عنوان پایان‌نامه
مشخصه یابی نانو کامپوزیت های هیبریدی Al.Sic.Gr تولید شده به روش متالورژی پودر
- رشته تحصیلی
- مهندسی متالورژی و مواد
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1265;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73579;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1265;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73579
- تاریخ دفاع
- ۱۶ اسفند ۱۳۹۴
- دانشجو
- ساره مصلح شیرازی
- استاد راهنما
- فرشاد اخلاقی
- چکیده
- در این پژوهش، نانوکامپوزیت های هیبریدی Al-6061/SiC/Gr با زمینه نانوساختار و مقادیر مختلف نانوذرات SiC، میکروذرات SiC و گرافیت با روش متالورژی پودر (P/M) و با استفاده از آسیاکاری مکانیکی، پرس سرد و اکستروژن داغ تولید شدند. خواص مکانیکی و سایشی این کامپوزیت ها بررسی شد و در ضمن مقاومت به خوردگی و خوردگی سایشی این مواد در محلول NaCl 3% مورد بررسی قرار گرفت. در ابتدا، پودر نانوکامپوزیت Al-6061/SiC به وسیله آسیاکاری مکانیکی پودر آلومینیم با اندازه 63-73 میکرومتر و نانوذرات SiC با اندازه 25-50 نانومتر تحت محیط آرگون در آسیای ماهواره ای سنتز شدند. نتایج تفرق اشعه ایکس (XRD)، آنالیز اندازه ذرات به کمک اشعه لیزر (PSA) و میکروسکوپ های الکترونی روبشی(SEM) ، روبشی نشر میدانی (FESEM) و عبوری (TEM) نشان داد که 20 ساعت آسیاکاری، زمان بهینه آسیا برای محبوس شدن نانوذرات SiC درون پودر نانوساختار آلومینیم است. سپس، 0، 2، 5 و 7 درصد حجمی میکرو ذرات گرافیت (m? 63-53) به پودر نانوکامپوزیت Al/SiC آسیا شده به مدت 20 ساعت اضافه و به مدت 15 دقیقه تحت همان شرایط آسیاکاری شدند. مخلوط پودر تولیدی توسط یک قالب صلب فولادی با استفاده از دستگاه پرس 45 تنی تحت عملیات پرس سرد قرار گرفت و نمونه های استوانه ای با قطر mm 25 و ارتفاع mm 15 تولید شد. نتایج بررسی چگالی نمونه ها با استفاده از روش ارشمیدس نشان داد که تراکم پذیری پودرها با اضافه کردن SiC و Gr به ترتیب کاهش و افزایش می یابد. پودرهای پرس شده تحت عملیات اکستروژن داغ در دمای oC 500 با نسبت اکستروژن 1:11 قرار گرفتند و شمشال های کامپوزیتی با چگالی بیش از 99 درصد مقدار تئوری بدست آمد. نتایج XRD، SEM و TEM نشانگر توزیع یکنواخت نانوذرات SiC و میکروذرات گرافیت در زمینه نانوساختار آلومینیم بود. نتایج سختی سنجی نانوکامپوزیت های هیبریدی Al/SiC/Gr نشان داد که با افزایش درصد نانوذرات SiC و گرافیت سختی به ترتیب افزایش و کاهش یافته است. به منظور بررسی تعیین نقش زمینه و ذرات تقویت کننده در افزایش سختی کامپوزیت Al/SiC، نمونه هایی با میکروذرات SiC در زمینه نانوساختار Al و نمونه هایی با نانوذرات SiC در زمینه میکروساختار آلومینیم به روش P/M تولید شدند. نتایج نشان داد که نقش