Kwa Nini Chuma Kingi katika Mabaki ya Alumini Husababisha Tatizo?

Alumini inapochakatwa tena mara kwa mara, vipengele vya uchafu kama chuma vinaweza kujikusanya katika mfumo. Hasa katika aloi za Al-Mg-Si, kiwango kikubwa cha Fe huendeleza uundaji wa intermetalik dhaifu za Al-Fe-Si wakati wa kuganda.

Awamu kuu yenye Fe nyingi katika nyenzo ya awali ya utafiti ilitambuliwa kuwa:

β-Al₄.₅FeSi

.

Tatizo kuu la awamu hii si tu muundo wake wa kemikali, bali pia mofolojia yake.

Katika muundomikro wa awali ina:

• umbo refu kama sahani,
• pembe kali,
• matawi,
• muunganiko wa pande tatu

.

Chembe za aina hii huunda viwekaji vikubwa vya mkazo chini ya mzigo wa kimitambo na kurahisisha kuanza kwa nyufa.

AFSD ni Nini?

Additive Friction Stir Deposition ni mbinu ya utengenezaji nyongeza ya hali dhabiti ambapo metali huwekwa tabaka kwa tabaka bila kuyeyushwa kabisa, kwa kutumia joto la msuguano, shinikizo na deformesheni kali ya plastiki.

Katika mfumo wa twin-rod AFSD uliotumika katika utafiti huu, vijiti viwili vya malisho vyenye kipenyo cha 12,7 mm vililishwa kwa wakati mmoja ndani ya zana inayozunguka.

Masharti makuu ya mchakato:

• Joto lengwa: 420 ± 5 °C
• Kasi ya mzunguko: ilirekebishwa kikamilifu kati ya 250–400 rpm
• Rampa ya kuanzia: 400 rpm
• Traverse speed: 100 mm/min
• Feed force: 12.000 N
• Kasi ya malisho: takriban 25,5 mm/min
• Unene wa tabaka: takriban 2,0 mm
• Overlap kati ya njia mbili: takriban 6 mm

Vipimo vya mrundikano uliotengenezwa vilikuwa takriban:

170 × 77 × 74 mm

.

Kwa Nini AFSD Inayodhibitiwa kwa Joto Ilitumika?

Kulingana na chanzo, lengo la kuweka joto karibu na 420 °C lilikuwa kuunda historia ya joto inayodhibitiwa zaidi kati ya tabaka na kudhibiti vizuri zaidi utofauti wa muundomikro kuliko kutumia kasi ya mzunguko isiyobadilika pekee.

Katika tafiti nyingi za awali za AFSD:

• kasi ya mzunguko isiyobadilika,
• kasi ya kusogea isiyobadilika

zilitumika.

Katika utafiti huu, kasi ya mzunguko ilibadilishwa kikamilifu katika mchakato mzima ili joto la mchakato libaki karibu na thamani lengwa.

Muundomikro wa Nyenzo ya Awali Ulikuwaje?

Muundo wa kemikali wa nyenzo ya malisho ulikuwa takriban:

• Mg = 0,40 wt.%
• Si = 1,31 wt.%
• Mn = 0,11 wt.%
• Fe = 1,13 wt.%
• Ti = 0,01 wt.%
• salio Al

.

Ukubwa wa awali wa nafaka ulipimwa kuwa takriban:

227 µm

.

Uchambuzi wa TEM na SAED ulithibitisha kwamba awamu ya umbo la sahani ilikuwa β-Al₄.₅FeSi ya monokliniki.

Katika nyenzo ya awali pia kulikuwa na chembe zenye Mg na Si nyingi, huenda za aina ya Mg₂Si, lakini hakukuonekana ugumu dhahiri unaotokana na mashapo madogo ndani ya matriksi ya alumini.

Mbinu za uainishaji zilizotumika

Katika utafiti, muundomikro na sifa za kimitambo zilichunguzwa katika viwango vingi:

• Hadubini ya macho
• Upigaji picha wa SEM / BSE
• EBSD
• TEM
• STEM
• EDS
• SAED
• Ugumu mdogo
• Jaribio la mvutano
• Uhusishaji wa picha dijitali wa 3B

Hatua ya EBSD ilitolewa kuwa 0,3 µm.

Majaribio ya mvutano yalifanywa kwa kiwango cha nominal cha:

10⁻³ s⁻¹

cha deformesheni.

AFSD Ilibadilishaje Chembe za β-Al₄.₅FeSi?

AFSD ilivunja mtandao wa β-intermetalik uliokuwa umeungana na wenye pembe kali mwanzoni na kuugeuza kuwa chembe ndogo zaidi na zilizotawanyika zaidi.

Kulingana na chanzo, eneo la wastani la chembe lilipungua kwa:

takriban kiwango kimoja cha ukubwa

.

