چكيده فارسي :
در سال¬هاي اخير تلاش¬هاي مداومي براي طراحي آلياژهاي آنتروپي بالاي با چگالي پايين انجام شده است. هدف اصلي از پژوهش حاضر طراحي و توسعه آلياژهاي پيچيده از نظر تركيب شيميايي، سبك وزن و با نقطه ذوب پايين، بر پايه سيستم آلياژي AlMgZnCuMn، به-كمك اصول آلياژهاي آنتروپي بالا است. در اين پژوهش ابتدا تركيب شيميايي چند آلياژ بر اساس پارامترهاي ترموديناميكي طراحي و آلياژها در كوره الكتريكي مقاومتي ساخته شدند. آلياژهاي توسعه¬يافته شامل آلياژ Mg35(Mg35Al35Zn15Cu10Mn5at.%) با چگالي gr/cm3 375/3 و آنتروپي J/K.mol 6/11، آلياژ Mg60(Mg60Al20Mn5Zn5Cu5Ti5at.%) با چگالي gr/cm3 44/2 و آنتروپي J/K.mol 2/10 و آلياژ Mg20(Mg20Al50Zn15Cu10Mn5at.%) با چگالي gr/cm3 84/3 و آنتروپي J/K.mol 083/11 بود. آلياژها در قالب¬هاي باقابليت‌هاي سرمايشي مختلف ريخته¬گري شده و سپس تحت عمليات حرارتي قرار گرفتند. تاثير تركيب شيميايي آلياژ، سرعت¬ سرمايش و عمليات حرارتي بر ساختار و خواص مكانيكي، پايداري حرارتي و مقاومت به اكسيداسيون آلياژها بررسي و مكانيزم¬هاي مربوطه مطالعه شد. نتايج نشان داد ساختار آلياژ Mg35 در همه سرعت¬هاي سرمايش، پيچيده، چند فازي و شامل تركيبات بين فلزي دوتايي Mg7Zn3، MgZn2، Cu2Mg و Al2Cu و تركيبات بين فلزي سه¬تايي Mg32(Al,Zn)49، Mg32Cu7Al47، Al25Mg37.5Zn37.5 و CuMgZn بود. سرعت سرمايش قالب به دليل پايداري ترموديناميكي تركيبات شكل¬گرفته در حين انجماد تأثير قابل¬ملاحظه¬اي بر شكل¬گيري فازها نداشت. عمليات حرارتي منجر به كاهش تعداد تركيبات بين فلزي و بهبود نسبي تردي آلياژها شد. سختي نمونه¬هاي مختلف اين آلياژ در محدوده HV 185-100 و استحكام فشاري آن¬ها در محدوده MPa 95 بود. استحكام فشاري آلياژ Mg35 در دماي ºC 350 تنها 5 درصد كاهش يافت كه نشان از پايداري حرارتي بالاي آلياژ طراحي‌شده دارد. ساختار آلياژ Mg60 شامل 60% حجمي فاز Al5Mg11Zn4 به¬عنوان فاز زمينه به همراه فازهاي محلول جامد ، AlCuMg و تركيب Al8Mn5 بود. سختي اين آلياژ در حدود HV 190 و استحكام فشاري آن در حدود MPa390 همراه با شكل¬پذيري بهتر در مقايسه با آلياژ اول بود كه علت آن كاهش تركيبات بين فلزي و كاهش پيچيدگي¬هاي فازي در مقايسه با آلياژ اول شناسايي شد. استحكام فشاري آلياژ Mg60 در دماي ºC300، 12% كاهش داشت. ساختار آلياژ Mg20 شامل حدود 46% محلول جامد Al و تركيب دوتايي AlZn به همراه فازهاي MgZn2 و AlCuMg و Al3Mn بود. سختي و استحكام فشاري اين آلياژ به ترتيب حدود HV 288 و MPa 500 به¬دست آمد و استحكام فشاري آن در دماي ºC 350 تنها 1 % كاهش نشان داد. علت افزايش سختي و استحكام اين آلياژ، كاهش پيچيدگي¬هاي ساختار شامل كاهش تركيبات بين فلزي و كاهش تعداد فازها و افزايش استحكام¬بخشي محلول جامد، و علت پايداري حرارتي بالاي آلياژ نيز پايداري فازهاي تشكيل‌شده ناشي از اثر آنتروپي بالا دانسته شد. با توجه به استحكام و شكل¬پذيري فشاري نسبتاً مناسب دو آلياژ Mg20 و Mg60 رفتار كششي اين آلياژها نيز بررسي شد. استحكام كششي براي آلياژ Mg60 در حدود MPa 100 و كرنش شكست كششي در حدود 2% بود. از طرفي براي آلياژ Mg20 استحكام كششي در حدود MPa 150 و كرنش شكست 5 % به دست آمد. درنهايت، آلياژ Mg20 ريخته¬گري شده در قالب مسي آبگرد با سختي HV 304، استحكام تسليم فشاري MPa 600، كارپذيري فشاري 9% و چگالي g/cm3 84/3 به¬عنوان آلياژ آنتروپي بالاي سبك‌وزن برتر در اين پژوهش انتخاب شد كه مي¬تواند به¬عنوان گزينه مناسبي در كاربردهاي سازه¬اي مطرح شود.
