دانلود پروژه: ساخت کامپوزیت Al413/Ni/Al3Ni با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی    و مشخصه یابی آن

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                       صفحه

فهرست مطالب هشت

فهرست اشکال یازده

فهرست جداول شانزده

چکیده. 1

فصل اول: مقدمه

1-1-مقدمه. 2

فصل دوم: مروری بر منابع

2-1-معرفی و تاریخچه. 4

2-2-طبقه­بندی آلیاژهای آلومینیوم. 4

2-3-معرفی آلیاژ A413.. 5

2-4-فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 6

2-5-تحولات ریزساختاری در اثر انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 8

2-5-1-ناحیه اغتشاش یافته. 8

2-5-2-ناحیه متاثر از عملیات ترمومکانیکی.. 9

2-5-3-ناحیه ی متاثر از حرارت… 9

2-6-پارامترهای فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 10

2-6-1-هندسه ابزار. 10

2-6-2-سرعت چرخشی و سرعت خطی.. 11

2-7-استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی جهت اصلاح ریزساختار آلیاژهای ریختگی آلومینیوم. 12

2-8-ساخت کامپوزیت­های سطحی زمینه فلزی و روش­های ایجاد آن با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 15

2-8-1-روش دوغابی.. 16

2-8-2-روش شیار باریک….. 17

2-8-3-پاشش حرارتی.. 17

2-9-تحقیقات انجام شده در زمینه ساخت کامپوزیت سطحی با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 18

2-10-سایش، انواع و مکانیزم­های آن.. 24

2-10-1-سایش خراشان.. 24

2-10-2-سایش چسبان.. 27

2-10-3-سایش ورقه­ای.. 28

2-10-4-منحنی مشخصه سایش…. 29

2-11-تاثیر فرایند اصطکاکی اغتشاشی بر خواص و رفتار سایشی آلیاژهای آلومینیوم. 31

2-12-ارزیابی رفتار سایشی کامپوزیتهای ایجاد شده توسط فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 34

2-13-بهینه سازی به روش تاگوچی.. 37

2-14-جمع بندی مرور مطالعاتی و هدف تحقیق حاضر. 38

فصل سوم: مواد، آزمایش­ها و روش انجام تحقیق

3-1-مقدمه. 40

3-2-مواد اولیه مورد نیاز. 40

3-3-آماده سازی نمونه­ها 42

3-4-تجهیزات مربوط به فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 42

3-5-روندنمای انجام تحقیق.. 43

3-6-اجرای فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 44

3-7-بهینه سازی با استفاده از روش تاگوچی.. 45

3-8-ارزیابی ریزساختار. 45

3-9-محاسبه کسر سطحی ذرات تقویت کننده. 45

3-10-آزمون پراش پرتو ایکس…. 46

3-11-آزمون سختی.. 46

3-12-آزمون سایش…. 46

فصل چهارم: نتایج وبحث

4-1-انتخاب پارامترهای مناسب جهت انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 48

4-2-بهینه سازی به روش تاگوچی.. 55

4-2-1-طراحی آزمایش به روش تاگوچی.. 55

4-2-2-آنالیز آماری.. 56

4-2-3-آنالیز واریانس…. 61

4-3-مشخصه­یابی نمونه بهینه. 63

4-4-تشکیل ترکیبات بین فلزی از دید ترمودینامیک و بررسی سینتیک آن.. 68

4-5-بررسی اثر افزایش تعداد پاس… 70

4-5-1-اثر افزایش پاس بر ریزساختار. 70

4-5-2-اثر افزایش پاس بر ریزسختی.. 76

4-6-بررسی رفتار سایشی ­آلیاژ A413 و کامپوزیت A413/Ni/Al₃Ni 77

4-6-1-سایش دما پایین.. 77

4-6-2-سایش دما بالا.. 82

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1-نتایج کلی.. 88

5-2-پیشنهادات جهت ادامه این پژوهش…. 89

مراجع.. 90

پیوست 1. 96

 

