Investigation on the mechanical properties of stir-cast Al7075-T6-based nanocomposites with microstructural and fractographic surface analysis

Cover Page

Cite item

Abstract

Introduction. Aluminum-based metal matrix composites (MMCs) have garnered considerable attention recently due to their enhanced mechanical properties, making them suitable for a wide range of industrial applications. While other methods exist for incorporating reinforcements into the base metal, stir casting is a particularly efficient process as it promotes a more uniform distribution of reinforcement particles throughout the matrix. The purpose of this work. It has been demonstrated that adding silicon carbide (SiC) reinforcements to alloys from the 7XXX series enhances their fatigue strength. The impact of SiC reinforcements on the mechanical properties of A356 composites, such as elongation, compressive strength, tensile strength, and hardness, has also been investigated. However, there is a need for more research on how hybrid reinforcement particles affect the mechanical properties of Al7075-T6 alloy. Methods. Considering the broad application spectrum of aluminum matrix composites (AMCs) in the automotive and aerospace sectors, this study examines the influence of varying ratios of nano-sized SiC and graphene reinforcements on the hardness and tensile strength of stir-cast Al7075-T6 aluminum alloy. The scanning electron microscopy — energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) analysis of the composites' microstructural and fractographic surfaces is also included. The objectives of this work are to develop lightweight, high-performance hybrid metal matrix nanocomposite materials and to explore the feasibility of integrating graphene and SiC nanoparticles into Al7075 alloy. Particular emphasis is placed on the discussion of the mechanical characteristics of these hybrid materials. Results and discussion. This study found that mechanical stirring improved the bonding, wetting, and cohesion between the reinforcements and matrix while reducing porosity. Compared to composites produced without stirring, stirred composites exhibited improved strength and toughness due to microstructural changes. The study suggests that appropriate mixing strategies can significantly impact the mechanical properties and surface morphology of Al7075 nanocomposites. The results indicated that the hybrid reinforcement nanoparticles significantly improved both the hardness and tensile strength of the Al7075-T6 alloy. Moreover, a distinct correlation between the ratio of silicon carbide to graphene nanoparticles and the mechanical properties of the specimens was observed. Specifically, an Al7075 specimen reinforced with 0.5 wt.% graphene and 3 wt.% silicon carbide nanoparticles demonstrated superior hardness and tensile strength compared to unreinforced Al7075 and other combinations of silicon carbide and graphene nanoparticles considered in this study. With a 0.5 wt.% graphene content and 1–3 wt.% SiC content, the Al7075-based nanocomposites consistently exhibited a well-defined grain structure with distinct, continuous grain boundaries. The resulting finely dispersed nanoparticles, ranging in size from 62.57 to 91.54 nm, facilitated effective load transfer, grain refinement, and impeded dislocation motion, leading to enhanced mechanical properties. An Al7075-based nanocomposite exhibited superior mechanical performance characterized by a dense, dimpled surface featuring uniform microvoids and minimal particle pull-out. This behavior was attributed to ductile fracture resulting from strong matrix-reinforcement bonding and efficient load transfer. Consistent with these observations, the study indicates that the mechanical behavior of hybrid Al7075-based nanocomposites is significantly influenced by the reinforcement ratio, particle size, and dispersion quality. This information is valuable for advanced industrial applications. The study further demonstrates that a balanced combination of graphene and silicon carbide nanoparticle reinforcements can enhance the mechanical properties of Al7075, emphasizing the need for further investigation into these synergistic effects.

