دانلود پروژه: توسعه کامپوزیت سطحی Al-Fe بر سطح آلیاژ Al6061 با استفاده از فرآیند اصطکاکی اغتشاشی و ارزیابی خواص آن  

فهرست مطالب

 

عنوان                                                                                                                                                                               صفحه            

فهرست مطالب……………………………………………………………………………………………………………………………………………… هشت

چکیده……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 1

فصل اول:مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2

فصل دوم…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4

مروری بر منابع……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 4

   2-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………… 4

   2-2- آلومینیوم و آلیاژهای آن…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 4

  2-2-1- معرفی آلیاژهای گروه ۶٠٠٠……………………………………………………………………………………………………………. 5

  2-2-2- طبقه بندی آلیاژهای گروه ۶٠٠٠……………………………………………………………………………………………………….. 5

  2-2-3- معرفی آلیاژ Al6061………………………………………………………………………………………………………………………. 6

   2-2-4- محدودیت آلومینیوم و آلیاژهای آن و راه های موجود برای رفع آن………………………………………………………. 6

                2-2-4 الف) اصلاح دانه های آلومینیوم……………………………………………………………………………………………… 7

         2-2-4 ب) اضافه کردن عناصر آلیاژی ………………………………………………………………………………………………….. 8

         2-2-4ج) کامپوزیت سازی …………………………………………………………………………………………………………………. 8

    2-3- فرآیند اصطکاکی اغتشاشی………………………………………………………………………………………… 8

    2-3-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 8

   2-3-2- اساس فرآیند اصطکاکی اغتشاشی…………………………………………………………………………………………………… 10

   2-3-3- ایده کلی فرآیند اصطکاکی اغتشاشی………………………………………………………………………………………………. 11

   2-3-4- پارامترهای موثر در فرآیند FSP………………………………………………………………………………………………………. 11

   2 -3-5- مطالعات انجام گرفته بر روی تاثیر پارامترهای موثر در فرآیند اصطکاکی اغتشاشی…………………………………. 12

   2-3-6- بررسی ابزار و سایش آن در طول فرآیند…………………………………………………………………………………………… 18

     2-4- بررسی ریزساختار نمونه های FSP شده…………………………………………………………………………………………………….. 19

    2-4-1- نواحی مختلف حاصل از فرآیند اصطکاکی اغتشاشی…………………………………………………………………………. 19

         2-4-2- مطالعات انجام گرفته درزمینه بررسی ریزساختار نمونه های FSP شده……………………………………………………. 21

    2-5- تغییرات دمایی در حین فرآیند اصطکاکی اغتشاشی……………………………………………………………………………………… 24

    2-6- توزیع سختی در آلیاژهای فرآیند FSP شده……………………………………………………………………………………………….. 25

    2-7- مطالعات بر روی تاثیر فرآیند اصطکاکی اغتشاشی بر روی سختی نمونه…………………………………………………………… 26

    2-8- تحقیقات انجام گرفته در زمینه بهبود خواص سطحی فلزات توسط فرآیند اصطکاکی اغتشاشی…………………………… 28

        2-8-1- اصلاح ساختارهای ریختگی آلومینیوم با استفاده از فرآیند اصطکاکی اغتشاشی……………………………………….. 28

       2-8-2- ساخت کامپوزیت های حجمی با استفاده از فرآیند اصطکاکی اغتشاشی………………………………………………… 29

         2-8-3- ساخت کامپوزیت های سطحی با استفاده از فرآیند اصطکاکی اغتشاشی………………………………………………… 30

     2-9- جمع بندی مطالعات انجام شده بر روی آلیاژهای آلومینیوم گروه 6000  فرآیند FSP شده………………………………… 33

