پایان نامه سینتیک زینترینگ و خواص مکانیکی سرمت های بر پایه آلومینا با حضور یک جزء فلزی
فهرست محتوا
چکیده:
به دلیل محدودیتهای کاربردی سرامیکها چون ترد و شکننده بودن، عدم قابلیت شکل پذیری، رسانایی حرارتی و الکتریکی، مقاومت به شوک حرارتی پایین، مقاومت خستگی ضعیف و پراکندگی زیاد در دادههای مربوط به خواص مکانیکی به دلیل حساسیت بالای آن به عیوب، لازم است با وارد نمودن فاز فلزی چکش خوار تا حد ممکن محدودیتهای فوق را کاهش داده و از مزایای فاز سرامیکی چون مقاومت به سایش بالا، استحکام گرم و مقاومت به خزش بالا و ضریب انبساط حرارتی پایین استفاده نمود. با ساخت کامپوزیتها از نوع سرمت مزایای فاز فلزی و سرامیکی در یک مجموعه جمع میشوند. بطوریکه امروزه سازهها و قطعات از نوع سرمت اهمیت به سزایی در محیطهای کاربردی چون ابزارهای برشی، میکروسنسورهای حرارتی، الکترو شیمیایی و اکسیژنی، سازههای هوا و فضا، ادوات زرهی، قالبهای گرم و سرد، مهندسی پزشکی، موتورهای حرارتی، عایقهای حرارتی، پیلهای سوختی، پردازشگرهای میکروالکترونیکی و … پیدا کرده است.
از بین سرامیکها آلومینا متداولترین فاز سرامیکی برای سرمت ها شناخته شده که میتواند به دلیل پایداری شیمیایی، مقاومت به سایش، دانسیته نسبتاً پایین و پایداری و مقاومت حرارتی بالای آن باشد. فازهای فلزی مورد استفاده معمولاً فلزات نسبتاً پایدار در محیطهای شیمیایی و حرارتی، قابلیت تر شوندگی خوب و در ضمن قابلیت واکنش دهی خوب در واکنش آلومینو ترمیک میباشد. از فلزات مورد استفاده میتوان به Fe,Ni,Co,Cr, pb,Mo, Al، … اشاره نمود.
در این کار تحقیقاتی ساخت سرمت های Al2O3-Al به روش اکسید اسیون درجا و متالوژی پودر و سرمت Al2O3-Cr به روش سنتز احتراقی + متالورژی پودر در شرایط مختلف ترکیب شیمیایی، مدت زمان آسیاکاری و دمای عملیات حرارتی مورد بررسی قرار گرفته است. جهت تعیین شرایط بهینه ساخت، نمونههای تهیه شده مورد ارزیابی مشاهدات میکروسکوپی (SEM)، آنالیزفازی (XRD) خواص فیزیکی و مکانیکی (دانسیته، سختی، تافنس، استحکام) قرار گرفتهاند. در ضمن برای ارزیابی بهتر شرایط آسیا کاری و عملیات حرارتی نمونههای با ترکیب شیمیایی مختلف مورد مطالعات DTA-TG قرار گرفتند.
فهرست مطالب
- عنوان صفحه
- فصل اول : کلیاتی بر سرمتها
- 1-1 مقدمه. 1
- 1-2 رفتار و خواص مکانیکی سرمت ها 3
- 1-3کاربرد سرمت ها 9
- 1-4 فرآیندهای ساخت سرمت… 11
- 1-5 سرمت های بر پایه آلومینا 12
- 1-5-1-ساخت سرمت Al2O3-Al به روش متالوژی پودر. 12
- 1-5-2- ساخت سرمت Al2O3 / Mo به روش آلیاژ سازی مکانیکی.. 20
- 1-5-3- ساختار سرمت Al2O3 (- Cr2O3)-Cr به روش سنتز احتراقی.. 24
- 1-5-4- ساخت سرمت Al – Al2O3به روش اکسیداسیون درجا Al – Si–Mg. 32
- 1-6 سرمت های بر پایه زیرکونیا 38
- 1-6-1 مطالعه رفتار حرارتی و الکترونیکی زیرکونیا تقویت شده با فاز فلزی.. 38
- 1-6-2 ساخت سرمت ZrO2/SUS316 به روش عملکرد گرادیانی از طریق ریخته گری نواری.. 45
- 1-6-3- ساخت سرمت ZrO2-NiCr به روش عملکرد گرادیانی به وسیله متالوژی پودر. 50
- فصل دوم : روش تحقیق
