To say how much decrease porosity r

To say how much decrease porosity rate within composite structure, experiment parameters like the liquid Al temperature, stirring speed, stirring time are changed, In the RVR, wide range of experiments can be made and this may be evaluated as a separate study.
The effective thermal conductivity of Al-MgO composites increases while the RVR decreases. The magnitude of the thermal flux is greater in the Al matrix while it is much lower with respect to this value in MgO particles
The effect of reinforcement volume ratio on porosity and thermal conductivity in al-mgo composites


Recep Calin, Muharrem Pul*; Zühtü Onur Pehlivanli
Department of Metallurgical and Materials Engineering, Kirikkale University, Kirikkale, Turkey


________________________________________
ABSTRACT
In this study, the effects of reinforcement volume ratios (RVR) on composite structure and thermal conductivity were examined in Al-MgO reinforced metal matrix composites (MMCs) of 5%, 10% and 15% RVR produced by melt stirring. In the production of composites, EN AW 1050A aluminum alloy was used as the matrix material and MgO powders with particle size of –105 µm were used as the reinforcement material. For every composite specimen was produced at 500 rev/min stirring speed, at 750 °C liquid matrix temperature and 4 minutes stirring time. Composite samples were cooled under normal atmosphere. Then, microstructures of the samples were determined and evaluated by using Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) analysis. In general, it was observed that the reinforcement exhibited a homogeneous distribution. Furthermore, it was determined that the increase in the RVR increased porosity. From the Scanning Electron Microscope images, a thermal Ansys model was generated to determine effective thermal conductivity. Effective thermal conductivity of Al-MgO composites increased with the decrease in reinforcement volume ratio.
Keywords: metal-matrix composites, melt stirring, microstructure, porosity, thermal conductivity
________________________________________


1. Introduction
Development of technology and increasing demands of industry have lead to an increase in research and development studies on the production of composites with different properties in recent years. This increase is attributed to the high strength of composite materials with low specific weight. Additionally, due to the possibility of their production in different combinations with desired strength levels and their high fatigue resistance, toughness, high temperature strength as well as high oxidation and wear resistances contributed in the increased utilization of composites1.
There are many different composite materials and production types which are further growing. Metal Matrix Composites (MMCs) is one of these composite materials. All engineering materials can be used as matrix for the production of MMCs. Aluminium, magnesium and their alloys are the most commonly used matrix materials in the production of MMCs due to their lightness and ductility. Materials like SiC, SiO2 , Al2O3 and MgO are generally preferred as reinforcement elements. In the production of MMCs, different methods such as casting, melt stirring, powder metallurgy, in-situ and infiltration are used. Melt stirring method has a good potential in all-purpose applications as it is a low cost MMCs production method2. To obtain a successful reinforcement process in the production of MMCs, the most important and effective criterion is the selection of the appropriate method and material as reported by the literature. Furthermore, in MMCs production with melt stirring method, increased Reinforcement Volume Ratio (RVR) and decreased particle size resulted more difficult production process and increased porosity and particle agglomeration3,4.
Many studies have been conducted on the distribution of reinforcement elements inside the composites and their effect on microstructure, porosity, hardness, abrasion behavior and rupture strength as well as the effect of stirring time and speed5-16. In this study, the effect of RVR on composite microstructure and thermal properties were examined in 5%, 10% and 15% MgO reinforced composites produced by melt stirring method.
There are various studies investigating the effects of RVR on mechanical and thermal properties in composites17,18. Thermal conductivity of composite materials has recently emerged as an important research topic. Several techniques have been developed recently for conductivity measurements. The flash technique has been widely used for determining thermal properties at wide ranges of temperatures19,20. In this technique, which is also employed in this study, the front surface of a small sample is subjected to a very short burst of high intensity radiant energy. Numerical techniques have also been used in literature which calculates these properties21-23, but the main change of principle in the numerical analysis carried out in this study is the use of real Scanning Electron Microscope (SEM) images.
Microstructure has also significant importance on thermal conductivity behavior. Thermal conductivity can be kept under control by means of microstructural modification24,25. This can be performed by modeling studies using real microstructure images. However, for the application of Finite Element (FE), the individual intrinsic thermal conductivity values of the phases (ke:effective thermal conductivity) need to be calculated. In this study, finite element method is used to investigate the effect of RVR on thermal conductivity in Al-MgO composites produced by melt stirring.