About the authors

Suhas Patil

Department of Mechanical Engineering, Vishwakarma Institute of Information Technology, Affiliated to Savitribai Phule Pune University

Email: suhas.221p0007@viit.ac.in
ORCID iD: 0000-0002-2965-1531
Scopus Author ID: 58105134600
ResearcherId: NCV-6446-2025
https://scholar.google.com/citations?user=XE_Xx74AAAAJ&hl=en&authuser=2

Ph.D. (Engineering), Research Scholar

India, Pune – 411048, India

Satish Chinchanikar

Department of Mechanical Engineering, Vishwakarma Institute of Technology, Affiliated to Savitribai Phule Pune University

Author for correspondence.
Email: satish.chinchanikar@vit.edu
ORCID iD: 0000-0002-4175-3098
Scopus Author ID: 55573644700
ResearcherId: AAR-7619-2021
https://scholar.google.com/citations?user=iRzKOQEAAAAJ

D.Sc. (Engineering), Professor

India, Pune – 411037, India

References

  1. Ajithkumar J.P., Xavior M.A. Cutting force and surface roughness analysis during turning of Al 7075 based hybrid composites // Procedia Manufacturing. – 2019. – Vol. 30. – P. 180–187. – doi: 10.1016/j.promfg.2019.02.026.
  2. An investigation of the mechanical, thermal and electrical properties of an AA7075 alloy reinforced with hybrid ceramic nanoparticles using friction stir processing / A.B. Khoshaim, E.B. Moustafa, M.A. Alazwari, M.A. Taha // Superalloys. – 2023. – Vol. 13 (1). – P. 124. – doi: 10.3390/met13010124.
  3. Ultrasound-assisted liquid-phase synthesis and mechanical properties of aluminum matrix nanocomposites incorporating boride nanocrystals / B. Ma, I. Gómez?Recio, L. Mazerolles, P. Mazeran, C. Sanchez, S. Delalande, D. Portehault // Small. – 2021. – Vol. 18 (4). – P. 2104091. – doi: 10.1002/SMLL.202104091.
  4. Microstructure, mechanical properties, and thermal stability of Al-Al2O3 nanocomposites consolidated by ECAP or SPS from milled powders / A. Lacour-Gogny-Goubert, V. Doquet, M. Novelli, A. Tanguy, S. Hallais, J. Bourgon, B. Villeroy, R. Massion // Metals. – 2023. – Vol. 13 (5). – P. 825. – doi: 10.3390/met13050825.
  5. Ujah C.O., Kallon D.V.V. Trends in aluminium matrix composite development // Crystals. – 2022. – Vol. 12 (10). – P. 1357. – doi: 10.3390/cryst12101357.
  6. Mechanical and tribological properties of aluminum-based metal-matrix composites / A. Lakshmikanthan, S. Angadi, V. Malik, K.K. Saxena, C. Prakash, S. Dixit, K.A. Mohammed // Materials. – 2022. – Vol. 15 (17). – P. 6111. – doi: 10.3390/ma15176111.
  7. Aynalem G.F. Processing methods and mechanical properties of aluminium matrix composites // Advances in Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 220 (1). – P. 3765791. – doi: 10.1155/2020/3765791.
  8. Mechanical properties of AA2024 aluminum/MWCNTs nanocomposites produced using different powder metallurgy methods / F. Stergioudi, A. Prospathopoulos, A. Farazas, E.Ch. Tsirogiannis, N. Michailidis // Metals. – 2022. – Vol. 12 (8). – P. 1315. – doi: 10.3390/met12081315.
  9. Stir casting process analysis and optimization for better properties in Al-MWCNT-GR-based hybrid composites / K. Shivalingaiah, V. Nagarajaiah, C. Selvan, S. Kariappa, N. Chandrashekarappa, A. Lakshmikanthan, M. Chandrashekarappa, E. Linul // Metals. – 2022. – Vol. 12 (8). – P. 1297. – doi: 10.3390/met12081297.
  10. Ratna Kumar G.E.V., Senthil Kumar K, Ranga Babu J.A. A Review on fabrication and mechanical characterization of particulate reinforced Al-7075 metal matrix composites/hybrid composites // Journal of Advanced Research in Applied Sciences and Engineering Technology. – 2023. – Vol. 34 (2). – P. 62–71. – doi: 10.37934/araset.34.2.6271.