- 2-1 فرآیند ساخت نمونه. 58
- 2-1-1 مواد اولیه. 58
- 2-1-2 آماده سازی و شکل دهی نمونه. 58
- 2-1-3 فرآیند پخت… 61
- 2-1-4 اکسیداسیون درجا 61
- 2-1-5 متالورژی پودر. 62
- 2-1-6 روش سنتز احتراقی.. 62
- 2-2 آنالیز حرارتی (TG,DTA) 63
- 2-3 مطالعه تغییرات فازی XRD.. 65
- 2-4 اندازه گیری دانسیته () 65
- 2-5 خواص مکانیکی (استحکام خمشی، تا فنس، سختی) 66
- 2-6 مشاهدات میکروسکوپی (SEM) 66
- فصل سوم : نتایج و بحث
- 3-1 نتایج مطالعات TG وDTA.. 68
- 3-1-1 Al2O3-Al 68
- 3-1-2Al2O3-Cr 69
- 3-2 مطالعه تغییرات فازی.. 72
- 3-2-1 Al2O3-Al 72
- 3-2-2Al2O3-Cr 73
- 3-3 تراکم پذیری.. 77
- 3-3-1 Al2O3-Al 77
- 3-3-1-1 : تأثیر دمای زینترینگ… 77
- 3-3-1-2 : تأثیر درصد فاز فلزی.. 78
- 3-3-1-3 : تأثیر اتمسفر. 78
- 3-3-2 : Al2O3-Cr 79
- 3-3-2-1 : تأثیر دمای زینترینگ… 79
- 3-3-2-2 : تأثیر نسبت x. 80
- 3-3-2-3 : تأثیر اتمسفر. 81
- 3-3 خواص مکانیکی.. 82
- 3-4-1 Al2O3-Al 82
- 3-4-1-1 : استحکام. 82
- 3-4-1-2 : تافنس…. 86
- 3-4-1-3 : سختی.. 87
- 3-4-2Al2O3-Cr 88
- 3-4-2-1 : استحکام. 88
- 3-4-2-2 : تافنس…. 89
- 3-4-2-3 : سختی.. 90
- 3-5-نتیجه گیری.. 91
- 3-5-1 Al2O3-Al 91
- 3-5-2 Al2O3-Cr 92
- 3-6 پیشنهادات.. 93
- مراجع.. 95
فصل اول:
کلیاتی بر سرمتها
1-1 مقدمه
کامپوزیت مخلوطی از دو یا چند جزء با ماهیت شیمیایی متفاوت بوده که به واسطه یک محدوده مرزی تحت عنوان فصل مشترک از هم مجزا شدهاند. این اجزاء غیرقابل انحلال در یکدیگر بوده و میل ترکیبی نسبت به هم حتی در دماهای بالا ندارند. مطابق این تعریف، اغلب آلیاژهای فلزی و بسیاری از سرامیکهای چند جزئی کامپوزیت نیستند زیرا فازهای چندگانه آنها در نتیجه انحلال اجزاء در یکدیگر حاصل شده است و با افزایش دما احتمال ناپدید شدن یک فاز یا ظاهر شدن فاز جدید وجود دارد.
کامپوزیتها معمولاً شامل دو فاز زمینه و استحکام دهنده میباشند. فاز زمینه معمولاً پیوسته بوده و فاز استحکام دهنده در آن بصورت یکنواخت پراکنده شده است. خواص کامپوزیت به خواص فازهای تشکیل دهنده آن، درصد هر یک از اجزاء و هندسه فاز استحکام دهنده بستگی دارد. منظور از هندسه فاز استحکام دهنده، شکل، اندازه ذرات، نحوه توزیع و جهت گیری آنهاست.
البته در مورد کامپوزیتهای لایهای و یا کامپوزیتهایی که از طریق متالورژی پودر ساخته میشوند پیوسته بودن فاز زمینه مفهومی ندارد.
سابقه استفاده از کامپوزیتهای پیشرفته به دهه 1940 باز میگردد. 20 تا 30 سال پس از آن، کامپوزیتها به طور گستردهای به سوی صنایع شهری از جمله ساختمان و حمل و نقل روی آوردند. به طور مثال امروزه خودروهایی ساخته میشود که تماماً کامپوزیتی هستند. استفاده از کامپوزیتها در این کاربرد به علت استحکام ویژه بالاتر باعث شده تا سوخت کمتر و عمر طولانیتر آنها را به دنبال داشته باشد. استفاده از کامپوزیتها در بسیاری از صنایع مانند هوا- فضا، موتورهای احتراقی و توربینی، صنایع ساختمانی، صنایع حمل و نقل زمینی، هوایی و دریایی بطور قابل توجهی افزایش یافته است.
