بررسي قابليت تغيير شكل منيزيم خالص و آلياژ AZ91 ، در دماي پايين با كاربرد فرآيند
“اكستروژن برشي ساده
نازنين بيات ترك*1، نيما پرديس2 و رامين ابراهيمي3

چكيده
در اين پژوهش، امكان تغيير شكل شديد در دماي محيط منيزيم خالص و آلياژAZ91 آن با هدف دستيابي به ساختاري با اندازهي دانه ريز مورد بررسي قرار گرفته است. بدين منظور، روشي نوين تغيير شكل پلاستيك شديد به نام “اكستروژن برشي ساده” (SSE) بكار گرفته شد تا بتوان با توجه به ويژگي منحصر به فرد اين روش در اعمال تدريجي تغيير شكل، امكان اعمال كرنش در دماهاي پايين بر فلز منيزيم خالص و آلياژ AZ91 را فراهم كرد. همچنين، بمنظور مقايسهي اين روش و ساير روشهاي متداول، اعمال كرنش در دماي محيط بر نمونهها با كاربرد روش اكستروژن در
كانالهاي هم مقطع زاويه دار (ECAP) و روش اكستروژن در كانال هاي ناهم مقطع زاويه دار (CAD/NECAP) نيز صورت پذيرفت. نمونههاي بدست آمده به صورت ماكروسكوپي مورد بررسي و مقايسه قرار گرفتند و از لحاظ ريز ساختاري بررسي شدند. نتايج نشان ميدهند كه اعمال كرنش تدريجي در روش اكستروژن برشي ساده كار پذيري نمونههاي توليد شده با اين روش را در دماي پايين به گونهي قابل توجهي افزايش ميدهد.

واژه هاي كليدي :اكستروژن برشي ساده، تغيير شكل بسيار شديد، كارپذيري، كرنش، نرخ كرنش.

