مطالعه رفتار مد I شکست آلومینیم آلیاژی ۶۰۶۱ فرآوری شده با فرایند اصطکاکی-اغتشاشی

نوع مقاله : گرایش ساخت و تولید

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه، ایران

2 نویسنده مسئول: دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه، ایران

3 محقق پسادکتری، گروه مهندسی مکانیک و هوافضا، دانشکده مهندسی، دانشگاه علم و صنعت جنوب، شنزن، چین

4 دانشیار، گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

بررسی سازوکارهای ایجاد و رشد ترک و استخراج پارامترهای بحرانی شکست، از اهمیت ویژه‌ای در مواد مهندسی برخوردار است. ازاین‌رو مطالعه رفتار مکانیکی قطعات ترک‌دار تحت بار اعمالی طی فرایند تغییرشکل پلاستیک شدید اجتناب‌ناپذیر است. در پژوهش حاضر، رفتار مد یک شکست، خواص مکانیکی و ریزساختاری نمونه آلومینیم آلیاژی AA60601-T6 فرآوری شده با فرایند اصطکاکی-اغتشاشی موردمطالعه قرار گرفت. با استفاده از دستگاه فرز، فرایند مذکور تا یک پاس به کمک ابزاری از جنس فولاد گرم‌کار بر روی نمونه‌های آلومینیمی انجام گردیده و طی آن ناحیه اغتشاش باکیفیت مطلوب ایجاد شد. با توجه به نتایج آزمون کشش، استحکام تسلیم و کششی نمونه فرآوری‌شده به ترتیب به 39 و 37 درصد افزایش یافت. بر اساس نتایج آزمون خمش سه‌نقطه‌ای، چقرمگی شکست برای نمونه فرآوری‌شده برابر با MPa  ۸۶/۱۰ به دست آمد که نشان‌دهنده ۳/۱۴ درصد افزایش نسبت به نمونه اولیه آنیل شده است. بر اساس نتایج متالوگرافی، متوسط اندازه دانه‌ها در نمونه‌های اولیه و فرآوری‌شده به ترتیب mm ۳۵ و mm ۱۵ اندازه‌گیری شد. لذا کاهش ۵۷ درصدی اندازه دانه در نمونه فرآوری‌شده، با افزایش هم‌زمان استحکام و چقرمگی همراه است. بر این اساس، استفاده از روش اصطکاکی-اغتشاشی می‌تواند به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای منجر به بهبود خواص مکانیکی و رفتار شکست آلومینیم شود.

تازه های تحقیق

  • استحکام تسلیم و کششی نمونه فرآوری‌شده به روش اصطکاکی-اغتشاشی در مقایسه با نمونه اولیه آنیل شده به ترتیب ۳۹ و ۳۷ درصد افزایش داشته است.
  • چقرمگی شکست برای نمونه فرآوری‌شده برابر با 86/10 MPa محاسبه شد که 14 درصد افزایش نسبت به نمونه اولیه نشان می‌دهد.
  • مطابق نتایج آنالیز متالوگرافی، اندازه دانه‌ها به‌طور متوسط ۵۷ درصد کاهش‌یافته است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Mode I Fracture Behavior of 6061 Aluminum Alloy Processed by Friction Stir Processing

نویسندگان [English]

