R. Jamaati, "Manufacturing of gradient Al/SiC composite wire by friction stir back extrusion", CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, vol. 35, pp. 735-743, 2021.

 

[23] آ. بهزادی نژاد، ع. محصل، ح. امیدوار و ن. ستوده، "تأثیر نانوذرات آلومینا، تعداد پاس اختلاط و سرعت دوران در رفتار مکانیکی آلیاژ منیزیم AM60 جوش شده به روش اصطکاکی-اغتشاشی"، فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال 16، شماره 4، صفحه 15-1، زمستان 1401.

 

[24] س. ا. کفائی، ح. ثابت و م. قنبری حقیقی، "اثر نوع لایه واسط بر خواص مکانیکی و ریزساختار اتصال آلومینیوم 6061 به روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی"، فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال 14، شماره 4، صفحه 23-1، زمستان 1399.

 

[25] A. Dean & et al., "Response surface methodology'', Design and Analysis of Experiments, pp. 565-614, 2017.

 

[26] M. Vahdati, "Modelling and optimization of parameters affecting the tensile strength and ductility of aluminum-based composite produced by FSA via RSM", Journal of Science and Technology of Composites, vol. 7, no. 4, pp. 1207-1216, 2021.

 

[27] D.C. Montgomery, "Design and Analysis of Experiments", John wiley & sons, 2017.

 

[28] S. Benavides & et al., "Low-temperature friction-stir welding of 2024 aluminum", Scripta Materialia, vol. 41, no. 8, pp. 809-815, 1999.

 

[29] N. S. Sundaram & N. Murugan, "Tensile behavior of dissimilar friction stir welded joints of aluminium alloys", Materials & Design, vol. 31, no. 9, pp. 4184-4193, 2010.

 

[30] A. Ahmadi, M. R. Toroghinejad & A. Najafizadeh, "Evaluation of microstructure and mechanical properties of Al/Al2O3/SiC hybrid composite fabricated by accumulative roll bonding process", Materials & Design, vol. 53, pp.13-19, 2014.

 

[31] M. Azizieh, A. H. Kokabi & P. Abachi, "Effect of rotational speed and probe profile on microstructure and hardness of AZ31/Al2O3 nanocomposites fabricated by friction stir processing", Materials & Design, vol. 32, no. 4, pp. 2034-41, 2011.

 

6- پی­نوشت

[1] Friction Stir Extrusion

[2] Friction Stir Welding

[3] Friction Stir Processing

[4] Yuvaraj and Aravindan

[5] Kurt et al

[6] Li et al

[7] Behnagh et al

[8] Baffari et al

[9] Pandiyarajan and Marimuthu

[10] Jangra et al

[11] Verma et al

[12] Koilraj et al

[13] Response Surface Methodology

[14] Analysis of variance

[15] Rotational Speed

[16] Extrusion Force

[17] Reinforcement percentage weight

 

برای ارجاع به این مقاله از عبارت ذیل استفاده نمایید:

Please cite this article using:

Mojtaba Soleimanipour, Reza Abedinzadeh, Seyed Ali Eftekhari, Ali Heidari, Optimization of Effective Parameters in the Stir Friction Extrusion Process on Porosity and Tensile Strength of SiC Ceramic Particles Reinforced AA1050 Aluminum Matrix Composite, New Process in Material Engineering, 2024, 17(4), 29-42.

 

 

 

---