پایان نامه ها و مقالات

اصطکاکی، اغتشاشی

دانلود پایان نامه

بالا رفتن دما تا (۸/۰ دمای تبلور مجدد ) باعث بروز پدیده‌ی بازیابی و تبلور مجدد به صورت هم‌زمان یا به عبارتی پدیدهی تبلور مجدد دینامیک می‌شود. به این ترتیب دانه‌های این منطقه نسبت به فلز پایه بسیار ریز می‌گردند. علاوه بر این از شاخصه‌های این منطقه وجود دانه‌‌های هم محور و عاری از تنش می‌باشد. اندازه‌ دانه‌های تبلور مجدد یافته در منطقه‌ی جوش اصطکاکی اغتشاشی آلیاژهای آلومینیم در حدود چند میکرون می‌باشد. در این راستا ساختارهای فوق ریزدانه که اندازهی دانههای آن کمتر از یک میکرون باشند با سرعت سرد کردن بسیار بالا و شکل خاصی از ابزار بدست می‌آیند. با توجه به زاویه‌ی بین دانه‌های تشکیل‌شده می‌توان به نوع مکانیزم تبلور مجدد پی برد. همچنین با استفاده از تخمین نرخ کرنش در منطقه‌ی اغتشاشی (SZ) اندازه دانه‌های تبلور مجدد یافته ازمعادله‌ی ۲-۱ تعیین می‌شود:
معادله۲-۱
Z= ε ̇.exp(Q/RT)
Q در این رابطه انرژی اکتیواسیون لازم برای رشد دانه‌ها و R ثابت ترمودینامیکی گازها می‌‌باشد. ε ̇ نرخ کرنش و Z ثابت زنر-هولمن است که با اندازه دانه‌های ساختار رابطه‌ی عکس دارد. اثر دما در تعیین فاکتور Z بیشتر از نرخ کرنش می‌باشد. به این ترتیب نتیجه می‌گیریم که اثر سرعت چرخش و سرعت پیش‌روی ابزار در کوچک کردن اندازه‌ی دانه‌ها نسبی می‌باشد و بیشتر کردن نرخ کرنش زمانی که دما تا حدود زیادی بالا رفته باعث کاهش پارامتر زنر-هولمن و بزرگ شدن اندازه دانه‌ها می‌شود [۲۱]. مکانیزم‌های تبلور مجدد دینامیکی عبارتند از: ۱-تبلور مجدد دینامیکی ناپیوسته۲۹(DDRX) 2- تبلور مجدد دینامیکی پیوسته۳۰(CDRX). مکانیزم تبلور مجدد دینامیکی پیوسته فرایند بازیابی دانه‌ها و چرخش مرزهای فرعی و تبدیل شدن آن‌ها به مرزهای بزرگ زاویه میباشد (شکل۲-۱۲). تبلور مجدد دینامیکی پیوسته در آلیاژها با انرژی نقص در چیده‌شدن زیاد و تبلور مجدد دینامیکی ناپیوسته در آلیاژها با انرژی نقص در چیده‌شدن کم و متوسط دیده می‌شود. اگر در آلیاژها با انرژی نقص زیاد نیز ازسیستم‌های خنک‌کننده‌ی جانبی استفاده شود، رشد دانه و حرکت نابجایی‌ها کاهش یافته و ساختار ریزدانه می‌گردد. فرایند جوانه‌زنی دانه‌های جدید در مکان های ترجیحی مثل مرز‌دانه‌هایی که از قبل وجود داشته و مکان‌های پر انرژی و سپس رشد آن‌ها نتیجه‌ی مکانیزم تبلور مجدد دینامیکی غیر پیوسته می‌باشد [۲۳].