     2-10- جمع بندی و هدف از اجرای پروژه……………………………………………………………………………………………………….. 35

فصل سوم…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 36

مواد، تجهیزات و روش تحقیق………………………………………………………………………………………………………………………………… 36

    3-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 36

    3-2- مواد اولیه………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 36

    3-3- تجهیزات فرآیند اصطکاکی اغتشاشی…………………………………………………………………………………………………………. 36

        3-3-1- دستگاه فرآیند اصطکاکی اغتشاشی……………………………………………………………………………………………………. 37

        3-3-2- ابزار فرآیند اصطکاکی اغتشاشی………………………………………………………………………………………………………. 37

    3-4- روش تحقیق…………………………………………………………………………………………………………………………………………. 38

    3-5- نحوه آماده سازی نمونه………………………………………………………………………………………………………………………….. 39

    3-6- بررسی های ریزساختاری………………………………………………………………………………………………………………………… 39

        3-6-1- متالوگرافی…………………………………………………………………………………………………………………………………… 39

        3-6-2- میکروسکوپ الکترونی روبشی…………………………………………………………………………………………………………. 40

    3-7- بررسی فازها…………………………………………………………………………………………………………………………………………. 40

    3-8- بررسی خواص مکانیکی…………………………………………………………………………………………………………………………. 40

         3-8-1- تغییرات سختی در سطح مقطع عرضی……………………………………………………………………………………………….. 41

          3-8-2- سختی سنجی………………………………………………………………………………………………………………………………… 41

          3-8-3- آزمون سایش در دمای محیط…………………………………………………………………………………………………………. 41

          3-8-4- آزمون سایش در دمای بالا ……………………………………………………………………………………………………………. 41

         3-8-5- عملیات حرارتی T6………………………………………………………………………………………………………………………. 42

فصل چهارم……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 43

نتایج و بحث………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 43

   4-1 مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 43

    4-2 آنالیز پودر های مورد استفاده…………………………………………………………………………………………………………………….. 43

    4-3- بررسی ریزساختاری……………………………………………………………………………………………………………………………….. 45

         4-3-1- بررسی توزیع ذرات تقویت کننده در زمینه………………………………………………………………………………………… 47

         4-3-2- نواحی مختلف در ریزساختار نمونه فرآیند اصطکاکی اغتشاشی شده…………………………………………………….. 48

    4-4- بررسی ریزساختار توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی………………………………………………………………………………. 50

         4-4-1- تاثیر فرآیند FSP روی اندازه دانه…………………………………………………………………………………………………….. 50

         4-4-2- بررسی شکل و توزیع ذرات تقویت کننده………………………………………………………………………………………….. 52

       4-4-3- آنالیز فازهای تشکیل شده به کمک طیف سنجی پراش پرتو ایکس (EDS)……………………………………………. 55

     4- 5- نتایج آزمون پراش پرتو ایکس و شناسایی فازها………………………………………………………………………………………… 59

    4-6- مکانیزم تشکیل ترکیبات بین فلزی……………………………………………………………………………………………………………. 61

    4- 7- انتخاب پارامتر و ترکیب بهینه………………………………………………………………………………………………………………….. 62

         4- 7-1 بررسی های ماکروسکوپی……………………………………………………………………………………………………………….. 62

         4- 7- 2 بررسی تغییرات سختی در سطح مقطع عرضی نمونه ها…………………………………………………………………………. 63

    4- 8- ارزیابی رفتار سایشی……………………………………………………………………………………………………………………………… 67

         4-8-1- نمونه آلومینیوم 6061 اولیه…………………………………………………………………………………………………………….. 68

         4-8-2- نمونه آلومینیوم فرآیند شده بودن حضور پودر…………………………………………………………………………………… 70

         4-8-3- نمونه های کامپوزیتی…………………………………………………………………………………………………………………….. 71

    4- 9- ارزیابی رفتار سایش در دمای بالا…………………………………………………………………………………………………………….. 72

    4- 10- مقایسه خواص نمونه کامپوزیتی Al-Fe و نمونه کامپوزیتی Al-Cu……………………………………………………………… 74