  • Hadi Ghahreman 1
  • Mahmoud Ebrahimi 2
  • Abuzar Es'haghi Oskui 3
  • Mohammad Zadshakoyan 4
1 M.Sc., Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, Maragheh, Iran
2 Corresponding author: Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, Maragheh, Iran
3 Postdoctoral researcher,, Department of Mechanics and Aerospace Engineering, College of Engineeringو Southern University of Science and Technology, Shenzhen, China
4 Associate Professor, Department of Manufacturing and Production Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Crack nucleation mechanisms, its growth, and the determination of critical failure parameters are of industrial importance. Therefore, it is inevitable to study the mechanical behavior of cracked materials under applied load during severe plastic deformation. The present study studied the mode I fracture behavior, mechanical properties, and microstructure characterization of the 6061 aluminum alloy fabricated by friction stir processing (FSP). For this purpose, a milling machine made a perfect stirring zone to perform the FSP method with the specific non-consumable tool. According to the tensile test results, the yield and ultimate tensile strength of the FSP-processed sample have increased by 39% and 37%, respectively. Based on the three-point bending test, the fracture toughness of the processed aluminum was calculated as 10.86 MPa√m, which shows a 14.3% improvement compared to the as-received annealed state. Eventually, the average grain size of the annealed and processed samples was measured as 35 and 15, respectively, which indicated a 57% reduction in the aluminum grain size after FSP. Note that this grain refinement is associated with improved strength and toughness.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Severe plastic deformation
  • Friction stir processing
  • Fracture mechanics
  • Fracture toughness
  • Crack growth