منطقه‌ی تحت تأثیر عملیات ترمومکانیکی(TMAZ)
این منطقه نه تنها تحت تأثیر سیکل حرارتی قرار دارد بلکه میکروساختار آن به دلیل تغییر شکل پلاستیک به شدت تغییر کرده و دانه‌ها در این منطقه در جهت سیلان ماده در منطقه‌ی خمیری کشیده می‌شوند. در این منطقه هیچ پدیده‌ی تبلور ‌ مجددی رخ نمی‌دهد و رسوبات در این منطقه حل شده و یا تغییر شکل می‌دهند. رسوبات سوزنی ‘θ در آلیاژ Al2519 که در شکل ۲-۱۳-الف نشان داده شده، پس از فرایند اصطکاکی اغتشاشی در منطقه‌ی TMAZ به رسوبات درشت θمطابق شکل۲-۱۳-ب تبدیل می‌شوند[۲۵].

منطقه ی تحت تأثیر حرارت (HAZ)
این منطقه تحت عملیات حرارتی دچار تغییرات میکروساختاری و خواص مکانیکی می‌گردد. در تعریف دیگر HAZ منطقه‌ای است که در معرض دمای بیش از C˚۲۵۰ قرار می‌گیرد؛ این مسأله روی رسوبات اثر می‌گذارد و اکثر اوقات پدیده‌ی خشن‌شدن ذرات رسوبی را به همراه دارد (مقایسه‌ی شکل‌های‌ ۲-۱۴و ۲-۱۳-ب).

اثر تعداد پاس‌های فرایند اصطکاکی اغتشاشی بر خواص و ریزساختار نهایی
براون۳۱[۲۶] و همکاران دریافتند که نیروی مورد نیاز در جهت پیش‌رونده‌ی پین برای پاس‌های بعدی نسبت به پاس اول فرایند کمتر می‌باشد؛ در صورتی‌که اندازه ذرات، سختی، و دمای منطقه ناگت تغییر نخواهد کرد. ولی سختی منطقه‌ی تحت اثر حرارت (HAZ) و استحکام کششی عرضی نمونه با بیشتر شدن تعداد پاس‌ها کاهش می‌یابد. دلیل این مسئله پدیده‌ی انحلال و درشت شدن رسوبات استحکام‌دهنده می‌باشد.
همان‌طور که قبلا نیز گفته شد در تحقیقی که توسط اسدی۳۲[۲۲] و همکاران بر روی کامپوزیت AZ91/SiC صورت گرفته ثابت شد که توزیع ذرات استحکام‌دهنده در نمونه‌ای که تحت دو پاس فرایند اصطکاکی اغتشاشی قرار‌گرفته در مقایسه با نمونه‌ی تک پاس همگن‌تر و یکنواخت‌تر می‌باشد. همچنین عیوب فرایند اصطکاکی اغتشاشی که در پاس اول به وجود آمده در پاس دوم اصلاح می‌گردد.

اثر فرایند اصطکاکی اغتشاشی بر سختی
رفتار سختی آلیاژهای قابل عملیات حرارتی و غیر قابل عملیات حرارتی،‌ زمانی که تحت فرایند اصطکاکی اغتشاشی قرار می‌گیرند متفاوت است.آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم به دو دسته‌ی عملیات حرارت‌پذیر (رسوب سختی‌شونده) و غیر قابل عملیات حرارتی (سخت شونده با محلول جامد) تقسیم‌بندی می‌گردند. آلیاژ AZ91 از جمله آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر می‌باشد که رفتاری مشابه آلیاژ آلومینیوم از همین نوع دارد. تحقیقات نشان داده که سختی به دست‌آمده از فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، برای دو حالت آلیاژهای آلومینیوم رسوب سخت‌شده و سخت شده با محلول جامد متفاوت است. فرایند اصطکاکی اغتشاشی در اطراف مرکز جوش در آلیاژهای آلومینیوم رسوب سخت‌شده یک منطقه‌ی نرم ایجاد می‌کند. این منطقه ی نرم شده ناشی از فرایند درشت‌شدن و انحلال
رسوبات سخت‌ در حین سیکل گرمایی فرایند اصطکاکی اغتشاشی می‌باشد.
ساتو۳۳ و همکاران طی تحقیقی ثابت کردند که منحنی توزیع سختی در Al 6063 جوشکاری شده به روش اصطکاکی اغتشاشی بیش از اینکه تحت تأثیر اندازه دانه باشد تحت تأثیر توزیع رسوبات است. توزیع سختی به دست‌آمده از این آلیاژ در شکل ۲-۱۵ نشان داده شده ‌‌است ]۱۸[. در موردآلیاژهای عملیات حرارتی پذیر، نرم‌شدگی در مناطق ناگت و قسمتی از TMAZ به دلیل درشت‌ شدن دانه‌ها در منطقه‌ی HAZ رخ می‌دهد. در نتیجه توزیع سختی W شکل در طول مقطع عرضی حاصل می‌شود. او منحنی سختی را به ۴ ناحیه تقسیم کرد:
۱) BM (منطقه ای که سختی آن با سختی فلز پایه برابر است).
۲) LOW (منطقه‌ای که سختی آن کمتر از فلز پایه است)
۳) MIN (منطقه ای با کمینه ی سختی)
۴) SOF (منطقه ی نرم شده)