    4- 11- جمع بندی…………………………………………………………………………………………………………………………………………. 78

فصل پنجم…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 79

نتیجه گیری و پیشنهادات………………………………………………………………………………………………………………………………………. 79

    5-1- نتیجه گیری ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 79

    5-2- پیشنهادات …………………………………………………………………………………………………………………………………………… 80

فهرست مراجع …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 81

فهرست شکل ها

 

عنوان                                                                                                                                                                                      صفحه

شکل ٢-١ تقسیم بندی آلیاژهای آلومینیوم……………………………………………………………………………………………………………….. 5

شکل٢-٢ تغییرات  نرخ سایش آلیاژ Al6061 برحسب مسافت لغزشی……………………………………………………………………………. 7

شکل 2-3 شماتیکی از اصول روش FSW………………………………………………………………………………………………………………. 10

شکل2-4 شماتیکی از مناطق مختلف از نظر تغییرشکل پلاستیک و سیلان ماده در فرآیند اصطکاکی اغتشاشی……………………. 11

شکل 2-5 شکل ابزار FSP …………………………………………………………………………………………………………………………………… 12

شکل 2-6 ابزار های توسعه یافته توسط موسسه جوشکاری انگلستان……………………………………………………………………………. 12

شکل 2-7 هندسه ی شانه ابزار ارائه شده توسط موسسه TWI…………………………………………………………………………………….. 13

شکل 2-8 تغییرات خواص کششی اتصالات……………………………………………………………………………………………………………. 15

شکل2-9 تغییرات سختی کامپوزیت سطحی…………………………………………………………………………………………………………….. 16

شکل2-10 ریزساختار منطقه اغتشاش برای سرعت حرکت خطی………………………………………………………………………………… 17

شکل2-11 پروفیل سختی نمونه های فرآیند شده……………………………………………………………………………………………………… 17

شکل 2-12 تصاویر ریزساختار نمونه ها…………………………………………………………………………………………………………………… 18

شکل2-13 پروفیل سختی نمونه ها…………………………………………………………………………………………………………………………. 18

شکل 2-14 روند سایش ابزار………………………………………………………………………………………………………………………………… 19

شکل2-15 نمونه ای از ریزساختار مناطق مختلف در فرآیند اصطکاکی اغتشاشی آلیاژ آلومینیوم Al7075-T651………………. 19

شکل 2-16 ریزساختار منطقه تحت تاثیر حرارت و کار مکانیکی(TMAZ) در فرآیند اصطکاکی اغتشاشی آلیاژ Al7075…….. 20

شکل2-17 تاثیر پارامترهای فرآیند بر شکل منطقه اغتشاش فرآیند اصطکاکی اغتشاشی آلیاژ A356…………………………………. 21

شکل2-18 تصاویر ریزساختار الف) نمونه فرآیند شده، ب) نمونه آلیاژ آلومینیوم Al6061……………………………………………… 21

شکل 2-19 اثر سرعت حرکت خطی بر اندازه دانه  و اندازه کلاسترهای آلومینا در نمونه های فرآیند شده…………………………. 22

شکل2-20 تاثیر سرعت چرخش بر اندازه دانه و اندازه کلاسترهای آلومینا در نمونه های فرآیند شده………………………………… 22

شکل2-21 ریزساختار نمونه T4، FSW شده الف) دانه های کشیده شده منطقه TMAZ…………………………………………………. 23

شکل 2-22 تصاویر میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی……………………………………………………………………………………….. 24

شکل2-23 توزیع سختی در مقطع عرضی نمونه………………………………………………………………………………………………………… 26

شکل2-24 نقشه سختی از مقطع عرضی کامپوزیت سطحی Al-Al₂O₃………………………………………………………………………….. 27

شکل 2-25 پروفیل سختی در مقطع عرضی نمونه A356-T6  فرآیند شده(بدون ذرات آلومینا) و کامپوزیت های سطحی……. 27

شکل2-26 پروفیل سختی در مقطع عرضی نمونه های کامپوزیت شده در سه پاس فرآیند اصطکاکی اغتشاشی و با نسبت درصد وزنی متفاوت        28

