بررسی تأثیر تخلخل کامپوزیتهای al/sic تهیه شده به روش متالورژی پودر بر رفتار فشاری این کامپوزیتها

? دانشکده مهندسی گروه مهندسی مواد پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی مواد - گرایش شناسایی و انتخاب مواد بررسی تأثیر تخلخل کامپوزیت های al/sic تهیه شده به روش متالورژی پودر بر رفتار فشاری این کامپوزیت ها نگارش طاهره کجباف استاد راهنما دکتر امیر حسنی سال 1389 این جانب طاهره کجباف بدین وسیله اظهار می دارم که محتوای علمی این نوشتار با عنوان بررسی تأثیر تخلخل کامپوزیت های al/sic تهیه شده به روش متالورژی پودر بر رفتار فشاری این کامپوزیت ها که به عنوان پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی مواد گرایش شناسایی و انتخاب مواد به دانشکده مهندسی مواد و صنایع – دانشگاه سمنان ارائه شده، دارای اصالت پژوهشی بوده و حاصل کار این جانب است. این جانب می دانم که اگر خلاف ادعای بالا در هر زمانی محرز شود، کلیه حقوق مترتب بر این نوشتار از این جانب سلب شده و مراتب قانونی مرتبط با آن نیز از طرف مراجع ذیربط قابل پیگیری است. طاهره کجباف 8611189008 تشکر و قدردانی سپاس و حمد بی پایان به درگاه ذات احدیت که همه توفیقات از اوست و جز او یار و یاوری نیست. اکنون که پایان نامه حاضر را به اتمام رسانده ام، لازم می دانم از استاد راهنمای گرامی ام جناب آقای دکتر حسنی به خاطر راهنمایی و توصیه های ایشان در این مدت و صبر و تحمل ایشان در به ثمر رسیدن این تحقیق صمیمانه قدردانی کنم. از آقای دکتر سیم چی و آقای مهندس جلالی در آزمایشگاه تکنولوژی پودر دانشگاه صنعتی شریف برای همکاری و راهنمایی های مشفقانه شان کمال تشکر و قدردانی را دارم. از اساتید محترم آقایان دکتر هنربخش و دکتر میرزایی برای بازخوانی و تقبل مسئولیت ارزیابی پایان نامه سپاسگزارم. و نیز از پرسنل آزمایشگاه های خواص مکانیکی و میکروسکوپ الکترونی و کارگاه پروژه دانشکده مهندسی آقایان مهندس خرمی راد و شاهی که در مراحل پروژه همکاری های لازم را نموده اند، مراتب تشکر را ابراز می دارم. در پایان از همه عزیزان و دوستانی که در این مدت همراه من بودند؛ به پاس یاری و همکاری صمیمانه شان تشکر می کنم. تقدیم به پدر و مادر مهربانم و همسر عزیزم برای مهر و محبت و حمایت های بی دریغشان فهرست مطالب عنوان شماره صفحه 1 مقدمه 1 2 مروری بر منابع 6 2-1 معرفی کامپوزیت ها 6 2-2 کامپوزیت های زمینه فلزی 7 2-2-1 معرفی کامپوزیت های زمینه فلزی 7 2-2-2 مکانیزمهای استحکام بخشی کامپوزیت ها 8 2-3 کامپوزیت های زمینه آلومینیم 10 2-3-1 کامپوزیت های زمینه آلومینیم با تقویت کننده ذره ای 11 2-3-2 اثر عوامل مختلف بر خواص کامپوزیت هایal/sic 11 2-4 روشهای تولید کامپوزیت های زمینه فلزی 18 2-4-1 فرآیندهای فاز جامد 18 2-4-2 فرآیندهای فاز مایع 20 2-4-2-1 ریخته گری گردابی 21 