دستیابی به ریزساختار و خواص مکانیکی مطلوب آلیاژ برنج 40-60 فرآوری شده با تغییر شکل پلاستیک شدید

سنبلی, علی; رحیمی, علیرضا

doi:https://doi.org/10.61186/jii.1.3.271

دستیابی به ریزساختار و خواص مکانیکی مطلوب آلیاژ برنج 40-60 فرآوری شده با تغییر شکل پلاستیک شدید

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

علی سنبلی ¹

علیرضا رحیمی ²

¹ استادیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

² کارشناس، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

https://doi.org/10.61186/jii.1.3.271

چکیده

آلیاژهای مس (برنج‌ها) به‌طور وسیعی به‌عنوان مواد مهندسی در صنایع کشتی‌سازی، هواپیماسازی، پتروشیمی و صنایع نظامی استفاده می‌شود. در این پژوهش آلیاژ برنج 60-40 به‌عنوان یکی از مهم‌ترین آلیاژهای پایه مس در فرآیند پرس در کانال زاویه‌دار (ECAP) به‌منظور افزایش استحکام و حفظ درصد ازدیاد طول که معیاری برای انعطاف‌پذیری است، تحت تغییر شکل پلاستیک شدید قرار گرفت. فرآیند در دمای 350 درجه سانتی‌گراد در مسیر C و تا شش پاس برای نمونه‌ها انجام شد. مطالعات ریزساختاری که با استفاده از میکروسکوپ نوری انجام شد نشان داد تبلور مجدد ناپیوسته از پاس اول در فاز آلفا آغاز می‌شود. با افزایش میزان کرنش، کسر تبلور مجدد افزایش یافت و اندازه دانه‌های جدید کوچک‌تر از دانه‌های اولیه بود و اندازه دانه‌ها پس از پاس پنجم و ششم به کمتر از یک میکرون رسید. همچنین بررسی ریزساختار فاز بتا نشان داد که تبلور مجدد در این فاز پس از پاس سوم آغاز شد و به‌تدریج با افزایش تعداد پاس در ساختار گسترش پیدا کرد. نتایج آزمون‌های ریز سختی و کشش تک‌محوری موید افزایش چشمگیر سختی و استحکام کششی آلیاژ با افزایش تعداد پاس بود. همچنین درصد ازدیاد طول در دمای محیط نمونه‌های ECAP شده بیش از 40 درصد بود که تنها 15 درصد از نمونه آنیل اولیه کمتر است. نتایج این مطالعه نشان داد که می‌توان از ECAP برای بهبود خواص مکانیکی آلیاژ برنج 60-40 استفاده کرد. ریز شدن دانه‌ها در این فرآیند می‌تواند منجر به افزایش استحکام کششی و سختی شود، درحالی‌که ازدیاد طول می‌تواند در سطح قابل قبولی حفظ شود.

کلیدواژه‌ها

تغییر شکل پلاستیک شدید

آلیاژ برنج

ریزساختار

خواص مکانیکی

عنوان مقاله English

Achieving Desired Microstructure and Mechanical Properties of 40-60 Brass Alloy Processed by Severe Plastic Deformation

نویسندگان English

Ali Sonboli ¹

Alireza Rahimi ²

¹ Assistant Professor, Materials Engineering and Metallurgy, Arak University, Arak, Iran

² BSc., Materials Engineering and Metallurgy, Arak University, Arak, Iran

چکیده English

Copper alloys (brasses) are widely used as engineering materials in shipbuilding, aerospace, petrochemical, and military industries. In this study, brass alloy 60-40, as one of the most important copper-based alloys, was subjected to severe plastic deformation (SPD) in the ECAP (Equal Channel Angular Pressing) process to improve its strength and maintain elongation percentage, which is an indicator of ductility. The process was carried out at 350 °C in C-path and up to six passes for the samples. Microstructural studies performed using optical microscopy showed that discontinuous recrystallization starts from the first pass in the alpha phase. With increasing strain, the fraction of recrystallized grains increased and the size of the new grains was smaller than the initial grains. The grain size reached less than one micron after the fifth and sixth passes. Also, examination of the microstructure of the beta phase showed that recrystallization in this phase started after the third pass and gradually spread in the structure with increasing number of passes. The results of micro hardness and uniaxial tensile tests confirmed the significant increase in the hardness and tensile strength of the alloy with increasing number of passes. Also, the elongation percentage at room temperature of the ECAP-processed samples was over 40%, which is only 15% less than the initial annealed sample. The results of this study showed that ECAP can be used to improve the mechanical properties of Cu-60Zn alloy. The refinement of grains in this process can lead to an increase in tensile strength and hardness, while the elongation can be maintained at an acceptable level.