Baada ya AFSD, chembe kwa ujumla zilikuwa:

• zisizo na umbo la kawaida zaidi,
• zilizoshikamana/poligoni zaidi,
• zilizotengana,
• zilizosambazwa kwa usawa zaidi

.

Mabadiliko haya hayakuondoa kiwango kikubwa cha Fe.

Kile AFSD ilichofanya ni:

kubadilisha mofolojia hatari ya muundomikro badala ya kuondoa uchafu wa kemikali.

Je, kuna tofauti ya chembe kati ya track center na overlap?

Ndani ya tabaka moja, hakukuonekana tofauti dhahiri katika ukubwa wa chembe kati ya track center na eneo la overlap.

Matokeo haya yanaonyesha kuwa deformesheni kali ya shear chini ya zana inaweza kutoa kiwango sawa cha kuvunjika kwa intermetalik katika upana wa track.

AFSD Ilibadilishaje Utaratibu wa Kuvunjika?

Katika nyenzo ya awali, kuvunjika kulitokea kupitia kuungana kwa mikronyufa zilizotokea karibu na β-intermetalik kubwa.

Katika picha za SEM kulionekana:

• kutengana kwa intermetalik na matriksi,
• kuvunjika kwa intermetalik,
• mikronyufa mikubwa,
• necking ndogo

.

Katika nyenzo ya AFSD, kulionekana:

• ndege za kuvunjika za aina ya shear za takriban 45°,
• necking dhahiri,
• vijitundu vidogo,
• muundo mwingi wa dimple

.

Hali hii inaonyesha kuwa kuvunjika kulibadilika kutoka:

kupasuka kunakodhibitiwa na intermetalik dhaifu kwenda kuungana kwa vijitundu vidogo kwa namna yenye unyumbufu wa plastiki

.

AFSD Ilibadilishaje Utendaji wa Unyumbufu wa plastiki wa Nyenzo?

Kulingana na matokeo ya mvutano katika chanzo, baada ya AFSD, elongation na kupungua kwa eneo la sehemu viliongezeka kwa kiwango dhahiri ikilinganishwa na nyenzo ya awali.

Hasa, mrundikano wa AFSD ulikidhi:

E.L. > %24

hitaji la unyumbufu wa plastiki lililotolewa kwa EN AW-6016-T4.

Ugunduzi huu ni muhimu kwa dai la upcycling la utafiti.

Kwa sababu licha ya kiwango kikubwa cha Fe, nyenzo ilifaa zaidi kwa uwezo mkubwa wa deformesheni unaohitajika kwa:

• kuviringisha kwa baridi,
• kuviringisha kwa joto la kati,
• utengenezaji wa karatasi au bamba

.

Kwa Nini Tabaka la Juu ni Gumu na Imara Zaidi Kuliko Tabaka la Chini?

Kwa kuwa katika tabaka la juu ziliundwa mashapo za metastable zenye Mg–Si nyingi na umbo la sindano, huku mashapo kama hizo zikiwa hazipo katika tabaka la chini lililopashwa joto tena, eneo la TL lilionyesha ugumu na uimara wa juu zaidi.

Ugumu mdogo

Thamani bainifu za ugumu zilizotolewa katika chanzo:

• TL-center: 49,0 ± 1,3 HV
• TL-overlap: 48,5 ± 1,8 HV
• SS-center: 41,5 ± 0,6 HV
• SS-overlap: 43,1 ± 3,3 HV
• Tabaka la kwanza-center: 44,3 ± 1,6 HV
• Tabaka la kwanza-overlap: 43,5 ± 0,7 HV

Kwa nini maelezo ya Hall–Petch hayatoshi?

Katika track center, eneo la SS lina nafaka ndogo zaidi kuliko TL, lakini TL ni imara zaidi.

Kama ufinyanzi wa nafaka ungekuwa ndiyo sababu kuu:

SS ingepaswa kuwa imara zaidi.

Matokeo ya majaribio yameonyesha kinyume chake.

Kwa hiyo, chanzo kinahusisha ongezeko la uimara katika tabaka la juu hasa na ugumu unaotokana na mashapo.

Mashapo Zinawezaje Kuwa Zimeundwa Katika Tabaka la Juu?

Utaratibu uliopendekezwa na waandishi ni huu:

Deformesheni kali ya plastiki → kuundwa kwa vacancies nyingi → kupoa haraka → mkusanyiko wa Mg–Si na uundaji wa mashapo za metastable.

Tabaka la juu:

• hupitia deformesheni kali karibu na 420 °C,
• huzalisha vacancies nyingi za atomu,
• hupoa kwa kasi kiasi kwa hewa inayolazimishwa,
• kwa hiyo linaweza kuhifadhi mashapo.

Kwa nini hakuna mashapo katika tabaka la chini?

