Microstructeral characterization and mechanical properties of nonostructured Al2024 alloy and Al2024 based composites

Document Type : Original Articles

Authors

• Alireza Abdollahi
• Ali Alizadeh

Malek-e-Ashtar University of Technology

10.22067/ma.v27i1.25315

Abstract

In this research, mechanical alloying was used to synthesize ultrafine grained AA2024 and AA2024-B4C powders in an attrition mill under argon atmosphere up to 50 h with the rotational speed of 400 rpm. In order to determine the grain size of the matrix, X-Ray diffraction test and Williamson–Hall method was used. After mechanical alloying, hot pressing and hot extrusion were used for densification of powders. The microstructure and mechanical behavior of hot extruded samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM), tension and compression and hardness tests. The microstructure of samples showed that the CuMgAl2 precipitate is present. Furthermore, the distribution of these precipitates in nanostructured samples was more uniform and their content was greater. The results of mechanical tests indicated that the strength and hardness of AA2024 alloy after mechanical alloying and addition of B4C particles increases for 64 and 49%, respectively. In other words, the AA2024-B4C nanocomposite showed the highest strength and hardness, however, its elongation was the lowest.

Keywords

• Al2024 alloy
• metal matrix composite
• nanostructured alloy

---

References

1. . ولی بیگلو، ن.، آذری خسروشاهی، ر.، "بررسی تأثیر نانو ذرات Al2O3 بر رفتار پیرسختی و خواص مکانیکی نانوکامپوزیت Al-4.5%Cu/Al2O3 تهیه شده به روش ریخته‌گری گردابی"، نشریه مهندسی متالورژی و مواد، سال بیست و سوم، شماره دو، صص 44-33، (1391).
2. Alizadeh, A., Taheri-Nassaj, E., Hajizamani, M., "Hot Extrusion Process Effect on Mechanical Behavior of Stir Cast Al Based Composites Reinforced with Mechanically Milled B4C Nanoparticles", Journal of Materials Science and Technology, Vol. 27, No. 12, pp. 1113-1119, (2011).
3. Suresh, S., Mortensen, A., Needleman A., "Fundamentals of Metal- Matrix Composites", Butterworth-Heinemann, London, (1993).
4. میرزایی، م.، آقایی خفری، م.، شکوه‌فر، ع.، "تاثیر پارامترهای عملیات حرارتی پیرسختی بر رفتار تغییر شکل آلیاژ AA2024"، هشتمین کنگره سالانه انجمن مهندسین متالورژی ایران، دانشگاه صنعتی اصفهان، (1382).
5. جعفری بهرام آبادی، م.، عباسی، م.ح.، عنایتی، م.ح.، کریم زاده، ف.، "بررسی رفتار پیرسختی در آلیاژ نانوساختار AA2024 تولید شده به روش آسیاب کاری مکانیکی"، دومین همایش مشترک انجمن مهندسین متالورژی ایران و جامعه ریخته گران ایران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج، (1387).
6. رضوی حسابی، ز.، "اثر نانوذرات آلومینا بر فرآوری و خواص مکانیکی نانوکامپوزیت Al-5%volAl2O3"، پایان-نامه دکتری، دانشکده مهندسی و علم مواد دانشگاه صنعتی شریف، فروردین(1387).
7. Khakbiz, M., Akhlaghi, F., "Synthesis and structural characterization of Al–B4C nano-composite powders by mechanical alloying", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 482, pp 516–521, (2009).
8. Rahimian, M., Parvin, N., Ehsani, N., "Investigation of Particle Size and Amount of Alumina on Microstructure and Mechanical Properties of Al Matrix Composite Made by Powder Metallurgy", Materials Science and Engineering A, Vol. 527, pp. 1031–1038, (2010).
9. Ye, J., He, J., Schoenung, J.M., "Cryomilling for the Fabrication of a Particulate B4C Reinforced Al Nanocomposite: Part I. Effects of Process Conditions on Structure", Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 37, pp 3099-3109, (2006).
10. Han, B.Q., Ye, J., Tang, F., Schoenung, J., Lavernia, E.J., "Processing and behavior of nanostructured metallic alloys and composites by Cryomilling", Journal of Materials Science, Vol. 42, pp. 1660–1672, (2007).
11. Nie, C., Gu, J., Liu, J., Zhang, D., "Investigation on Microstructures and Interface Character of B4C Particles reinforced 2024Al Matrix composites Fabricated by Mechanical Alloying", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 454, pp. 118–122, (2008).
12. Koch, C.C., "Optimization of Strength and ductility in nanocrystalline and ultrafine grained metals", Scripta Materialia, Vol. 49, pp. 657–662, (2003).