2-4-3 فرآیندهای دو فازی 22 2-5 کامپوزیت های زمینه آلومینیم تولید شده به روش متالورژی پودر 24 2-5-1 مخلوط کردن 24 2-5-2 فشرده سازی 24 2-5-3 گاززدایی 25 2-5-4 تفجوشی 26 2-5-5 عملیات ترمومکانیکی 26 2-6 آشنایی با آسیاکاری مکانیکی 28 2-6-1 انواع آسیاکاری مکانیکی 29 2-6-2 بررسی مکانیزم های فعال در آلیاژسازی مکانیکی 32 2-6-3 پارامترهای آسیاکاری 35 2-7 فورج پودر 38 2-7-1 روشهای فورج پودر 39 2-7-2 شکل دادن سرد پیش ساخته های متالورژی پودر 40 2-7-3 ابزار فورج پودر 41 2-7-4 مزایای فورج پودر 41 2-8 کارپذیری 42 2-8-1 عوامل موثر بر کارپذیری 43 2-8-2 آزمایشهای تعیین کار پذیری 48 2-9 تغییر شکل پلاستیک مواد متخلخل 50 3 روش تحقیق 57 3-1 مشخصات پودرهای مصرفی 57 3-2 آسیاکاری مکانیکی 58 3-3 فشردن پودرها 59 3-4 تفجوشی نمونه ها 60 3-5 آزمونهای میکروسکوپ الکترونی و پراش پرتو ایکس 60 3-6 آزمونهای مکانیکی 61 3-6-1 آزمون فشار مرحله ای 62 3-6-2 آزمون فشار پیوسته 64 4 نتایج و بحث 65 4-1 بررسی مورفولوژی و اندازه دانه 65 4-2 آزمون فشارش 73 4-2-1 بررسی زمان آسیاکاری 74 4-2-2 بررسی مقدار تقویت کننده 79 4-2-3 بررسی اندازه ذرات تقویت کننده 84 4-2-4 بررسی چگالی نسبی اولیه 88 جمع بندی 93 مراجع 95 فهرست اشکال 2 مروری بر منابع 6 شکل 2 1 کاهش اندازه ذره (و دانه) با زمان……………………………………29 شکل 2 ‏2 مراحل مختلف آلیاژسازی مکانیکی در یک سیستم نرم – نرم……………..31 شکل ‏2 3 مراحل مختلف آلیاژسازی مکانیکی در سیستم های نرم- ترد………………32 شکل 2-4 تغییرات اندازه ذرات با زمان در آسیاکاری نیکل-تانتالیم در سه مرحله مکانیزم .34 شکل 2-5 تغییرات اندازه ی ذرات با زمان در آسیاکاری آلومینیم-هافنیم در سه مرحله ی مکانیزم…………….….…………………………………………………..34 شکل 2 6 فشارش گرم مجدد…………….….......…………………………..39 شکل 2 7 مراحل فورج پودر (سرکوبی در قالب بسته)………….……..…………..39 شکل ‏2 8 مراحل تشکیل و رشد ترک در شکست نرم…………………………….44 شکل ‏2 9 شماتیک جوانه زنی و رشد ترک در کامپوزیت ها، (a جوانه زنی حفره در زمینه و (b جوانه زنی حفره با ایجاد ترک در ذرات و به هم پیوستن حفره ها………… ……..46 شکل ‏2-10 غیر همگنی تغییر شکل در آزمون فشار داغ………………………….47 شکل 2 11 مقایسه میزان کارپذیری آلیاژهای کارشده و ریخته گری شده در دماهای مختلف ……………….….….……………………………………………….48 3 روش تحقیق 57 شکل 3-1 سیکل تف جوشی کامپوزیت های فشرده شده…………….……………60 شکل 3-2 نمودار روند کار روی نتایج آزمون فشارش مرحله-ای…………..…………63 4 نتایج و بحث 65 شکل 4-1 مورفولوژی پودر آلومینیم مصرفی………………...………………….65 شکل ‏4 2 تصویر sem پودر sic با اندازه متوسط الف) m?16 ، ب) mµ12……... 65 شکل 4-3 مورفولوژی پودرal-10%sic-12?m پس از (الف) 4ساعت، (ب) 8ساعت و12(ج) ساعت آسیاکاری……………………………………………………. 