Tabaka za chini hupashwa joto tena mara kwa mara wakati tabaka zinazofuata zinapowekwa.

Chanzo kinapendekeza taratibu mbili zinazowezekana:

1. Kuyeyuka kwa mashapo za metastable zilizoundwa awali wakati wa kupashwa joto tena karibu na 350 °C.
2. Kupungua kwa msongamano wa vacancies nyingi na kuzuiwa kwa kinetics ya precipitation mpya kwa sababu hakuna deformesheni kali mpya wakati wa kupashwa joto tena.

Utaratibu huu umeonyeshwa katika Kielelezo 15 kwa mfuatano:

SPD → Cooling → Reheating → Post-reheat

.

Hata hivyo, waandishi wanasema hawakupima moja kwa moja kuyeyuka kwa mashapo katika historia halisi ya joto ya tabaka za chini; sehemu hii ni tafsiri ya utaratibu.

Kwa Nini Track Center na Eneo la Overlap Vinatofautiana?

Kwa sababu wakati wa AFSD joto chini ya zana, mwelekeo wa mtiririko wa nyenzo na hali ya deformesheni hubadilika katika upana wa track, maeneo ya track center na overlap huendeleza urejeshaji, recrystallization na miundo ya nafaka tofauti.

Track center

Katika eneo la track center huonekana:

• DRV zaidi,
• uwiano wa HAGB ulio juu zaidi,
• nafaka ndogo zaidi,
• shear + local compression

.

Overlap

Katika eneo la overlap kunaweza kuwa na:

• urejeshaji mdogo,
• strain hardening zaidi,
• usambazaji wa nafaka wenye utofauti zaidi,
• nafaka kubwa zilizobaki kutoka nyenzo ya awali

.

Kulingana na chanzo, mojawapo ya sababu kuu ni kupungua kwa kiasi kikubwa kwa joto kuelekea ukingo wa zana.

Je, Dynamic Recovery au Dynamic Recrystallization Ndiyo Inayotawala?

Katika utafiti huu, muundomikro wa AFSD kwa ujumla umetambulishwa kwa DRX ndogo na DRV dhahiri.

Tabia ya aluminium yenye stacking-fault energy kubwa inaunga mkono DRV.

Katika chanzo, DRX inaaminika kutokea kwa kiwango kidogo hasa kama continuous dynamic recrystallization — cDRX.

Kuonekana kwa nafaka mpya ndogo ndani ya nafaka kubwa zilizopitia deformesheni zaidi kunaunga mkono tafsiri hii.

Kwa nini DRX ni kidogo kuliko katika tafiti zilizopita?

Baadhi ya tafiti za awali za AFSD zilitumia:

• kasi za juu zaidi za mzunguko karibu na 600 rpm,
• traverse speed ndogo zaidi,
• joto la juu zaidi linalofikia karibu 550 °C

.

Katika utafiti huu, joto liliwekewa kikomo cha takriban:

420 °C

.

Joto la chini hupunguza uhamaji wa mipaka ya nafaka na kinetics ya DRX.

Kigezo cha Zener–Hollomon Kinaeleza Nini?

Chanzo kinatumia usemi huu kutathmini athari ya pamoja ya joto la deformesheni na kasi ya deformesheni:

\[ Z = \dot{\varepsilon}\exp\left(\frac{Q}{RT}\right) \]

.

Hapa:

• \(\dot{\varepsilon}\): kasi ya deformesheni,
• \(Q\): nishati ya uanzishaji wa deformesheni,
• \(R\): konstanti ya gesi,
• \(T\): joto kamili.

Strain-rate iliyokadiriwa katika chanzo ni takriban:

143,7–229,8 s⁻¹

.

Thamani za Z zimehesabiwa kuwa takriban:

10¹⁷–7 × 10²³ s⁻¹

.

Waandishi wanafasiri safu hii ya juu ya Z kuwa inalingana na deformesheni inayotawaliwa na DRV pamoja na cDRX ndogo.

Nyenzo Hutiririkaje Katika AFSD?

Kulingana na tafsiri ya chanzo, nyenzo haisogei kwa mtiririko wa mviringo wa mlalo pekee; hufuata njia ya helix ya pande tatu yenye sehemu inayoelekea chini chini ya zana.

Kwa hiyo, mwelekeo wa juu zaidi wa shear haubaki katika ndege ya DD–TD, bali huelekea kidogo upande wa BD.

Nafaka ndefu zilizoinama zinazoonekana katika EBSD zinaendana na modeli hii ya mtiririko wa pande tatu.

Je, Kuna Texture ya Pamoja Katika Maeneo Yote?

Ndiyo. Baada ya data ya overlap kuzungushwa kwa 90° ili kufidia mwelekeo wa mtiririko wa eneo na kisha kuchambuliwa, texture ya shear ya aina ya F ilionekana katika maeneo yote manne.

