Manufacturing and mechanical behavior of lightweight composites by accumulative roll bonding

Abstract

Severe plastic deformation (SPD) methods have received significant attention in fabricating a combination of similar and dissimilar metal composites. Accumulative roll bonding (ARB) is one of the SPD techniques employed to produce high strength, fine-grained, and multi-layered metal matrix composites (MMCs). The current work is characterized into two parts. The major part deals with the fabrication of different combinations between titanium and interstitial free (IF) steel interlayered with aluminum alloy (Al2024). While the second part studies the effect of post-ARB heat treatment on Al2024-IF steel composite. Microstructural evaluation and mechanical characteristics of processed composites were examined by optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), and mechanical tests. Surface and bulk properties were analyzed through microhardness, uniaxial tensile, and shear punch test (SPT). Finally, experiment results were validated using numerical analysis. For the first case of titanium-IF steel composites, the optical micrographs indicated the reduction in layer thickness and grain size after each rolling cycle. Necking was initiated in some layers of the processed composite after the third (final) ARB cycle, suggesting the interlocking of layers and consequently stronger bonding. SEM figures from fracture surfaces revealed the delamination of layers from interfaces in early cycles, that lessened in the final cycle due to high strain exerted after each rolling cycle. Significant improvement was noticed in hardness levels as the number of ARB cycles increased. Enhancement levels for titanium and IF steel layers were up to 1.4 and 2.6 times, respectively after the ARB process. The tensile strength of the titanium-IF steel composite rolled at 400°C exceeded over 670MPa after three cycles. Typical to SPD processes, the ductility was reduced to less than 5% in all cases after three ARB cycles. Enhancement levels in tensile strength of each layer of the final composite compared to the initial metals were similar to hardness. SPT results showed the improvement in shear strength of the sample with the increasing number of cycles, a maximum shear strength of around 440MPa was achieved after three cycles. For the second part of aluminum-IF steel composite, microstructure observation revealed that long aging imparted partial coarsening of the average grain size in a three-cycle ARBed sample. Furthermore, the ductility was recovered after aging without losing tensile strength due to the occurrence of precipitation hardening along with recovery in individual layers. A maximum ultimate tensile strength (UTS) and ductility of around 420MPa and 18%, respectively, was obtained after aging at 150°C for 24h. SPT results showed a similar response as the tensile test, and maximum shear strength was reached up to 270MPa at the peak-aged condition. The ARB process, in the case of titanium-IF steel composite, was modeled by employing finite element analysis through ANSYS workbench. The effective plastic strain and effective stress (von-Mises) were calculated through the thickness of ARBed samples. A close agreement between experimental findings and numerical simulations was observed.Aşırı plastik deformasyon (APD) yöntemleri, benzer ve farklı metal kompozitlerin üretilmesinde büyük dikkat çekmiştir. Birikmeli hadde yapıştırması (ARB), yüksek mukavemetli, ince iç yapılı ve çok katmanlı metal matrisli kompozitler (MMC) üretmek için kullanılan APD tekniklerinden biridir. Mevcut çalışma iki bölümden oluşmaktadır. Ana kısım, titanyum ve alüminyum alaşımı (Al2024) ile ara tabakalı arayer atomsuz (IF) çelik arasındaki farklı kombinasyonların imalatı üzerinedir. İkinci kısım ise ARB sonrası ısıl işlemin Al2024 ve IF çelik kompozit üzerindeki etkisini inceler. İşlenik kompozitlerin mikroyapı analizleri optik mikroskop (OM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile; mekanik özellikleri ise yapılan mekanik testler ile incelenmiştir. Yüzey ve malzeme özellikleri mikrosertlik, tek eksenli çekme ve kayma zımba testi (SPT) ile analiz edildi. Son olarak, deney sonuçları sayısal analiz yöntemi kullanılarak doğrulanmıştır. Titanyum-IF çelik kompozitlerde, her haddeleme döngüsünden sonra optik mikroskop aracılığı ile tabaka kalınlığında ve tane boyutunda azalma saptandı. İşlenik kompozitin bazı katmanlarında üçüncü (son) ARB döngüsünden sonra boyun verme gözlemlendi. Bu durum, katmanların birbirine geçerek daha güçlü bağlar oluşturduğunu gösterir. Kırılma yüzeylerinden alınan SEM görüntüleri yüksek gerinim uygulanan haddeleme döngüleri sebebiyle, arayüzlerde son haddeleme döngüsüne kadar azalarak devam eden katman ayrılmasını ortaya çıkardı. ARB döngülerinin sayısı arttıkça mikro sertlik seviyelerinde önemli bir iyileşme saptandı. ARB işleminden sonra titanyum ve IF çelik katmanları için sırasıyla 1.4 ve 2.6 kata kadar mikro sertlik artışı gözlemlendi. 400°C'de haddelenmiş Ti/IF çelik kompozitinin çekme mukavemeti, üç döngüden sonra 670MPa'yı aştı. APD proseslerinde beklendiği üzere, üç ARB döngüsünden sonra tüm durumlarda süneklik %5'in altına düşürülmüştür. SPT sonuçları, artan döngü sayısı ile numunenin kesme mukavemetininde arttığını gösterdi ve üç döngüden sonra yaklaşık 440MPa'lık bir maksimum kesme mukavemeti elde edildi. İkinci kısımda yapılan mikroyapısal inceleme uzun yaşlanmanın, üç döngülü ARB işlenik numune iç yapısındaki tanecik boyutunda kısmi büyümeye yol açtığı belirlendi. Ayrıca, uygulanan yaşlandırma sonrası, çökelti sertleşmesi sayesinde malzemenin çekme mukavvemetini kaybetmeden süneklik kazandığı gözlemlenmiştir. 150°C’de 24 saat yaşlandırmanın ardından maksimum çekme mukavemeti (UTS) yaklaşık 420MPa seviyesine yükseldi ve %18 süneklik elde edildi. Aynı şartlarda maksimum kesme mukavemeti 270MPa seviyesine kadar yükseldi. ARB prosesi sonlu elemanlar analizi temelinde Ansys Workbench kullanılarak modellendi. Efektif plastik gerinim ve gertime (von-Mises) değerlerinin ARB işlenik numunelerin kalınlığına göre değişim hesaplanmıştır. Deneysel bulgular ve sayısal analizlerin örtüştüğü gözlemlenmiştir.