در بین کامپوزیتها سرمت ها نوعی کامپوزیت هستند که فاز غالب سرامیک بوده و جزء فلزی فاز اقلیت میباشد که در صورت ذوب شدن جزء فلزی میتواند به شکل فاز مرزدانهای و پیوسته در فصل مشترک بین ذرات سرامیکی قرار گیرد (Wc-Co)، در غیر اینصورت هیچکدام از دو فاز فلزی و سرامیکی پیوسته نخواهد بود (Al2O3-Cr). فلسفه ساخت سرمت ها به خواص ذاتی سرامیکها و فلزات برمی گردد به گونهای که اصلیترین دلیل ساخت سرمت ها کاهش تردی زمینه سرامیکی بوسیله حضور فاز ثانویه چکش خوار فلزی میباشد. سرامیکها دارای مزیتهای کاربردی بسیار خوبی بوده اما دارای محدودیتهایی میباشد که کاربرد آنها را با مشکل مواجه نموده است که از جمله میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
1- ترد و شکننده بودن (چقرمگی کم) و عدم قابلیت شکل پذیری به واسطه عدم انعطاف پذیری و قابلیت کار مکانیکی سرد و گرم که در نتیجه وجود پیوندهای قوی چون کووالانت و یونی بین اجزاء تشکیل دهنده سرامیکها میباشد.
2- هدایت حرارتی و الکترکی پایین به واسطه عدم وجود الکترونهای آزاد و قفل شدن در پیوندهای شیمیایی
3- مقاوت به خستگی پایین
4- مقاومت به شوک حرارتی کم
5- حساسیت زیاد سرامیکها به عیوب و پراکندگی زیاد خواص در آنها
در مقابل فلزات دارای انعطاف پذیری خوبی بوده اما دارای نقاط ضعفی هم میباشد که از جمله میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
1- مقاومت به سایش کمتر
2- مدول الاسیسیته پایین
3- مقاومت به خزش کم در دماهای بالا
4- ضریب انبساط حرارتی نسبتاً بالا (ثبات ابعادی پایین)
5- استحکام کمتر نسبت به سرامیکها بخصوص در دماهای بالا
با ساخت کامپوزیتهای از نوع سرمت میتوان مزایای فلز و سرامیک را در یک ماده جمع نموده و نقاط ضعف مربوط به هر یک را برطرف نمود بطوریکه یک سرمت با داشتن خواص مدول و سختی بالا همراه با چقرمگی نسبتاً خوب و مقاومت به ضربه بالا دیگر محدودیت تردی و شکننده بودن سرامیکها و استحکام و مقاومت به خزش پایین فلزات را نداشته ومی توان کاربردهای مکانیکی آن را در دماهای بالا توجیه نمود.
با کنترل مقدار فاز سرامیک و فلز میتوان ترکیبی از خواص مورد نظر از فاز سرامیک و فلز چون چکش خواری، استحکام، ضریب انبساط حرارتی، هدایت حرارتی، سختی، مقاومت به خزش و سایر خواص را در بدنهٔ نهایی سرمت کنترل کرد. به عنوان مثال آلیاژی از آلومینیوم با مدول الاسیسیتهٔ پایین را میتوان با افزایش جزء سرامیکی به قیمت کم شدن چقرمگی به میزان جزئی مدول الاسیسیته و سختی آن را افزایش داد.
از عوامل اصلی که باعث محدودیت در گسترش استفاده از سرمت ها شده محدودیتها در فرآیند ساخت به واسطه عدم توانایی در کنترل پارامترهای ساخت و عدم دستیابی به ترکیب موردنظر در سرمت نهایی و در ضمنهزینه بالای فرآیندساختمی باشد.
به دلیل اکسیداسیون و واکنش پذیر بودن جزء فلزی لازم است در فرآیند متالورژی پودر عملیات آسیاکاری و پخت در اتمسفر خنثی انجام گیرد و یا اگر فرآیند سنتز احتراقی انجام میگیرد به دلیل عدم کنترل و عدم توانایی در جلوگیری از واکنش ناخواسته نمیتوان دقیقاً به ترکیب موردنظر در سرمت نهایی رسید.
1-2 رفتار و خواص مکانیکی سرمت ها
به طورکلی یکی از راههای افزایش تافنس شکست سرامیکها افزایش یک فاز فلزی چکش خواروانعطاف پذیر به داخل زمینه سرامیک و ساخت سرمت میباشد.