Kipengele cha pamoja:

F: {111}⟨121⟩

na sehemu yake ya eneo ni zaidi ya takriban %10 katika maeneo yote.

Kwa Nini Goss Texture Inaonekana Tu Katika Track Center?

Waandishi wanasema katika eneo la track center, pamoja na deformesheni ya shear, kuna deformesheni ya compression ya eneo inayotokana na kusukumwa chini kwa vijiti vya malisho, na hali hii ya ziada ya mkazo huendeleza Goss texture.

Kwa hiyo:

Track center = shear + compression

wakati:

Overlap = hasa shear

ndivyo inavyofasiriwa.

Kwa nini shear texture ni muhimu?

Kulingana na chanzo, katika aloi za Al-Mg-Si, texture za aina ya shear zinaweza:

• kuchelewesha strain localization katika unene,
• kuathiri vyema formability.

Kwa hiyo, F-shear texture inayoundwa kwa AFSD inaonekana kuwa na faida inayowezekana kwa kuviringisha na utengenezaji wa karatasi unaofuata.

Matokeo muhimu zaidi ya utafiti yanaonyesha kuwa katika alumini yenye Fe nyingi, muundomikro unaweza kufanywa ustahimilivu zaidi wa kimitambo hata bila kuondoa uchafu huo kwa njia ya kemikali.

AFSD hapa hufanya mambo matatu kwa wakati mmoja:

1. Huvunja mtandao dhaifu wenye Fe nyingi.
2. Hupanga upya muundo wa nafaka na texture.
3. Hubadilisha hali ya hali ya mashapo ya eneo.

Matokeo yake:

bidhaa ya kati yenye unyumbufu wa plastiki zaidi licha ya kubaki kwa kiwango kikubwa cha Fe

imepatikana.

Je, Matokeo Haya Yanathibitisha Kwamba Mabaki Halisi ya EOL Yamebadilishwa Moja kwa Moja Kuwa Karatasi?

Hapana. Nyenzo ya malisho iliyotumika katika chanzo si mkusanyiko halisi wa mabaki mchanganyiko ya mwisho wa maisha ya matumizi, bali ni aloi ya AA6016 iliyodhibitiwa na kuongezewa Fe katika maabara.

Zaidi ya hayo, utafiti haukujaribu moja kwa moja:

• kuviringisha kwa baridi kunakofuata,
• kuviringisha kwa joto la kati,
• uundaji wa karatasi,
• ubora wa uso,
• maisha ya fatigue,
• gharama ya kiwango cha viwanda

.

Kwa hiyo, hitimisho si:

“AFSD imethibitisha utengenezaji wa karatasi ya mwisho ya magari kutoka mabaki halisi”

.

Hitimisho sahihi zaidi ni:

“AFSD imeonyesha uwezo wa kubadilisha malisho ya Al-Mg-Si yenye Fe nyingi kuwa bidhaa ya kati iliyo duktili zaidi, inayostahimili uchafu na inayofaa zaidi kwa michakato ya baadaye ya thermomechanical.”

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• AFSD inaweza kuvunja kwa nguvu intermetalik za β-Al₄.₅FeSi.
• Eneo la chembe linaweza kupungua kwa takriban kiwango kimoja cha ukubwa.
• Kuvunjika kwa mtandao wa intermetalik kunaweza kuongeza unyumbufu wa plastiki kwa kiasi kikubwa.
• Baada ya AFSD, utaratibu wa kuvunjika unaweza kuwa wenye unyumbufu wa plastiki zaidi.
• Udhibiti wa joto unaweza kubadilisha mabadiliko ya mashapo kati ya tabaka.
• Tabaka la juu linaweza kuwa imara zaidi kutokana na uimarishaji kwa mashapo.
• Tabia tofauti za DRV/DRX zinaweza kuendelea katika maeneo ya track center na overlap.
• Mwelekeo wa mtiririko wa eneo unapozingatiwa, F-type shear texture inaweza kupatikana katika maeneo yote.

Matokeo yasiyoungwa mkono na utafiti

• AFSD haiondoi uchafu wa Fe kwa njia ya kemikali.
• Mabaki halisi mchanganyiko ya EOL hayakujaribiwa moja kwa moja katika utafiti huu.
• Utengenezaji wa karatasi wa kiwango cha viwanda haujakamilishwa.
• Haijaonyeshwa kwamba muundomikro sawa utatokea kwa vigezo vyote vya AFSD.
• Utaratibu wa kuyeyuka kwa mashapo katika eneo la SS haujathibitishwa kwa kipimo cha moja kwa moja cha joto.
• Utaratibu wa kuundwa kwa Goss texture haujathibitishwa kwa uchambuzi kamili wa finite-element/CFD.
• Tabia ya muda mrefu ya fatigue na kutu haikutathminiwa katika utafiti huu.