شکل2-27 مراحل فرآیند اصطکاکی اغتشاشی………………………………………………………………………………………………………… 29

شکل 2-28 شماتیکی از فرآیند اصطکاکی اغتشاشی آلیاژ AZ31……………………………………………………………………………….. 31

شکل 2-29 سطوح سایش نمونه های کامپوزیتی با کسر حجمی ذرات TiC …………………………………………………………………. 32

شکل 2-30- نمودار مقدار جرم از دست رفته در آزمون سایش نمونه های کامپوزیتی با درصد های وزنی اکسید تیتانیوم متفاوت           32

شکل 2-31- نمودار نرخ سایش بدست آمده از آزمون سایش نمونه های کامپوزیتی با درصد های وزنی اکسید تیتانیوم متفاوت 33

شکل 3-1- شکل دستگاه مورد استفاده جهت فرآیند اصطکاکی اغتشاشی……………………………………………………………………. 37

شکل 3-2- طرح و ابعاد ابزار شامل پین و شانه…………………………………………………………………………………………………………. 38

شکل4-1- الگوی پراش پرتو ایکس پودرهای الف) آهن Fe ب) مس Cu………………………………………………………………….. 44

شکل 4-2- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از پودر آهن مورد استفاده………………………………………………………………. 44

شکل 4-3- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از پودر مس مورد استفاده……………………………………………………………….. 45

شکل 4-4- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از مورفولوژی ذرات الف) پودر آهن و ب) پودر مس………………………… 45

شکل4-5- تصویر میکروسکوپ نوری گرفته شده از ساختار آلومینیوم 6061 پایه…………………………………………………………. 46

شکل 4-6-  تصویر میکروسکوپ نوری از حفره تشکیل شده در انتهای منطقه اغتشاش ………………………………………………….. 46

شکل 4-7- تصویر میکروسکوپ نوری از توزیع مناسب ذرات در زمینه آلومینیوم…………………………………………………………. 47

شکل 4- 8- تصویر میکروسکوپ نوری از تجمع ذرات در ناحیه پیش رو…………………………………………………………………….. 48

شکل 4-9- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از توزیع ذرات پودر در زمینه آلومینیوم……………………………………………… 48

شکل 4-10- الف) مناطق مختلف بوجود آمده در فرآیند اصطکاکی اغتشاشی ب) منطقه اغتشاش یافته، ج) منطقه ترمومکانیکی (TMAZ)، د) منطقه تحت اثر حرارت (HAZ)……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 49

شکل 4- 11- تصویر میکروسکوپ نوری گرفته شده از ریزساختار منطقه ترمومکانیکی………………………………………………….. 50

شکل 4- 12- تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی توسط الکترون های بازگشتی از ساختار فلز آلومینیوم 6061 پایه الف) بزرگنمایی 250 ب) بزرگنمایی 500………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 51

شکل 4- 13- نمودار ستونی اندازه دانه ها در ساختار نمونه فاز آلومینیوم 6061 پایه………………………………………………………. 51

شکل 4- 14- تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی توسط الکترون های بازگشتی از منطقه اغتشاش نمونه فرآیند اصطکاکی اغتشاشی شده با سرعت چرخش 1000 دور در دقیقه و سرعت حرکت خطی 25 میلی متر بر دقیقه الف) بزرگنمایی 500 ب) بزرگنمایی 1000………. 52

شکل 4- 15- نمودار ستونی اندازه دانه ها در منطقه اغتشاش نمونه فرآیند شده با پارمترهای سرعت چرخش 1000 دور در دقیقه و سرعت حرکت خطی       25 میلی متر بر دقیقه و بدون حضور پودر………………………………………………………………………………………………………………… 52

شکل 4-16- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از شکل و توزیع ذرات تقویت کننده در زمینه آلومینیوم، بزرگنمایی 125 برابر         53