نانوساختار زمینه در افزایش سختی به مراتب بیشتر از نقش نانوذرات تقویت-کننده است. همان طور که انتظار می رفت، بیشترین سختی در نمونه کامپوزیتی با زمینه نانوساختار تقویت شده با نانوذرات SiC بدست آمد. همچنین اندازه گیری خواص برشی در دمای محیط نشان داد که با ریز کردن ساختار دانه و افزودن نانوذرات SiC افزایش قابل توجهی در تنش تسلیم برشی و تنش برشی نهایی آلیاژ Al-6061 بدست می آید. بررسی مکانیزم استحکام بخشی برشی نشان داد که استحکام بخشی هال-پچ را می توان به عنوان مکانیزم اصلی موثر بر استحکام بخشی کامپوزیت ها دانست. اگرچه، افزودن گرافیت موجب کاهش استحکام برشی در نانوکامپوزیت هیبریدی Al/SiC/Gr شده است. مقایسه نتایج شبیه-سازی دینامیک مولکولی با مدل های ویت، ریوس و هالپین- تسای نشان داد که رفتار الاستیک نانوکامپوزیت ها که از مدل دینامیک مولکولی منتج می شود به مدل ویت نزدیک تر است. در ضمن نتایج تجربی نیز تطابق خوبی با نتایج شبیه سازی دینامیک مولکولی نشان دادند. همچنین با افزایش درصد گرافیت تفاوت بین مقادیر شبیه سازی و نتایج تجربی افزایش یافته است. با افزایش درصد SiC، مقاومت به خوردگی نانوکامپوزیت هیبریدی Al/SiC/Gr در محلول 3% کلریدسدیم بهبود می یابد. با افزایش درصد نانوذرات SiC، تابع کار الکترون (EWF) نانوکامپوزیت افزایش و به دنبال آن پتانسیل خوردگی نیز افزایش می یابد. نتایج شبیه سازی نشان داد که الکترون های والانس در ناحیه فصل مشترک Al و SiC تجمع یافته، که منجر به افزایش EWF و همچنین مانع از مشارکت الکترون ها در واکنش های خوردگی می شود. همچنین زمینه نانوساختار نقش عمدهای در افزایش مقاومت به خوردگی کامپوزیت ها دارد. گرافیت به علت رسانا بودن موجب ایجاد سلول های گالوانیکی و در نتیجه کاهش مقاومت به خوردگی کامپوزیت های هیبریدی Al/SiC/Gr می شود. نتایج آزمون سایش خشک نشان داد که مقاومت به سایش با افزایش درصد SiC تا 3% حجمی به علت افزایش سختی افزایش می یابد. نرخ سایش و ضریب اصطکاک در آلومینیم نانوساختار به مراتب کمتر از نمونه میکروساختار است. با افزایش درصد گرافیت تا 2% حجمی، به علت خاصیت خودروانکاری گرافیت و عدم تماس فلز به فلز در حین سایش مقاومت به سایش افزایش می یابد. با افزایش گرافیت به بیش از 5% حجمی، مقاومت سایشی نانوکامپوزیت هیبریدی کاهش می یابد. مقادیر نرخ خوردگی سایشی در مقایسه با نرخ سایش خشک در تمامی نمونه ها کمتر بود. کاهش اندازه دانه، افزایش نانوذرات کاربیدسیلیسیم و گرافیت تا 2% حجمی موجب کاهش نرخ خوردگی می شود ولی با افزایش درصد گرافیت به بیش از 5% حجمی نرخ خوردگی سایشی افزایش می یابد. نتایج آزمون سایش فرسایشی نشان دادند که با کاهش اندازه دانه، افزایش درصد SiC و گرافیت تا 2% حجمی نانوکامپوزیت-های هیبریدی مقاومت به سایش فرسایشی بالایی دارند.
