بررسی ساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت آلومینیوم پوشش داده شده با تیتانیا تولید شده با فرآیند نورد تجمعی

دانشکده مهندسی مواد و متالورژی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

مهندسی مواد-گرایش شکل دادن فلزات

بررسی ساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت آلومینیوم پوشش داده شده با تیتانیا تولید شده با فرآیند نورد تجمعی

(ARB)

 

 

چکیده:

در این تحقیق با استفاده از فرآیند اسپری پایرولیز بر روی ورق های آلومینیوم ۱۱۰۰AA حجم های متفاوتی از محلول مورد استفاده جهت لایه نشانی اکسید تیتانیم استفاده گردید و پس از لایه نشانی اکسید تیتانیم در مقیاس های نانو و میکرون، اقدام به ساخت کامپوزیت ۲TiO Al/ با استفاده از عملیات اتصال نوردی تجمعی با تشکیل ساندویچی از ورق آلومینیوم خالص با ورق آلومینیوم پوشش داده شده با ۲TiO گردید. پس از نورد، سختی کامپوزیت،  خواص مکانیکی و مشاهدات ریزساختاری، به ترتیب به کمک دستگاه میکرو سختی سنج، دستگاه کشش ومیکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به EDX مورد بررسی قرار گرفت. مشاهده گردید با افزایش محلول مورد استفاده جهت لایه نشانی اکسیدتیتانیم، ضخامت لایه افزایش پیدا کرده و منجر به تولیدکامپوزیتی با درصد حجمی بالاتر از اکسید تیتانیم شد. همچنین سختی کامپوزیت با افزایش سیکل های نورد افزایش پیدا  کرد. استحکام کششی، استحکام تسلیم واستحکام نهایی کامپوزیت با افزایش درصد حجمی تیتانیم، افزایش یافت ودرنهایت نتایج نشان داد که تغییرات خواص مکانیکی حین فرآیند ARB با تغییرات ریز ساختاری مطابقت دارد.

 

 

واژه های کلیدی : اتصالنوردتجمعی(ARB)، اسپری پایرولیز ۲TiO ، کامپوزیتهای زمینه فلزی، تغییر شکل پلاستیک شدید، استحکام پیوند

 

فهرست مطالب

 

عنوان                                                                                                      صفحه

 

فصل۱                                                                                                    ۱

  • مقدمه …………………………………………………………………………………………………….۲

 

فصل۲ مروری بر منابع                                                                            ۶      

