بهینه سازی پارامترهای موثر در فرآیند اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی بر تخلخل و استحکام کششی کامپوزیت زمینه آلومینیوم AA1050 تقویت شده با ذرات سرامیکی SiC
محورهای موضوعی : روش ها و فرآیندهای نوین در تولیدمجتبی سلیمانی پور 1 , رضا عابدین زاده 2 , سید علی افتخاری 3 , علی حیدری 4
1 - گروه مکانیک، واحد خمینی شهر، دانشگاه آزاد اسلامی، خمینی شهر، اصفهان، ایران.
2 - گروه مهندسی مکانیک، واحد خمینی شهر، دانشگاه آزاد اسلامی، خمینی شهر، اصفهان، ایران.
3 - گروه مکانیک، واحد خمینی شهر، دانشگاه آزاد اسلامی، خمینی شهر، اصفهان، ایران.
4 - گروه مکانیک، واحد خمینی شهر، دانشگاه آزاد اسلامی، خمینی شهر، اصفهان، ایران.
کلید واژه: تخلخل, بهینه سازی, اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی, کامپوزیت AA1050/SiC, استحکام کششی نهایی,
چکیده مقاله :
در این تحقیق، بهینه سازی پارامترهای فرآیند بر تخلخل و استحکام کششی سیم های کامپوزیتی زمینه آلومینیوم AA1050/SiC تولید شده به روش اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی صورت پذیرفت. در این راستا، نمونه های کامپوزیتی زمینه آلومینیوم AA1050 تقویت شده با ذرات سرامیکی SiC، با استفاده از فرآیند اکستروژن اصطکاکی اغتشاشی تولید شدند. همچنین به منظور طراحی آزمایش، از روش سطح پاسخ استفاده شد. سرعت دورانی ابزار، نیروی اکستروژن و ذرات تقویت کننده به عنوان متغیرهای ورودی فرآیند و درصد تخلخل و استحکام کششی نهایی نمونه‌های کامپوزیتی تولید شده به عنوان متغیرهای پاسخ تعیین شدند. به منظور آنالیز داده‌های حاصله از آنالیز واریانس و تحلیل رگرسیون استفاده گردید. نتایج نشان داد که سرعت دورانی، نیروی اکستروژن با تاثیرات مرتبه دوم و درصد تقویت کننده با تأثیرات خطی بر استحکام کششی و تخلخل نمونه‌های کامپوزیتی موثر بودند. همچنین بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند FSEبه منظور 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 باrpm 787، نیروی اکستروژن برابر باkN 7/11 و درصد تقویت کننده برابر با %86/3 جهت دستیابی همزمان به مقادیر بیشینه استحکام کششی نهاییMPa) 4/155) و کمینه درصد تخلخل(%45/0) انجام پذیرفت. همچنین مقادیر حاصل از بهینه‌سازی با مقادیر تجربی مقایسه شده و صحت نتایج در استحکام کششی و تخلخل به ترتیب با%57/2 و% 78/6 خطا مورد تایید قرار گرفت.
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.
- 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