دانشجوي كارشناسي ارشد، بخش مهندسي مواد دانشكده ي مهندسي دانشگاه شيراز.
دانشجوي دكتري، بخش مهندسي مواد دانشكده ي مهندسي دانشگاه شيراز.
دانشيار، بخش مهندسي مواد دانشكده ي مهندسي دانشگاه شيراز.
nazanin.bayat@yahoo.com :نويسندهي مسئول مقاله-*
پيشگفتار
آلياژهاي منيزيم بخاطر استحكام ويژه و صلبيت بالايي كه دارند، مورد توجه بسياري از كاربردهاي مهندسي در زمينههاي گوناگون قرار دارند[1]. افزون بر اين، منيزيم داراي قابليت ماشينكاري خوب و جذب ارتعاش بالاست[2]. از سوي ديگر، منابع منيزيم بسيار فراوان بوده و همچنين، توليدات منيزيمي در مقايسه با پليمرها بسيار راحتتر و به گونهي كامل بازيافت ميشوند[3]، اما در كنار تمام اين ويژگيهاي مطلوب، برخي از ويژگيهاي نامطلوب اين فلز از قبيل كارپذيري كم در دماي پايين، چقرمگي، استحكام پايين و همچنين، مقاومت به خزش ضعيف منجر به محدود شدن كاربرد اين فلز گرديده است[4,3].
بنابراين تلاشهاي بسياري بمنظور بهبود بخشيدن به ويژگيهاي منيزيم انجام گرفته است. در اين راستا، فعاليتهاي بسياري در زمينهي ريز كردن اندازهي دانه انجام شده است[2] زيرا افزون بر بحث استحكام دهي، ريز شدن دانه ميتواند به خاصيت سوپر پلاستيسيته در دماهاي پايين منجر شود كه كاربرد بسيار زيادي در صنعت هوا فضا خواهد داشت[3]. يكي از روشهايي كه امروزه بمنظور ريز دانه كردن مواد جامد حجيم بسيار مورد توجه و استفاده قرار گرفته است، اعمال كرنشهاي شديد و در نتيجه،ْ ايجاد دانسيتهي بالاي ناب ه جاييهاست كه در نتيجهي آن ميتوان به ماده اي با ساختار بسيار ريز دست يافت و از آنجا كه اين فرايندها با اعمال كرنشهاي شديد همراه هستند، به آنها فرايندهاي تغيير شكل پلاستيك شديد (SPD) گفته ميشود. از انواع روشهاي SPD ميتوان به روش پيچش تحت فشار، روش فشردن در كانالهاي هم مقطع زاويه دار(ECAP) ، روش اتصال نورد تجمعي و … اشاره كرد[6,5].
از آنجا كه منيزيم داراي شبكهي بلوري شش وجهي متراكم است، تمايلي به تغيير شكل سرد ندارد و كليهي فرايندهاي ذكر شده براي اين فلز و آلياژهاي آن، در دماهاي بالا قابل انجام است و انجام اين فرآيندها در مورد منيزيم خالص و آلياژي منجر به ايجاد پديدهي جدايش يا شكست خواهد شد[7]. از سوي ديگر، انجام فرآيند در دماهاي پايين مانع از رشد دانه شده و در نتيجهي آن ميتوان به مادهاي با ساختار بسيار ريز دست يافت كه منجر به ايجاد خواص برتر مكانيكي و همچنين، دست يابي به خاصيت سوپر پلاستيسيته در دماهاي پايين خواهد شد[2]. با توجه به آنچه كه گفته شد، تلاشهايي بمنظور كاهش دماي تغيير شكل منيزيم صورت گرفته است. در اين راستا، يكي از تلاشهاي صورت گرفته انجام فرآيند اكستروژن در مورد نمونه ها پيش از انجام ECAP ميباشد كه منجر به كاهش اندازهي دانه و همچنين، ايجاد بافت در راستاي اكستروژن شده و كارپذيري منيزيم را افزايش ميدهد[8]. همچنين اعمال فشار معكوس حين تغيير شكل به فعال شدن سيستمهاي لغزشي غير قاعده منجر شده و قابليت تغيير شكل را افزايش ميدهد[9]، اما تاكنون هيچ يك از اين روشها به ايجاد امكان تغيير شكل اين فلز در دماهاي پايين منجر نشده است. در اين پژوهش نيز با استفاده از يك روش جديد SPD به نام اكستروژن برشي ساده (SSE) [10] تلاش گرديده تا قابليت تغيير شكل اين فلز در دماهاي پايينتر مورد بررسي قرار گيرد. در اين روش، قالب مورد استفاده، يك قالب اكستروژن مستقيم استكه با عبور از آن نمونه دچار تغيير شكل برشي شده و كرنش ميبيند. شكل1 نحوه ي تغيير شكل تدريجي مقطع نمونه در حين عبور از قالب را نشان مي دهد[10].
با توجه به اينكه در فرآيند مورد نظر بيشينهي زاويهي اعوجاج (α)، °45 در نظر گرفته شده؛ لذا، كرنش بدست آمده در هر پاس 15/1 خواهد بود و انتظار ميرود در عمل، بتوان با اعمال فشار معكوس مناسب به ميزان تئوري كرنش دست يافت. از آنجا كه در اين روش در مقايسه با ساير روشها، نرخ كرنش بسيار پايينتر است، امكان تغيير شكل فلزات سخت كار در دماهاي پايينتر فراهم ميشود. همچنين، در اين روش امكان اعمال فشار معكوس به كمك نمونههاي ديگر نيز وجود دارد.