۲-۱- آلومینیوم ………………………………………………………………………………………………..۷

۲-۱-۱- آلومینیوم خالص تجارى …………………………………………………………………۷

۲-۲-  تیتانیم و دی اکسید تیتانیم………………………………………………………………………۸

۲-۳- کامپوزیتها …………………………………………………………………………………………….۱۰

۲-۳-۱- مقدمه …………………………………………………………………………………………..۱۰

۲-۳-۲- نقش مواد مورد استفاده در زمینه………………………………………………….۱۲

۲-۳-۳- شکل های مواد زمینه ……………………………………………………………………۱۳

۲-۳-۴- انواع مواد زمینه……………………………………………………………………………۱۳

۲-۴- لایه نشانی با فرآیند اسپری پایرولیز …………………………………………………..۱۴

۲-۴-۱- فرآیند اسپری پایرولیز………………………………………………………………..۱۴

۲-۵- تغییر شکل شدید پلاستیک ………………………………………………………………….۱۶

۲-۵-۱- مقدمه ………………………………………………………………………………………….۱۶

۲-۵-۲- روش های تولید مواد با اندازه دانه نانومتری …………………………….۱۷

۲-۵-۳- مزایای فرآیند های تغییر شکل شدید پلاستیک …………………………….۱۸

۲-۵-۴-فرآیند نورد تجمعی……………………………………………………………………….۲۱

۲-۶- اتصال ورق ها در فرآیند نورد تجمعی…………………………………………………….۲۳

۲-۷- پارامترهای مؤثر در فرآیند نورد تجمعی………………………………………………….۲۵

۲-۷-۱- شبکه کریستالی مواد ………………………………………………………………….۲۵

۲-۷-۲- وضعیت سطح …………………………………………………………………………….۲۵

۲-۷-۳- زبری سطوح ……………………………………………………………………………….۲۵

۲-۷-۴- ضخامت اولیه ورق ……………………………………………………………………..۲۶

۲-۷-۵- میزان کاهش سطح مقطع ……………………………………………………………۲۶

۲-۷-۶- دمای نورد ………………………………………………………………………………….۲۶

۲-۷-۷- سرعت نورد ……………………………………………………………………………….۲۷

۲-۷-۸- فشار اعمالی از سوی غلتک ها …………………………………………………..۲۷

۲-۷-۹- اصطکاک بین غلتک و قطعه …………………………………………………………۲۷

۲-۷-۱۰- عملیات حرارتی بین سیکلی ………………………………………………………۲۷

۲-۷-۱۱- عملیات حرارتی پس از فرآیند ………………………………………………….۲۸

۲-۸- تولید کامپوزیت ها توسط فرآیند نورد تجمعی…………………………………………..۲۸

۲-۹- سایر فرآیندها………………………………………………………………………………………۲۹

۲-۱۰- خواص مواد بعداز تغییرشکل پلاستیک شدید ……………………………………۳۱

۲-۱۱- نمونه هایی از کاربرد مواد بعداز تغییر شکل پلاستیک شدید…………….۳۲

 

فصل ۳ مواد و روش تحقیق                                                                        ۳۷

۳-۱- ماده اولیه مورد استفاده ……………………………………………………………………..۳۸

۳-۲- تهیه لایه های نازک اکسیدتیتانیم به روش اسپری پایرولیز………………….۳۸

۳-۳- فرآیندتهیه لایه هاوشرایط لایه نشانی…………………………………………………..۴۰

۳-۴- تهیه محلول مورد نیاز برای لایه نشانی پاششی…………………………………..۴۲

۳-۵- شرح عملیات اسپری پایرولیز ………………………………………………………………۴۲

۳-۶- شرح عملیات نورد تجمعی…………………………………………………………………….۴۴

۳-۷- بررسی ریز ساختار ……………………………………………………………………………۴۷

۳-۷-۱- عملیات متالوگرافی………………………………………………………………………۴۷

۳-۷-۲- مشاهده ساختار میکروسکوپی……………………………………………………۴۸

۳-۸- میکروسختی سنجی …………………………………………………………………………….۴۸

۳-۹- آزمون کشش تک محور……………………………………………………………………….۴۹

۳-۹-۱- آماده سازی نمونه های آزمون کشش ……………………………………….۴۹

۳-۹-۲- انجام آزمون کشش تک محور ……………………………………………………۵۰

 

فصل ۴ نتایج و بحث                                                                                 ۵۱

۴-۱- تاثیر زبری سطح بر استحکام اتصال ………………………………………………….۵۲

۴-۲- لایه تیتانیای تولید شده توسط فرآیند اسپری پایرولیز………………………..۵۳

۴-۳- بدست آوردن درصد وزنی ۲TiO در ساخت کامپوزیت ۲TiO – Al…………..60

4-4- مشاهدات ریزساختاری ……………………………………………………………………….۶۲

۴-۵- بررسی خواص مکانیکی کامپوزیت ۲TiO Al-………………………………………..66

4-5-1- نتایج تست میکروسختی………………………………………………………………۶۶

۴-۵-۲- نتایج تست کشش تک محوری…………………………………………………….۶۷

 

فصل ۵ نتیجه گیری و پیشنهادات                                                               ۷۰

۵-۱- نتیجه گیری ………………………………………………………………………………………….۷۱

۵-۲- پیشنهادات ……………………………………………………………………………………………۷۲

مراجع                                                                                                        ۷۳

 

 

 

 

 

فهرست اشکال

 

عنوان                                                                                      صفحه