فهرست اشکال

شکل 2-1. طبقه­بندی کلی آلیاژهای آلومینیوم. 5

شکل 2-2. نمایی از جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی.. 7

شکل 2-3. نواحی مختلف ریزساختاری در آلیاژ آلومینیوم اصطکاکی اغتشاشی شده 7075. 8

شکل 2-4. ریزساختار ناحیه متاثر از عملیات ترمومکانیکی در آلیاژ آلومینیوم 7075. 9

شکل 2-5. انواع مختلف پروفیل­های ابزار فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 10

شکل 2-6. تاثیر هندسه پین بر سختی ناحیه اغتشاش یافته. 11

شکل2-7. اندازه دانه ناحیه اغتشاش یافته در آلیاژ آلومینیوم 7075 با پارامترهای فرایند مختلف…. 12

شکل 2-8 . ریزساختار ریختگی آلیاژ A356، الف) ساختار دندریتی و ب) توزیع بین دندریتی ذرات سیلیسیم.. 13

شکل 2-9. تصویر میکروسکوپی نوری نشان دهنده شکل و توزیع ذرات سیلیسیم در آلیاژ A356 پس از انجام فرایند اصطکاکی           اغتشاشی   14

شکل 2-10. تصویر میکروسکوپی الکترونی از مرکز ناحیه اغتشاش یافته نمونه­های الف) تک پاس، ب) دو پاس و ج) سه پاس فرایند شده با سرعت چرخشی 1500 دور در دقیقه و سرعت خطی 16 میلی‌متر بر دقیقه. 15

شکل 2-11. نمایی از روش شیاری.. 18

شکل 2-12. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از کامپوزیت سطحی Al/SiC ، الف) بدون اچ و ب) با اچ و بزرگنمایی بیشتر. 18

شکل 2-13. توزیع سختی نمونه اصطکاکی اغتشاشی شده A356 با و بدون ذرات SiC.. 19

شکل 2-14. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از الف) توزیع ذرات نیکل در ناحیه اغتشاشی و ب) فصل مشترک بین زمینه و ذره 19

شکل 2-15. الف) تصویر پراش الکترونی برگشتی از ناحیه اغتشاش یافته و ب) توزیع زوایای عدم تطابق.. 20

شکل 2-16. الف) نقشه مرزهای دانه در زمینه، ب) مرزهای با جهت­گیری مخلوط و ج) مرزهای مخلوط با تطابق کم و بزرگ زاویه. 20

شکل 2-17. الگوی پراش پرتو ایکس کامپوزیت آلومینیوم-نیکل.. 21

شکل 2-18. پروفیل ریزسختی ناحیه اغتشاش یافته کامپوزیت آلومینیوم-نیکل.. 21

شکل 2-19. دیاگرام فازی آلومینیوم-نیکل.. 23

شکل 2-20. پروفیل ریزسختی ناحیه اغتشاش یافته ورق آلومینیومی 1100. 23

شکل 2-21. نمونه­ای از سایش خراشان. 25

شکل 2-22. سایش خراشان الف) دو جسمی و ب) سه جسمی.. 25

شکل 2-23. اثر نسبت سختی فلز به ماده ساینده بر مقاومت به سایش…. 26

شکل 2-24. مکانیزم­های سایش خراشان. 27

شکل 2-25. مکانیزم­های مختلف گسیختگی اتصالات سطحی و سایش چسبان. 28

شکل 2-26. الگویی از یک منحنی سایش نمونه. 30

شکل 2-27. انواع مختلف منحنی مشخصه سایش…. 30

شکل 2-28. تغییرات کاهش وزن در مقابل مسافت لغزش آلیاژ A356 فرایند شده با پارامترهای مختلف و آلیاژ A356 فرایند نشده 32

شکل 2-29. تغییرات نرخ سایش در مقابل مسافت لغزش… 32

شکل 2-30. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از اثرات سایش آلیاژ اصطکاکی اغتشاشی شده A356 در الف) 500 ، ب) 800،        ج) 1000 و د) 1250 دور بر دقیقه. 33