Smiley face

مراجع

[1] Zykova AP, Tarasov SY, Chumaevskiy AV, Kolubaev EA. A review of friction stir processing of structural metallic materials: Process, properties, and methods. Metals. 2020;10(6):772.##
[2] Iwaszko J, Kudła K, Fila K, Strzelecka M. The effect of friction stir processing (FSP) on the microstructure and properties of AM60 magnesium alloy. Archives of Metallurgy and Materials. 2016;61(3):1555.##
[3] Thapliyal S, Mishra A. Machine Learning for Friction Stir Welding. InAdvanced Computational Methods in Mechanical and Materials Engineering. 2021;21:43-56.##
[4] Ebrahimi M, Par MA. Twenty-year uninterrupted endeavor of friction stir processing by focusing on copper and its alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2019;781:1074-1090.##
[5] Gairola S, Jayaganthan R. XFEM Simulation of Tensile and Fracture Behavior of Ultrafine-Grained Al 6061 Alloy. Metals. 2021;11(11):1761.##
[6] Ebrahimi M, Shaeri MH, Naseri R, Gode C. Equal channel angular extrusion for tube configuration of Al-Zn-Mg-Cu alloy. Materials Science and Engineering: A. 2018;731:569-576.##
[7] Kuna M. Finite elements in fracture mechanics. Solid Mechanics and Its Applications. 2013; 201:153-92.##
[8] Ebrahimi M, Wang Q, Attarilar Sh. A comprehensive review of magnesium-based alloys and composites processed by cyclic extrusion compression and the related techniques. Progress in Materials Science. 2023;131:101016.##
[9] Balakrishnan V, Roshan P, Goel S, Jayaganthan R, Singh IV. Experimental and XFEM simulation of tensile and fracture behavior of al 6061 alloy processed by severe plastic deformation. Metallography, Microstructure, and Analysis. 2017;6(1):55-72.##
[10] Hohenwarter A, Pippan R. Fracture and fracture toughness of nanopolycrystalline metals produced by severe plastic deformation. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2015;373(2038):20140366.##
[11] Sinha S, Nene SS, Frank M, Liu K, Lebensohn RA, Mishra RS. Deformation mechanisms and ductile fracture characteristics of a friction stir processed transformative high entropy alloy. Acta Materialia. 2020;184:164-78.##
[12] Xue P, Xiao BA, Ma ZY. Effect of interfacial microstructure evolution on mechanical properties and fracture behavior of friction stir-welded Al-Cu joints. Metallurgical and Materials Transactions A. 2015;46(7):3091-103.##
[13] Ebrahimi M, Djavanroodi F, Tiji SAN, Gholipour H, Gode C. Experimental Investigation of the equal channel forward extrusion process. Metals. 2015;5(1):471-483.##
[14] Gairola S, Jayaganthan R. XFEM Simulation of Tensile and Fracture Behavior of Ultrafine-Grained Al 6061 Alloy. Metals. 2021;11(11):1761.##
[15] Lim YB, Lee KJ. Microtexture and Microstructural Evolution of Friction Stir Welded AA5052-H32 Joints. Journal of Welding and Joining. 2019;37(2):35-40.##
[16] Roudini G, Shiri SG, Rahvard MM. Tool design and speed parameters effects on microstructure and tensile strength of friction stir welding (FSW) 5052 Al alloys. InApplied Mechanics and Materials 2012;110:3165-3170.##
[17] Ebrahimi M, Attarilar Sh, Gode C, Djavanroodi F. Damage prediction of 7025 aluminum alloy during equal-channel angular pressing. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 2014;21:pages 990-998.##
[18] Malopheyev S, Vysotskiy I, Zhemchuzhnikova D, Mironov S, Kaibyshev R. On the fatigue performance of friction-stir welded aluminum alloys. Materials. 2020; 13(19):4246.##
[19] Yazdi SR, Beidokhti B, Haddad-Sabzevar M. Pinless tool for FSSW of AA 6061-T6 aluminum alloy. Journal of materials processing technology. 2019;267:44-51.##
[20] Wu J, Djavanroodi F, Shamsborhan M, Attarilar Sh, Ebrahimi M. Improving mechanical and corrosion behavior of 5052 aluminum alloy processed by cyclic extrusion compression. Metals. 2022;12(8):1288.##
[21] Elyasi M, Aghajani Derazkola H, Hosseinzadeh M. Investigations of tool tilt angle on properties friction stir welding of A441 AISI to AA1100 aluminium. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2016;230(7):1234-41.##
[22] Derazkola HA, Aval HJ, Elyasi M. Analysis of process parameters effects on dissimilar friction stir welding of AA1100 and A441 AISI steel. Science and Technology of Welding and Joining. 2015;20(7):553-62.##
[23] Derazkola HA, Elyasi M. The influence of process parameters in friction stir welding of Al-Mg alloy and polycarbonate. Journal of Manufacturing Processes. 2018;35:88-98.##
[24] Elyasi M, Derazkola HA. Experimental and thermomechanical study on FSW of PMMA polymer T-joint. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018;97(1):1445-56.##
[25] Eyvazian A, Hamouda AM, Aghajani Derazkola H, Elyasi M. Study on the effects of tool tile angle, offset and plunge depth on friction stir welding of poly (methyl methacrylate) T-joint. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2020;234(4):773-87.##
[26] Derazkola HA, Garcia E, Elyasi M. Underwater friction stir welding of PC: Experimental study and thermo-mechanical modelling. Journal of Manufacturing Processes. 2021 65:161-73.##
[27] Elyasi M, Derazkola HA, Hoseinzadeh M. Study on joint zone Microstructure Evolution and Hardness in Friction Stir welding of AA1100 Aluminum alloy to A441 AISI steel. Modares Mechanical Engineering. 2015;14(14):97-107.##
[28] Elyasi M, Aghajani H, Hosseinzadeh M. Effects of friction stir welding parameters on mechanical quality of AA1100 aluminum alloy to A441 AISI steel joint. Modares Mechanical Engineering. 2015;15(4):379-90.##
[29] Rahmatabadi D, Hashemi R, Mohammadi B, Shojaee T. Experimental investigation of plane stress fracture toughness for aluminum sheets produced by cold roll bonding process. Modares Mechanical Engineering. 2017;17(2),101-108.##
[30] Rahmatabadi D, Ahmadi M, Pahlavani M, Hashemi R. DIC-based experimental study of fracture toughness through R-curve tests in a multi-layered Al-Mg (LZ91) composite fabricated by ARB. Journal of Alloys and Compounds. 2021;883, 160843.##
[31] Medhi T, Das A, Pankaj P, Kapil S, Biswas P. Multi-pass friction stir lap welding of AA 6061-T6: Implication of tool pin overlapping on microstructure and mechanical properties of joints. Metals. 2018;11(15):1669.##
مکانیک هوافضا
دوره 19، شماره 2 - شماره پیاپی 72
شماره پیاپی 72، فصلنامه تابستان
شهریور 1402
صفحه 83-94

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 15 آذر 1401
  • تاریخ بازنگری: 06 بهمن 1401
  • تاریخ پذیرش: 18 بهمن 1401
  • تاریخ انتشار: 01 اردیبهشت 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار