بررسی اثر تغییر شکل پالستیک شدید بر ریزساختار خواص مکانیکی و هدایت الکتریکی آلیاژ آلومینیوم 7075

Transcript

1 73 مجله مواد نوين/ جلد 8 /شماره 2/ زمستان 1396 بررسی اثر تغییر شکل پالستیک شدید بر ریزساختار خواص مکانیکی و هدایت الکتریکی آلیاژ آلومینیوم * 2 1 علیرضا دشتی محمدحسین شاعری رضا تقی آبادی )تاريخ دريافت: 1395/11/04 ش.ص تاريخ پذيرش: 1396/02/11 ) چکیده هدف پژوهش حاضر بررسی خواص مکانیکی هدايت الکتريکی و ريزساختار آلیاژ آلومینیوم 7075 پرس شده بهوسیله فرآيندهای پرس در کانالهای همسان زاويهدار )( و فورج چندجهتی )( میباشد. در اين پژوهش آلیاژ 7075 در حالت عملیات حرارتی آنیل تحت 4 پاس فرآيند و 3 پاس فرآيند در دمای محیط قرار گرفت. خواص مکانیکی نمونهها با استفاده از آزمونهای سختی و پانچ برشی و ريزساختار نمونهها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری )TEM( بررسی شد. در ضمن هدايت الکتريکی نمونهها نیز به روش جريان گردابی اندازهگیری شد. نتايج اين پژوهش نشان میدهد 4 پاس فرآيند باعث افزايش قابل مالحظه خواص مکانیکی )حدود 2 برابر( و ريزدانه شدن تا اندازه دانه کمتر از 400 نانومتر میشود در ضمن اکثر دانهها پس از ديگر تاثیر فرآيند هممحور بوده و بخش عمده مرزهای دانه زاويه بزرگ میباشند. از طرف بر ريزدانهسازی و افزايش خواص مکانیکی کمتر از فرآيند بوده به طوریکه پس از 3 پاس خواص مکانیکی حدود 50 درصد افزايش يافته و اندازه دانه نمونهها به کمتر از 1000 نانومتر کاهش يافته است. در ضمن در فرآيند حین فرآيندهای کسر مرزهای بزرگ زاويه کمتر از فرآيند ريزدانه سازی بهوسیله فرآيندهای میباشد. نتايج بررسی هدايت الکتريکی نشان داد و هدايت الکتريکی آلیاژ 7075 به مقدار بسیار اندکی کاهش میيابد. لذا میتوان عنوان نمود قابل مالحظه هدايت الکتريکی افزايش داد. واژههای کليدی: فرآيندهای و و يکی از روشهايی است که میتوان بهوسیله آن استحکام را بدون کاهش آلیاژ Al خواص مکانیکی ريزساختار هدايت الکتريکی. - دانش آموخته کارشناسی ارشد بخش مهندسی مواد دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه بینالمللی امام خمینی )ره( قزوين 2 - استاديار بخش مهندسی مواد دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه بینالمللی امام خمینی )ره( قزوين - استاديار بخش مهندسی مواد دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه بینالمللی امام خمینی )ره( قزوين * - نويسنده مسئول مقاله: shaeri@eng.ikiu.ac.ir 1 3