چكيده انگليسي :
Constant efforts have been made in recent years to design low-density high-entropy alloys. The main aim of the
present research is to design and develop lightweight and low-melting point chemically complex alloys based on the
AlMgZnCuMn alloy system using high entropy principles. In this research, first, chemical compositions of several
alloys were designed based on the known thermodynamic parameters, and a number of selected alloys were made in
a resistance electric furnace. Developed alloys include Mg35 alloy (Mg35Al35Zn15Cu10Mn5at.%) with density of
3.375 gr/cm3
and entropy of 11.6 J/K.mol, Mg60 alloy (Mg60Al20Mn5Zn5Cu5Ti5at.%) with density of 2.44 gr/cm3
and entropy of 10.2 J/K.mol and Mg20 alloy (Mg20Al50Zn15Cu10Mn5at.%) with density of 3.84 gr/cm3
and
entropy of 11.083 J/K.mol. The alloys were cast in molds of different cooling capacities and were then subjected to
heat treatment. The effect of alloy composition, cooling rate and heat treatment on the structure, mechanical
properties, thermal stability and oxidation resistance of the alloys were investigated, and the related mechanisms
were studied. The results showed that the structure of Mg35 alloy at all cooling rates was complex, multi-phase and
included Mg7Zn3, MgZn2, Cu2Mg and Al2Cu binary intermetallic compounds as well as Mg32(Al,Zn)49,
Mg32Cu7Al47, Al25Mg37.5Zn and CuMgZn ternary intermetallic compounds. The induced cooling rate of the mold
during freezing had no significant effect on the formation of phases due to the thermodynamic stability of the
formed compounds. The applied heat treatment led to a decrease in the number of intermetallic compounds and a
relative improvement in brittleness of the alloys. Hardness of different samples of this alloy was in the range of 100-
185 HV, and their compressive strength was around 95 MPa. Compressive strength of Mg35 alloy decreased only
5% at 350 ºC indicating the high thermal stability of the designed alloy. Structure of Mg60 alloy included 60vol.%
of Al5Mg11Zn4 phase as the matrix phase along with Mg solid solution, AlCuMg and Al8Mn5 phases. Hardness of
the alloy was about 190 HV and its compressive strength was about 390 MPa along with better ductility compared to
Mg35 alloy. These were attributed to reduction of the intermetallic compounds and reduced complexity of the
formed phases as compared to those of Mg35 alloy. Compressive strength of Mg60 alloy decreased by 12% at
300ºC. Structure of Mg20 alloy included about 46% Al solid solution and AlZn binary compound along with
MgZn2, AlCuMg and Al3Mn phases. Hardness and compressive strength of this alloy were obtained to be around
288 HV and 500 MPa, respectively, and its compressive strength showed a decrease of only 1% at 350 ºC. Increase
in hardness and strength of the alloy was attributed to decreased complexity of the structure, including reduction in
the intermetallic compounds and the number of phases and increased solid solution strengthening. Stability of the
formed phases due to the high entropy effects was considered as the reason for the high thermal stability of the alloy.
Due to the relatively suitable compressive strength and ductility of Mg20 and Mg60 alloys, their tensile behavior
was also investigated. The tensile strength and failure strain of Mg60 alloy were measured to be about 100 MPa and
2%, respectively. These were about 150 MPa and 5%, respectively, for Mg20 alloy. Finally, Mg20 alloy cast in
water cooled copper mold with hardness of 304 HV, compressive yield strength of 600 MPa, compressive
workability of 9% and density of 3.84 g/cm3 was selected as the superior lightweight high entropy alloy in this
research which may be considered a suitable candidate for structural applications
