اثر فرآيند فورج چندجهته روي ريزساختار و خواص مكانيكي نانو كامپوزيت هاي AZ31 تقويت شده با نانوذرات SiC

Effect of Multidirectional Forging on Microstructures and Mechanical Properties of Nano-SiC Reinforced AZ31 Nanocomposites

در اين پژوهش 1/5% حجمي از نانوذرات SiC از طريق روش ريخته گري گردابي به آلياژ منيزيم AZ31 افزوده شد. سپس شمش هاي ريختگي در دماي °C400 با نسبت اكستروژن 3/78 اكسترود شدند. پس از اكستروژن، مواد براي 2، 4، 6 و 8 عبور در معرض فرآيند فورج چندجهته در دماي °C320 قرار گرفتند. به منظور ارزيابي خواص مكانيكي مواد اكسترود و MDFشده، از آزمون هاي سنبه برشي (SPT) و ميكروسختي ويكرز استفاده شد. نتايج به دست آمده از اين آزمون ها نشان دادند كه نانوذرات سراميكي سخت باعث بهبود استحكام برشي و سختي آلياژ زمينه شده اند. مقادير استحكام برشي تسليم، استحكام برشي نهايي و سختي آلياژ اكسترودشده به ترتيب MPa70/86، MPa43/119 و HV55/52 به دست آمدند، در حالي كه در نانوكامپوزيت AZ31/SiCp اكسترودشده اين مقادير به ترتيب 9/91%، 5/48% و 13/99% افزايش يافتند. همچنين ملاحظه شد كه نانوكامپوزيت هاي فرآوري شده با فرآيند فورج چندجهته خواص مكانيكي بهتري نسبت به مواد MDFنشده ارايه مي دهند. نتايج مشخص كردند كه پس از دو عبور اول، بهبود قابل توجهي در خواص مكانيكي نانوكامپوزيت پديد آمده است، به طوري كه استحكام برشي تسليم، استحكام برشي نهايي و سختي نسبت به حالت اكسترودشده به ترتيب 27/12%، 17/95% و 16/03% افزايش يافته اند. خواص مكانيكي طي عبورهاي بعدي به صورت تناوبي با كاهش و افزايش همراه بودند. مشاهدات ريزساختاري نيز نشان دادند كه روند تغييرات متوسط اندازه دانه، طي افزايش عبورهاي MDF تناوبي بوده است. پس از عبور دوم دانه ها نسبت به حالت اكسترود ريزتر شدند و در دو عبور بعدي اندازه آنها افزايش يافت. از عبور چهارم تا عبور ششم اندازه دانه ها كاهش پيدا كرد و كمترين اندازه دانه در اين حالت به دست آمد، در حالي كه در دو عبور آخر دانه ها كمي رشد كردند. با وجود ساختار ريزتر و همگن تري كه در عبورهاي ششم و هشتم ايجاد شد اما بهترين خواص مكانيكي در عبور دوم حاصل شد و اين يعني افزون بر تغييرات ريزساختاري تحولات ايجادشده در بافت ماده طي فرآيند MDF نيز خواص مكانيكي را تحت تاثير قرار داده است.

In this study, 1.5vol.% of SiC nanoparticles was added to AZ31 magnesium alloy via a stir-casting method. Next, the as-cast ingots were extruded at 400°C with the ratio of 3.78. After extruding, the materials were subjected to multidirectional forging (MDF) at 320°C for 2, 4, 6, and 8 passes. In order to evaluate the mechanical properties of extruded and MDFed materials, shear punch (SPT) and Vickers microhardness tests were applied. The results of these tests showed that hard ceramic nanoparticles improved the shear strength and hardness of the matrix alloy. The shear yield strength, ultimate shear strength, and hardness of extruded alloy were 86.70 MPa, 119.43 MPa, and 52.55 HV, respectively, while in extruded AZ31/SiCp nanocomposite, these values increased by 9.91%, 5.48%, and 13.99%, respectively. It was also observed that nanocomposites processed with multi-directional forging offer better mechanical properties than non-MDFed materials. The results indicated that after the first two passes, there was a significant improvement in the mechanical properties of the nanocomposites, such that the shear yield strength, ultimate shear strength, and hardness were improved in contrast with the extruded state by 27.12%, 17.95%, and 16.03%, respectively. Mechanical properties during the next passes were periodically reduced and increased. Microstructural observations also showed that the average grain size variations were periodic during the increase of MDF passes. After the second pass, the grains were finer than the extruded state, and their size increased in the next two passes. From 4th to 6th pass, the grain size decreased and the smallest grains were obtained in this case, while in the last two passes, the grains grew slightly. Despite the smaller and homogeneous structure created by the 6th and 8th passes, the best mechanical properties were obtained in the second pass, which means, in addition to the microstructural changes, also modifications in the material texture during the MDF process had an impact on mechanical properties.