2 بررسی اثر تغییر شکل پالستیک شديد بر ريزساختار خواص مکانیکی و هدايت الکتريکی آلیاژ آلومینیوم پیشگفتار فرآيند تغییر شکل پالستیک 1 شديد (SPD) قابلیت خود را به عنوان يک روش مناسب برای ايجاد ساختارهای بسیار ريزدانه در حد زيرمیکرون و نانو در فلزات و آلیاژها اثبات کرده است. اين روشها به صورت مستقیم مواد 2 حجیم درشت دانه را به مواد فوق ريزدانه )UFG( تبديل میکنند. روشهای SPD کرنش پالستیک قابل توجهی را در دمای اتاق يا دمای باال به نمونه وارد میکنند. تغییرات ساختاری که در اثر فرآيندهای SPD به وجود میآيند باعث تغییر در خواص فیزيکی )از قبیل خواص الکتريکی خواص مغناطیسی خواص و خستگی نوری( خواص مکانیکی )مانند استحکام سوپرپالستیسیته( و خواص مهندسی )شامل مقاومت به خوردگی( فلزات میشود. تغییرات ساختاری و افزايش کسر مرزهای دانه در فرآيندهای SPD باعث بهبود قابل مالحظه خواص مکانیکی مواد میشود اما معموال تاثیر قابل مالحظهای در افزايش هدايت الکتريکی مواد ندارند و در برخی از مواد نیز باعث کاهش اندک هدايت الکتريکی مواد میشوند. در بین روشهای تغییر شکل پالستیک 3 شديد فرآيندهای پرس در کانالهای زاويهدار همسان 4 )( و فورج چندجهتی )( از موثرترين و کاربردیترين روشها برای تولید قطعات حجیم با دانههای فوقالعاده ريز) UFG ( و خواص مکانیکی فوقالعاده میباشند.]6-1[ در فرآيند تغییر شکل پالستیک شديد به وسیله برش ساده با پرس مکرر قطعات در قالبی حاوی دو کانال با سطح مقطع يکسان که در زاويه قالب Φ و انحنای Ψ خارجی به هم متصل شدهاند اعمال میگردد. شکل 1 به صورت شماتیک نحوه انجام فرآيند میدهد. را نشان با توجه به اينکه ابعاد نمونه در حین فرآيند تغییر پیدا افزايش چگالی نمیکند ريزدانهسازی و همچنین نابجايیها حین فرآيند باعث افزايش قابل مالحظه استحکام فلزات و آلیاژها میشود. از مهمترين مزايای فرآيند قابلیت تولید مواد کامال چگال با اندازه مناسب برای کاربردهای صنعتی واقعی است فورج چندجهتی )( يکی از روشهای است SPD که شامل چند مرحله فورج آزاد است که همراه با تغییر محور اعمال نیرو است. شکل 2 به صورت شماتیک نحوه انجام اين فرآيند را مشخص میکند. ابعاد نمونه در اين فرآيند بدون تغییر باقی میماند. مزيت هزينه کم فرآيند است] 11-9 [. آلیاژهای عملیات حرارتیپذير گروه 7xxx بازده باال و از قبیل آلیاژ آلومینیم 7075 که نسبت استحکام به چگالی باال و چقرمگی شکست قابل قبولی دارند به طور گسترده در صنايع هوايی و هوافضا استفاده میشوند. استحکام باالی آلیاژهای عملیات حرارتیپذير آلومینیم بهوسیله استحکامبخشی محلول جامد و توزيع رسوبات ريز و پراکنده در ساختار ايجاد میشود. يک روش بسیار موثر در بهبود خواص آلیاژهای آلومینیم ريزدانهسازی بهوسیله فرآيندهای تغییر شکل پالستیک شديد از قبیل و میباشد. حین تغییرشکل پالستیک شديد آلیاژ 7075 ريزدانهسازی قابل مالحظهای به همراه استحکام بخشی حاصل از افزايش قابل توجه چگالی نابجايیها و همچنین تشکیل رسوبات ريز و پراکنده رخ میدهد. در ضمن فرآيندهای تغییرشکل پالستیک شديد میتوانند با اعمال تنشهای برشی زياد باعث خرد شدن رسوبهای موجود در ساختار و در نتیجه کاهش اندازه و تغییر مورفولوژی آنها شوند] [. در تحقیقات مختلف اثر فرآيندهای تغییرشکل پالستیک شديد از قبیل و بر روی فلزات و آلیاژهايی که شکلپذيری مناسبی دارند از قبیل آلومینیم مس نیکل و... به طور گسترده بررسی شده است اما انجام اين فرآيندها بر روی آلیاژهای با ساختار و يا آلیاژهای HCP پیرسخت شونده که شکلپذيری کمتری دارند با مشکالتی مواجه است و امکان ترک خوردن نمونهها حین فرآيند وجود دارد. با افزايش دمای فرآيند اعمال فشار پشتی در فرآيند و افزايش نرمی نمونهها با انجام عملیات حرارتی آنیل میتوان از ترک خوردن نمونهها جلوگیری کرد و احتمال ترک خوردن نمونهها حین فرآيند را کاهش داد. در پژوهشهای انجام شده تاکنون فرآيند آلیاژ 7075 بررسی نشده است لذا هدف اصلی پژوهش حاضر بررسی اثر فرآيند بر ريزساختار خواص مکانیکی )سختی و استحکام( و هدايت الکتريکی آلیاژ Al-7075 است. در ضمن به منظور مقايسه تاثیر اين فرآيند بر بهبود 1 - Severe plastic deformation 2 - Ultrafine-grained 3 - Equal channel angular pressing 4 - Multi-directional forging.]8-7[

3 75 مجله مواد نوين/ جلد 8 /شماره 2/ زمستان 1396 خواص مکانیکی و ريزدانه سازی با ساير فرآيندهای رايج SPD اثر فرآيند بر ريزساختار خواص مکانیکی )سختی و استحکام( و هدايت الکتريکی آلیاژ Al-7075 نیز بررسی شده است. مواد و روشها آلیاژ 7075 مورد نیاز برای فرآيندهای و به شکل میلگردهای اکسترود شده با قطر 20 میلیمتر از شرکت آلومینات تهیه شد. ترکیب شیمیايی آلیاژ آلومینیم 7075 مورد استفاده در اين پژوهش بهوسیله اسپکترومتر GNR Italy Metallab-7580J اندازهگیری و در جدول 1 نمايش داده شده است. برای فرآيند مکعبهايی با ابعاد میلیمتر و برای فرآيند میلههايی با قطر 12 میلیمتر و طول 100 میلیمتر بهوسیله ماشینکاری تهیه شدند. قبل از انجام فرآيند نمونهها به مدت 2 ساعت در دمای C 415 تحت عملیات حرارتی آنیل قرار گرفتند و سپس در داخل کوره با 20 سرعت درجه سانتیگراد بر ساعت سرد شدند. فرآيند به وسیله پرس 100 تن و سرعت پرس 1 mm/s در قالبی با = 90º و = 20º انجام شد )شکل 3(. کلیه نمونهها با استفاده از مسیر B C تحت 90( درجه چرخش پاسهای متوالی(. حاضر نیز در شکل قالب قرار گرفتند حول محور طولی هر نمونه بین 4 مورد استفاده در پژوهش نشان داده شده است. در فرآيند قطعات از کوچکترين بعد توسط دستگاه پرس هیدرولیک با ظرفیت 100 تن با نرخ کرنش ثابت تحت تغییر شکل قرار گرفتند s -1 شکل 1- شماتيک فرآیند ]9[ شکل 2- مراحل فرآیند فورج چند جهتی ]10[

