پایان نامه بررسی ساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت آلومینیوم پوشش داده شده با تیتانیا تولید شده با فرآیند نورد تجمعی
فهرست محتوا
چکیده:
در این تحقیق با استفاده از فرآیند اسپری پایرولیز بر روی ورقهای آلومینیوم 1100AA حجمهای متفاوتی از محلول مورد استفاده جهت لایه نشانی اکسید تیتانیم استفاده گردید و پس از لایه نشانی اکسید تیتانیم در مقیاسهای نانو و میکرون، اقدام به ساخت کامپوزیت 2TiO Al/ با استفاده از عملیات اتصال نوردی تجمعی با تشکیل ساندویچی از ورق آلومینیوم خالص با ورق آلومینیوم پوشش داده شده با 2TiO گردید. پس از نورد، سختی کامپوزیت، خواص مکانیکی و مشاهدات ریزساختاری، به ترتیب به کمک دستگاه میکرو سختی سنج، دستگاه کشش ومیکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به EDX مورد بررسی قرار گرفت. مشاهده گردید با افزایش محلول مورد استفاده جهت لایه نشانی اکسیدتیتانیم، ضخامت لایه افزایش پیدا کرده و منجر به تولیدکامپوزیتی با درصد حجمی بالاتر از اکسید تیتانیم شد. همچنین سختی کامپوزیت با افزایش سیکلهای نورد افزایش پیدا کرد. استحکام کششی، استحکام تسلیم واستحکام نهایی کامپوزیت با افزایش درصد حجمی تیتانیم، افزایش یافت ودرنهایت نتایج نشان داد که تغییرات خواص مکانیکی حین فرآیند ARB با تغییرات ریز ساختاری مطابقت دارد.
واژههای کلیدی: اتصالنوردتجمعی (ARB)، اسپری پایرولیز 2TiO، کامپوزیتهای زمینه فلزی، تغییر شکل پلاستیک شدید، استحکام پیوند
فهرست مطالب
- عنوان صفحه
- فصل 1 1
- مقدمه …………………………………………………………………………………………………….2
- فصل 2 مروری بر منابع 6
- 2-1- آلومینیوم ………………………………………………………………………..7
- 2-1-1- آلومینیوم خالص تجاری …………………………………………………………………7
- 2-2- تیتانیم و دی اکسید تیتانیم………………………………………………………………………8
- 2-3- کامپوزیتها …………………………………………………………………………………………….10
- 2-3-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………..10
- 2-3-2- نقش مواد مورد استفاده در زمینه………………………………………………….12
- 2-3-3- شکلهای مواد زمینه ……………………………………………………………………13
- 2-3-4- انواع مواد زمینه……………………………………………………………………………13
- 2-4- لایه نشانی با فرآیند اسپری پایرولیز …………………………………………………..14
- 2-4-1- فرآیند اسپری پایرولیز………………………………………………………………..14
- 2-5- تغییر شکل شدید پلاستیک ………………………………………………………………….16
- 2-5-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………….16
- 2-5-2- روشهای تولید مواد با اندازه دانه نانومتری …………………………….17
- 2-5-3- مزایای فرآیندهای تغییر شکل شدید پلاستیک …………………………….18
- 2-5-4-فرآیند نورد تجمعی……………………………………………………………………….21
- 2-6- اتصال ورقها در فرآیند نورد تجمعی…………………………………………………….23
- 2-7- پارامترهای مؤثر در فرآیند نورد تجمعی………………………………………………….25
- 2-7-1- شبکه کریستالی مواد ………………………………………………………………….25
- 2-7-2- وضعیت سطح …………………………………………………………………………….25
- 2-7-3- زبری سطوح ……………………………………………………………………………….25
- 2-7-4- ضخامت اولیه ورق ……………………………………………………………………..26
- 2-7-5- میزان کاهش سطح مقطع ……………………………………………………………26
- 2-7-6- دمای نورد ………………………………………………………………………………….26
- 2-7-7- سرعت نورد ……………………………………………………………………………….27
- 2-7-8- فشار اعمالی از سوی غلتکها …………………………………………………..27
- 2-7-9- اصطکاک بین غلتک و قطعه …………………………………………………………27
- 2-7-10- عملیات حرارتی بین سیکلی ………………………………………………………27
- 2-7-11- عملیات حرارتی پس از فرآیند ………………………………………………….28
- 2-8- تولید کامپوزیتها توسط فرآیند نورد تجمعی…………………………………………..28
- 2-9- سایر فرآیندها………………………………………………………………………………………29