بررسی‌های میکروساختاری مطابق شکل ۲-۱۶ وجود دو نوع رسوب سوزنی و میله‌ای شکل در این نواحی را نشان می‌دهد. رسوبات سوزنی، با زمینه هم‌سیما بوده و رسوبات میله‌ای شکل هم‌سیمایی کمی با زمینه دارند. نقش دانسیته‌ی رسوبات سوزنی شکل در بهبود خواص مکانیکی آلیاژ Al6063 بیشتر از نقش رسوبات میله‌ای شکل می‌باشد. در منطقه‌ی LOW دانسیته‌ی رسوبات سوزنی کم و دانسیته‌ی رسوبات میله‌ای زیاد شده‌ است. در منطقه‌ی MIN رسوبات سوزنی شکل حذف شده و اندازه‌ی رسوبات میله‌ای نیز ‌بزرگتر شده است و در‌نتیجه میزان سختی این منطقه به حداقل مقدار خود رسیده است. در بعضی موارد به دلیل اندازه‌ دانه‌ی ریزتر منطقه‌ی SOF نسبت به فلز پایه و همچنین ایجاد مرزهای فرعی سختی این منطقه بالاتر از سختی BM خواهد بود [۱۸].

همان‌طور که در شکل ۲-۱۷ نشان داده شده، در اثر جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلیاژ آلومینیوم ۵۰۸۳ به دلیل حل شدن رسوبات در منطقه‌ی اغتشاش سختی این منطقه کاهش یافته‌است. ولی در آلیاژهای آلومینیوم سخت شده با مکانیزم محلول جامد، اثری از نرم‌شدن در ناحیه‌ی جوش به چشم نمی‌خورد. انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی روی آلیاژ آلومینیوم ۱۰۸۰ سختی منطقه‌ی اغتشاش را افزایش می‌دهد. سختی منطقه‌ی TMAZ در این آلیاژ نیز به دلیل حضور رسوبات و دانه‌های بازیابی شده که مرزهای فرعی در آن‌ها تشکیل شده، بیشتر از سختی منطقه‌ی اغتشاش افزایش می‌یابد. (شکل۲-۱۸) [۲۷-۲۸].

کاربردهای فرایند اصطکاکی اغتشاشی
کارایی فرایند FSP عمدتاً در سه حوزه‌ی ۱) بهبود و ایجاد ساختارهای ریزدانه ۲) اصلاح ساختار ریختگی و ۳) ایجاد نانو‌کامپوزیت‌های درجا تقسیم‌بندی می‌گردد. همانطور که بیان شد فرایند اصطکاکی اغتشاشی به دلیل مکانیزم تبلور مجدد دینامیکی در ناحیه‌ی اغتشاشی قابلیت ‌بالایی جهت ایجاد ساختار‌های ریز‌دانه دارد. در تحقیقی توسط چانگ و همکاران، همان‌طور که در شکل ۲-۱۹ نشان داده شده با اعمال دو پاس فرایند اصطکاکی اغتشاشی بر آلیاژ AZ31 و فعال شدن مکانیزم تبلور مجدد دینامیکی اندازه ذرات به حدود ۸۵ نانومتر در سطح آلیاژکاهش یافت [۲۹].