4 بررسی اثر تغییر شکل پالستیک شديد بر ريزساختار خواص مکانیکی و هدايت الکتريکی آلیاژ آلومینیوم نسبت ابعاد قطعه بعد از انجام هرپاس فرآيند بدون تغییر باقی میماند. جهت انجام پاسهای متوالی فرآيند نمونهها بین هر پاس 90 درجه حول محور مطابق با Y شکل 2 چرخانده شدند. با توجه به اينکه تعداد پاس بهینه در فرآيند 3 است از اين رو 4 و در فرآيند نمونهها به ترتیب تا 4 و 3 پاس در دمای محیط تحت فرآيندهای فرآيندهای و و قرار گرفتند. پاسه یا بهینه در بهوسیله آزمونهای تجربی تعیین شدند. در فرآيند بیش از 4 و در فرآيند با افزايش تعداد پاسها به به بیش از 3 تقريبا تغییری در خواص مکانیکی نمونهها ديده نشد. همچنین در پاس چهارم فرآيند در فرآيندهای و ترکهايی در نمونهها مشاهده شد. لذا به ترتیب 3 و 4 پاس به عنوان پاسهای بهینه انتخاب شدند. همچنین با توجه به اهمیت پارامتر اصطکاک به عنوان عاملی موثر از روانکار پايه گرافیتی Moly Coat 1000 Paste استفاده شد. جدول 1- ترکيب شيميایی آلياژ آلومينيم 7075 مورد استفاده در پژوهش حاضر )درصد وزنی( Zn Mg Cu Ti Cr Fe Si Al باقیمانده 5 /7 2 / 65 1 / 50 0 / 20 0 / 21 0 / 09 0 / 07 شکل 3- قالب فوالدی مورد استفاده در پژوهش حاضر با زاویه انحنای داخلی Φ برابر 90 درجه و زاویه انحنای خارجی Ψ برابر 20 درجه شکل 4- قالب و سنبههای مورد استفاده در پژوهش حاضر )1. قالب 2. سنبه بزرگ 3. سنبه کوچک و 4. نمونه(

5 77 مجله مواد نوين/ جلد 8 /شماره 2/ زمستان 1396 پس از تولید نمونهها جهت بررسی خواص مکانیکی از آزمونهای پانچ برشی و میکروسختی استفاده شد. میکروسختی نمونهها با روش ويکرز در دمای محیط تحت بار اعمالی 500 گرم و زمان ساکن شدن ثانیه 15 اندازهگیری شد. آزمون میکروسختی نمونهها حداقل با 5 بار تکرار انجام شد و میانگین دادهها محاسبه گرديد. پانچ برشی آزمون در دمای محیط با استفاده از دستگاه Zwick/Roell Z100 Universal Tester s -1 با نرخ کرنش اولیه انجام شد. جهت تهیه نمونهها برای آزمون پانچ برشی ابتدا ورقهای نازکی با ضخامت 0/8 میلیمتر عمود بر جهت طولی نمونهها بريده شد سپس ضخامت اين ورقها با سنباده زنی به حدود 0/7 میلیمتر کاهش پیدا کرد. اين ورقها پس از سنباده زنی مطابق با شکل 5 در قالب پانچ برشی با قطر پانچ میلیمتر 6/2 و قطر سوراخ 6/25 میلیمتر قرار داده شدند. از هیچگونه روانکاری بین ورق و قالب استفاده نشد. میزان نیروی اعمالی بر حسب جابجايی پانج اندازهگیری شد و تنش برشی بر حسب مگا پاسکال با استفاده از رابطه زير اندازهگیری شد] 14 [: که τ= P πdt )1( P نیروی پانچ بر حسب نیوتن حسب میلیمتر و t d ضخامت نمونه بر میانگین قطر پانچ و قالب بر حسب میلیمتر است. منحنیهای آزمون پانچ برشی با رسم تنش برشی بر حسب جابجايی نرمال به دست آمدند. جابجايی نرمال نیز از رابطه زير بهدست میآيد] 14 [: که d = h t )2( جابجايی نرمال و d h جابجايی پانچ برحسب میلیمتر میباشد. شايان ذکر است که آزمون برای هر حالت 3 بار تکرار شد و اختالف در نتايج استحکام تسلیم و استحکام نهايی برشی اندازهگیری شده کمتر از 5 درصد بود. برای اندازهگیری هدايت الکتريکی نمونهها دستگاه SIGMOR 100 Conductivity Meter که به روش جريان گردابی هدايت الکتريکی را مطابق با استاندارد 1004 E اندازهگیری میکند مورد استفاده قرار گرفت. نتايج هدايت الکتريکی بر اساس درصدی از هدايت الکتريکی مس آنیل شده استاندارد IACS( %( اندازهگیری شد. اندازهگیری هدايت در دمای محیط و با 3 بار تکرار برای هر حالت انجام گرفت. بررسی ريزساختار با استفاده از میکروسکوپ الکترونی 8 عبوری )TEM( JEOL JEM 3010 در ولتاژ شتاب دهنده 300kV انجام شد. به منظور آمادهسازی نمونهها ابتدا ديسکهايی با قطر کمتر از 0/5 میلیمتر از سطح مقطع نمونهها تهیه شد و سپس ضخامت ديسکها با سنبادهزنی به حدود 15 میکرومتر کاهش يافت. ديسکهايی با قطر 3 میلیمتر بهوسیله پانچ از فويل با ضخامت میکرومتر 15 تهیه و در نهايت بهوسیله جت دوطرفه در ولتاژ 15 ولت و 30 محلول در C 25- دمای درصد اسید نیتريک و 70 درصد متانول تا زمان ايجاد سوراخ در ديسک الکتروپولیش شد. پراش در سطح منتخب )SAED( نمونهها نیز از سطحی با ريزساختار تقريبا همگن و قطر 2 میکرومتر انجام شد. نتایج و بحث بررسی ریزساحتار در شکل 6 )الف( تصوير میکروسکوپ نوری آلیاژ اولیه در حالت آنیل نشان داده شده است. برای حکاکی اين نمونه از محلول اچ رنگی 4gr KMnO4, 1gr ( Weck )NaOH, 100ml distilled water استفاده شد. همانگونه که در اين تصوير و تصوير پراش الکترونی از الکترونهای برگشتی )EBSD( ارائه شده در مقاله قبلی نويسندگان پژوهش حاضر] 15 [ مشخص است ريزساختار ماده اولیه حاوی دانههايی با اندازه 10 تا 80 میکرومتر است. در ضمن دانههای کوچکی با اندازه کمتر از 5 ريزساختار قابل مشاهده است. میانگین اندازه اولیه آنیل حدود 40 TEM 7075 میکرومتر نیز در دانه آلیاژ میکرومتر اندازهگیری شد. تصوير و الگوی پراش در سطح منتخب )SAED( آلیاژ اولیه در حالت آنیل نیز در شکل نمايش داده شده است. با توجه به نمونههای اولیه بسیار بزرگ )ب( و )ج( 6 اينکه اندازه دانه بود )مشاهدات میکروسکوپ نوری نشان داد که میانگین اندازه دانه حدود 40 میکرومتر است( امکان تهیه تصويری که توزيع کلی دانهها را ارائه دهد با دستگاه TEM امکان پذير نیست. شکل 6 )ب( از قسمتی از نمونه که حاوی ريزدانهها است انتخاب شد. همانگونه که در اين تصوير ديده میشود دانههای کوچکی 8 - Transmission electron microscopy