- 2-10- خواص مواد بعداز تغییرشکل پلاستیک شدید ……………………………………31
- 2-11- نمونههایی از کاربرد مواد بعداز تغییر شکل پلاستیک شدید…………….32
- فصل 3 مواد و روش تحقیق 37
- 3-1- ماده اولیه مورد استفاده ……………………………………………………………………..38
- 3-2- تهیه لایههای نازک اکسیدتیتانیم به روش اسپری پایرولیز………………….38
- 3-3- فرآیندتهیه لایه هاوشرایط لایه نشانی…………………………………………………..40
- 3-4- تهیه محلول مورد نیاز برای لایه نشانی پاششی…………………………………..42
- 3-5- شرح عملیات اسپری پایرولیز ………………………………………………………………42
- 3-6- شرح عملیات نورد تجمعی…………………………………………………………………….44
- 3-7- بررسی ریز ساختار ……………………………………………………………………………47
- 3-7-1- عملیات متالوگرافی………………………………………………………………………47
- 3-7-2- مشاهده ساختار میکروسکوپی……………………………………………………48
- 3-8- میکروسختی سنجی …………………………………………………………………………….48
- 3-9- آزمون کشش تک محور……………………………………………………………………….49
- 3-9-1- آماده سازی نمونههای آزمون کشش ……………………………………….49
- 3-9-2- انجام آزمون کشش تک محور ……………………………………………………50
- فصل 4 نتایج و بحث 51
- 4-1- تأثیر زبری سطح بر استحکام اتصال ………………………………………………….52
- 4-2- لایه تیتانیای تولید شده توسط فرآیند اسپری پایرولیز………………………..53
- 4-3- بدست آوردن درصد وزنی 2TiO در ساخت کامپوزیت 2TiO – Al…………..60
- 4-4- مشاهدات ریزساختاری ……………………………………………………………………….62
- 4-5- بررسی خواص مکانیکی کامپوزیت 2TiO Al-………………………………………..66
- 4-5-1- نتایج تست میکروسختی………………………………………………………………66
- 4-5-2- نتایج تست کشش تک محوری…………………………………………………….67
- فصل 5 نتیجه گیری و پیشنهادات 70
- 5-1- نتیجه گیری ………………………………………………………………………………………….71
- 5-2- پیشنهادات ……………………………………………………………………………………………72
- مراجع 73
فصل اول
مقدمه
1-1- مقدمه
در طی دهههای گذشته، مواد نانو کریستال و فوق ریزدانه[1] (UFG) با اندازه دانه کمتر ازµm 1 توجه زیادی را به خود جلب کردهاند. مخصوصاً خواص مکانیکی آنها بر حسب استحکام و داکتیلیته، رفتار ممتازی در مقایسه با مواد دارای دانههای معمولی از خود نشان میدهد. در سالهای اخیر نیز، بررسی روشهای تولید و خواص مکانیکی مواد با ساختار فوق ریزدانه موضوع بسیاری از تحقیقات انجام شده در زمینهٔ علم مواد و علوم مرتبط با آن بوده است. این مواد خواص بینظیری همانند استحکام زیاد در دمای محیط، خاصیت سوپر پلاستیک در دمای بالا و نرخ کرنش کم، مقاومت در برابر سایش، استحکام خستگی بالا و مقاومت عالی در برابر خوردگی از خود نشان میدهند.
روش تغییر شکل پلاستیک شدید[2] (SPD) به عنوان یکی از روشهای تولید مواد فوق ریزدانه مطرح میباشد. فرآیندهای تغییر شکل پلاستیک شدید به فرآیندهای شکلدهی فلزات گفته میشودکه در آنها به منظور تولید فلزات فوقریزدانه، کرنش پلاستیک خیلی بزرگی بر ماده وارد میشود. این فرآیندها در دمای پایینتر از دمای تبلور مجدد ماده انجام
میگردد. ویژگی مشترک و منحصر به فرد فرآیندهای SPD، ثابت بودن ابعاد و عدم تغییر شکل ظاهری ماده حین فرآیند میباشد، که در نتیجهٔ آن محدودیت در اعمال کرنش از بین میرود و دستیابی به کرنشهای بسیار بالا (در حدود هشت تا ده) در ماده به راحتی میسر است. به این ترتیب در اثر اعمال کرنش، امکان اصلاح ریزساختار، کاهش اندازهٔ دانهها تا مقیاس نانومتری و بهبود خواص مکانیکی نمونهٔ فلزی فراهم میآید، در حالی که شکل نمونه تغییری نکرده است. ویژگی دیگر این فرآیندها افزایش استحکام و اصلاح ساختار دانهها بدون اضافه کردن عناصر آلیاژی است. فلزات وآلیاژهای تغییر شکل پلاستیک شدید شده استحکام بالا و خواص خستگی و داکتیلیتهٔ خوبی را نشان میدهند]1[.
