High temperature mechanical characteristics of friction stir processed light alloys

Abstract

Friction stir processing (FSP) is a recently developed process for surface modification of light alloys that has expanded into applications other than microstructure refinement by the concept of fabricating metal matrix composites (MMCs). FSP as a severe plastic deformation method also enables the manufacturing of high strength materials. Although considerable research has been done to observe the microhardness and corrosion resistance of MMCs and FSPed alloys, rather less attention has been paid to the high temperature mechanical properties and fracture mechanisms of aforementioned materials. This study investigates fabrication of aluminum and magnesium MMCs via FSP and tracks the ambient and high temperature mechanical behavior of processed materials. In order to understand the effect of FSP parameters on the tensile behavior, experimental design methods were utilized. The microstructure evolution and distribution of dispersed particles were observed. It was shown that embedding SiC reinforcements improved the microhardness of FSPed samples up to 50% and 80% relative to the as-received Al2024 and AZ31 conditions. Ambient temperature tensile tests were performed and the results revealed that the yield strength of Al2024 samples improved about 2.5 folds, in relation with the refined microstructure after FSP with the expense of decreasing ductility to about 4%. While FSP decreased the yield strength of AZ31 to 80 MPa along with increasing ductility up to 26%. Therefore, formability of AZ31 sharply increased at room temperature. High temperature tensile tests were conducted at 300˚C under strain rates of 0.01 s-1, 0.001 s-1, 0.0001 s-1 and strain rate sensitivity (m) of both Al2024 and AZ31 were determined for all conditions. The results exhibited that m value of Al2024 increased up to 0.16 for FSPed sample while m value of AZ31/SiC MMC was stable at 0.21 for all interval strain levels. Fracture surface analysis after high temperature loading revealed that the mechanism at high strain rate is dominated by intergranular fracture for fine grained FSPed and MMC samples of Al2024, while the as-received sample is generally fractured by coalescence of microvoids even under high strain rate. On the other hand, the ductile fracture of fine grained FSPed samples represented by equiaxed and relatively deep micro voids were observed for AZ31, whereas the annealed and MMC samples revealed a relatively brittle fracture.Sürtünme karıştırma işleme, hafif alaşımların yüzey modifikasyonları için kullanılan bir teknik olmakla birlikte uygulama alanı genişleyerek metal matrisli kompozit üretimi için de kullanılmaya başlanmıştır. Metal matrisli kompozitler ve sürtünme karıştırma işleme yapılmış alaşımların mikrosertlik ve korozyon dayanımlarını gözlemlemeye yönelik kaydedeğer sayıda çalışma yapılmış olmasına rağmen, bu malzemelerin yüksek sıcaklık davranışları ve kırılma mekanizmalarıyla alakalı çalışmalara literatürde oldukça az rastlanmıştır. Bu çalışmada, sürtünme karıştırma işleme ile elde edilen alüminyum ve magnezyum metal matrisli kompozitler ve bunların oda sıcaklığı ve yüksek sıcaklıklardaki mekanik davranışları incelenmiştir. Sürtünme karıştırma işlemi parametrelerinin etkilerini anlamak için deney tasarım metotları kullanılmıştır. Çökelmiş partiküllerin mikroyapı gelişimi ve dağılımı incelenmiştir. SiC takviyeli metal matrisli kompozitlerin mikrosertlik değerlerinin başlangıç durumdaki Al2024 ve AZ31’e göre sırasıyla %50 ve %80 arttığı gözlenmiştir. Oda sıcaklığındaki çekme testlerinin sonuçlarına göre sürtünme karıştırma işleme sonrası mikroyapı incelmesiyle beraber Al2024 numunelerinin akma dayanımları 2.5 kat artmıştır. Sürtünme karıştırma işleme AZ31 numunelerinin akma dayanımlarını 80 MPa’ya düşürürken sünekliğini %26 artırmıştır, bu sayede AZ31’in oda sıcaklığındaki şekillendirilebilirliği de dikkate değer ölçüde artmıştır. Yüksek sıcaklıktaki testler 300°C’de ve 0.01 s-1, 0.001 s-1, 0.0001 s-1 gerinim hızlarında gerçekleştirilmiştir ve tüm koşullar için Al2024 ve AZ31’in gerinim duyarlılıkları belirlenmiştir. Sonuçlara göre Al2024’ün m değeri, sürtünme karıştırma işleme sonrası numunelerde 0.16’ya yükselirken; AZ31 numunelerinde tüm gerinim seviyelerinde 0.21 değerinde sabit kalmıştır. Yüksek sıcaklık yükleme sonrası yapılan kırılma yüzeyi analizi, başlangıç durumdaki Al2024 numunelerin genellikle yüksek gerinim hızında bile mikro boşlukların birleşimiyle kırılırken, yüksek gerinim hızında, sürtünme karıştırma işlemeye tabi tutulmuş ince taneli numuneleri için taneler arası kırılmanın egemen olduğunu ortaya koymuştur. Öte yandan, sürtünme karıştırma işleme sonrası AZ31 numunelerinin eş eksenli ve nispeten derin mikro boşluklu şekilde sünek kırıldığı gözlenirken, başlangıç durum ve metal matrisli kompozit numunelerin nispeten gevrek kırıldığı belirlenmiştir.