Development of microstructural and mechanical properties of aluminum alloys by equal channel angular pressing (ECAP) process

Abstract

Yoğun bir şekilde kuvvet uygulanarak malzemelerin yapısını kalıcı halde değiştirip iyileştiren Aşırı Plastik Deformasyon (APD) yöntemi, malzemelerin mekanik ve yapısal özelliklerini mükemmel derecede geliştirmesi açısından güçlü bir potansiyele sahiptir. APD yöntemlerinden biri olan Eş Kanallı Açısal Presleme (EKAP) tekniği de aynı çaplara sahip açısal olarak kesişen iki kanaldan stres uygulanarak numunenin geçirilmesi sonucu malzeme yapısında mikronaltı veya nano ölçekte taneciklerin oluşumunu sağlar. EKAP, son zamanlarda nano yapılı malzemelerin üretiminde favori aday yöntemlerden biri haline gelmiştir. Bu araştırmanın ve ilgili deneyin ana hedeflerinden biri, malzemenin özelliklerinin uygulanan progresif ve şiddetli basınç altında nasıl gelişim gösterdiğini anlamaya çalışmaktır. Bu süreç doğrudan malzemenin iç yapısı ve dokusu ile ilgilidir. Üstün özelliklere sahip daha sağlam bir malzeme yapısının elde edilmesi her zaman amaçlanmıştır. Malzeme mukavemeti, dislokasyonların kristal kafes boyunca hareketini kısıtlamaya dayanan teori ile açıklanır.Bu çalışmada, Eş Kanallı Açısal Presleme (EKAP) tekniği kullanılarak mikro/nano tanecikli yapı elde edilmiesi hedeflenmiş ve metallerin mikroyapısal ile mekanik özelliklerindeki değişikliklerin incelenmesi yapılmıştır. Bu amaçla İzmir Katip Çelebi Üniversitesi Makine Mühendisliği Laboratuvarında ardışık bir dizi EKAP deneyleri gerçekleştirilmiştir. Daha önce herhangi bir ısıl işleme tabi tutulmayan 12 mm çap ve 30 mm uzunluğa sahip olan çubuklar, numune kütükleri olarak kullanıldı. 2mm/s hızında 120 ton kapasiteli bir hidrolik pres ve hassas bir şekilde işlenmiş 120°'lik kesişen kanalları olan kalıp (Φ = 120°, ψ = 20°) kullanılmıştır. Bu araştırmadaki tüm EKAP deneyleri 120°C sıcaklık koşullarında gerçekleştirilmiştir. İşlemin her tekrarlanmasından önce örnek, BC rotası kullanılarak döndürülmüştür. Daha sonra EKAP uygulanan numuneler üzerinde analiz yapılmış ve kristal yapıdaki değişiklikler ile mikroyapısal ve mekanik özellikler incelenmiştir.EKAP uygulanan örneklerin kristal tane yönlerinde değişikliklerin meydana geldiği gözlemlenmiştir. Aynı zamanda mikroyapıdaki tane ebatları ECAP sonucunda küçülmüş olup ayrıca mikro sertlik değerlerinde de belirgin artışlar meydana geldiği tespit edilmiştir.

Severe Plastic Deformation (SPD), applying extreme force to alterate and refine the structures of materials permanently, have a huge potential to improve the mechanical and structural properties of materials superiously. ECAP is a kind of SPD techniques to produce submicron or nano sized grains in the material structure by applying stress to the sample passing through two angular intersected channels have the same diameters. ECAP has recently been becoming one of the most favourable candidate method in the production of nanostructured materials.One of the main objectives of this study and relating experiment is trying to understand how the properties of the material enhance under applied progressive and severe pressure. This process is directly related to the internal structure and texture of the material. A more strengthened material structure with superior properties is always desired to achieve. The material strengthening mechanism has been explained by dislocation theory which is based on the restricting the movement of dislocations through the crystalline lattice.In this study, it is aimed to observe the reforms in microstructural and mechanical properties of aluminum alloys as a result of obtaining them in micro/nano grained structures by using ECAP technique. Consecutive experiments have been carried out in the Mechanical Engineering Laboratory of İzmir Katip Çelebi University. The rods with a diameter of 12 mm and a length of 30 mm were used as sample billets, which were not subjected to any heat treatment previously. A 120 ton capacity hydraulic press with pressing speed of 2mm/s and a sensitively machined die with channels of 120° intersected (Φ=120°, ψ=20°) have been used. All the ECAP experiments in this investigation have been carried out at 120°C temperature condition. Prior to each repeating the process, the specimen was rotated using type of BC route. Then, the analyses on ECAP applied samples were performed and the changes in crystal structure, microstructural and mechanical properties were investigated.Changes in the crystal grain orientations of ECAPed samples were observed. At the same time, the grain size in the microstructure decreased by ECAP process. Furthermore, significant increase in microhardness values was determined.