Development of Magnesium Based Hybrid Nanocomposite. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF OGUNLAKIN_NASIRUDEEN_MS_THESIS_.pdf Download (7MB) | Preview

Arabic Abstract

هذه الاطروحة تركز على تطوير المغنيسيوم تستند المهجنة التي يدخل فيها المغنسيوم بشكل اساسي مع خواص ميكانيكية محسنة. المغنسيوم شبه موحد الكثافة ومركبات المغنسيوم المدعمة بجزيئات النيكل الميكرونية الحجم ومركبات المغنسيوم المدعمة بجزيئات (اكسيد التيتانيوم) النانوية الحجم طورت بنجاح باستخدام طريقة ميتالوجيا المساحيق (او تعدين المساحيق) الاقتصادية التي تعتمد على الخلط والكبس وعملية التصليد الحراري ثم عملية السحب(البثق) الحار. الجزيئات النانوية المهجنة التي تحتوي على النيكل ب1.5% حجما واكسيد التيتانيوم بنسبة 0.33% حجما كانت قد طورت كذلك باستخدام تقنية(طريقة) مشابهة. مركبات المغنسيوم الموحدة المطورة والمدعمة تميزت لتحدد ثورة البناء الميكروني وتوزيع الجزيئات و مورفولوجيا الحبيبات باستخدام تقنيات ملائمة مثل حيود الاشعة السينية و المجهر الالكتروني الماسح و مجهر مجال انبعاث المسح الالكتروني. العينات كانت قد عرضت كذلك لاختبارات الصلابة المكرونية والصلابة الماكرونية والشد والكبس(الضغط) لتحديد تأثير التدعيمات على الخصائص الميكانيكية للمغنسيوم. توزيع دعائم جزيئات النيكل كانت موحدة بشكل جيد مع ارتباط جيد بين المكونات. النسبة الحجمية الضئيلة من جزيئات النيكل الداعمة حسنت مورفولوجيا الحبيبات وطورت بشكل واضح الصلابة ومقاومة الشد في مصفوفة المغنسيوم بدون التأثير على مقاومة الخضوع (التشوه). مع ذلك فان الطواعية قد تأثرت. مقاومة الشد كانت قد ازدادت بنسبة 21% تقريبا مع 26% نقص في اجهاد الكسر. التدعيمة غيرت طريقة الكسر بالشد لمصفوفة المغنسيوم من شبه الطواعية الى الهشاشة التي تطغى على سلوك الانكسار للنيكل. خصائص الكبس في درجة حرارة الغرفة للجزيئات النانوية الاصطناعية كشفت زيادة في مقاومة الخضوع ومقاومة الكبس 0.2% في المغنسيوم النقي الى 81% تقريبا و 23% تقريبا على التوالي مع نقص في اجهاد الانكسار بنسبة 18% تقريبا. في المغنيسيوم النانوية للمغنسيوم المدعمة باكسيد التيتانيوم, خصائص البناء النانوي للمركبات النانوية كشفت نقص واضح في حجم الحبيبات في المغنسيوم النقي مع اضافة الجزيئات النانوية لاكسيد التنتانيوم. خصائص الشد عند درجة حرارة الغرفة للمركبات النانوية الاصطناعية لم تكشف عن تطور واضح في خصائص القوة في المغنسيوم مع اضافة الجزيئات النانوية لاكسيد التيتانيوم, لوحظ اجهاد الانكسار للشد في المغنيسيوم النانوية المصنعة بأنه يفوق قليلا ذلك الذي وجد في المغنسيوم النقي و اجهاد الكسر الاقصى وصل الى 17% مع اضافة 0.33% حجما من اكسيد التيتانيوم. خصائص الكبس عند درحة حرارة الغرفة للمركبات النانوية كشفت زيادة في مقاومة الخضوع 0.2% ومقاومة الكبس(الضغط) للمغنسيوم النقي و لم يوجد تغير واضح في اجهاد الكسر. مع اضافة 1% حجمت من اكسيد التيتانيوم؛ مقاومة الخضوع لضغط الكبس 0.2% واجهاد الكسر للمغنسيوم النقي زادت بنسبة 65% و37% تقريبا على التوالي. مع اضافة الجزيئات النانوية لاكسيد التيتانيوم؛ فان تباين الخواص للمعنسيوم النقي الذي قد تم قياسه باستخدام تباين قيم الشد والكبس؛ وجد بأنه اقل من ذلك الذي لجزيئات المغنسيوم النقي المصنع ب 1 تقريبا كحد ادنى للمغنسيوم المخلوط مع 1% حجما من جزيئات النانو لاكسيد التيتانيوم. خصائص البناء الميكروني لمركبات المغنسيوم النانوية المهجنة كشفت عن نقاوة واضحة للحبيبات اكثر من تلك التي وجدت لجزيئات التدعيم الفردية من النيكل واكسيد التيتانيوم. الاضافة المتزامنة من النيكل بنسبة 1.5% حجما وجزيئات اكسيد التيتانيوم بنسبة 0.33% حجما طورت الصلابة ومقاومة الشد واجهاد الكسر لمصفوفة المغنسيوم بشكل واضح لكنها على العكس من ذلك اثرت على مقاومة الخضوع. خصائص الضغط عند درجة حرارة الغرفة للجزيئات النانوية المهجنة كشفت عن زيادة في مقاومة الخضوع للكبس 0.2% ومقاومة الكبس للمغنسيوم النقي حتى 112% و29% على التوالي مع نقص يساوي 12% في اجهاد الكسر