شکل 2-31. نمودار کاهش وزن نمونه­های آلیاژ A356 فرایند شده و کامپوزیتی.. 35

شکل 2-32. نمودار تغییرات ضریب اصطکاک نمونه­های آلیاژ A356 فرایند شده و کامپوزیتی.. 35

شکل 2-33. تصویر میکروسکوپی الکترونی از الف) سطح ساییده شده و ب) زیر سطح کامپوزیت  A356/SiCp.. 36

شکل 2-34. تصویر میکروسکوپی الکترونی از الف) سطح ساییده شده و ب) زیر سطح کامپوزیت  A356/SiCp/MoS₂. 36

شکل 2-35. تغییرات نرخ سایش کامپوزیت‌های الف) A390/Al₂O₃ و ب) A390/Gr با افزایش سرعت چرخش ابزار. 37

شکل 2-36. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از سطوح سایش، الف و ب) کامپوزیت سطحی A390/Al₂O₃ به ترتیب فرایند شده در 1200 (الف) و 1800 (ب) دور در دقیقه، و ج و د) کامپوزیت سطحی A390/Gr به ترتیب فرایند شده در 1200 (ج) و 1800 (د) با سرعت خطی 20 میلی‌متر بر دقیقه  38

شکل 3-1. الگوی پراش پرتو ایکس آلیاژ آلومینیوم ریختگی A413.. 41

شکل 3-2. تصویر میکروسکوپی الکترونی از ذرات نیکل.. 41

شکل 3-3. الگوی پراش اشعه ایکس پودر نیکل.. 41

شکل 3-4. تصویر نمونه اولیه آماده شده و شیار روی آن. 42

شکل 3-5. شماتیک ابزارهای به کار برده شده جهت انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی و ابعاد آن­ها 43

شکل 3-6. روندنمای انجام پروژه 43

شکل 3-7. تصویری از یک نمونه تحت فرایند قرار گرفته با سرعت چرخشی 2000 دور در دقیقه، سرعت خطی 8 میلی‌متر بر دقیقه و زاویه 3 درجه  44

شکل 3-8. نمایی از دستگاه سایش پین بر روی دیسک دمای محیط. 47

شکل 3-9. نمایی از دستگاه سایش پین بر روی دیسک دمای بالا.. 47

شکل 4-1. آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی از ذرات مورد نظر در نمونه‌های کامپوزیتی ایجاد شده با شرایط الف) سرعت چرخشی 1400 دور بر دقیقه و سرعت خطی 20 میلی‌متر بر دقیقه  و ب) سرعت چرخشی 2000 دور بر دقیقه و سرعت خطی 20 میلی‌متر بر دقیقه. (ج) و (د) به ترتیب پیک‌های مربوط به شکل‌های (الف) و (ب) می‌باشند. 49

شکل 4-2. آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی از ذرات مورد نظر در نمونه‌های کامپوزیتی ایجاد شده با شرایط الف) سرعت چرخشی 1400 دور بر دقیقه و سرعت خطی 20 میلی‌متر بر دقیقه و ب) سرعت چرخشی 2000 دور بر دقیقه و سرعت خطی 20 میلی‌متر بر دقیقه. (ج) و (د) به ترتیب پیک‌های مربوط به شکل‌های (الف) و (ب) می‌باشند. 50

شکل 4-3. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از ذرات نیکل در نمونه‌های تولید شده با پارامترهای الف) 1400 دور در دقیقه و 20 میلی‌متر بر دقیقه و ب) 2000 دور در دقیقه و 20 میلی‌متر بر دقیقه. 51

شکل 4-4. الگوی پراش پرتو ایکس نمونه‌های ایجاد شده با الف) 1400 دور در دقیقه و 20 میلی‌متر بر دقیقه و ب) 2000 دور در دقیقه و 20 میلی‌متر بر دقیقه  52

شکل 4-5. الف و ب) تصویر میکروسکوپی نوری و الکترونی از ریزساختار فلز پایه، ج و د) نمونه کامپوزیتی ایجاد شده با شرایط 1400 دور در دقیقه و 20 میلی‌متر بر دقیقه همراه با وجود حفره، ه و و) نمونه کامپوزیتی ایجاد شده با شرایط 2000 دور در دقیقه و 20 میلی‌متر بر دقیقه. 54