شکل 4-17- تصویر میکروسکوپ الکترونی از لایه پیوندی اطراف ذرات، بزرگنمایی 250 برابر………………………………………. 53

شکل 4-18 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از شکستگی لایه اطراف ذره تقویت کننده آهن، بزرگنمایی 1000 برابر……. 54

شکل 4-19- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از پدیده ساندویچی شدن و تشکیل ساندویچی از Al-Fe ، بزرگنمایی      500 برابر  54

شکل 4-20- تصویر میکروسکوپ الکترونی توسط الکترون های بازگشتی از نمونه A1، بزرگنمایی 4000 برابر…………………. 55

شکل4-21- نقاطی که آنالیز عنصری نقطه ای قرار گرفته است…………………………………………………………………………………… 55

شکل4-22- نمودار شدت پرتو های مربوط به هر عنصر برای چهار نقطه مورد نظر در شکل 4-21……………………………………. 56

شکل 4-23- تصویر میکروسکوپ الکترونی از نقاط مورد آنالیز ………………………………………………………………………………… 57

شکل 4-24- نمودار شدت پیک های نقاط مورد آنالیز در تصویر شکل 4-23……………………………………………………………… 57

شکل4-25- آنالیز نقشه ای از نمونه کامپوزیتی A1.الف) توزیع دو عنصر آلومینیوم به رنگ زرد و آهن به رنگ بنفش ب) توزیع عنصر آلومینیوم ج) توزیع عنصر آهن…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 58

شکل 4-26. آنالیز خطی از ذره تقویت کننده، تصویر میکروسکوپ الکترون روبشی به روش طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس         59

شکل 4-27. شدت پیک های عناصر آلومینیوم و آهن بر روی هم و بر حسب مکان در شکل 4-26………………………………….. 59

شکل 4-28- الگوی پراش پرتو ایکس نمونه کامپوزیتی A1………………………………………………………………………………………. 60

شکل 4-29- دیاگرام تعادلی آلومینیوم – آهن………………………………………………………………………………………………………… 60

شکل 4-30- شماتیکی از مراحل تشکیل ذرات تقویت کننده در کامپوزیت های ساخته شده…………………………………………… 61

شکل 4-31- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه کامپوزیتی A1…………………………………………………………………. 62

شکل 4-32- نمایی از سطح نمونه فرآیند شده در چهار پاس و یکنواخت بودن سطح آن………………………………………………… 63

شکل 4-33- منحنی تغییرات سختی (ویکرز) برحسب فاصله از مرکز ناحیه اغتشاش………………………………………………………. 63

شکل4-34- منحنی تغییرات سختی(ویکرز) نمونه کامپوزیتی A2 برحسب فاصله از مرکز ناحیه اغتشاش……………………………. 64

شکل 4-35- الگوی پراش پرتو ایکس الف) نمونه کامپوزیتی A1 ، ب) نمونه کامپوزیتی A2…………………………………………. 66

شکل 4-36- نمودار تغییرات سختی پس از اعمال عملیات حرارتی T6 بر روی نمونه ها…………………………………………………. 67

شکل 4-37- نمودار میزان کاهش جرم نمونه ها برحسب میلی گرم در طی آزمون سایش در دمای محیط………………………… 67

شکل 4-38- نرخ سایش نمونه های کامپوزیتی و فرآیند شده بدون حضور پودر و نمونه آلومینیوم پایه……………………………… 68

شکل 4-39- تغییرات ضریب اصطکاک در نمونه آلومینیوم 6061 پایه………………………………………………………………………… 69

شکل4-40- تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح نمونه آلومینیوم 6061 پایه الف) الکترون های ثانویه ب) الکترون های بازگشتی        69

شکل 4-41- تغییرات ضریب اصطکاک در نمونه فرآیند اصطکاکی اغتشاشی شده بدون حضور پودر……………………………… 70

شکل 4-42- تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح نمونه فرآیند اصطکاکی اغتشاشی شده بدون حضور پودر الف) الکترون های ثانویه ب) الکترون های بازگشتی…………………………………………………………………………………………………………………………………………. 70