2. Experimental Study
Commercially pure aluminum alloy (EN AW 1050A) and Magnesia (MgO) with particle size of –105 µm were used respectively as liquid matrix and reinforcement elements in the production of composite specimens. The chemical compositions of matrix material Al and reinforcement element MgO are given in

For the production of composite specimens; matrix material Al was put in the crucible in
melting process was started and continued until the temperature of liquid matrix increased to 750 °C. Stirring apparatus was immersed in liquid metal and stirring was started. Stirring speed was gradually increased until 500 rev/min and MgO powder determined on the basis of RVR was added in liquid metal by a funnel during stirring process. After the addition of reinforcement element MgO in liquid matrix Al, the mixture was stirred about 4 minutes at 500 rev/min in order to allow homogenous distribution of MgO particles in the mixture. Subsequent to the completion of stirring, the crucible was taken out of the furnace, the liquid melt was poured in steel containers of 30 mm diameter was allowed to cool down at room temperature. Same processes were applied separately for each RVR.
Then, to examine microstructures and porosity of composite materials, SEM, EDS and optical microscope images were taken. Besides, porosity of the composites was determined by Buoyancy method which is based on Archimedes principle. Finally, the numerical model was set up by transforming the real SEM images. From these images, a thermal Ansys model was generated to determine effective thermal conductivity.

3. Results and Discussion
3.1. Microstructure properties and the effect of RVR on MgO particle distribution
SEM images of composite specimens with 5% MgO, 10% MgO and 15% MgO RVR produced by melt-stirring are given in Figure 2.
The SEM images indicate that generally, increased RVR in the specimens result improved homogeneous distribution of MgO particles. The white particles in microstructure images are MgO reinforcement elements. It is seen that reinforcement element was not disributed homogeneously in 5% MgO reinforced specimen (Figure 2a). This is possibly attributed to the partial agglomeration of the MgO particles and their exposure to sweeping during stirring in the low RVR. While the least homogeneous distribution of particles was recorded in 5% MgO reinforced specimen; homogeneity further improved in 10% MgO reinforced specimen (Figure 2b). and reached almost to that of the desired level in 15% MgO reinforced specimen (Figure 2c).
According to results; the liquid Al temperature of 750 °C was suitable and stirring speed of 500 rev/min and stirring time of 4 minutes were sufficient. Besides, the addition of MgO with the particle size of –105 µm into the Al matrix by melt stirring method was suitable and the composite specimens can be produced successfully.
To examine the behaviour in every part of the mould and to determine the level of homogeneity of reinforcement distribution, one piece of 10% MgO reinforced specimen was removed from the mould, polished with 1200 mesh emery paper and optical microscopic images from the top, central and bottom parts were taken. These images were given in Figure 3. Similar findings were also reported by Calin-Pul-Citak-Seker2.



As seen from the images in Figure 3, the reinforcement element MgO was generally distributed homogeneously. However, a slight increase in the reinforcement ratio towards the bottom parts is observed in the images. This situation can be clarified by precipitation of reinforcement during the cooling of liquid mixture due to its higher specific gravity than that of the matrix material Al.
3.2. The effect of RVR on the porosity structure
According to theoretical and experimental calculations results, porosity value is 3.99% in 5% MgO reinforced composite while porosity value is 4.16% in 10% MgO reinforced composite. The most porous structures are seen on the 15% MgO reinforced sample (4.42%). These values were given in Figure 4.



This also supports increasing amount of porosity on the SEM images depending on the RVR (Figure 5). Similar results were specified by Calin-Pul-Citak-Seker2.
EDS analyses were performed for the chemical identification of the reinforcement element MgO and matrix element Al in

Kết quả (Việt) 1:

Để nói bao nhiêu tỷ lệ giảm độ xốp bên trong cấu trúc hỗn hợp, thử nghiệm các tham số như nhiệt độ Al lỏng, khuấy tốc độ, khuấy thời gian được thay đổi, trong the River Near, rộng phạm vi của thử nghiệm có thể được thực hiện và điều này có thể được đánh giá là một nghiên cứu riêng biệt.Độ dẫn nhiệt hiệu quả của vật liệu tổng hợp Al-Ôxít magiê tăng trong khi River Near giảm. Tầm quan trọng của thông lượng nhiệt là lớn hơn trong ma trận Al trong khi đó là thấp hơn nhiều đối với giá trị này trong ôxít magiê hạtTác động của tăng cường khối lượng tỷ lệ vào độ xốp và nhiệt độ dẫn trong vật liệu tổng hợp al-Magiê ôxít Recep Calin, Muharrem Pul *; Zühtü Onur PehlivanliTỉnh luyện kim và vật liệu kỹ thuật, đại học Kirikkale, Kirikkale, Thổ Nhĩ Kỳ ________________________________________TÓM TẮTTrong nghiên cứu này, những tác động của tăng cường khối lượng tỷ lệ (RVR) trên cấu trúc hỗn hợp và độ dẫn nhiệt đã được kiểm tra trong tăng cường Al-Ôxít magiê kim loại ma trận composites (MMC) là 5%, 10% và 15% River Near được sản xuất bởi tan chảy khuấy. Sản xuất vật liệu tổng hợp, EN AW 1050A nhôm hợp kim được dùng làm vật liệu ma trận và ôxít magiê bột với kích thước hạt của –105 μm đã được sử dụng như là vật liệu tăng cường. Cho mỗi mẫu tổng hợp được sản xuất tại 500 rev/min khuấy tốc độ, 750 ° C lỏng ma trận nhiệt độ và 4 phút, khuấy thời gian. Mẫu tổng hợp được làm mát bằng nước trong khí quyển bình thường. Sau đó, microstructures của các mẫu được xác định và đánh giá bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ học tia x tán sắc năng lượng (EDS) phân tích. Nói chung, nó được quan sát thấy rằng tăng cường trưng bày một phân bố đồng nhất. Hơn nữa, nó đã được xác định rằng sự gia tăng trong River Near tăng độ xốp. Từ những hình ảnh kính hiển vi điện tử quét, một mô hình Ansys nhiệt được tạo ra để xác định độ dẫn nhiệt hiệu quả. Độ dẫn nhiệt hiệu quả của vật liệu tổng hợp Al-Ôxít magiê tăng với việc giảm tăng cường khối lượng tỷ lệ.Từ khóa: ma trận kim loại vật liệu tổng hợp, tan chảy khuấy, microstructure, độ xốp, độ dẫn nhiệt________________________________________ 1. giới thiệuPhát triển của công nghệ và các nhu cầu ngày càng tăng của ngành công nghiệp đã dẫn đến sự gia tăng trong các nghiên cứu nghiên cứu và phát triển sản xuất vật liệu tổng hợp với đặc tính khác nhau trong năm gần đây. Sự gia tăng này là do cường độ cao của các vật liệu composite với thấp trọng lượng cụ thể. Ngoài ra, do khả năng sản xuất của họ trong các kết hợp khác nhau với mức độ mong muốn sức mạnh và khả năng chống mệt mỏi cao, độ dẻo dai, nhiệt độ cao sức mạnh cũng như kháng oxy hóa và mặc cao đóng góp trong việc sử dụng gia tăng của composites1.Có rất nhiều khác nhau làm bằng vật liệu và sản xuất loại đang tiếp tục phát triển. Vật liệu ma trận tổng hợp kim loại (MMC) là một trong những vật liệu composite. Tất cả các tài liệu kỹ thuật có thể được sử dụng như là ma trận cho sản xuất của MMC. nhôm, magiê và các hợp kim của họ là hầu hết thường sử dụng vật liệu ma trận trong sản xuất của MMC do nhẹ nhàng và độ dẻo. Các vật liệu như SiC, SiO2, Al2O3 và ôxít magiê được nói chung ưa thích như là yếu tố tăng cường. Trong sản xuất của MMC, các phương pháp khác nhau chẳng hạn như đúc, tan khuấy, luyện kim bột, trong situ và xâm nhập được sử dụng. Phương pháp khuấy tan có một tiềm năng tốt trong các mục đích ứng dụng vì nó là một method2 sản xuất chi phí thấp của MMC. Để có được một quá trình tăng cường thành công trong việc sản xuất của MMC, các tiêu chí quan trọng nhất và hiệu quả là việc lựa chọn phương pháp thích hợp và vật liệu theo báo cáo của các tài liệu. Hơn nữa, ở MMC sản xuất với tan chảy khuấy phương pháp, tăng tăng cường khối lượng tỷ lệ (RVR) và kích thước hạt giảm dẫn đến quá trình sản xuất khó khăn hơn và tăng độ xốp và hạt agglomeration3, 4.Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên phân phối tăng cường các yếu tố bên trong các vật liệu tổng hợp và hiệu quả của họ trên microstructure, độ xốp, độ cứng, hành vi mài mòn và vỡ sức mạnh cũng như ảnh hưởng của thời gian khuấy và speed5-16. Trong nghiên cứu này, tác động của River Near composite microstructure và nhiệt thuộc tính đã được kiểm tra trong 5%, 10% và 15% Ôxít magiê gia cố vật liệu tổng hợp được sản xuất bởi tan khuấy phương pháp.Có rất nhiều cuộc nghiên cứu điều tra hiệu ứng của River Near trên các sản phẩm cơ khí và nhiệt ở composites17, 18. Độ dẫn nhiệt của vật liệu composite mới đã nổi lên như là một đề tài nghiên cứu quan trọng. Một số kỹ thuật đã được phát triển mới cho phép đo độ dẫn điện. Kỹ thuật flash đã được sử dụng rộng rãi để xác định các tính chất nhiệt ở rộng khoảng cách của temperatures19, 20. Trong kỹ thuật này, mà cũng được sử dụng trong nghiên cứu này, bề mặt trước của một mẫu nhỏ đối tượng một burst rất ngắn cường độ cao bức xạ năng lượng. Kỹ thuật số cũng đã được sử dụng trong văn học tính toán properties21-23, nhưng sự thay đổi của các nguyên tắc trong giải tích thực hiện trong nghiên cứu này là sử dụng thực sự kính hiển vi điện tử quét (SEM) hình ảnh.Microstructure cũng có tầm quan trọng đáng kể về độ dẫn nhiệt hành vi. Độ dẫn nhiệt có thể được lưu giữ dưới sự kiểm soát bằng phương tiện của microstructural modification24, 25. Điều này có thể được thực hiện bởi mô hình hóa nghiên cứu sử dụng hình ảnh thực sự microstructure. Tuy nhiên, ứng dụng phần tử hữu hạn (FE), các giá trị cá nhân nội tại nhiệt độ dẫn điện của các giai đoạn (ke:effective độ dẫn nhiệt) cần phải được tính. Trong nghiên cứu này, phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để điều tra ảnh hưởng của River Near trên độ dẫn nhiệt trong Al-Ôxít magiê vật liệu tổng hợp được sản xuất bởi tan khuấy. 2. thử nghiệm nghiên cứuHợp kim nhôm tinh khiết thương mại (EN AW 1050A) và Magnesia (Ôxít magiê) với kích thước hạt của –105 μm được sử dụng tương ứng như lỏng ma trận và tăng cường các yếu tố trong sản xuất tổng hợp mẫu vật. Các thành phần hóa học của vật liệu ma trận Al và yếu tố tăng cường Ôxít magiê được đưa ra trong Sản xuất mẫu vật hỗn hợp; vật liệu ma trận Al đã được đặt trong nồi nấu kim loại trong nóng chảy quá trình đã bắt đầu và tiếp tục cho đến khi nhiệt độ của chất lỏng ma trận tăng lên đến 750 ° C. Khuấy bộ máy được đắm mình trong kim loại chất lỏng và khuấy đã được bắt đầu. Khuấy tốc độ được dần dần tăng lên tới 500 rev/min và ôxít magiê bột được xác định trên cơ sở River Near đã được thêm vào kim loại lỏng bởi một ống khói trong quá trình khuấy. Sau khi việc bổ sung các yếu tố tăng cường các ôxít magiê trong chất lỏng ma trận Al, hỗn hợp được khuấy khoảng 4 phút tại 500 rev/phút để cho phép các phân phối đồng nhất các hạt Ôxít magiê trong hỗn hợp. Sau