کلیدواژه‌ها English

Severe plastic deformation

Brass alloy

Microstructure

Mechanical properties

[1] Dlubek G, Brümmer O, Alam A. Recovery and recrystallization of plastically deformed α brass—a comparison of positron annihilation, electrical resistance and microhardness results. Solid State Communications. 1979;29:597-9.
[2] Jamison R, Sherrill F. The critical shear stress in α-brass as a function of zinc concentration and temperature. Acta Metallurgica. 1956;4:197-200.
[3] Raj S. Grain boundary sliding behaviour of copper and alpha brass at intermediate temperatures. Journal of materials science. 1991;26:1000-8.
[4] Brown N. The cause of the strengthening in quenched beta brass. Acta Metallurgica. 1959;7:210-5. https://doi.org/10.1016/0001-6160(59)90076-8
[5] Delaey L, Perkins A, Massalski T. on the structure and microstructure of quenched beta-brass type alloys. Journal of materials science. 1972;7:1197-215.
[6] Lee TD, Margolin H. Beta brass bicrystal and tricrystal stress strain behavior. Metallurgical Transactions A. 1977;8:157-67.
[7] Eberhardt A, Baudelet B. Interphase boundary sliding at high temperature in two-phase (α/β)-brass bicrystals. Philosophical Magazine A. 1980;41:843-69.
[8] Honeycombe R, Boas W. The deformation and recrystallization of an alloy containing two phases. Australian Journal of Chemistry. 1948;1:70-84.
[9] Khezri-Yazdan A, Subramanian K. Elevated temperature deformation behaviour of alpha-beta brass bicrystals: Part 1 Ordered beta. Journal of materials science. 1984;19:3185-90.
[10] Iwahashi Y, Horita Z, Nemoto M, Langdon T. An investigation of microstructural evolution during equal-channel angular pressing. Acta materialia. 1997;45:4733-41.
[11] Segal V. Equal channel angular extrusion: from macromechanics to structure formation. Materials Science and Engineering: A. 1999;271:322-33.
[12] Zhu YT, Lowe TC. Observations and issues on mechanisms of grain refinement during ECAP process. Materials Science and Engineering: A. 2000;291:46-53.
[13] Shahmirzaloo A, Hosseini S, Siahsarani A, Rahmatabadi D, Hashemi R, Faraji G. Influences of the constrained groove pressing on microstructural, mechanical, and fracture properties of brass sheets. Materials Research Express. 2020;7:116526.
[14] Mousavi Z, Karimi S, Heidarpour A, Hosseini S, Ghasemi S. Microstructural Variation and Corrosion Behavior of 60/40 Brass/Ti 2 SC Surface Composite through Friction Stir Processing. Journal of Materials Engineering and Performance. 2022:1-12.
[15] Farabi E, Zarei-Hanzaki A, Moghaddam M, Hodgson P, Beladi H. Microstructural evolution and mechanical properties of accumulative back extruded duplex (α+ β) brass. Materials Characterization. 2019;152:101-14.
[16] Dhinwal SS, Shukla AJ, Biswas S, Chouhan DK. Evolution of microstructure and crystallographic texture in α-β Brass during equal channel angular pressing. Materials Characterization. 2020;163:110270.
[17] Raheem Z. Designation: E8/E8M—13a Standard test methods for tension testing of metallic materials 1. 2019.
[18] Mousavi SE, Meratian M, Rezaeian A. Investigation of mechanical properties and fracture surfaces of dual-phase 60–40 brass alloy processed by warm equal-channel angular pressing. Journal of materials science. 2017;52:8041-51.
[19] Fat-Halla N, Takasugi T, Izumi O. Deformation and fracture of α-β brass two-phase bicrystals at 150 K. Metallurgical Transactions A. 1979;10:1341-9.
[20] Fat-Halla N, Takasugi T, Izumi O. Deformation and Fracture of α-β Brass Two-Phase Bicrystals at 450 K. Transactions of the Japan Institute of Metals. 1979;20:493-500.
[21] Furukawa M, Horita Z, Nemoto M, Langdon T. Processing of metals by equal-channel angular pressing. Journal of materials science. 2001;36:2835-43.
[22] Stolyarov VV, Zhu YT, Alexandrov IV, Lowe TC, Valiev RZ. Influence of ECAP routes on the microstructure and properties of pure Ti. Materials Science and Engineering: A. 2001;299:59-67.
[23] Humphreys FJ, Hatherly M. Recrystallization and related annealing phenomena. Second Edition ed: Elsevier, Oxford, 2004. https://doi.org/10.1016/B978-008044164-1/50006-2
[24] Iwahashi Y, Horita Z, Nemoto M, Wang J, Langdon TG. Principle of equal-channel angular pressing for the processing of ultra-fine grained materials. Scripta materialia. 1996;35.
[25] Kattner U, Burton B. ASM Handbook Volume 3: Alloy Phase Diagrams. ASM International, Materials Park, OH, USA. 1992.
[26] Kim H, Kim W, Song K. Effect of post-heat-treatment in ECAP processed Cu–40% Zn brass. Journal of Alloys and Compounds. 2012;536:S200-S3.