Mechanical performance of layered metallic composites processed by accumulative roll bonding

Abstract

Mechanical Performance of Layered Metallic Composites Processed by Accumulative Roll Bonding.--Multi-layered metal composites have received considerable attention due to their advanced mechanical and physical properties. The current work is an experimental study to fabricate the ultra-fine grained combination of similar and dissimilar composites utilizing accumulative roll bonding (ARB) process as a severe plastic deformation (SPD) technique. The experimental work was organized in two parts. The first part describes the combination of Al2024 and Al6061 in similar and dissimilar aluminum composites, while the second part has different Al/IF steel composites including Al6061, Al2024 and interstitial free (IF) steel in various stacking sequences. Microhardness and uniaxial tensile tests were applied to analyse the surface and bulk mechanical properties of processed materials, respectively. This study not only investigates the monotonic mechanical behavior of multi-layered metal composites but also inspects the cyclic behavior of the prepared composites by employing the fatigue test. The high cycle fatigue (HCF) properties of layered metallic composites were investigated by cyclic testing under stress control with positive mean stress. For the first part, the processed structure after four passes ARB contained the various layer combinations of Al2024 and Al6061. Remarkable enhancement was observed in the hardness level of the samples with increasing number of ARB passes. Accordingly, improvement levels, up to 1.5 and 2 times, were recorded for Al2024 and Al6061 layers, respectively. The tensile strength of the composite with an interchanging layer architecture reached over 320MPa after two cycles, coinciding with more than two-fold of the as-received Al6061. The fatigue life was also improved, especially at the high stress amplitude. Microstructural observations revealed a significant grain refinement in further ARB processing along with the explanation of possible fracture mechanisms under tensile straining. Additionally, the mechanical properties of processed materials were evaluated using shear punch testing (SPT). The correlation between the results of tension experiments and shear strengths was calculated. Experimental results demonstrated that the shear strength enhanced by increasing the number of ARB passes. However, the shear elongation exhibited a notable reduction when the number of ARB passes increased. Inspection of the tensile and SPT results revealed that they follow a similar trend for both strength and ductility. Therefore, it can be asserted that the shear punch test represents a useful and complementary tool in the mechanical analysis of the ARBed samples. According to the SEM micrographs, in multi-passes ARB process, the interface of the previous pass bonds strongly during the next cycle, due to the improvement of the atomic diffusion and high pressure with further passes. The first ARB pass imposed a moderate strain and materials showed a ductile fracture with microvoids and dimples. With increasing cycles, the fracture mode remained as ductile with the existence of shear rupture and dimples. Nevertheless, these dimples were shallow and elongated, especially for the Al2024 layers as compared to those observed in Al6061. For the second part, necking and fracture of IF steel layers were detected in the macrostructural observation after three passes of ARB process. Furthermore, after five ARB passes, a multi-layer IF steel/Al composite with homogeneously distributed IF steel lumps in aluminum matrix was attained for all stackings of IF/Al6061. However, the low difference between the hardness of the Al2024 and IF steel prevents the occurrence of the same phenomena in Al2024/IF steel composites. Thus, the continuity of the layers after the third and fourth passes has remained for all stackings of IF/Al2024. Microstructure and mechanical characteristics of a fourth layer architecture were analyzed within a number of ARB passes. The results revealed that the monotonic and cyclic behavior of all dissimilar composites were significantly increased compared to the base aluminum alloys, while the composites with the outer aluminum layers exhibited the highest fatigue life, due to crack branching at the interface region when it propagated from the softer to the harder layer. Fatigue fracture surfaces and crack propagation paths of the samples were observed by scanning electron microscopy (SEM). Also, fracture morphology analysis demonstrated that despite the surface cracks on the outer layers, indeed the fatigue cracks of interface layers were caused by the fracture of samples. The ARB process was simulated utilizing finite element analysis. The effective stress and the distributions of equivalent strain along the thickness of ARBed sheets were determined. Results showed a significant agreement between the numerical simulations and the experimental findings. Finally, high cycle fatigue analysis was carried out and the results of the simulations were in decent agreement with the empirical data in terms of fatigue life. Also, as expected, the experimental fatigue life values for all conditions were lower than the simulations in relation with the existence of microcracks and scratches on the sample surface.Birikmeli Hadde Yapıştırması ile İşlenmiş Katmanlı Metalik Kompozitlerin Mekanik Performansı.