مواد و روش پژوهش
در اين پژوهش، منيزيم خالص 9/99 درصد و آلياژ AZ91E كه يكي از پركاربردترين آلياژهاي ريختگي منيزيم است، بكار برده شده است. تركيب شيميايي اين آلياژ در جدول 1 آمده است.
نمونهها در ابعاد mm×10mm×10mm30 تهيه شدند و برخي از نمونههاي آلياژي به مدت 2 ساعت درc° 370 و 24 ساعت در c° 415 تحت عمليات حرارتي قرار گرفتند و سپس در آب، سرد شدند. اعمال كرنش با روش اكستروژن برشي ساده بر نمونههاي منيزيمي خالص، آلياژي ريختگي و آلياژي پس از عمليات حرارتي در دماي محيط با سرعت 1/0 mm/s انجام پذيرفت. بدين منظور، نمونهها، با استفاده از روانساز تفلون يك مرحله تحت تغيير شكل قرار گرفتند. افزون بر اين، بمنظور مقايسهي ماكروسكوپي وضعيت نمونهها، نمونههاي منيزيم خالص با روشهاي اكستروژن در كانالهاي هم مقطع زاويه دار، اكستروژن جانبي در دو كانال هم مقطع و تغيير شكل در كانالهاي زاويه دار نيز توليد شدند. همچنين، بمنظور بررسي ريزساختار نمونههاي آلياژي، سطح مربوطه از نمونههاي ياد شده پيش و در حين تغيير شكل، با روش SSE، به صورت آينهاي پاليش و به وسيلهي محلولهاي Picral و Acetic Glycol حكاكي شد و ريز ساختار نمونهها به وسيلهي ميكروسكوپ نوري و الكتروني عبوري بررسي گرديد.