13. Ye, J., Han, B.Q., Lee, Z., Ahn, B., Nutt, S.R., Schoenung, J.M., "A tri-modal aluminum based composite with super-high strength", Scripta Materialia, Vol. 53, pp. 481- 486, (2005).
14. محسنی، م.، رحیمی، ش.، کریم‌زاده، ف.، "استحاله فازی فولاد CK45 نانو ساختار حین فرآیند آسیاب کاری مکانیکی"، دومین همایش مشترک انجمن مهندسین متالورژی ایران و جامعه ریخته گران ایران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج، (1387).
15. علیزاده، ع.، عبدالهی، ع.، نصیری، ز.، " مقایسه ریزساختار و خواص مکانیکی نانوکامپوزیت Al-B4C تولید شده به روش‌های ریخته‌گری گردابی، متالورژی پودر و آلیاژسازی مکانیکی"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال هشتم، شماره اول، صص. 29-21، (1393).
16. Williamson, G.K., Hall, W.H., "X-ray line broadening from filed aluminium and wolfram", Acta Metallurgica, Vol. 1, No. 1, pp. 22-31, (1953).
17. عبدالهی، ع.، علیزاده، ع.، بهاروندی، ح.، "بررسی تأثیر ذرات کاربید بور و زمان آسیاکاری مکانیکی بر ریزساختار و خواص مکانیکی نانوکامپوزیت AA2024-B4C"، علم و مهندسی سرامیک، جلد 2، شماره 1، صص. 43-25، (1392).
18. Chawla, N., Chawla, K.K., "Metal Matrix Composites", Springer, New York,)2006(.
19. Porter, P.A., Easterling, K.E., "phase Transformation in Metals and Alloys", Van Nostrand Reinhold Company, England,)1981(.
20. Avner, S.H., "Introduction to Physical Metallurgy", McGraw-Hill, New York, )1974(.
21. Totten, G.E., MacKenzie, D.S., "Handbook of Aluminum", Marcel Dekker Inc., New York,)2003(.
22. Mahmudi, R., "grain boundary strengthening in a fine grained aluminum alloy", Scripta Materialia, Vol. 32, No. 5, pp. 781-786,)1995(.
23. Wang, Z., Song, M., Sun, C., Xiao, D., He, Y., "Effect of extrusion and particle volume fraction on the mechanical properties of SiC reinforced Al–Cu alloy composites", Materials Science and Engineering A, Vol. 527, pp. 6537–6542, (2010).
24. Ezatpour, H.R., Beygi, H., Sajjadi, S.A., Torabi parizi, M., "microstructure and mechanical properties of Al-Al2O3 micro and nano composite fabricated by a novel stire casting route", 2nd Conferences on Application of nanotechnology in Science, Engineering and Medicine, Mashhad- Iran, (2011).
25. Sajjadi, S.A., Ezatpour, H.R., Torabi Parizi, M., "Comparison of microstructure and mechanical properties of A356 aluminum alloy/Al2O3 composites fabricated by stir and compo-casting processes", Materials and Design. Vol. 34, pp. 106–111, (2012).
26. میرحسینی، ح.، اسدی، و.، "ساخت و بررسی عملیات حرارتی کامپوزیت ریختگی Al356-Al2O3" پنجمین کنگره سالانه انجمن مهندسین متالورژی ایران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، (1380).
27. Dieter, G.E., "Mechanical Metallurgy", McGraw-Hill, New York, (1986).
28. Alizadeh, A., Taheri-Nassaj, E., "Mechanical properties and wear behavior of Al–2 wt.% Cu alloy composites reinforced by B4C nanoparticles and fabricated by mechanical milling and hot extrusion", Material Charanterization, Vol. 67, pp. 119-128, (2011).
29. Abdollahi, A., Alizadeh, A., Baharvandi, H.R., "Dry sliding tribological behavior and mechanical properties of AA2024–5wt.%B4C nanocomposite produced by mechanical milling and hot extrusion", Materials and Design, Vol. 55, pp. 471-481, )2014(.
30. پاکدل، ا.، فرهنگی، ح.، امامی، م.، "تأثیر دمای اکستروژن بر میزان تخلخل و انعطاف پذیری کامپوزیت Al-SiCp" دومین همایش مشترک انجمن مهندسین متالورژی ایران و جامعه ریخته گران ایران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج، (1387).
31. Razavi Tousi, S.S., Yazdanirad, R., Salahi, E., Razavi, M., "Effect of milling time and addition of alumina powder on the structural properties and fracture surface of nanocrystalline Al", Materials Science-Poland, Vol. 27, No. 3, pp. 875-884, (2009).
32. Kang Y.C., Chan S.L.I., "Tensile properties of nanometric Al2O3 particulate-reinforced aluminum matrix composites", Materials Chemistry and Physics, Vol. 85, pp. 438–443, (2004).
33. Cheng, S., Ma, E., Wang, Y.M., Kecskes, L.J., Youssef, K.M., Koch, C.C., Trociewitz, U.P., Han, K., "Tensile properties of in situ consolidated nanocrystalline Cu", Acta. Materialia, Vol 53, pp. 1521–1533, (2005).
34. Wang, Z.B., Tao, N.R., Li S., Wang, W., Liu, G., Lu, J., "Effect of surface nanocrystallization on friction and wear properties in low carbon steel", Materials Science and Engineering A, Vol. 352, pp.144–149, (2003).