فصل ۲

(شکل۲-۱). نحوه آرایش هشت وجهی ها در ۶TiO……………………………………………….. 9

(شکل۲-۲). مقایسه ۳ نوع از مواد مرکب الف)ذره ای ب)تقویت شده با الیاف

ج)لایه ای …………………………………………………………………………………………………………. ۱۱

(شکل۲-۳) . تغییر شکل در کانال‌های مشابه زاویه‌دار (ECAP)………………………….. 20

(شکل ۲-۴). فرآیند اکستروژن و فشار متوالی (CEC)………………………………………… 20

(شکل ۲-۵). تغییر شکل پیچشی تحت فشار زیاد (HPT) ……………………………………. 20

(شکل ۲-۶). مراحل مختلف فرآیند نورد تجمعی………………………………………………………۲۱

(شکل ۲-۷). تصویر شماتیکی از آزمون پوسته­کنی……………………………………………. ۲۴

(شکل ۲-۸) . تغییر شکل در قالب ECAP بوسیله نورد(ECAR) …………………………. 30

(شکل۲-۹). فرآیند موج‌دار کردن و صاف کردن متوالی(RCS)……………………………. 30

(شکل ۲-۱۰). فورج سیکلی در قالب بسته(CCDF)………………………………………………. 30

(شکل ۲-۱۱). رابطه­ی تنش تسلیم قراردادی و اندازه­ی دانه آهن خالص ……………. ۳۲

(شکل ۲-۱۲). پیچ­های ساخته شده از آلیاژ تیتانیم SPD شده …………………………….. ۳۳

(شکل ۲-۱۳). پیچ­های ساخته شده از فولاد کربنی فوق­العاده دانه­ریز ECAP شده  ۳۳

(شکل ۲-۱۴).ورق فولادی C-Mn فوق العاده ریزدانه با قابلیت کشش عمیق عالی   ۳۴

(شکل ۲-۱۵). قطعات پیستونی شکل ساخته شده از۱۴۲۰Al  نانوساختاری……….. ۳۴

(شکل ۲-۱۶). ایمپلنت­های ساخته شده از تیتانیم نانو ساختاری ………………………… ۳۵

(شکل ۲-۱۷). خودرو نظامی خاکی-آبی ساخته شده از فلزات نانوساختاری………..۳۶

(شکل ۲-۱۸). لوازم ورزشی ساخته شده از فلزات نانوساختاری ………………………..۳۶

فصل ۳

(شکل۳-۱). شماتیکی از عملکرد دستگاه لایه نشان پاششی …………………………………۳۹

(شکل۳-۲). دستگاه اسپری پایرولیز با گاز حامل ازت ……………………………………….. ۴۱

(شکل۳-۳). نحوه قرارگیری نمونه ها برروی صفحه داغ ……………………………………. ۴۳ (شکل ۳-۴). دستگاه نورد …………………………………………………………………………………. ۴۵   (شکل ۳-۵). انجام فرآیند اتصال نوردی ……………………………………………………………. ۴۵ (شکل۳-۶). برس زنی ورق آلومینیوم ………………………………………………………………….۴۶ (شکل۳-۷). کامپوزیت  ۲TiO – Al  تولید شده در پایان پاس ۵ ……………………………..۴۷  (شکل ۳-۸). دستگاه مانت …………………………………………………………………………………. ۴۸  (شکل ۳-۹). دستگاه میکروسختی­سنجی ……………………………………………………………. ۴۹   (شکل ۳-۱۰). تصویر شماتیک نمونه­آزمون کشش مطابق استاندارد  ASTM B 557M (ابعاد بر حسب mm) ………………………………………………………………………………………..49        (شکل ۳-۱۱). برش نمونه­های آزمون کشش توسط دستگاه Wirecut …………………..50

(شکل ۳-۱۲). نمونه­ی تست کشش ……………………………………………………………………..۵۰

(شکل ۳-۱۳). انجام آزمون کشش تک­محور ……………………………………………………….۵۰

فصل ۴

(شکل ۴-۱).تصویر SEM از مورفولوژی سطحی لایه تیتانیا قبل و بعد از تمیز کردن با پارچه نرم ……………………………………………………………………………………………………۵۳

(شکل۴-۲).تصویر شماتیک از لایه نشانده شده ۲TiO توسط فرآیند اسپری پایرولیز……………………………………………………………………………………………………………..۵۴