67 شکل 4-4 مورفولوژی پودر al-5%sic-16?m(الف) al-10%sic(ب) al-20%sic(ج) پس از 12ساعت آسیاکاری……………………..…………………68 شکل 4-5 مورفولوژی پودر (الف) al-10%sic-20?m(ب) al-10%sic-12 ?m پس از 12ساعت آسیاکاری……………………...…………………………….69 شکل 4-6 مورفولوژی کامپوزیت های تفجوشی شدهal-10%sic-12?m پس از (الف) 8ساعت و (ب) 12 ساعت آسیاکاری ………………………..…………………70 شکل 4-7 مورفولوژی کامپوزیت های تفجوشی شده (الف) -16?m al-20%sic ، (ب)16?m-al-10%sic ، (ج) al-10%sic-20?پس از 12ساعت آسیاکاری …70 شکل 4-8 الگوی xrd برای سه نمونه (الف) پودر al-10%sic با اندازه mµ 16 (ب) نمونه تفجوشی شده al-10%sic با اندازه mµ 16 (ج) نمونه تفجوشی شده al-20%sic با اندازه mµ 16…….…………………………………………………… 72 شکل 4-9 منحنی تنش-کرنش حاصل از آزمون فشارش مرحله ای برای نمونه های آسیاکاری شده در زمانهای مختلف…………………………………………………… 75 شکل 4-10 منحنی تنش-کرنش آزمون فشارش پیوسته برای نمونه های آسیاکاری شده در زمانهای مختلف..………………………………………………………… 76 شکل 4-11 تغییرات ضریب چگالی لحظه ای با چگالی نسبی برای نمونه های آسیاکاری شده در زمان های مختلف در دو حالت تنش……………………………………….. 77 شکل 4-12 تغییرات توان کرنش سختی لحظه ای با چگالی نسبی برای نمونه های آسیاکاری شده در زمان های مختلف…………………………………………………. 78 شکل 4- 13 تغییر پارامتر تنش شکل پذیری با چگالی نسبی برای نمونه های آسیا شده در زمان های مختلف در حالت تنش سه محوره……. ……………………………. 79 شکل 4-14 منحنی تنش-کرنش در درصدهای مختلف تقویت کننده حاصل از آزمون فشارش مرحله ای …..……………..……………………………………………. 80 شکل 4-15 منحنی تنش -کرنش نمونه های آسیاکاری شده در درصدهای مختلف تقویت کننده در فشارش پیوسته …….…………………………………………….81 شکل 4-16 تغییرات ضریب چگالی لحظه ای با چگالی نسبی برای نمونه های دارای درصدهای مختلف تقویت کننده…….…...…………….…………………………….. 81 شکل 4-17 تغییرات توان کرنش سختی با چگالی نسبی برای نمونه های دارای درصدهای مختلف تقویت کننده………………………..……………………………. 83 شکل 4-18 تغییرات پارامتر تنش شکل پذیری با چگالی نسبی برای درصدهای مختلف تقویت کننده در حالت تنش سه محوره …………………..………………...……… 84 شکل 4-19 منحنی تنش-کرنش حاصل از آزمون فشارش مرحله ای برای کامپوزیتهای دارای اندازه متفاوت تقویت کننده …..…………….………………………………….85 شکل 4-20 منحنی تنش – کرنش حقیقی نمونه های دارای اندازه مختلف تقویت کننده در فشارش پیوسته….………….……..………..…..……………….………….85 شکل 4-21 تغییرات ضریب چگالی لحظه ای با چگالی نسبی برای نمونه های آسیاکاری شده با اندازه های مختلف تقویت کننده….……….………….……..………………..86 شکل 4-22 تغییرات توان کرنش سختی با چگالی نسبی برای نمونه های آسیاکاری شده در اندازه های مختلف تقویت کننده………….…….…….