مهندسی متالورژی

مهندسی متالورژی

بررسی تجربی رشد دانه، سختی و استحکام در مس خالص تجاری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
مصطفی جعفرزادگان 1
رضا تقی آبادی 2
محمد عمار مفید 3
ایوب سعیدی نژاد 4
1 گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران
2 گروه مهندسی مواد، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران
3 دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران مرکز
4 مهندسی مواد دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران
10.22076/me.2024.2032666.1405
چکیده
مس یکی از فلزات پرکاربرد صنعتی است که قابلیت جوشکاری مناسبی توسط روشهای ذوبی دارد؛ اما رشد دانه یکی از مشکلاتی است که در ناحیه متاثر از حرارت این فلز اتفاق افتاده و منجر به کاهش خواص مکانیکی اتصال می شود. برای محاسبه رشد دانه، ابتدا نیاز به برازش داده های تجربی به مدلهای ریاضی و محاسبه پارامترهای موجود می باشد. در این تحقیق رشد دانه مس خالص تجاری مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور نمونه های ورق مس به صورت همدما در دماهای 1123، 1173 و 1223 کلوین به مدت 10 تا 60 دقیقه در کوره نگهداری شدند. اندازه دانه متوسط از تجزیه و تحلیل تصاویر متالوگرافی تعیین شد و اندازه دانه دوبعدی با روش های محاسباتی به اندازه دانه سه بعدی تبدیل شد. برای برازش داده های اندازه دانه از مدل های سلارز و آنلی استفاده شد و پارامترهای رشد دانه برای هر دو مدل به دست آمد. تجزیه و تحلیل باقیمانده های نرمال شده نشان داد که میانگین نزدیک به صفر است و توزیع گاوسی دارند و به نظر می رسد هر دو مدل به طور قابل قبولی بر روی داده ها برازش می شوند. اندازه گیری خواص مکانیکی توسط آزمون ریزسختی سنجی و آزمون کشش انجام شد. مشاهده شد که رابطه سختی و استحکام تسلیم با اندازه دانه از رابطه هال-پچ تبعیت می‌کند و ثوابت مربوطه بدست آمد.
کلیدواژه‌ها
رشد دانه همدما
مس خالص تجاری
مدل سلارز
مدل آنلی
برازش منحنی
سختی
استحکام

عنوان مقاله English

Experimental investigation of grain growth, hardness and strength in commercially pure copper

نویسندگان English

Mostafa Jafarzadegan 1
Reza Taghiabadi 2
Mohammad Ammar Mofid 3
Ayoob Saeedinezhad 4
1 Materials Science Department, Faculty of Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
2 Faculty of engineering, Imam Khomeini International University (IKIU), Qazvin
3 Faculty of civil and earth resources engineering, Central Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
4 Materials scienceو, Faculty of engineering, Imam Khomeini International University (IKIU), Qazvin, Iran.
چکیده English

Copper is one of the most widely used industrial metals, which has a good weldability by fusion methods; but the grain growth is one of the problems that occurs in heat affected zone of this metal causing the decrease of mechanical properties of the joint. To calculate the grain growth, first of all, it is needed to fit the experimental data to mathematical models and calculate the existing parameters. In this research, the grain growth of commercially pure copper has been studied. For this purpose, the samples of copper sheet were isothermally held in furnace at the temperatures of 1123, 1173 and 1223 K for the times of 10 to 60 minutes. The average grain size was determined from the metallographic image analysis and the 2D grain size was converted to 3D grain size through the computational methods. Sellars and Anelli models were used to fit the data, and grain growth parameters were obtained for both models. The analysis of the normalized residuals showed that the mean is close to zero and they have a Gaussian distribution, and both models seem to fit reasonably to the data. Mechanical properties were measured by microhardness test and tensile test. It was observed that the relationship between hardness and yield strength with grain size follows the Hall-Patch relationship and the corresponding constants were obtained.