6 بررسی اثر تغییر شکل پالستیک شديد بر ريزساختار خواص مکانیکی و هدايت الکتريکی آلیاژ آلومینیوم با اندازه بین 1 تا 5 میکرومتر در ريزساختار وجود دارد. شکل 5- شماتيک قالب پانچ برشی مورد استفاده در پژوهش حاضر )الف( )ب( )ج( شکل 6- )الف( تصویر ميکروسکوپ نوری )ب( تصویر TEM و )ج( الگوی پراش از سطح منتخب )SAED( آلياژ آلومينوم 7075 اوليه در حالت عمليات حرارتی آنيل

7 ه) 79 مجله مواد نوين/ جلد 8 /شماره 2/ زمستان 1396 آنالیز TEM نمونههای آنیل 3 پاس 7 در شکل و 4 پاس شده در دماهای مختلف در دو بزرگنمايی متفاوت نمايش داده شده است. بررسی دقیق ريزساختار نمونهها در محدوده نشان میدهد که دانه نمونههای اندازه وسیعی از سطح نمونه چهار پاس حدود نانومتر و نمونه 3 پاس تا شده شده حدود نانومتر است. الزم به ذکر است اندازه متوسط دانهها با اندازهگیری حداقل 50 دانه اصلی و 1 با ضريب اطمینان 95 درصد به کمک روش تقاطع 2 خطی انجام گرديد. در ضمن حداقل از 10 تصوير مختلف در بزرگنمايیهای متفاوت برای بررسی ريزساختار استفاده شد. با توجه به اين تصاوير میتوان نتیجه گرفت فرآيند فرآيند فرآيند موثرتری برای ريزدانهسازی در مقايسه با است. مقايسه شکلهای 6 )ب( و 7 )ب( و ) مشخص میکند که مرزهای دانه در نمونه اولیه تقريبا مستقیم ولی در نمونههای SPD شده به خصوص در نمونه شده دانهها ديده موجی شکل دانهها هستند که با هستند و ناهمواریهايی در میشود که در واقع نابجايیهای موجود در چینهای مرزدانهای تلفیق شدهاند. علت مستقیم نبودن مرزهای دانه در تصاوير نمونههای TEM و شده وجود تنشهای داخلی بسیار زياد )ناشی از تغییر شکل شديد( و حضور اعوجاج االستیک شبکه کريستالی است] 16 [. همچنین واضح است که دانههای نمونههای پرس شده در فرآيند هممحور بوده تقريبا و ريزساختار همگن میباشد در حالیکه دانههای نمونههای پرس شده در فرآيند کشیده شدن دارند غیريکنواخت کرنش ناهمگن است. پاس الگوی SAED و 3 پاس تمايل به و ريزساختار به دلیل توزيع و تصوير TEM مربوط به نمونههای 4 شده در شکل 7 نمايش داده شده است. وجود حلقههای پراش در الگوی نشان نمونه میدهد که اين SAED اکثر مرزهای دانه زاويه بزرگ هستند. اگرچه پیوستگی بیشتر و وضوح باالتر حلقههای پراش در نمونه شده در مقايسه با نمونه شده آشکار میسازد که اندازه دانه نمونه در فرآيند بیشتر کاهش يافته و کسر مرزهای دانه زاويه بزرگ در نمونههای شده بیشتر است] [. حضور کرنشهای برشی به عنوان عامل اصلی ريزدانگی در فرآيندهای SPD توسط بسیاری از محققین گزارش شده است. نتايج ارائه شده در اين پژوهش نیز مبین نقش موثر کرنش برشی در ريزدانگی محصوالت فرآيندهای و است. به طور کلی میتوان عنوان کرد مکانیزم تقسیم دانهها عامل اصلی ريزدانگی حین فرآيند و نمونهها در پژوهش حاضر اين است. مکانیزم بر اساس افزايش قابل مالحظه چگالی نابجايیها در اثر کرنشهای برشی شديد ايجاد شده در میباشد. در اثر کارسرد در فرآيندهای SPD فرآيند نابجايیهای زيادی در ساختار بهوجود آمده و تجمع اين نابجايیها 3 میتواند منجر به تشکیل مرزهای تصادفی )IDBs( و يا 4 مرزهای هندسی )GNBs( شود. IBDs در اثر به دام افتادن يا قفل شدن نابجايیهای در حال حرکت بهطور اتفاقی پديد میآيند و GNBs بهواسطه فعال شدن سیستمهای لغزشی متفاوت و يا اختالف در کرنشهای موضعی در نواحی مختلف دانهها ايجاد میشوند. قسمتهايی که با مرزهای هندسی و مرزهای تصادفی 6 5 احاطه شدهاند بهترتیب بلوکهای سلولی و سلولها را تشکیل میدهند. با ادامه کارسرد و افزايش کرنش زاويه 7 عدم انطباق هر دو نوع مرز ذکر شده افزايش يافته و 8 مرزهای کوچک زاويه میشوند. سرعت افزايش زاويه عدم 9 و يا مرزهای فرعی در انطباق تشکیل GNBs بیشتر از IDBs است. از اين رو با افزايش کرنش GNBs 10 به مرزهای بزرگ زاويه تبديل میشوند. زاويه عدم انطباق حالیکه IDBs GNBs.]24-21[ معموال کوچک است )کمتر از 3 درجه( در همانگونه از مرزهای بزرگ زاويه تشکیل شدهاند که عنوان شد عامل اصلی ريزدانهسازی در فرآيندهای کرنشهای برشی و هستند. با توجه به اينکه کرنش اعمال شده به نمونهها در هر پاس فرآيند و و 1 فرآيند 0/5 در فرآيند است] [ در پژوهش حاضر حدود لذا میتوان دلیل موثرتر بودن در ريزدانهسازی را به کرنش اعمالی بیشتر نسبت داد. 3 - incidental dislocation boundaries 4 - geometrically dislocation boundaries 5 - Cell blocks 6 - Cells 7 -Misorientation angle 8 - Low angle boundary 9 -Sub-grain 10 - High angle boundaries 1 - Confidence index 2 - Linear intercept method