نتايج و بحث
شكل 2 وضعيت نمونههاي منيزيم خالص توليد شده در دماي محيط با روشهاي گوناگون را نمايش ميدهد. همان گونه كه مشاهده ميشود، نمونههاي SSE داراي تركهاي بستهاند در حالي كه نمونههاي ساير روشها به گونهي كامل دچار جدايش و تخريب شدهاند و وضعيت نمونهي توليد شده با روش SSE به مراتب بهتر از نمونههاي ساير روشهاست. در مورد نمونههاي روشهاي DECLE ،ECAP[11] و CAD[12]، با توجه به اينكه تمامي كرنش در يك صفحه و در كسري از ثانيه اعمال ميشود، نرخ كرنش از روش SSE كه در آن همين ميزان كرنش به صورت تدريجي در طول كانال اكستروژن به نمونه اعمال ميشود، بالاتر است (شكل 3).
اين تفاوت در نرخ كرنش اعمالي ميتواند مزيت اين روش را نسبت به ساير روشهاي SPD در اعمال كرنش هاي بالا، بر مواد با ساختار HCP مانند منيزيم، در دماي محيط نشان دهد. افزون بر اين، با توجه به چگونگي طراحي قالب، همواره مقداري فشار معكوس بر نمونه اعمال ميشود كه ناشي از اثر اصطكاك ميان نمونه و كانال و همچنين، در اثر نيروي مقاومي است كه هر نمونه درون كانال بر نمونهي پشتي خود اعمال ميكند[13]. بنابراين، با توجه به نتايج بدست آمده در مقايسه با ساير روشها انتظار ميرود با تغييرات ريز ساختاري و ايجاد بافت در نمونههاي اوليه بتوان نمونههاي منيزيمي را به صورت موفقيت آميز و با حذف تركهاي بسته در دماي محيط توليد كرد. بررسي تغيير شكل نمونههاي آلياژي در شرايط ريختگي به روش SSE در دماي محيط نشان داد كه نمونهها در اين شرايط متلاشي و تخريب ميشوند (شكل 4). تخريب نمونهها در اين شرايط به علت وجود فاز ترد و پيوستهي 12Mg17Al ميباشد كه در بررسي ريز ساختاري اين نمونهها مشهود است (شكل 5- الف). بنابراين، سعي شد تا با انجام عمليات حرارتي، پيش از انجام فرآيند اين رسوبات در زمينه حل شوند كه اين مورد در مقايسهي ريز ساختار نمونهها پيش و پس از عمليات حرارتي به خوبي نشان داده شده است (شكل5).
در نتيجهي حذف فازهاي پيوسته، قابليت تغيير شكل منيزيم AZ91 به گونهي قابل ملاحظه اي افزايش مييابد[15] كه به موفقيت نسبي پروسهي SSE در مقايسه با ساير روشها در تغيير شكل منيزيم در دماي محيط منجر ميشود. در شكل 6 وضعيت نمونهي آلياژي عمليات شده در ميانهي فرآيند ارايه شده است. مقايسهي ضمني اين شكل با ساير نمونههاي خالص و عمليات نشده پس از تغيير شكل، حاكي از موفقيت آميز بودن نسبي انجام اين فرآيند در دماي محيط است. با اين وجود، بمنظور بررسي احتمال ايجاد ترك در حين فرآيند و در طي اعمال مقادير بالاتر كرنش كه ميتواند منجر به تخريب نمونه گردد، مطالعات ريز ساختاري انجام گرفت.
بدين منظور، ريز ساختار نمونه در ابتدا و ميانهي فرآيند بررسي و با يكديگر مقايسه شدند (شكل 7).
همان گونه كه در شكل 7 مشاهده ميشود، در ميانهي
فرآيند، اعمال كرنش منجر به ايجاد رسوبات 12Mg17Al از فاز زمينه شده كه در ابتداي فرآيند ب ه وسيلهي عمليات حرارتي به صورت اشباع در زمينه حل شده و مشاهده نميگردد. از آنجا كه اين رسوبات ترد بوده و گزارشهايي در مورد وقوع پديدهي شكست در راستاي اين رسوبات وجود دارد[16]، به وسيلهي ميكروسكوپ الكتروني روبشي بررسي دقيقتري صورت گرفت كه نتايج آن در ادامه آمدهاند.
در شكل 8 تصوير رسوبات در زمينه نشان داده شده است.
بررسي دقيق اين شكل نشان ميدهد كه مطابق انتظار، تركهاي ميكروني در امتداد اين رسوبات در حال شكل گيري هستند. بنابراين، هر چند اين روش در اعمال كرنش به منيزيم نسبت به ساير روشهاي SPD موفق بوده، ولي ممكن است در ادامه و در پاسهاي بعدي فرآيند كه مقادير بالاي كرنش اعمال ميشود، ايجاد رسوبات بيشتر به همراه حضور اين تركها منجر به تخريب نمونه گردد كه بررسي اين مورد و راهكارهاي احتمالي حل آن در حال بررسي است.
نتيجه گيري
در اين پژوهش امكان تغيير شكل منيزيم خالص و آلياژي در دماي محيط با كمك روش SSE بررسي شد و نتايج بدست آمده نشان داد كه اعمال تدريجي كرنش در اين فرآيند تأثير به سزايي بر قابليت تغيير شكل اين فلزات دارد. در نمونههاي خالص اعمال كرنش با ساير روشها منجر به جدايش كامل نمونهها گرديد؛ اين در حاليست كه اعمال تدريجي كرنش با روش SSE تنها تعدادي ترك كاملا بسته در نمونه ايجاد كرد. همچنين، در نمونههاي ريختگي وجود فاز ترد و پيوستهي 12Mg17Al منجر به تخريب كامل نمونه در فرآيند SSE گرديد. عمليات حرارتي قابليت تغيير شكل نمونهها را به گونهاي قابل توجه افزايش داد كه نتايج به رغم توليد دوبارهي رسوبات در اثر اعمال كرنش و ايجاد تركهاي ميكروني در امتداد آنها، بمنظور اعمال كرنش بر مواد با ساختار بلوري HCP در دماي محيط حاكي از موفقيت قابل توجه اين روش در مقايسه با ساير روشهاست.