(شکل۴-۳).تصاویر SEM از سطح پوشش یافته در حالت a) بدون بازپخت
b) بازپخت در دمای °C 400      c) بازپخت در دمای°C 500 ………………………………54

(شکل۴-۴).تصویر SEM از پیکره ریزساختاری فیلم تیتانیا ………………………………..۵۵

(شکل۴-۵).تصویر SEM از پوشش۲TiO با کریستالهای سفیدکروی شکل گرانوله..۵۵

(شکل۴-۶). الگویXRD  لایه های نازک ۲TiO در نمونه لام شیشه ای قبل از عملیات بازپخت ……………………………………………………………………………………………………………۵۶

(شکل۴-۷). الگویXRD  لایه های نازک ۲TiO در نمونه لام شیشه ای بعد از عملیات بازپخت ……………………………………………………………………………………………………………۵۶

(شکل ۴-۸). تصویر SEM  صفحه RD-ND لایه ۲TiO پوشش داده شده بر روی آلومینیوم در دو حجم مختلف محلول اسپری ۵۰و۱۰۰سی سی…………………………..۵۷

(شکل ۴-۹).تصویر SEM از مورفولوژی سطحی از لایه نازک۲TiO………………………58

(شکل ۴-۱۰). آنالیز EDX از لایه نازک ۲TiO در حجم محلول ۵۰ میلی لیتر………….۵۹

(شکل ۴-۱۱). آنالیز EDX از لایه نازک ۲TiO در حجم محلول ۱۰۰ میلی لیتر………..۵۹

(شکل ۴-۱۲). تصاویر SEM ازتغییرات ریزساختاری کامپوزیت ۲TiO – Al   در طول پاس های ۲، ۵ و۸ در حجم محلول۳۵و ۵۰سی سی ………………………………………….۶۳

(شکل ۴-۱۳). تصاویر SEM ازتغییرات ریز ساختاری کامپوزیت ۲TiO Al- در طول پاس های۲، ۵ و۸ درحجم محلول ۱۰۰و۱۳۵ سی سی ……………………………………….۶۵

(شکل ۴-۱۴). نمودار سختی میانگین کامپوزیت ۲TiO Al- در حجم محلول اسپری۳۵، ۵۰ ، ۱۰۰ و۱۳۵سی سی……………………………………………………………………………………. ۶۶

(شکل ۴-۱۵). منحنی تنش-کرنش مهندسی ۲TiO Al-  با حجم محلول اسپری
۳۵ ، ۵۰ و۱۰۰سی سی ……………………………………………………………………………………… ۶۷

 

فهرست جداول

عنوان                                                                                                  صفحه

فصل ۳

(جدول۳-۱). نتیجه­ی آنالیز شیمیایی آلومینیوم استفاده شده در این تحقیق
(درصد وزنی عناصر) ……………………………………………………………………………………….. ۳۸

فصل۴

(جدول ۴-۱). خواص مکانیکی کامپوزیت های تولید شده توسط فرآیند نورد تجمعی
(در حجم های متفاوت محلول اسپری ۵۰،۳۵ و ۱۰۰ سی سی) ………………………….. ۶۸

 

فصل اول

مقدمه

 

1-1- مقدمه

در طی دهه های گذشته ، مواد نانو کریستال و فوق ریزدانه[۱]   (UFG)با اندازه دانه کمتر ازµm 1 توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. مخصوصاً خواص مکانیکی آنها بر حسب استحکام و داکتیلیته ، رفتار ممتازی در مقایسه با مواد دارای دانه های معمولی از خود نشان می دهد. در سال‌های اخیر نیز، بررسی روش‌های تولید و خواص مکانیکی مواد با ساختار فوق­ ریزدانه موضوع بسیاری از تحقیقات انجام شده در زمینه­ی علم مواد و علوم مرتبط با آن بوده است. این مواد خواص بی‌نظیری همانند استحکام زیاد در دمای محیط، خاصیت سوپر پلاستیک در دمای بالا و نرخ کرنش کم، مقاومت در برابر سایش، استحکام خستگی بالا و مقاومت عالی در برابر خوردگی از خود نشان می‌دهند.

 

12000 تومان – خرید