8 بررسی اثر تغییر شکل پالستیک شديد بر ريزساختار خواص مکانیکی و هدايت الکتريکی آلیاژ آلومینیوم )الف( )ب( )ج( )د( )ه( )و( شکل 7- تصاویر TEM در دو بزرگنمایی مختلف به همراه الگوی پراش از سطح منتخب )SAED( آلياژ آلومينيوم 7075 )الف( )ب( و )ه( نمونه 3 پاس شده و )ج( )د( و )و( نمونه 4 پاس شده

9 میکروسختی )HV( 81 مجله مواد نوين/ جلد 8 /شماره 2/ زمستان 1396 ادامه پیدا میکند. نقطه انحراف که با رسم يک تانژانت از قسمت خطی منحنی بهدست میآيد به عنوان استحکام تسلیم برشی )SYS( و تنش حداکثر نیز به عنوان استحکام نهايی برشی )USS( درنظر گرفته میشود. مقادير استحکام تسلیم و استحکام نهايی برشی نمونهها در جدول 2 ارائه شدهاند. استحکام تسلیم نمونهها پس از 4 پاس بررسی خواص مکانیکی در شکل 8 تغییرات سختی نمونههای و شده با افزايش تعداد پاسهای فرآيند نشان داده شده است. همانگونه که در اين نمودار مشخص است با افزايش تعداد پاسهای فرآيند افزايش قابل مالحظهای در سختی نمونهها مشاهده میشود و در ضمن در تمام نمونهها میزان افزايش سختی در پاس اول بسیار بیشتر از پاسهای بعدی است. افزايش سختی در پاس اول در نمونه شده حدود 85 درصد و در پاس اول حدود 50 درصد میباشد. درحالیکه افزايش سختی در مجموع پاسهای بعدی فرآيندهای به ترتیب و حدود 20 و 10 درصد است. در ضمن سختی نمونههای شده حدود 25 درصد بیشتر از نمونههای شده میباشد. به منظور بررسی اثر فرآيندهای بر و استحکام آلیاژ 7075 تغییرات تنش برشی بر حسب جابجايی نرمال نمونه اولیه و نمونههای 3 پاس پاس و 4 شده در شکل 9 رسم شده است. همانگونه که مشخص است مشابه با منحنی تنش- کرنش کششی در نمودارهای پانچ برشی نیز بعد از رفتار االستیک منحنی از حالت خطی خارج میشود و تا تنش حداکثر حدود 100 درصد افزايش يافت. اين در حالیست که استحکام کششی تنها حدود 55 درصد افزايش داشت. در ضمن 3 پاس فرآيند باعث به ترتیب حدود 55 و 30 درصد افزايش در استحکام تسلیم و استحکام نهايی میشود. لذا میتوان عنوان کرد که تاثیر اين فرآيندها در افزايش استحکام تسلیم بهطور قابل مالحظهای بیشتر از تاثیر آنها در افزايش استحکام کششی است. همچنین تاثیر فرآيند توجهی بیشتر از تاثیر فرآيند در افزايش استحکام بهطور قابل است که دلیل اين مسئله اعمال کرنش بیشتر و در نتیجه آن کار سختی و ريزدانه سازی بیشتر در فرآيند فرآيند در مقايسه با است. به طور کلی مقايسه نتايج سختی و آزمون پانچ برشی نشان میدهد انطباق خوبی بین اين نتايج وجود دارد تعداد پاس شکل 8- تغييرات سختی نمونههای و شده با افزایش تعداد پاسهای فرآیند

10 تنش برشی بررسی اثر تغییر شکل پالستیک شديد بر ريزساختار خواص مکانیکی و هدايت الکتريکی آلیاژ آلومینیوم نمونه اولیه نمونه 3 پاس شده نمونه 4 پاس شده 0 0/2 0/4 0/6 0/8 جابجايی نرمال شکل 9- منحنی تنش برشی برحسب کرنش نرمال نمونه اوليه و نمونههای 3 پاس و 4 پاس شده جدول 2- استحکام تسليم برشی استحکام کششی برشی ميکروسختی و اندازه دانه نمونه اوليه و نمونههای 3 پاس نمونه اولیه نمونه 3 پاس شده نمونه 4 پاس شده استحکام تسلیم برشی )MPa( و 4 پاس شده استحکام کششی برشی )MPa( میکروسختی )HV( اندازه دانه )μm( 40 0/95 0/ در آلیاژهای فوق ريزدانه مکانیزم افزايش چگالی نابجايیها يا کارسختی بهصورت برهمکنش بین نابجايیها در داخل دانههای زمینه و مکانیزم استحکام دهی ناشی از مرزدانه به صورت برهمکنش بین نابجايیها و مرزهای دانه مکانیزمهای اصلی استحکام بخشی محسوب میشوند. افزايش استحکام آلیاژ 7075 حین فرآيندهای و در پژوهش حاضر نیز ناشی از استحکام بخشی ناشی از افزايش مرزهای دانه و چگالی نابجايیها است که در ادامه به تشريح اين مکانیزمها پرداخته میشود. يکی از مکانیزمهای پايهای استحکامبخشی در سیستمهای فلزی استحکامبخشی بهوسیله نابجايیهاست. فرآيندهای تغییر شکل پالستیک شديد باعث افزايش قابل مالحظه چگالی نابجايیها شده در نتیجه بهدلیل افزايش برخورد نابجايیهای متحرک با يکديگر حرکت نابجايیها محدود شده و استحکام افزايش میيابد. در اغلب پژوهشهای انجام شده در زمینه تغییر شکل پالستیک شديد افزايش استحکام تسلیم ناشی از افزايش چگالی نابجايیها حین تغییر شکل بر اساس مدل تیلور بهصورت زير محاسبه میشود ]29-27[: d = M Gbρ 1 2 )3( که در رابطه فوق چگالی نابجايیها فاکتور تیلور )برای فلزات پلیکريستال يک ثابت M 3 حدود FCC میباشد( G مدول برشی و b طول بردار برگرز میباشد. مکانیزم ديگر استحکام بخشی در فلزات استحکام بخشی ناشی از مرزدانههاست. با توجه به اينکه در فرآيندهای SPD مواد فوق ريزدانه با چگالی باالی مرزدانه

11 83 مجله مواد نوين/ جلد 8 /شماره 2/ زمستان 1396 تولید میشود اين مکانیزم دارای اهمیت زيادی است. افزايش چگالی مرزهای دانه باعث افزايش برخورد نابجايیها با مرزها شده و حرکت نابجايیها را محدود میکند و در نتیجه آن استحکام افزايش میيابد. استحکام مواد پلی کريستال با توجه به رابطه هال- پچ به اندازه دانه مرتبط میشود: σ y = 0 + kd 1/2 k )4( که در رابطه فوق ثابت هال- پچ شبکه )بهصورت تنش پیرلز- نابارو( 0 y d تنش اصطکاکی استحکام تسلیم و اندازه دانه میباشد. نتايج بسیاری از پژوهشهای انجام شده نشان دادهاند که رابطه هال- چپ برای فلزات تغییر شکل پالستیک شديد يافته که دارای دانههای فوق ريز )در محدوده 1 میکرومتر تا 100 نانومتر( هستند معتبر میباشد ]36-30[. بررسی هدایت الکتریکی نمودار شکل 10 تاثیر فرآيندهای را بر و هدايت الکتريکی آلیاژ 7075 نشان میدهد. همانگونه که در شکل مشخص است هدايت الکتريکی در پاس اول هر دو فرآيند به دلیل ايجاد چگالی باالی نابجايیها و تشکیل مرزهای کوچک زاويه حدود 10 درصد کاهش پیدا میکند. اين در حالیست که در پاسهای بعدی هدايت الکتريکی اندکی افزايش میيابد. در ضمن اثر فرآيند از فرآيند در کاهش هدايت الکتريکی به مقدار کمی بیشتر است. در پاسهای اول چگالی نابجايیها بهطور قابل توجهی افزايش يافته و مقدار زيادی مرزهای کوچک زاويه تشکیل میشود و در نتیجه آن مسیر آزاد حرکت الکترونها کوتاهتر شده و هدايت الکتريکی کاهش میيابد. با افزايش تعداد پاس نابهجايیها به مرزهای کوچک زاويه ملحق شده و مرزهای کوچک زاويه به مرزهای بزرگ زاويه تبديل میشوند و در نتیجه چگالی نابجايیها کاهش میيابد] 20 [. کاهش چگالی نابجايیها باعث میشود مسیر آزاد حرکت الکترونها طوالنیتر شده و هدايت الکتريکی اندکی افزايش يابد. لذا میتوان افزايش اندک هدايت الکتريکی با افزايش تعداد پاس را به کاهش چگالی نابجايیها ناشی از تبديل مرزهای کوچک زاويه به مرزهای بزرگ زاويه و همچنین بازيابی دينامیکی در پاسهای باالتر نسبت داد] [. هدايت الکتريکی در مواد فلزی وابستگی زيادی به ريزساختار دارد و عیوب ساختاری و شبکه مانند جاهای خالی نابجايیها مرزهای دانه ناخالصیها و غیره که باعث پخش الکترونها میشوند تاثیر زيادی بر هدايت الکتريکی دارند. لذا معموال افزايش استحکام در مواد فلزی منجر به کاهش هدايت الکتريکی میشود. به عنوان مثال آلومینیوم خالص هدايت الکتريکی باال و استحکام پايین دارد اما افزايش استحکام آلومینیوم با افزودن عناصر آلیاژی کارسختی و رسوب سختی به دلیل افزايش پخش الکترونها منجر به کاهش قابل توجه هدايت الکتريکی میشود. ريزدانهسازی از روشهايی است که میتوان به کمک آن استحکام را بدون کاهش قابل مالحظه هدايت الکتريکی افزايش داد. اين موضوع در پژوهشهايی که طی سالیان اخیر بر روی مس و آلومینیوم صورت گرفته اثبات شده است. در پژوهش حاضر نیز فرآيندهای و باعث افزايش قابل مالحظه خواص مکانیکی آلیاژ 7075 شده در حالیکه کاهش هدايت الکتريکی اين آلیاژ حین اين فرآيندها بسیار اندک است] [. نتیجهگیری نتايج حاصل از پژوهش حاضر در زمینه بررسی اثر فرآيندهای تغییر شکل پالستیک شديد و بر ريزساختار خواص مکانیکی و هدايت الکتريکی آلیاژ آلومینیوم 7075 را میتوان به صورت زير خالصه نمود: 1- نتايج بررسی ريزساختار نشان داد که فرآيندهای و باعث کاهش قابل توجه اندازه دانه آلیاژ 7075 میشود به گونهایکه اندازه دانه نمونهها پس از 4 پاس به کمتر از 400 نانومتر و پس از 3 پاس به کمتر از 1000 نانومتر کاهش میيابد. فرآيند فرآيند موثرتری برای ريزدانهسازی در مقايسه با فرآيند میباشد در ضمن در فرآيند مرزهای بزرگزاويه کمتر از فرآيند -2 فرآيندهای و است. کسر باعث افزايش قابل مالحظه خواص مکانیکی )استحکام و سختی( آلیاژ 7075 میشود. استحکام تسلیم و سختی نمونهها پس از 4 پاس 3 پاس و به ترتیب حدود 100 و 50 درصد افزايش میيابد. لذا میتوان عنوان کرد تاثیر فرآيند در بهبود خواص مکانیکی بهطور قابل توجهی بیشتر از تاثیر

