اصلاح خواص مکانیکی جوش اصطکاکی اغتشاشی آلیاژ منیزیم AM60 از طریق تغییر سرعت دوران و افزودن نانو ذرات آلومینا

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

آرش بهزادی نژاد ¹ , عباس محصل ² , حمید امیدوار ³ , نادر ستوده ⁴

1 - دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران
2 - استادیار، گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران
3 - دانشیار، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک تهران) ، تهران، ایران
4 - دانشیار، گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران

تاریخ دریافت : 1400/05/23 تاریخ پذیرش : 1400/11/25 تاریخ انتشار : 1400/09/01

کلید واژه: خواص مکانیکی, ترکیبات بین فلزی, جوشکاری اصطکاکی-اغتشاشی, آلیاژ AM60, سرعت دوران,

چکیده مقاله :

مقدمه: در این پژوهش خواص مکانیکی جوش اصطکاکی-اغتشاشی آلیاژ AM60 در دو حالت بدون نانو ذرات تقویت کننده آلومیناو با نانو ذرات تقویت کننده آلومینا مورد بررسی قرار گرفت.
روش­: نمونه های آلیاژی AM60 که در تعدادی از آنها در نزدیک خط جوش شیارهایی به منظور تعبیه نانوذرات آلومینا تعبیه شده بود، در دو حالت عاری و حاوی نانو ذرات آلومینا تحت جوشکای اصطکاکی اغتشاشی قرار گرفتند.
یافته­ها و نتیجه گیری: بررسی های میکروسکوپی نشان داد که هم در نمونه های بدون نانو ذرات تقویت کننده و هم در نمونه های دارای نانو ذرات تقویت کننده،  افزایش سرعت دوران ابزارکار، بدلیل اعمال کرنش های زیاد در ناحیه بهم خورده جوش، منجر به افزایش پدیده تبلور مجدد و ریز شدن دانه ها و در مقابل افزایش دما بدلیل اصطکاک ابزار کار با زمینه باعث تاثیر معکوس و منجر به رشد دانه ها می شود. بر اساس نتایج به دست آمده وجود ذرات تقویت کننده آلومینا در زمینه باعث کاهش اندازه دانه ها شد همچنین در هر دو حالت، سرعت دوران  rpm1200 به عنوان سرعت دوران بهینه برای اندازه دانه پذیرفته شد. وجود نانو ذرات تقویت کننده آلومینا در زمینه و شکل گیری دمای بالا در هنگام فرآیند جوشکاری باعث وقوع فرآیند نفوذ و شکل گیری مناطق فقیر از آلومینیوم در بعضی نقاط و شکل گیری ترکیبات بین فلزی آلومینیوم در نقاط دیگر شد. به علت رشد دانه‌ها در منطقه متاثر از حرارت، سختی در این منطقه کمترین مقدار بود اما بدلیل رخداد پدیده تبلور مجدد و ریز شدن اندازه دانه‌ها در منطقه بهم خورده جوش، بیشترین مقدار سختی در این منطقه به دست آمد. هم در نمونه‌های بدون ذرات تقویت کننده آلومینا و هم در نمونه های دارای ذرات تقویت کننده آلومینا، بیشترین مقدار سختی و استحکام نهایی کششی در منطقه بهم خورده جوش در سرعت دوران بهینه rpm1200 به دست آمد. 

چکیده انگلیسی:

In this study mechanical properties of friction stir welded AM60 magnesium alloy in existence and lacking of alumina nanoparticles were examined. Microscopical analysis revealed peak condition could be made in 1200 rpm rotational speed, not only in the absence of reinforcing alumina nanoparticles but also in the presence of them. Adverse effects of higher strains in lowering grain size and higher temperatures in grain growth should be considered. In the existence of alumina nanoparticles in the matrix some areas of low content aluminum formed besides of high aluminum content of intermetallic compounds regions. Higher hardness and ultimate tensile strength achieved in optimum 1200 rpm rotational speed not only with alumina nanoparticles but also in the absence of alumina nanoparticles condition. Higher stresses and therefore lower agglomerated alumina nanoparticles resulted with increasing rotational speed. With alumina nanoparticles in matrix, lower grain size, higher hardness and higher ultimate tensile strength was attained.

منابع و مأخذ:

 

[1]          Kulekci, M. K, Magnesium and its alloys applications in automotive industry, Int J Adv Manuf Technol, 2008: 39:851–865, [DOI:10.1007/s00170-007-1279-2] 

[2]          Threadgill, P. L., Leonard, A. J., Shercliff, H. R. and Withers, P. J.; Friction stir welding of aluminium alloys. International Materials Reviews, 2009:54 (2): 49-93. , [DOI: https://doi.org/10.1179/174328009X411136] 

[3] Mardalizadeh M., Safarkhanian M.A., Solaymani M. R. (2019), Influence of Friction Stir Welding Parameters on Mechanical and Metallurgical Properties in Lap Joints of 5456Aluminum Alloy, Journal of New Materials,Vol. 10, No. 36, pp. 141-156 [In Persian, 1398]. https://www.sid.ir/en/journal/ViewPaper.aspx?id=729089.