شکل 4-6. نمودار میانگین نسبت سیگنال به نویز برای کاهش وزن در مقابل تغییرات هر پارامتر بر اساس معیار هر چه کمتر بهتر. 59

شکل 4-7. نمودار میانگین نسبت سیگنال به نویز برای ریزسختی در برابر تغییرات هر پارامتر بر اساس معیار هر چه بیشتر بهتر. 60

شکل 4-8. میزان درصد مشارکت هر پارامتر برای مقادیر الف) ریزسختی و ب) کاهش وزن. 60

شکل 4-9. تصویر ماکروسکوپی از نمونه ایجاد شده با شرایط بهینه. 64

شکل 4-10. الف) ریزساختار فلز پایه همراه با وجود دندریت­ها، ب) ریزساختار فلز پایه در مقیاس کوچک‌تر برای نمایش ذرات سوزنی سیلیسیم و حفرات و ج) ریزساختار نمونه بهینه. 65

شکل 4-11. ریزساختار ناحیه متاثر از عملیات ترمومکانیکی در مرز ناحیه اغتشاش یافته نمونه بهینه با زمینه در سمت پیش­ران. 66

شکل 4-12. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از ناحیه اغتشاش یافته نمونه بهینه. الف) ترکیب بین فلزی Al₃Ni به صورت لایه­های خاکستری رنگ اطراف ذره­های سفید رنگ (ذرات نیکل) و ب) ذرات ریز خاکستری رنگ توزیع شده در زمینه (ذرات Al₃Ni) 67

شکل 4-13. آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی از فصل مشترک ذره نیکل با زمینه و نتایج آن. 67

شکل 4-14. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از توزیع ذرات تقویت کننده در ناحیه اغتشاش یافته نمونه­های الف) تک پاس همراه با کلوخه­ای شدن شدید ذرات نیکل، ب) سه پاس و ج) پنج پاس… 71

شکل 4-15. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از ریزساختار ناحیه اغتشاش یافته الف) نمونه یک پاس و ب) نمونه پنج پاس… 72

شکل 4-16. الگوی پراش پرتو ایکس نمونه­های یک پاس، سه پاس و پنج پاس. 73

شکل 4-17. نمونه­ای از تصویر مورد استفاده برای نرم افزار clemex و محاسبه نسبت بزرگترین به کوچکترین طول و میزان کروی شدن  ذرات سیلیسیم درآن  74

شکل 4-18. تصویر میکروسکوپی نوری از ریزساختار نمونه‌های الف) تک پاس، ب) سه پاس و ج) پنج پاس… 75

شکل 4-19. تغییرات نسبت بیشترین به کمترین طول با افزایش تعداد پاس… 75

شکل 4-20. تغییرات میزان کروی شدن ذرات سیلیسیم با افزایش تعداد پاس… 76

شکل 4-21. تغییرات سطح ذرات سیلیسیم با افزایش تعداد پاس… 76

شکل 4-22. پروفیل ریزسختی نمونه‌های یک پاس، سه پاس و پنج پاس… 77

شکل 4-23. میزان کاهش وزن فلز پایه و نمونه‌های کامپوزیتی با افزایش تعداد پاس در شرایط دمای اتاق، نیروی 25 نیوتن و مسافت لغزش 600 متر  78

شکل 4-24. تغییرات ضریب اصطکاک در مقابل مسافت لغزش در دمای اتاق، مسافت 600 متر و نیروی 25 نیوتن.. 79

شکل 4-25. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین فلز پایه با الف) مقیاس بزرگ و ب) جزئیات بیشتر و همراه با مکانیزم­های چسبان و خراشان. 79

شکل 4-26. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین کامپوزیتی تک پاس. الف) مکانیزم تورق و ب) ترک خوردن ذره نیکل کلوخه شده 80

شکل 4-27. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح پین نمونه کامپوزیتی سه پاس. الف و ب) وجود خراش و فرورفتگی­ها در سطح پین و ج) تصویر الکترونی برگشتی شکل (ب) همراه با ذرات اکسید شده با رنگ سیاه 81