کلیدواژه‌ها English

Isothermal grain growth
Commercially pure copper
Sellars model
Anelli model
Curve fitting
Hardness
Strength
1-      Moravec J. Determination of the grain growth kinetics as a base parameter for numerical simulation demand. MM Science Journal. 2015;03:649-53.
2-      Kou S. Welding Metallurgy. Second Edition ed. New Jersey: Wiley; 2003.
3-      Lin C-K, Su Y-H, Hwang W-S, Lin G-R, Kuo J-C. On pinning effect of austenite grain growth in Mg-containing low-carbon steel. MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2018;34(5):596-606.
4-      Bourell DL, Kaysser W. Effect of nonisothermal heating or cooling on grain growth. Acta metall mater. 1993;41(10):2933-2937.
5-      Aval HJ, Serajzadeh S, Kokabi AH. Prediction of Grain Growth Behavior in HAZ During Gas Tungsten Arc Welding of 304 Stainless Steel. Journal of Materials Engineering and Performance. 2009;18:1193-200.
6-      Jiao S, Penning J, Leysen F, Houbaert Y, Aernoudt E. The Modeling of the Grain Growth in a Continuous Reheating Process of a Low Carbon Si–Mn Bearing TRIP Steel. ISIJ International. 2000;40(10):1035–40.
7-      JI HC, LI YM, MA CJ, LONG HY, LIU JP, WANG BY. Modeling of austenitic grain growth of 21-4N steel. METALURGIJA. 2019;58(1-2):83-6.
8-      ASM Specialty Handbook - Copper and Copper Alloys. USA, Materials Park: ASM International; 2001.
9-      Huang J, Xia J, Zhang H, Zhao X. Microstructural Characteristics of a Stainless Steel/Copper Dissimilar Joint Made by Laser Welding. Metall Mater Trans A. 2013;44:3690.
10-  Naik SN, Walley SM. The Hall–Petch and inverse Hall–Petch relations and the hardness of nanocrystalline metals. Journal of Materials Science. 2020;55:2661–81.
11-  Schino AD, Barteri M, Kenny JM. Effects of grain size on the properties of a low nickel austenitic stainless steel. Journal of Materials Science. 2003;38(23):4725-33.
12-  GHAURI IM, BUTT MZ, RAZA SM. Grain growth in copper and alpha-brasses. JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE. 1990;25:4782-4.
13-  Vogel S, Klimanek P. Computer-Aided Investigation of Isothermal Grain Growth in Copper and Brass. Materials Science Forum. 1996;204-206:449-54.
14-  Lu L, Tao NR, Wang LB, Ding BZ, Lu K. Grain growth and strain release in nanocrystalline copper. J Appl Phys. 2001;89(11):6408-14.
15-  Wu W, Ernur D, Brongersma SH, Hove MV, Maex K. Grain growth in copper interconnect lines. Microelectronic Engineering. 2004;76:190–4.
16-  Zhu KN, Ruan Q, Godfrey A. The kinetics of grain growth in near-micrometre grain size copper produced by spark plasma sintering, 36th Risø International Symposium on Materials Science; Risø, Denmark 2015, 1-6.
17-  Wu B, Chen B, Zou Z, Liao S, Deng W. Thermal Stability of Ultrafine Grained Pure Copper Prepared by Large Strain Extrusion Machining. Metals. 2018;8(381):1-13.
18-  Caron RN, Barth RG, Tyler DE. Metallography and Microstructures of Copper and Its Alloys. In: Voort GFV, editor. ASM Handbook. 9: ASM International; 2004. p. 775–88.
19-  Xu D, Ji C, Zhao H, Ju D, Zhu M. A new study on the growth behavior of austenite grains during heating processes. Scientific Reports. 2017;7:1-13.
20-  Chen R, Zheng Z, Li J, Li N, Feng F. In Situ Investigation of Grain Evolution of 300M Steel in Isothermal Holding Process. Materials. 2018;11:1-14.
21-  SHIRDEL M, MIRZADEH H, PARSA MH. Microstructural Evolution During Normal/Abnormal Grain Growth in Austenitic Stainless Steel. Metall Mater Trans A. 2014;45A:5185-93.
22-  Mishra S, DebRoy T. Non-isothermal grain growth in metals and alloys. Materials Science and Technology. 2006;22(3):253-78.
23-  BANERJEE K, MILITZER M, PEREZ M, WANG X. Nonisothermal Austenite Grain Growth Kinetics in a Microalloyed X80 Linepipe Steel. Metall Mater Trans A. 2010:1-12.
24-  Hughes IG, Hase TPA. Measurements and their Uncertainties: a practical guide to modern error analysis: Oxford University Press; 2010.
25-  Standard test method for tension testing of metallic materials. ASTM E 8M-99: ASTM; 1999.
26-  Humphreys FJ, Hatherly M. Recrystallization and Related Annealing Phenomena 2nd ed: Elsevier Ltd.; 2004.
27-  Prokoshkina D, Esin VA, Wilde G, Divinski SV. Grain boundary width, energy and self-diffusion in nickel: Effect of material purity. Acta Materialia. 2013;61:5188-97.
28-  Kim B-N, Hiraga K, Morita K. Kinetics of Normal Grain Growth Depending on the Size Distribution of Small Grains. Materials Transactions. 2003;44(11):2239-44.
29-  Devra VK, Maity J. Solute drag effect on austenite grain growth in hypoeutectoid steel. Philosophical Magazine Letters. 2020;100(6):245-59.
30-  Cordero ZC, Knight BE, Schuh CA. Six decades of the Hall–Petch effect – a survey of grain-size strengthening studies on pure metals. International Materials Reviews. 2016;61(8):495-512.

  • تاریخ دریافت 28 خرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 15 شهریور 1403
  • تاریخ پذیرش 25 مهر 1403