منابع
C.W. Su., B.W. Chua., L. Lu., and M.O. Lai., “Properties of severe plastically deformed Mg alloys”, Materials Science and Engineering A, Vol.402, pp. 163–169, 2005.
K.U. Kainer., and F. Von Buch., “The Current State of Technology and Potential for further Development of Magnesium Applications”, Magnesium Alloys and Technology, Edited by K.U. Kainer, WILEYVCH, pp. 1-7, 2003.
K. Kubota., M. Mabuchi., and K. Higashi., “Processing and mechanical properties of finegrained magnesium alloys”, Material Science, Vol.34, pp. 2255 – 2262, 1999.
Q.D. Wang., Y.J. Chen., J.B. Lin., L.J. Zhang., and C.Q. Zhai., “Microstructure and properties of magnesium alloy processed by a new severe plastic deformation method”, Materials Letters, Vol.61, pp. 4599–4602, 2007.
-5 A. P. Zhilyaev, T. G. Langdon, “Using high-pressure torsion for metal processing: fundamentals and applications”, Progress in Materials Science, Vol.53, Issue 6, pp. 893-979, 2008.
R.Z. Valiev., and T.G. langdon., “Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement”, Progress in Materials Science, Vol.51, pp. 881–981, 2006.
R. Cetlin , Maria Teresa P. Aguilar, Roberto B. Figueiredo, Terence G. Langdon, “Avoiding cracks and inhomogeneities in billets processed by ECAP”, Material Science, 45, 2010, 4561–4570.
K. Matsubara., Y. Miyahara., Z. Horita., and T.G. Langdon., “Developing superplasticity in a magnesium alloy through a combination of
ن. پرديس، پايان نامه ي كارشناسي ارشد˛1388.
C.J. Luis-Pérez., R. Luri-Irigoyen., and D. Gastón-Ochoa., “Finite element modelling of an Al–Mn alloy by equal channel angular extrusion (ECAE) “, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 153-154, 2004, 846-852.
L. Cizek., M. Greger., L. Pawlica., L.A. Dbrzanski., and T. Tanski., “Study of selected properties of magnesium alloy AZ91 after heat treatment and forming”, Material Processing Technology, Vol.157-158, 2004, 466-471.
K. Mathis., J. Gubicza., and N.H. Nam., “Microstructure and mechanical behavior of AZ91 Mg alloy processed by equal channel angular pressing”, Alloy and Compound, Vol.394, 2005, 194-199.
extrusion and ECAP”, Acta Materialia, Vol.51, 2003, 3073–3084.
X.U. Cheng., and Kenong, Xia., Terence G. Longdon., “Processing of a magnesium by equal-channel angular pressing using backpressure”, Materials Science and Engineering A, Vol.527, pp. 205-211, 2009.
N. Pardis., and R. Ebrahimi., “Deformation behavior in Simple Shear Extrusion (SSE) as a new severe plastic deformation technique”, Materials Science and Engineering A, Vol.572, pp. 355-360, 2009.
-11 B. Talebanpour., R. Ebrahimi., and K. Janghorban., “Microstructural and mechanical properties of commercially pure aluminum subjected Dual Equal Channel Lateral Extrusion” , Materials Science and
Engineering A, Vol.527, pp.141-145, 2009.
-21 Dong Nyung Lee, “An upper-bound solution of channel angular deformation”, Scripta Materialia, Vol. 43, pp.115-118, 2000.
پيوستها

جدول 1- تركيب شيميايي آلياژ AZ91E.
Product name Element(weight percentage)
AZ91E Al Zn Mn Fe Be Si Cu Ni Mg
9/05 0/65 0/21 0/0021 0/00082 0/022 0/0020 0/00057 0/06251

شكل1- چگونگي تغييرشكل تدريجي مقطع نمونه در حين عبور از كانال اكستروژن[10].

الف

د

ج

ب

الف

د

ج

ب

شكل 2- مقايسهي نمونهي بدست آمده از اكستروژن برشي ساده با ساير روشها الف)DECLE، ب)ECAP، ج)CAD، د)SSE.



قیمت: تومان


پاسخ دهید