…………………………87 شکل 4-23 تغییرات پارامتر تنش شکل پذیری با چگالی نسبی برای نمونه های دارای اندازه-های مختلف تقویت کننده در حالت تنش سه محوره……….……..……………………..88 شکل 4-24 منحنی تنش-کرنش حقیقی برای نمونه هایی با چگالی اولیه متفاوت حاصل از آزمون فشارش مرحله ای………….…….…….……………………………… 89 شکل 4-25 منحنی تنش-کرنش نمونه ها با چگالی اولیه متفاوت از آزمون فشارش پیوسته..89 شکل 4-26 تغییرات ضریب چگالی لحظه ای با چگالی نسبی برای نمونه های آسیاکاری شده با چگالی نسبی های مختلف ………...…....….………………………………….90 شکل 4-27 تغییرات توان کرنش سختی لحظه ای با چگالی نسبی برای نمونه های آسیاکاری شده با چگالی نسبی های مختلف…..……………………………………..…….91 شکل 4-28 تغییرات پارامتر تنش شکل پذیری با چگالی نسبی برای نمونه های آسیاکاری شده با چگالی نسبی های مختلف در حالت تنش سه محوره …….……………….……….92 فهرست جداول جدول ‏3 1 مشخصات پودرهای مصرفی …………………...…………………58 جدول ‏3 2 پودرهای کامپوزیتی آسیا شده………………….………………….59 جدول ‏3 3 نمونه های کامپوزیتی برای آزمون فشار مرحله-ای………….……………62 جدول ‏3-4 نمونه های کامپوزیتی برای آزمون فشار پیوسته……………...…………64 جدول 4-1 اندازه دانه محاسبه شده به روش شرر برای نمونه های مختلف……………73 چکیده در این پژوهش رفتار فشاری کامپوزیتهای متخلخل al/sic ساخته شده به روش آسیاکاری مکانیکی مطالعه شد. پودر al مورد استفاده با اندازه دانه متوسط mµ65 و پودر sic در سه اندازه 12، 16 و mµ20 بود. برای بررسی اثر زمان آسیاکاری سه نمونه دارایwt.% 10 تقویتکننده در اندازه mµ12 به مدت 4، 8 و 12 ساعت آسیا شد. کامپوزیتهای حاوی سه مقدار مختلف 5، 10و 20 درصد وزنی sic ( اندازه ذره متوسط mµ16) و نمونه های دیگر با 10% وزنی sic در سه اندازه و 2 نمونه پودر دیگر نیز با wt.% sic 10 % در اندازه های 12، 16 و 20 میکرون با هدف تعیین اثر مقدار و اندازه ذرات تقویت کننده به مدت 12 ساعت آسیاکاری شد. سپس پیش شکلهایی با نسبت ابعادی 563/0 با استفاده از قالب استوانه ای به قطر mm15 در فشارهایmpa 315-350 برای رسیدن به چگالی نسبی %90 فشرده شد. دو نمونه دیگر نیز با چگالی نسبی 87 و %95 از پودر al-10%sic ساخته شد. پس از تفجوشی، کامپوزیتها تحت آزمونهای فشارش مرحله ای به همراه چگالی سنجی پس از هر مرحله تغییرشکل و فشارش پیوسته قرار گرفتند. بررسی ها نشان داد افزایش زمان آسیاکاری، افزایش مقدار ذرات تقویت کننده و کوچک شدن اندازه آن باعث افزایش استحکام و کاهش انعطافپذیری می شود. ضریب چگالی لحظه ای و توان کرنش سختی لحظه ای کامپوزیتها با افزایش چگالی حین تغییرشکل روند کاهشی داشت. توان کارسختی لحظه ای با افزایش زمان آسیاکاری، افزایش درصد وزنی و کاهش اندازه تقویت کننده افزایش یافت. نمونه های دارای چگالی اولیه بالاتر، اندازه sic بزرگتر و مقدار sic کمتر کارپذیری بهتری از خود نشان دادند.