در میان شیوههای تغییر شکل پلاستیک شدید رایج در دهه اخیر، فرایند نورد تجمعی[3](ARB)، مرسومترین فرآیند برای تولید ورقهای فلزی با ساختار فوق ریزدانه
می باشدکه بوسیله آن میتوان کرنشهای پلاستیک بسیار بالایی در ورق فلزات برای تشکیل نانوساختار ها ایجاد کرد]1[. این فرآیند توسط Saito و همکارانش در سال 1998 ابداع شد. بعلاوه تولید ورق از مواد UFG با استفاده از فرآیند نورد تجمعی امکان نوید بخشی برای تولید کردن مواد کامپوزیتی با ساختار لایهای یا حتی چندلایهای را فراهم مینماید. بنابراین ایجاد چند لایهایهای مخصوص، چند انباشتیها و مواد درجه بندی شده با خواص مناسب با قراردادن انواع مختلف اجزاء، فیبرها و فویلها امکانپذیر میباشد. سودمندترین مشخصه این فرآیند کاربرد آن برای تولید پیوسته ورق بزرگ و حجیم فلزات است. مهمترین برتری فرآیند نورد تجمعی نسبت به دیگر فرآیندهای تغییر شکل پلاستیک شدید قابلیت تولید پیوستهٔ ورقهای فلزی فوقالعاده ریزدانه و در نتیجه از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه بودن آن است. در فرآیند نورد تجمعی، ورقی که توسط فرآیند نورد 50% کاهش ضخامت داده شده است، به دو قسمت بریده میشود و سپس این دو ورق روی هم قرار داده شده و نورد میشوند [2]. از آنجا که در فرآیند نورد تجمعی پروسهٔ ذکر شده در بالا را بدون محدودیت میتوان تکرار نمود، در نتیجه در این فرآیند قابلیت اعمال کرنش پلاستیک خیلی بزرگی بر ماده وجود دارد. قطعات نورد تجمعی شده دارای دانههای کشیده با مرزهای زاویه بزرگ و شامل مقدار زیادی نابجایی حاصل از تغییر شکل پلاستیک شدید میباشد.
مهمترین مزایای فرآیند نورد تجمعی عبارتند از: عدم نیاز به استفاده از تجهیزات شکلدهی با ظرفیت بار زیاد و همچنین قالبهای پرهزینه، نرخ تولید بالا و عدم محدودیت در تولید محصول زیاد]2[. در اکثر تحقیقات صورت گرفته از یک فلز یا آلیاژ برای فرایند نورد تجمعی استفاده شده است. در این مورد کامپوزیتهای زمینه آلومینیوم (AMC)[4] بطور فزایندهای در حوزههای هوایی فضایی، دریایی، خودرو، سرگرمی و ورزش کاربرد پیدا کردهاند. روشهای نورد تجمعی و (نوردسرد/عملیات حرارتی/نورد سرد)، دو فرآیند دما پایین جدید برای ساخت کامپوزیتهای چندلایهای هستند. در طی سالیان اخیر نورد تجمعی بطور موفقیت آمیزی برای تولید ساختارهای چندلایی سیستمهای دوفلزی شامل Al-Pt، Al-Al،Cu-Ag،Al-Cu بکار میرود. اما تا این زمان کار کوچکی برروی تولید سیستمهای 2TiO Al/ توسط نورد تجمعی انجام شده است. ذرات سرامیکی 2TiO در زمینه داکتیل Al میتواند منجر به خواص مطلوبی همچون افزایش استحکام، مدول الاستیستیه بالاتر، دمای سرویس بالاتر، مقاومت به سایش بهبود یافته، کاهش وزن قطعه، شوک حرارتی پایین، رسانایی حرارتی و الکتریکی بالا و ضریب انبساط حرارتی پایین در مقایسه با فلزات و آلیاژهای رایج شوند. به تازگی چندین شیوه برای تولید کامپوزیتهای زمینه آلومینیومی استفاده میشود همچون متالورژی پودر، فورج فلز مذاب، اسپری فورمینگ و فرآیندهای نورد تجمعی.