- Abstract
- In this study, Al-6061/SiC/graphite hybrid nanocomposites with a nanocrystalline matrix structure containing different amounts of respectively nano sized and micron sized SiC and graphite (Gr) particles were synthesized via Powder Metallurgy (P/M) method through mechanical milling, cold pressing and hot extrusion. Then theses composites were characterized for their mechanical and tribological properties as well as corrosion resistance and corrosive wear in 3% NaCl solution. At first, Al-6061/SiC nanocomposite powders were synthesized by mechanical milling of a mixture of micron sized (38-63 ?m) Al and nano sized (25-50 nm) SiC powders under an argon atmosphere using a planetary ball mill. The results of X-ray diffraction (XRD), laser particle size analysis (PSA), scanning electron microscopy (SEM), field emission electron microscopy (FESEM) and transmission electron microscopy (TEM) studies confirmed that the optimum milling time for obtaining nanocrystalline Al powders with embedded SiC nanoparticles was 20h. Secondly, 0, 2, 5 or 7 vol.% of micron-sized (53-63 ?m) Gr powders was added to 20h milled Al-SiC nanocomposite powder particles and milled for another 15 min under the same milling condition. The resultant powder mixtures were cold pressed in a rigid steel die using a 45t hydraulic press for making green cylindrical compacts having a diameter of 25 mm and height of 15 mm. The results of density measurements conducted on the green compacts by Archimedes method confirmed that the compressibility of powder mixtures was respectively decreased and increased by SiC and Gr particles addition. The powder compacts were hot extruded at 500 oC with an extrusion ration of 11:1 to obtain composite billets with more than 99% theoretical density. The results of XRD, SEM and TEM studies conducted on hybrid nanocomposite revealed that SiC and Gr particles were uniformly distributed in the nanostructured Al matrix. Hardness measurements showed that increasing the volume fraction of SiC and graphite, respectively, resulted in increase and decrease in hardness of Al/2SiC/Gr hybrid nanocomposites. To evaluate the contribution of the matrix grain size and the size of the SiC particles to the hardness of Al/SiC composites, samples with micron sized SiC particles distributed in a nanostructured Al matrix as well as those with a coarse grained Al matrix containing nano sized SiC were also prepared by P/M method. The results showed that although the decreased size of SiC particles increased the hardness of composites but the nanocrystalline matrix made a major contribution to the hardness of the Al/SiC composites. As was expected, the maximum hardness was achieved for Al/SiC samples with a nanostructured matrix containing nano sized SiC particles. Similarly, the results of shear punch tests at room temperature revealed significant higher shear yield stress and ultimate shear strength for nanostructured Al matrix composites as compared with their coarse grained counterparts. These observations confirmed that the Hall-petch mechanism was the major strengthening mechanism for these hybrid nanocomposites. However, Gr addition deteriorated the shear strength of Al/SiC/Gr hybrid nanocomposites. A comperasion between the results of elastic properties of nanocomposites obtained from molecular dynamics (MD) simulation and Voigt, Ruess and Halpin-Tsai models revealed a good agreement between MD and voigt results. In addition the experimental results showed a reasonable agreement with simulated MD results. However, the deviation between the results of simulation and experimental increased with increased graphite content in the nanocomposites. The increased SiC content improved the corrosion resistance of Al/SiC/Gr hybrid nanocomposites in 3% NaCl solution. Overall electron work function (EWF) of the Al-SiC nanocomposite increased, along with an increase in the corrosion potential. The simulation results revealed that valence electrons were localized in the region of Al-SiC interface, resulting in an increase in the overall work function and thus building a higher barrier to hinder electrons in the nanocomposite to participate in corrosion reactions. Again the nanocrystallite matrix contributed effectively to the corrosion resistance of these composites. The decreased corrosion resistance of Al/SiC/Gr hybrid nanocomposites with increased Gr content was attributed to the accelerated galvanic corrosion due to increased electrically conductive graphite particles acting as micro-cathodes. The results of dry sliding wear tests revealed the improved wear properties of composites by up to 3vol.% nano sized SiC particles addition attributable to increased hardness of composites. The wear rate and friction coefficient of a nanocrystalline Al was significantly lower than its coarse grained counterpart. Besides, the wear rate and friction coefficient of Al/SiC/Gr hybrid nanocomposites was lowered by up to 2 vol.% Gr addition due to formation of a solid lubricant on the tribo-surface that reduced metal-to-metal contact. However, the increased graphite content to 5 vol.% deteriorated the wear resistance of the Al/SiC/Gr hybrid nanocomposites. Despite the corrosion-wear synergy in a corrosive solution, the corrosive wear rate was significantly lower than dry sliding wear for the hybrid nanocomposites. Decreasing the grain size, increasing SiC content and up to 2 vol.% of Gr particles addition increased the corrosive wear resistance. Again further increase of Gr content to 5 vol.%, increased the corrosion rate of hybrid nanocomposites. Consequently the corrosive wear resistance of the materials was reduced. The results of erosive wear tests revealed that decreasing grain size and increasing SiC content together with up to 2 vol.% Gr particles results in superior erosive wear resistance of hybrid nanocomposites. Keywords: Al/SiC/Gr hybrid Nanocomposites; Powder Metallurgy; Mechanical Milling; Hot Extrusion; Shear Strength; Molecular Dynamic Simulation; Corrosion; Electron Work Function; Dry Sliding Wear; Corrosive Wear; Erosive Wear.