شکل 4-28. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین کامپوزیتی پنج پاس. الف و ب) وجود فرورفتگی‌های ایجاد شده در اثر مکانیزم چسبان و تورق در تصاویر و همچنین آثار خراش و ج) چسبیدن و تجمع ذرات اکسیدی سیاه رنگ در شیارها و کندگی‌های موجود در تصویر (ب) 82

شکل 4-29. میزان کاهش وزن فلز پایه و نمونه‌های کامپوزیتی با افزایش تعداد پاس در شرایط دمای 250 درجه سانتی‌گراد، نیروی 25 نیوتن و مسافت لغزش 600 متر. 83

شکل 4-30. تغییرات ضریب اصطکاک در مقابل مسافت لغزش در دمای 250 درجه سانتی‌گراد، نیروی 25 نیوتن و مسافت لغزش                   600 متر  84

شکل 4-31. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین فلز پایه در دمای 250 درجه سانتی‌گراد. الف) چسبیدن ذرات سایش به سطح پین، ب) سایش خراشان همراه با تغییر شکل پلاستیک اطراف شیارها و  تجمع ذرات اکسیدی درون آن‌ها 85

شکل 4-32. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین تک پاس در دمای 250 درجه سانتی‌گراد. الف) مکانیزم تورق، ب) آثار خراشیدگی همراه با تغییر شکل پلاستیک کم و ج) تصویر الکترونی برگشتی (ب) و نشان دهنده خراش­های کم عمق.. 86

شکل 4-33. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح نمونه پین سه پاس در دمای 250 درجه سانتی‌گراد در الف) مقیاس بزرگ و همراه با آثار خراشیدگی­های بسیار کم عمق و ب) مقیاس کوچک‌تر و نشان دهنده مکانیزم تورق.. 86

شکل 4-34. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین پنج پاس در دمای 250 درجه سانتی‌گراد. الف) مکانیزم تورق و ب) وجود خراش‌های بسیار کم عمق.. 87

فهرست جداول

جدول 2-1. ترکیب شیمیایی استاندارد آلیاژ A413 بر حسب درصد وزنی.. 6

جدول 2-2. مقایسه خواص مکانیکی آلیاژ A413 با برخی از آلیاژهای ریختگی مشابه. 6

جدول 2-3. مکانیزم­های سایش بر اساس فرایندهای سایش…. 24

جدول 3-1. ترکیب شیمیایی آلیاژ A413 مورد استفاده بر حسب درصد وزنی.. 40

جدول 4-1. نتایج آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی مربوط به شکل 4-1. 49

جدول 4-2. نتایج آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی مربوط به شکل 4-2. شکل (ب) ترکیب بین فلزی Al₃Ni را نشان می­دهد. 50

جدول 4-3. پارامترهای مورد بررسی فرایند اصطکاکی اغتشاشی و سطوح انتخابی آن­ها 55

جدول 4-4. جدول طراحی آزمایش به روش تاگوچی.. 56

جدول 4-5. نتایج حاصل از اندازه­گیری میزان کاهش وزن نمونه­ها در اثر سایش و محاسبه نسبت سیگنال به نویز. 57

جدول 4-6. نتایج حاصل از اندازه­گیری ریزسختی ناحیه اغتشاش یافته و محاسبه نسبت سیگنال به نویز. 57

جدول 4-7. میانگین مقدار اندازه­گیری شده کاهش وزن برای سطوح مختلف هر فاکتور و  میانگین نسبت سیگنال به نویز آن­ها 58

جدول 4-8. میانگین مقدار اندازه­گیری شده ریزسختی برای سطوح مختلف هر فاکتور و  میانگین نسبت سیگنال به نویز آن­ها 60

جدول 4-9. نتایج آنالیز واریانس برای مقادیرکاهش وزن. 62

جدول 4-10. نتایج آنالیز واریانس برای مقادیر ریزسختی.. 62

جدول 4-11. تغییرات انرژی آزاد موثر تشکیل ترکیبات بین فلزی آلومینیوم – نیکل.. 70