12 هدايت الکتريکی )IACS%( بررسی اثر تغییر شکل پالستیک شديد بر ريزساختار خواص مکانیکی و هدايت الکتريکی آلیاژ آلومینیوم فرآيند است. 3- نتايج بررسی هدايت الکتريکی نشان داد علیرغم افزايش قابل مالحظه خواص مکانیکی حین فرآيندهای و هدايت الکتريکی آلیاژ 7075 به مقدار بسیار اندکی کاهش میيابد. لذا میتوان ريزدانه سازی بهوسیله فرآيندهای و را روشهايی مناسب برای افزايش استحکام بدون کاهش قابل مالحظه هدايت الکتريکی دانست تعداد پاس شکل 10- تغييرات هدایت الکتریکی نمونههای و شده با افزایش تعداد پاسهای فرآیند References: 1- R.Z. Valiev, T.G. Langdon, Principles of Equal-Channel Angular Pressing as a Processing Tool for Grain Refinement, Progress in Materials Science, Vol. 51, pp , ز. عباسی و ر. ابراهیمی مطالعه تبلورمجدد استاتیکی مس پس از تغییرشکل پالستیک شديد نشريه مواد نوين جلد 5 شماره 2 ص زمستان R.Z. Valiev, R.K. Islamgaliev, I.V. Alexandrov, Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation, Progress in Materials Science, Vol. 45, pp , A. Vinogradov, V. Patlan, Y. Suzuki, K. Kitagawa, V.I. Kopylov, Structure and properties of ultra-fine grain Cu Cr Zr alloy produced by equal-channel angular pressing, Acta Materialia, Vol. 50, pp , E. Cerri, P. Leo, Influence of severe plastic deformation on aging of Al Mg Si alloys, Materials Science and Engineering A, Vol , pp , Y.G. Ko, S.N. Byung, U. Lee, D.H. Shin, Mechanical and electrical responses of nanostructured Cu 3 wt%ag alloy fabricated by and cold rolling, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 504, pp , C. Xu,, T.G. Langdon, Influence of a round corner die on flow homogeneity in ECA pressing, Scripta Materialia, Vol. 48, pp. 1-4, C. Xu, T.G. Langdon, The development of hardness homogeneity in aluminum and an aluminum alloy processed by, Journal of Materials Science, Vol. 42, pp , P.N. Rao, D. Singh, R. Jayaganthan. Mechanical Properties and Microstructural Evolution of Al 6061 alloy processed by Multi Directional Forging at Liquid nitrogen temperature, Materials and Design, Vol. 56, pp , O. Sitdikov, T. Sakai, A. Goloborodko, H. Miura, R. Kaibyshev, Effect of Pass Strain on Grain Refinement in 7475 Al Alloy during Hot Multidirectional Forging, Materials Transactions, Vol. 45, pp , 2004.