در این پژوهش فرآیند نورد تجمعی روی نوارهای آلومینیوم پوشش داده شده با اکسید تیتانیم برای تولید کامپوزیت 2TiO Al- بکار گرفته میشود وریز ساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت تولید شده مورد بررسی قرارمی گیرد. با استفاده از این فرایند ذرات 2TiO موجود در پوشش، شکسته شده و در زمینه Al پخش میگردد. از آنجایی که اعمال فرایند نورد تجمعی در کسرحجمی بالا از ذرات 2TiO بصورت قرار دادن لایهای از پودر 2TiO در بین ورقهای Al امکانپذیر نیست]3[، به کمک شیوه پوشش دهی میتوان ساخت این کامپوزیت را به روش نورد تجمعی در کسر حجمی بالا میسر کرد. در انتها ویژگی کامپوزیت تولید شده به کمک این فرآیند شامل ریزساختار، حد نهایی تغییر شکل وسختی بررسی میگردد.
در این پژوهش تعدادی ورق آلومینیوم خالص تجاری 1100AA در اندازه
mm1 ×mm 50 ×mm 100 موازی باجهت نورد برشکاری شده و عملیات پوشش کاری اکسیدتیتانیم توسط فرآیند اسپری پایرولیز در سایز پوشش مختلف انجام گرفت. پس از ایجاد پوشش مورد نظر بر سطح ورق وانجام عملیاتهای آماده سازی، عملیات نورد تجمعی ورقهای یک سطح پوشش داده شده تحت حالتهای مختلف شامل: ایجاد ساندویچ ورق بدون پوشش همراه با ورق یک سطح پوشش، ساندویچ دو ورق یک سطح پوشش بر روی هم و ساندویچ چند لایهای دو ورق یک سطح پوشش با لایه واسط ورق بدون پوشش تا 8 پاس توسط دستگاه نورد دوغلتکه تحت نورد با 50% کاهش ضخامت انجام گرفت. نمونه چند لایی حاصل شده از وسط در راستای طولی نصف گردیده و دو سطح نصف شده مجدداً بصورت ساندویچ روی هم گذاشته شده و تحت نورد قرار گرفت. فرآیند تا هشت سیکل به همین ترتیب انجام شد. در پایان عملیات نورد تجمعی، تستهای مختلف مکانیکی برای سنجش خواص مکانیکی کامپوزیت بدست آمده شامل تستهای میکروسختی سنجی، تست کشش و مشاهدات ریز ساختاری به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به EDX از نمونههای گرفته شده از هر پاس انجام شد.
در فصل دوم به معرفی کامپوزیتها، فرآیند اسپری پایرولیز، فرآیندهای مختلف تغییر شکل شدید پلاستیک، فرآیند نورد تجمعی و پارامترهای مؤثر بر این فرآیند پرداخته شده است. در فصل سوم روش لایه نشانی دی اکسید تیتانیم (تیتانیا) برروی ورق 1100Al بکمک فرآیند اسپری پایرولیز، شرح عملیات نورد تجمعی انجام شده و آزمونهای مختلف انجام گرفته برروی کامپوزیت توضیح داده شده است. فصل چهارم به بررسی لایه تیتانیای تولید شده بکمک فرآیند اسپری پایرولیز و بدست آوردن درصد وزنی کامپوزیت تولید شده، خواص مکانیکی آن و بررسی خواص بدست آمده در این کامپوزیت پرداخته است. فصل پنجم نیزبه نتیجه گیری و پیشنهادات مربوط میشود.
Abstract:
In this study, spray pyrolisys process was used for spray coating of Tio₂ on sheets of Al 1100 in different volumes of Applied solution and after of spray coating in the nano and micron scales,the composite of Al/Tio₂ was manufactured by using of Accumulative Roll Bonding process with forming a sandwich as a pure Aluminum sheet on Tio₂ coated Aluminum sheet.After rolling,the hardness of the composite,mechanical properties and microstructural observations was studied by microhardness testing machine,tensile machine and scanning electron microscope equipped with EDX,respectively.It was observed that with increase of solution used for spray coating of Tio₂, thickness of layer increased and finally it gives composite with higher volume percent of Tio₂ and inceases the hardness of composite with rising up the number of rolling cycles.Tensile strength,yield strength and ultimate strength increase with rising up volume percent of Tio₂.Eventually the results showed that transformation of mechanical properties during the ARB process, corresponded to changes in the microstructure.
Keywords: Accumulative Roll Bonding,Spray Pyrolisys of Tio₂,Metal Matrix Composites,Severe Plastic Deformation,Bonding Strength.
2-Aluminum Matrix Composite
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.