  11. Characterization of hybrid silicon carbide and boron carbide nanoparticles-reinforced aluminum alloy composites / L. Poovazhagan, K. Kalaichelvan, A. Rajadurai, V. Senthilvelan // Procedia Engineering. – 2013. – Vol. 64. – P. 681–689. – doi: 10.1016/j.proeng.2013.09.143.
  12. Mechanical properties and morphology of aluminium metal matrix nanocomposites-stir cast products / Md. T. Alam, A.H. Ansari, S. Arif, Md. N. Alam // Advances in Materials and Processing Technologies. – 2017. – Vol. 3 (4). – P. 600–615. – doi: 10.1080/2374068X.2017.1350543.
  13. Characterization and machinability studies of aluminium-based hybrid metal matrix composites – A critical review / S.P. Patil, S.S. Kore, S.S. Chinchanikar, S.Y. Waware // Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences. – 2023. – Vol. 101 (2). – P. 137–163. – doi: 10.37934/arfmts.101.2.137163.
  14. Waware S.Y., Kore S.S., Patil S.P. Heat transfer enhancement in tubular heat exchanger with jet impingement: A review // Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences. – 2023. – Vol. 101 (2). – P. 8–25. – doi: 10.37934/arfmts.101.2.825.
  15. Innovative heat transfer enhancement in tubular heat exchanger: An experimental investigation with minijet impingement / S.Y. Waware, S.S. Kore, A.S. Kurhade, S.P. Patil // Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences. – 2024. – Vol. 116 (2). – P. 51–58. – doi: 10.37934/arfmts.116.2.5158.
  16. Kulkarni P., Chinchanikar S. A review on machining of nickel-based superalloys using nanofluids under minimum quantity lubrication (NFMQL) // Journal of the Institution of Engineers (India): Series C. – 2023. – Vol. 104 (1). – P. 183–199. – doi: 10.1007/s40032-022-00905-w.
  17. Chinchanikar S., Kore S.S., Hujare P. A review on nanofluids in minimum quantity lubrication machining // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 68. – P. 56–70. – doi: 10.1016/j.jmapro.2021.05.028.
  18. Kulkarni P., Chinchanikar S. Machining effects and multi-objective optimization in Inconel 718 turning with unitary and hybrid nanofluids under MQL // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2024. – Vol. 18 (68). – P. 222–241. – doi: 10.3221/IGF-ESIS.68.15.
  19. Kulkarni P., Chinchanikar S. Machinability of Inconel 718 using unitary and hybrid nanofluids under minimum quantity lubrication // Advances in Materials and Processing Technologies. – 2024. – Vol. 11 (1). – P. 421–449. – doi: 10.1080/2374068X.2024.2307103.
  20. Patil S.P., Ghadage K.L., Bhave S.V. Machinability studies of aluminium-based hybrid metal matrix composites – A critical review // International Journal of Advanced Research in Science, Communication and Technology. – 2023. – Vol. 3 (1). – P. 94–99. – doi: 10.48175/IJARSCT-9014.
  21. Advancements in aluminum matrix composites reinforced with carbides and graphene: A comprehensive review / M.A. Alam, H.B. Ya, M. Azeem, M. Mustapha, M. Yusuf, F. Masood, R.V. Marode, S.M. Sapuan, A.H. Ansari // Nanotechnology Reviews. – 2023. – Vol. 12 (1). – P. 20230111. – doi: 10.1515/ntrev-2023-0111.
  22. Recent development in graphene-reinforced aluminium matrix composite: A review / A. Md Ali, M.Z. Omar, H. Hashim, M.S. Salleh, I.F. Mohamed // Reviews on Advanced Materials Science. – 2021. – Vol. 60 (1). – P. 801–817. – doi: 10.1515/rams-2021-0062.
  23. A systematic review on the mechanical, tribological, and corrosion properties of Al 7075 metal matrix composites fabricated through stir casting process / M. Sambathkumar, R. Gukendran, T. Mohanraj, D.K. Karupannasamy, N. Natarajan, D.S. Christopher // Advances in Materials Science and Engineering. – 2023. – Spec. iss. – P. 5442809. – doi: 10.1155/2023/5442809.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».