 [4]         Chai F., Zhang D.T., Li Y.Y.. Effect of rotation speeds on microstructures and tensile properties of submerged friction stir processed AZ31 magnesium alloy. Materials Research Innovations 2014;18(sup4) 152-156. [DOI: https://doi.org/10.1179/1432891714Z.000000000673] 

[5]          L. Ceschini, I. Boromei, G. Minak, A. Morri, F. Tarterini, Effect of friction stir welding on microstructure, tensile and fatigue properties of the AA7005/10 vol.%Al2O3p composite, Compos. Sci. Technol.,2007: 67(3-4): 605-615. [DOI: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2006.07.029] 

                [6]X.G. Chen, M.D. Silva, P. Gougeon, L.S. Georges, Microstructure and mechanical properties of friction stir welded AA6063–B4C metal matrix composites, Mater. Sci. Eng. A,2009: 518 (1-2): 174-184, [DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.04.052]

 [7]         S. Gopalakrishnan, N. Murugan, Prediction of the tensile strength of friction stir welded aluminium matrix TiCp particulate reinforced composite, Mater. Des.,2011: 32(1) :462-467, [DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2010.05.055]

                [8]W. Lee, C.Y. Lee, M.K. Kim, J.I. Yoon, Y. Kim, S.B. Jung, Microstructures and wear property of friction stir welded AZ91 Mg/SiC particle `reinforced composite, Compo Sci. Technol.2006: 66 (11–12): 1513-1520, [DOI: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.11.023]

[9]          S. Richmire, K. Hall, M. Haghshenas, Design of experiment study on hardness variations in friction stir welding of AM60 Mg alloy, Journal of Magnesium and Alloys,2018: 6 (3): 215–228, [DOI: https://doi.org/10.1016/j.jma.2018.07.00]

[10]   iu D, Tang Y, Shen M, Hu Y and Zhao L, Analysis of Weak Zones in Friction Stir Welded Magnesium Alloys from the Viewpoint of Local Texture: A Short Review, Metals, 2018; 970 (8):1-16. [DOI:10.3390/met8110970]

[11]   Ren W, Xin R, Tan C, Liu D, Texture Related Inhomogeneous Deformation and Fracture Localization in Friction-Stir-Welded Magnesium Alloys: A Review, Frontiers in Materials, 2020; 6 (339):1-10. [DOI: 10.3389/fmats.2019.00339]

[12]       P. Bassani1, E. Gariboldi, A. Tuissi, Calorimetric analysis of AM60 magnesium alloy, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2005: 80 (3):739–747[DOI: 10.1007/s10973-005-0723-5] 

[13]       U. F. Al-Qawabeha,, Effect of Heat Treatment on the Mechanical Properties, Microhardness, and Impact Energy of H13 Alloy Steel, International Journal of Scientific & Engineering Research ,2017:8(2): 100-104. https://www.ijser.org/researchpaper/Effect-of-Heat-Treatment-on-the-Mechanical-Properties-Microhardness-and-Impact-Energy-of-H13-Alloy-Steel.pdf.

[14]       Azizieh M., Mazaheri M., Balak Z., Kafashan H. and Kim H. S.. Fabrication of Mg/Al12Mg17 in-situ surface nanocomposite via friction stir processing. Materials Science and Engineering, 2018: A (712): 655-662. [DOI:https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.12.030] 

[15]       Yin Y., Ikuta A., North T., Microstructural features and mechanical properties of AM60 and AZ31 friction stir spot welds. Materials & Design 2010;31(10):4764–4776. [doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2010.05.005]

[16]       Feng A., Ma Z., Enhanced mechanical properties of Mg–Al–Zn cast alloy via friction stir processing. Scripta Materialia 2007:56(5):397–400. [doi: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.10.035]

[17]       Richmire S, Sharifi P, Haghshenas M. On microstructure, hardness, and fatigue properties of friction stir-welded AM60 cast magnesium alloy. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2018:98(5-8): 2157-2172. [doi:10.1007/s00170-018-2375-1]

[18]   Asgar-Khan M. and Medraj M., Thermodynamic description of the Mg-Mn, Al-Mn and Mg-Al-Mn systems using the modified quasichemical model for the liquid phases, Materials Transactions, 2009: 50(5): 1113-1122 [doi:10.2320/matertrans.MRA2008484]

[19]       Hasani B.M., Hedaiatmofidi H., Zarebidaki A. Effect of friction stir process on the microstructure and corrosion behavior of AZ91 Mg alloy. Materials Chemistry and Physics, 2021;267:124672. [doi: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.124672]

 [20]      Mironov S, Motohashi Y, Ito T, Goloborodko A, Funami K, Kaibyshev R. Feasibility of friction stir welding for joining and microstructure refinement in a ZK60 magnesium alloy. Materials Transactions, 2007: 48 (12): 3140-3148. [doi:10.2320/matertrans.MRA2007177]

[21]       Gao Y., Morisada Y., Fujii H., Liao J., Dissimilar friction stir lap welding of magnesium to aluminum using plasma electrolytic oxidation interlayer. Materials Science and Engineering: A, 2018:711(10):109–118. [doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.11.034]

[22]       Mertens A., Simar A., Adrien J., Maire E., Montrieux H.-M., Delannay F., et al. Influence of fibre distribution and grain size on the mechanical behaviour of friction stir processed Mg–C composites. Materials Characterization 2015:107:125–133. [doi: 10.1016/j.matchar.2015.07.010]

[23]       Abdollahi S.H., Karimzadeh F., Enayati M.H., Development of surface composite based on Mg–Al–Ni system on AZ31 magnesium alloy and evaluation of formation mechanism. Journal of Alloys and Compounds 2015;623:335–341.