ما۳۴ و همکارانش در بررسی ریزساختار حاصل از ریختگی آلیاژ منیزیم دریافتند که فرایند اصطکاکی اغتشاشی نقش مهمی در اصلاح ریزساختار دارد. در آلیاژ ریختگی AZ91 رسوبات یوتکتیک و ناپیوسته‌ی β در مرزدانه‌ها ایجاد شده‌ است. بعد از فرایند اصطکاکی اغتشاشی این رسوبات درشت تا حدودی در دانه‌ها حل شده و مطابق شکل ۲-۲۰ مقداری نیز در مرزدانه‌ها باقی می‌مانند. این مسأله به امکان ایجاد محلول جامد فوق اشباع طی فرایند اصطکاکی اغتشاشی بازمی‌گردد. به این ترتیب همان‌طور که در شکل ۲-۲۱ نشان داده شده فرایند اصطکاکی اغتشاشی منجر به بهبود خواص آلیاژ AZ91 می‌گردد. همچنین عملیات پیرسازی پس از فرایند اصطکاکی اغتشاشی را یک پدیده‌ی مؤثر در جهت بهبود خواص مکانیکی این آلیاژ گزارش کردند که منجر به رسوب‌گذاری ذرات پیوسته ی β در زمینه و بهبود استحکام کششی آن گشته‌است [۳۰].

یکی از کاربرد‌های روش اصطکاکی اغتشاشی کامپوزیت‌‌سازی به منظور اصلاح خواص منیزیم می‌باشد. در جدول
۲-۱ فهرستی از کارهای گذشته به منظور ساخت کامپوزیت زمینه منیزیمی به صورت خلاصه بیان شده است. لی۳۵ و همکاران [۳۱] نشان دادند که با افزودن ۵-۱۰% حجمی نانوذرات SiO2 و اعمال ۴ پاس فرایند اصطکاکی اغتشاشی اندازه ذراتAZ61 از ۷۵ میکرومتر به ۸/۰ میکرومتر کاهش یافت. علاوه بر این با افزایش تعداد پاس‌ها اندازه‌ی کلاسترهای SiO2نیز کوچکتر شده و مقدار ترکیبات Mg2Si و MgO نیز بیشتر می‌گردد. وجود ترکیب Mg2Si نشان‌دهنده‌ی واکنش بیشتر SiO2 با Mg در اثر افزایش تعداد پاس‌ها می‌باشد. علاوه بر این بعد از دو پاس فرایند،کامپوزیت در نرخ کرنش بالا خاصیت سوپرپلاستیک ۴۰۰% از خود نشان می‌دهد.
سینگ۳۶ و همکاران [۳۰] با افزودن نانوذرات تقویت کننده‌ی TiC به آلیاژ AZ31 در حین فرایند اصطکاکی اغتشاشی مقاومت به سایش آلیاژ زمینه‌ را تا حدود زیادی بهبود دادند. در تحقیق دیگری توسط چانگ و همکاران اثر افزودن ۵-۱۰% حجمی ذرات تقویت‌کننده‌ی ZrO2 و SiO2 با هم مقایسه شد. این نتایج نشان دادکه بدون حضور ذرات تقویت‌کننده، فرایند اصطکاکی اغتشاشی منجر به کاهش اندازه دانه به حدود ۶ میکرومتر شده است. در صورتی‌که با
وجود این ذرات، اندازه ذرات به حدود ۲ تا ۴ میکرومتر کاهش یافته است [۳۲].با توجه به اینکه یکی از نقاط ضعف آلیاژهای منیزیم رفتار ضعیف سایشی آن‌ها می باشد لذا در ادامه ضمن مروری بر انواع مکانیزم های سایش، رفتار سایشی این آلیاژها مورد بررسی قرار می‌گیرد.
جدول۲-۱- کامپوزیت‌های ایجاد ‌شده در آلیاژ منیزیم به روش اصطکاکی اغتشاشی.
شماره
سال
موضوع
نتایج
۱
۲۰۱۳
تولید نانوکامپوزیت AZ31/TiC
بهبود خواص سایشی[۳۲].
۲
۲۰۱۲
تولید نانوکامپوزیت AZ91/SiC
رسیدن به سختی به ۱۴۰ ویکرز و ریز شدن اندازه ذره تا ۶۰۰ نانومتر بعد از ۸ پاس [۲۲].
۳
۲۰۰۶
تولید نانو کامپوزیت‌های AZ31/SiO2 و AZ31/ZrO2
ZrO2 نسبت به SiO2 خواص مکانیکی و سختی را بیشتر افزایش می دهد [۳۴].
۴
۲۰۰۶
تولید نانو کامپوزیت MWCNT/AZ31
ذرات تقویت‌کننده MWCNT منجر به بهبود سختی تا حدود ۵۵ ویکرز نسبت به نمونه فرایند شده بدون ذرات تقویت‌کننده (۴۱ ویکرز)و کاهش اندازه تا کمتر از ۵۰۰ نانومتر [۳۵].
۵
۲۰۰۶
تولید نانوکامپوزیت AZ61/SiO2
ایجاد خاصیت سوپرپلاستیک و بهبود خواص سختی و سایش بعد از ۴پاس فرایند [۳۱].