khi hoàn thành khuấy, nồi nấu kim loại đã được đưa ra khỏi lò, tan chảy chất lỏng được đổ trong thùng chứa bằng thép của 30 mm đường kính đã được cho phép để nguội xuống ở nhiệt độ phòng. Cùng một quá trình được áp dụng một cách riêng biệt cho mỗi River Near.Sau đó, kiểm tra microstructures và độ xốp của vật liệu composite, SEM, EDS và kính hiển vi quang học hình ảnh đã được thực hiện. Bên cạnh đó, độ xốp của các vật liệu tổng hợp đã được xác định bằng phương pháp nổi mà dựa trên nguyên tắc Archimedes. Cuối cùng, các mô hình số đã được thiết lập bởi chuyển đổi hình ảnh SEM thực sự. Từ những hình ảnh, một mô hình Ansys nhiệt được tạo ra để xác định độ dẫn nhiệt hiệu quả. 3. kết quả và thảo luận3.1. microstructure tài sản và ảnh hưởng của River Near Ôxít magiê hạt phân phốiHình ảnh SEM của các mẫu vật hỗn hợp với 5% Ôxít magiê, 10% Ôxít magiê và 15% Ôxít magiê River Near được sản xuất bởi khuấy tan được đưa ra trong hình 2.Hình ảnh SEM chỉ ra rằng nói chung, tăng River Near trong các mẫu vật dẫn đến cải thiện đồng nhất phân phối của ôxít magiê hạt. Các hạt màu trắng trong hình ảnh microstructure là Ôxít magiê cốt yếu tố. Nó được xem là yếu tố tăng cường đó đã không disributed homogeneously ở 5% Ôxít magiê gia cố mẫu (con số 2a). Điều này có thể là do kết tụ một phần của các hạt Ôxít magiê và tiếp xúc của họ để quét trong khuấy trong River Near thấp. Trong khi phân phối ít nhất là đồng nhất các hạt được thu âm trong 5% Ôxít magiê gia cố mẫu; tính đồng nhất tiếp tục cải tiến trong 10% Ôxít magiê gia cố mẫu (con số 2b). và đến gần với mức mong muốn trong 15% Ôxít magiê gia cố mẫu (hình 2c).Theo kết quả; nhiệt độ Al lỏng của 750 ° C là phù hợp và khuấy tốc độ 500 rev/min và khuấy thời gian 4 phút là đủ. Bên cạnh đó, việc bổ sung Ôxít magiê với kích thước hạt của –105 μm vào Al ma trận của tan chảy khuấy phương pháp là phù hợp và các mẫu vật hỗn hợp có thể được sản xuất thành công.Để kiểm tra các hành vi trong tất cả các phần của khuôn và để xác định mức độ tính đồng nhất của phân phối tăng cường, một mảnh của 10% Ôxít magiê gia cố mẫu đã được gỡ bỏ từ khuôn, đánh bóng với 1200 lưới emery giấy và quang học vi hình ảnh từ đầu, Trung và dưới cùng một phần đã được thực hiện. Những hình ảnh đã được đưa ra trong hình 3. Kết quả tương tự cũng đã được báo cáo bởi Calin-Pul-Citak-Seker2. Như đã thấy từ các hình ảnh trong hình 3, yếu tố tăng cường Ôxít magiê được thường phân phối homogeneously. Tuy nhiên, một sự gia tăng nhẹ trong tỷ lệ tăng cường hướng tới phần dưới cùng quan sát thấy trong hình ảnh. Tình trạng này có thể được làm rõ bởi mưa tăng cường trong quá trình làm mát hỗn hợp chất lỏng do của nó tỷ trọng cao hơn so với các vật liệu ma trận Al.3.2. tác động của River Near cấu trúc độ xốpTheo kết quả lý thuyết và thực nghiệm tính toán, giá trị độ xốp là 3,99% trong 5% Ôxít magiê gia cố composite trong khi giá trị độ xốp là 4,16% trong 10% Ôxít magiê gia cố composite. Các cấu trúc đặt xốp được nhìn thấy trên 15% Ôxít magiê gia cố mẫu (4,42%). Những giá trị này đã được đưa ra trong hình 4. Điều này cũng hỗ trợ số lượng ngày càng tăng độ xốp trên hình ảnh SEM tùy thuộc vào River Near (hình 5). Kết quả tương tự đã được chỉ định bởi Calin-Pul-Citak-Seker2.EDS phân tích được thực hiện để xác định hóa chất tăng cường nguyên tố Ôxít magiê và ma trận nguyên tố Al trong