13 85 مجله مواد نوين/ جلد 8 /شماره 2/ زمستان س. خانی مقانکی و م. کاظمینژاد تاثیر تغییر شکل پالستیک آلومینیوم آلیاژ طبیعی پیری رفتار روی شديد 2024 نشريه مواد نوين جلد 6 شماره 3 ص بهار K. Stiller, P.J. Warren, V. Hansen, J. Angenete, J. Gjonnes, Investigation of precipitation in an Al Zn Mg alloy after two-step ageing treatment at 100 and 150 C, Materials Science & Engineering A, Vol. 270, pp , K.S. Ghosh, N. Gao, M.J. Starink, Characterisation of high pressure torsion processed 7150 Al-Zn-Mg-Cu alloy, Materials Science & Engineering A, Vol. 552, pp , F. Akbaripanah, F. Fereshteh-Saniee, R. Mahmudi, H.K. Kim, Microstructural homogeneity, texture, tensile and shear behavior of AM60 magnesium alloy produced by extrusion and equal channel angular pressing, Materials and Design Vol. 43, pp , M.H. Shaeri, M. Shaeri, M.T. Salehi, S.H. Seyyedein, F. Djavanroodi, Microstructure and texture evolution of Al-7075 alloy processed by equal channel angular pressing, Transaction Nonferrous Metal Society of China, Vol. 25, pp , M. Vaseghi, A. Karimi Taheri, S.I. Hong, H.S. Kim, Dynamic ageing and the mechanical response of Al-Mg-Si alloy through equal channel angular pressing, Materials and Design, Vol. 31, pp , P.W.J. Mckenzie, R. Lapovok, Y. Estrin, The influence of back pressure on processed AA 6016: Modeling and experiment, Acta Materialia, Vol. 55, pp , C.M. Cepeda-Jiménez, J.M. García-Infanta, O.A. Ruano, F. Carreño, High strain rate superplasticity at intermediate temperatures of the Al 7075 alloy severely processed by equal channel angular pressing, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 509, pp , K. Nakashima, Z. Horita, M. Nemoto, T.G. Langdon, Influence of channel angle on the development of ultrafine grains in equal-channel angular pressing, Acta Materialia, Vol. 46, pp , M.H. Shaeri, M.T. Salehi, S.H. Seyyedein, M.R. Abutalebi, J.K. Park, Microstructure and mechanical properties of Al-7075 alloy processed by equal channel angular pressing combined with aging treatment, Materials and Design, Vol. 57, pp , B. Tolaminejad, K. Dehghani, Microstructural characterization and mechanical properties of nanostructured AA1070 aluminum after equal channel angular extrusion, Materials and Design, Vol. 34, pp , M. Reihanian, R. Ebrahimi, M.M. Moshksar, D. Terada, N. Tsuji, Microstructure quantification and correlation with flow stress of ultrafine grained commercially pure Al fabricated by equal channel angular pressing (), Materials Characterization, Vol. 59, pp , W.Q. Cao, A. Godfrey, Q. Liu, EBSP investigation of microstructure and texture evolution during equal channel angular pressing of aluminium, Materials Science and Engineering A, Vol. 361, pp. 9 14, W. Skrotzki, N. Scheerbaum, C.G. Oertel, R. Arruffat-Massion, S. Suwas, L.S. Toth, Microstructure and texture gradient in copper deformed by equal channel angular pressing, Acta Materialia, Vol. 55, pp , M.H. Shaeri, M. Shaeri, M. Ebrahimi, M.T. Salehi, S. H Seyyedein, Effect of temperature on microstructure and mechanical properties of Al Zn Mg Cu alloy, Progress in Natural Science: Materials International, Vol. 26, pp , J. Kavosi, M. Saei, M. Kazeminezhad, A. Dodangeh, Modeling of dislocation density and strength on rheoforged A356 alloy during multidirectional forging, Computational Materials Science, Vol. 81, pp , J. Gubicza, I. Schiller, N.Q. Chinh, J. Illy, Z. Horita, T.G. Langdon, The effect of severe plastic deformation on precipitation in supersaturated Al Zn Mg alloys, Materials Science & Engineering A, Vol , pp , S. Dadbakhsh, A. Karimi Taheri, C.W. Smith, Strengthening study on 6082 Al alloy after combination of aging treatment and process, Materials Science & Engineering A, Vol. 527, pp , N.Q. Chinh, J. Gubicza, T.G. Langdon Characteristics of face-centered cubic metals processed by equal-channel angular pressing, Journal of Materials Science, Vol. 42, pp , Y.H. Zhao, X.Z. Liao, Z. Jin, R.Z. Valiev, Y.T. Zhu, Microstructures and mechanical properties of ultrafine grained 7075 Al alloy processed by and their evolutions during annealing, Acta Materialia, Vol. 52, pp , Z. Horita, T. Fujinami, M. Nemoto, T.G. Langdon, Equal-channel angular pressing of commercial aluminum alloys: grain refinement,

14 بررسی اثر تغییر شکل پالستیک شديد بر ريزساختار خواص مکانیکی و هدايت الکتريکی آلیاژ آلومینیوم thermal stability and tensile properties, Metallurgical and Materials Transaction A, Vol. 31, pp , W. Yan, X. Liu, J. Huang, L. Chen, Strength and ductility in ultrafine-grained wrought aluminum alloys, Materials and Design, Vol. 49, pp , K. Venkateswarlu, M. Ghosh, A. Ray, C. Xu, T.G. Langdon, On the feasibility of using a continuous processing technique incorporating a limited strain imposed by, Materials Science & Engineering A, Vol. 485, pp , C.S. Pande, K.P. Cooper, Nanomechanics of Hall Petch relationship in nanocrystalline materials, Progress in Material Science, Vol. 54, pp , M. Furukawa, Z. Horita, M. Nemoto, R.Z. Valiev, T.G. Langdon, Microhardness measurments and the Hall-Petch relationship in an Al-Mg alloy with submicrometer grain size, Acta Materialla, Vol. 44, pp , M. Furukawa, Z. Horita, M. Nemoto, R.Z. Valiev, T.G. Langdon, Factors influencing the flow and hardness of materials with ultrafine grain sizes, Philosophical Magazine A, Vol. 78, pp , M.Y. Murashkin, I. Sabirov, X. Sauvage, R.Z. Valiev, Nanostructured Al and Cu alloys with superior strength and electrical conductivity, Journal of Materials Science, Vol. 51, pp , M.Y. Murashkin, I. Sabirov, V.U. Kazykhanov, E.V. Bobruk, A.A. Dubravina, R.Z. Valiev, Enhanced mechanical properties and electrical conductivity in ultrafine-grained Al alloy processed via -PC, Journal of Materials Science, Vol. 48, pp , A. Afsari, M.A. Ranaei, Equal Channel Angular Pressing to Produce Ultrafine Pure Copper with Excellent Electrical and Mechanical Properties, International Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 10, pp , 2014.