--Çok katmanlı metal kompozitler üstün mekanik ve fiziksel özellikleri nedeniyle oldukça önem kazanmıştır. Bu tez çalışmasının amacı, benzer ve farklı kompozitlerin ultra-ince taneli kombinasyonunun birikmeli hadde yapıştırması (BHY) işlemi kullanılarak aşırı plastik deformasyon (APD) tekniği ile üretilmesidir. Deneysel çalışma iki bölüm halinde düzenlenmiştir. İlk bölüm benzer ve farklı aluminyum kompozitlerde Al2024 ve Al6061 kombinasyonunu tarif ederken, ikinci bölüm farklı istifleme düzeni ile Al6061, Al2024 ve arayer atomu içermeyen (IF) çelikler de dahil olmak üzere farklı Al/IF çelik kompozitlerini konu almaktadır. İşlenik malzemelerin yüzeysel ve bütünsel mekanik özelliklerini analiz etmek için sırasıyla mikro sertlik ve tek eksenli çekme testi uygulanmıştır. Bu çalışma sadece çok katmanlı metal kompozitlerin monotonik mekanik davranışlarını incelemekle kalmamakta, aynı zamanda yorulma testi vasıtası ile dinamik davranışlarını da incelemektedir. Katmanlı metalik kompozitlerin yüksek çevrimli yorulma özellikleri gerilme kontrollü pozitif ortalama gerilmeli testler ile incelenmiştir. İlk bölümde, dört kez BHY ile işlemik hale gelen yapı Al2024 ve Al6061'in çeşitli katman kombinasyonlarını içermektedir. Artan BHY paso sayısı ile malzemelerin mikro sertlik değerlerinde kayda değer artış gözlemlenmiştir. Buna göre, sırasıyla Al2024 ve Al6061 katmanları için 1.5 ve 2 kata varan iyileşme seviyeleri kaydedilmiştir. Değişmeli katman mimarisine sahip kompozitin çekme dayanımı, iki geçişten sonra orijinal Al6061'in iki katından fazlasına denk gelen 320MPa, seviyesi üzerine ulaştı. Özellikle yüksek gerilme genliğinde, malzemenin yorulma ömrü de iyileşmiştir. Mikroyapısal incelemeler, BHY işleminde ortaya çıkan tane incelmesinin yanısıra çekme gerilmesi altındaki muhtemel kırılma mekanizmaları nı sergilemiştir. Ayrıca işlenik malzemelerin mekanik özellikleri kesme zımba testi vasıtası ile değerlendirilmiştir. Çekme ve kesme zımba deneyleri sonuçları arasındaki ilişki hesaplandı. Deneyler sonucu artan BHY paso sayısının kesme dayanımını arttırdığı fakat kesme uzamasını azalttığı gözlemlendi. Çekme ve kesme testi sonuçları dayanım ve süneklik açısından benzer eğilim ortaya çıkarmıştır. Bu nedenle, kesme zımba testinin BHY numunelerinin mekanik analizinde kullanışlı ve tamamlayıcı olduğu ileri sürülebilir. SEM mikrograflarına göre, çok pasolu BHY işleminde, önceki pasoda oluşan arayüz atomik difüzyon ve yüksek basınç sayesinde sonraki döngüde daha güçlü bir şekilde bağlanmaktadır. İlk BHY pasosu numunelere orta seviyede gerinim uygulamış ve mikro boşluklar ve çukurlar nedeni ile sünek kırılma sergilenmiştir. Geçiş sayısının arttırılmasıyla kırılma şekli kayma kopması ve çukurların varlığıyla sünek karakterde kalmıştır. Bununla birlikte, bu çukurların özellikle Al6061'de gözlenenlere kıyasla Al2024 katmanları için sığ ve uzamış olduğu gözlemlendi. İkinci kısımda üç BHY pasosunun ardından yapılan makro yapısal gözlemlerde IF çelik katmanlarında boyun verme ve kırılma tespit edildi. Ayrıca, beş BHY pasosu sonrasında, tüm IF/Al6061 istiflemeleri için alüminyum matris içinde homojen olarak dağılmış IF çelik öbeklere sahip çok katmanlı IF çelik /Al kompozit elde edilmiştir. Ancak, Al2024 ve IF çeliği sertliklerinin birbirine yakın olması, Al2024/IF çelik kompozitlerinde de benzer yapı oluşumunu engelledi. Böylece, üçüncü ve dördüncü pasolardan sonra katmanların sürekliliği, tüm IF/Al2024 istiflemeleri için kalmıştır. Dördüncü katman mimarisinin mikroyapı ve mekanik özellikleri, bir dizi ARB geçişi içinde analiz edildi.. Sonuçlar, farklı tüm kompozitlerin monotonik ve dinamik davranışlarının, ana alüminyum alaşımına kıyasla dikkate değer derecede arttığını ortaya çıkarttı. Ayrıca yüzeyinde alüminyum katmanlara sahip olan kompozitlerde, yorulma çatlaklarının yumuşaktan sert katmana doğru yayılırken ara bölgede dallanmasından dolayı en yüksek yorulma dayanımı gözlemlenmiştir. Numunelerin yorulma sonrası kırılma yüzeyleri ve çatlak ilerleme yolları taramalı elektron mikroskobu ile incelendi. Ayrıca, kırılma morfolojisi analizi, numunelerin dış katmanlardaki yüzey çatlakları nedeni ile değil, aslen ara yüz katmanlarında meydana gelen yorulma çatlakları nedeni ile kırıldığını göstermiştir. BHY işlemi sonlu elemanlar analizi kullanılarak simüle edildi. BHY katmanları boyunca gerilme ve eşdeğer gerinim dağılımları belirlenmiştir.Sonuçlar, sayısal benzetimler ile deneysel bulgular arasında dikkate değer bir örtüşme olduğunu göstermiştir. Son olarak, yüksek çevrimli yorulma analizleri yapılmış ve benzetim sonuçların ın, yorulma ömrü açısından ampirik verilerle iyi bir uyum içinde olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, beklendiği gibi, tüm koşullar için deneysel yorulma ömrü, değerlerinin benzetimelere göre daha düşük olması numunelerdeki mikro çatlaklara ve yüzey çiziklerine bağlanmıştır.