با توجه به اینکه یکی از نقاط ضعف آلیاژهای منیزیم رفتار سایشی آن‌ها می‌باشد، لذا در ادامه ضمن مروری بر انواع مکانیزم‌های سایش، رفتار سایشی این آلیاژها مورد بررسی قرار می‌گیرد.

سایش
سایش از عوامل عمدهی استهلاک است و در سیستمی که مؤلفههای آن با یکدیگر در تماس بوده، و نسبت به هم حرکت نسبی دارند رخ می دهد. میزان سایش به پارامترهای تریبو سیستم بستگی دارد؛ این پارامترها شامل نیرو، دما، زمان و سرعت حرکت نسبی است. مفهوم اصطکاک با سایش متفاوت میباشد. سایش دربردارندهی استهلاک ماده، و اصطکاک فرایند استهلاک انرژی است. مکانیزمهای سایش شامل موارد زیر میباشد: ۱-سایش چسبان ۲-سایش ورقهای ۳- سایش خراشان ۴-سایش فرسایشی ۵-سایش نوسانی ۶- سایش تریبوشیمیایی ۶-سایش خستگی سطح [۳۶].

سایش چسبان۳۷
کم بودن سطح تماس دو قطعه و اعمال نیروی مناسب منجر به تغییر شکل پلاستیک، و قفل مکانیکی آن دو سطح میگردد. استحکام برشی نقاط تماس دو سطح افزایش یافته و مطابق شکل ۲-۲۲ گسیختگی عمق و لایههای زیرین رخ میدهد. تعریف دیگر سایش چسبان بر مبنای انتقال الکترونی بین سطوح و جذب الکتروستانیکی آنها میباشد. به دلیل ایجاد پیوندهای واندروالس یا ثانویه در سطح، گسیختگی در عمق قطعه رخ می‌دهد. حضور یک لایه‌ی محافظ بین دو سطح به عنوان یک مانع یا سد نفوذ، این سایش را کنترل مینماید. سایش چسبان در عمق حدود چند آنگسترومی تا چند میلیمتری قطعه رخ میدهد. بعضی از عناصر آلیاژی به راحتی با آهن موجود در پین واکنش داده و چسبندگی و اصطکاک نمونه‌ی سایشی را افزایش میدهد. در حالی‌که در مواردی که فلز پایه فعالتر از عنصر آلیاژی به کار رفته باشد، افزودن این عناصر در سطح فلز منجر به کاهش چسبندگی و اصطکاک میگردد. علاوه بر این حضور

92

دیدگاهتان را بنویسید