ذرات فلزی در یک زمینه سرامیکی انرژی ترکهای در حال رشد را بواسطه تغییر فرم پلاستیک مهار میسازد و در نتیجه تافنس شکست را افرایش می دهدازمکانیزمهای اصلیجذب انرژی میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
- پل زنی دربرابر ترک
- شاخه دار شدن ترک
- جذب انرژی بواسطه جریان پلاستیک موضعی درفاز فلزی]1[
نوع عملکرد مکانیزم تا حد زیادی به وسیله استحکام فصل مشترک زمینه سرامیک و ذرات فلزی معین میشود. پیوند ضعیف ذرات با زمینه باعث شده تا ترک مسیر خود را به داخل فصل مشترک منحرف نموده ومیزان کرنش پلاستیک موضعی ذرات فلزی کاهش یابد [2].
افزایش تافنس شکست همچنین تحت تأثیر اندازه، شکل و جهت گیری فضایی ذرات فاز انعطاف پذیر میباشد [3،4]. به منظور مدل سازی تأثیر ذرات فلزی برتافنس شکست کامپوزیتهای زمینه سرامیکی فرضیات زیر در نظر گرفته میشود:
- ذرات فلزی دارای شکل کروی با شعاع تعریف شده r میباشند.
- ذرات فلزی به صورت یکنواخت در زمینه سرامیک انتشار مییابند.
- تمامی دانههای سرامیک دارای شکل و اندازه یکسان هستند.
- کرنش پلاستیکی ذرات فلزی نقشی در استهلاک انرژی ترک ندارند.
برای ایجاد ترک اولیه از تکنیک دندانه ایی ویکرز به طور گسترده استفاده میشود (شکل 1-1)]5[.
میزان تافنس شکست ماده (kIC) از روی اندازه گیری طول ترکهای انتشار یافته از گوشه دندانه محاسبه میشود. میزان (kIC) با استفاده از معادله زیر تخمین زده میشود:
E: مدول یانگ HV: سختی و یکرز a: نصف قطر متوسط اثر فرورفتگی
L: طول ترک (میکرو متر)
طول ترک (L) به چندین روش محاسبه میشود. یکی از متداولترین روشهای استفاده شده، اندازه گیری فاصله (در طول یک خط مستقیم) از گوشه دندانه جایی که ترک شروع میشود تا انتهای ترک است]17[. چون ذرات فلز در کامپوزیت ترک را منحرف می سازدطول ترک اندازه گیری شده به صورت بالا دقت کمی دارد به همین دلیلطول L*تعیین میشود.
درجه اختلاف بین L و L*به مکانیزم های احتمالی واکنش بین ترک و ذره کروی فلزمربوط میشود. شکل (1-2) مهمترین مکانیزمهای تداخل ترک و ذرات فلزی به قطر r2 را نشان میدهد.
Abstract
Ceramics owing to functional limitations must to be exposed to the metallic malleability phase. These limitations contain items such as embrittlement, informability, and electrical-thermal conductivity, low heat shock resistance, low fatigue resistance and much distribution in data related to the mechanical properties due to high sensitivity to deficits.
By this process we can as far as possible reduce the limitations mentioned above and use the advantages of ceramic phase such as high abrasion resistance, hot strength, and high creep resistance and low thermal expansion.
By structuring the composites of cermets we can incorporate the metal and ceramic phase advantages in one complex, because to day structures and pieces of ceramic kind have much importance in the functional environments including cutting tools, thermal-electro chemical-exogenous micro sensors, aerospace structures, implements of war,hot and chill moulds,medical engineering,thermal motors,thermal insulations,fuel cells and microelectronic processor.
Alumina, among ceramics, is the mostly used ceramic phase related to the known cermets due to the chemical stability, abrasion resistance, relatively low density and highly thermal resistance and stability.
The used metal phases are usually related to the relatively stable metals in the thermal and chemical environment which are concerned with the good wet ability and good reaction ability in the aluminothermy reaction.
Of the metal used we can point to Al, Mo, Pb, Cr, Co, Ni… etc.
In this research work, we investigate the structuring of the cermets Al2o3-Al in the oxidation situ initial manner in powder metallurgy and the cermets Al2o3 Cr in the combustive synthesis manner plus powder metallurgy in the differently chemical compound conditions, the milling period and thermal treatment temperature.
In order to determine the optimal conditions of structuring, we investigated the prepared specimens by using scanning electron microscope (SEM), XDR phase analysis and mechanical-physical properties (density, toughness, hardness and strength). Meanwhile, in order to better assess the milling conditions and thermal treatment we investigate the specimens of the differently chemical compound by using the T6-DTA.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.