شکل 4-43- تغییرات ضریب اصطکاک در نمونه کامپوزیتی A1………………………………………………………………………………… 71

شکل 4-44- تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از مسیر سایش نمونه کامپوزیتیA1 الف)الکترون های ثانویه ب)الکترون های بازگشتی         71

شکل 4-45- تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از ذرات سایشی جدا شده از سطج سایش الف) نمونه آلومینیوم پایه ب) نمونه A1 72

شکل 4-46- نمودار ستونی میزان کاهش جرم نمونه A1 و آلومینیوم پایه در اثر سایش در دمای 350 درجه سانتی گراد………. 73

شکل 4-47- تغییرات ضریب اصطکاک در سطح تماس پین و دیسک در نمونه های الف) A1، ب) آلومینیوم پایه…………….. 73

شکل 4-48- تصویری از نمونه پین آلومینیوم پایه خم شده در طی آزمون سایش دما بالا در کنار نمونه پین کامپوزیتی………… 74

شکل 4-49- الگوی پراش پرتو ایکس نمونه کامپوزیتی C1………………………………………………………………………………………. 75

شکل4-50. تغییرات سختی برحسب فاصله از مرکز اغتشاش نمونه های A1 و C1………………………………………………………….. 75

شکل 4-51. نمودار تغییرات سختی پس از اعمال عملیات حرارتی T6 بر روی نمونه ها………………………………………………….. 76

شکل 4- 52. نمودار میزان کاهش جرم نمونه های C1 و A1 برحسب میلی گرم در طی آزمون سایش در دمای محیط……….. 76

شکل4-53. نرخ سایش نمونه های کامپوزیتی C1 و A1 در طی مسافت سایش رفت و برگشتی………………………………………… 77

شکل 4-54. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از مسیر سایش نمونه کامپوزیتی C1 الف) الکترون ثانویه ب) الکترون بازگشتی      77

شکل4-55. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از ذرات سایشی جدا شده ( debris ) از سطج سایش نمونه C1…………….. 78

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست جداول

 

عنوان                                                                                                                                                                                      صفحه

جدول٢-١ نمونه ای از ترکیب شیمیایی آلیاژ Al6061(برحسب درصد جرمی)……………………………………………………………… 6

جدول٢-٢ خلاصه ای از مزایای روش FSW/FSP ………………………………………………………………………………………………….. 9

جدول2-3 خلاصه ای از تحقیقات انجام شده در زمینه استفاده از فرآیند FSP بر روی آلیاژهای آلومینیوم گروه 6000………. 33

جدول 3-1 ترکیب شیمیایی آلیاژ آلومینیوم 6061 (درصد وزنی) …………………………………………………………………………….. 36

جدول 3-2- ماتریس پارامترها و پودرهای مورد بررسی و کدگذاری نمونه ها…………………………………………………………….. 39

جدول 3-3- ترکیب اجزای سازنده محلول کلر (Keller) ………………………………………………………………………………………… 40

جدول 3-4- ترکیب اجزا سازنده محلول حکاکی مورد استفاده جهت مشاهده مرزدانه…………………………………………………. 40

جدول 4-1- میزان عناصر آلومینیوم و آهن در نقطه 1……………………………………………………………………………………………… 56

جدول 4-2- میزان عناصر آلومینیوم و آهن در نقطه 2……………………………………………………………………………………………… 56

جدول 4-3- میزان عناصر آلومینیوم و آهن در نقطه 3……………………………………………………………………………………………… 56

جدول 4-4- میزان عناصر آلومینیوم و آهن در نقطه 4……………………………………………………………………………………………… 56

جدول 4-5- میزان عناصر آهن و آلومینیوم در نقطه 1……………………………………………………………………………………………… 57

جدول 4-6- میزان عناصر آهن و آلومینیوم در نقطه 2……………………………………………………………………………………………… 58