English Abstract

This thesis focused on development of magnesium based composite with enhanced mechanical properties. Near dense monolithic magnesium, micron sized nickel particle reinforced magnesium composite and TiO2 nanoparticle reinforced magnesium nanocomposite were successfully developed using the cost effective powder metallurgy process of blend-press-sinter followed by hot extrusion. Hybrid nanocomposite consisting of 1.5 volume% nickel and 0.33volume% TiO2 was also developed using similar technique. The developed monolithic and reinforced magnesium composites were characterized to determine the microstructural evolution, particle distribution and grain morphology using appropriate characterization techniques such as XRD, SEM and FE-SEM. The samples were also subjected to microhardness, macrohardness, tensile and compressive tests to determine the effect of the reinforcements on the mechanical properties of magnesium. The nickel reinforcement particles dispersion was reasonably uniform with good matrix-reinforcement interfacial integrity. The small volume fraction of elemental nickel particle reinforcement refined grain morphology and significantly improved the hardness and tensile strength of the magnesium matrix without affecting the yield strength. However, ductility was adversely affected. The tensile strength was increased by ∼21% with a ∼26% decrease in the fracture strain, the reinforcement changed the tensile fracture mode of magnesium matrix from pseudo-ductile to brittle mode dominated by nickel particle fracture. The room temperature compression properties of the synthesized nanocomposites reveal an increase in the 0.2% compressive yield strength and ultimate compressive strength of pure magnesium up to ∼81% and ∼23% respectively with a ∼18% decrease in the fracture strain. In the TiO2 reinforced magnesium nanocomposites, microstructural characterization of the nanocomposites reveal significant reduction in grain size of pure magnesium with addition of titanium oxide nanoparticles. The room temperature tensile properties of the synthesized nanocomposites revealed no significant improvement in the strength characteristics of magnesium with the addition of TiO2 nanoparticles, the tensile fracture strain of the synthesized nanocomposites was found to marginally surpass that of pure magnesium and a maximum fracture strain of ∼17% with the addition of 0.33 vol.% TiO2 was obtained. The room temperature compression properties of the synthesized nanocomposites reveal an increase in the 0.2% compressive yield strength and ultimate compressive strength of pure magnesium with no significant change in the fracture strain. With addition of 1.00 vol.% TiO2, the 0.2% compressive yield strength and the fracture strain of pure magnesium increased by ∼65%% and ∼37% respectively. With the addition of TiO2 nanoparticles, the level of anisotropy/asymmetry of pure magnesium measured using tensile compression asymmetry values was found to be lower than that of the synthesized pure magnesium and a minimum of ∼1 for Mg-1.00vol.% TiO2 nanocomposite was observed. The microstructural characterization of the magnesium hybrid nanocomposite reveals significant grain refinement beyond that of individual nickel and TiO2 particle reinforcements. The simultaneous addition of 1.5vol.% nickel and 0.33vol% TiO2 significantly improved the hardness, tensile strength and fracture strain of the magnesium matrix but with adverse effect on its the yield strength. The room temperature compression properties of the hybrid nanocomposites reveal an increase in the 0.2% compressive yield strength and ultimate compressive strength of pure magnesium up to ∼112% and ∼29% respectively with a ∼12 % decrease in the fracture strain

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Syed, Hassan Fida
Committee Members:	Saheb, Nouari and Tahar, Laoui
Depositing User:	NASIRUDEEN OGUNLAKIN (g201309470)
Date Deposited:	22 May 2016 08:52
Last Modified:	01 Nov 2019 16:33
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139924