بررسي رفتار مكانيكي نانوكامپوزيت ريختگي A356/SiO2 فراوري شده به كمك عمليات آلتراسونيك

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

نانوكامپوزيت¬هاي زمينه¬ي آلومينيومي ريختگي در صنايعي چون خودروسازي و هوا-فضا بكار گرفته مي¬شوند. يكي از هدف¬هاي مهم ساخت و توليد اين كامپوزيت¬ها، دستيابي توام به وزن سبك (به¬واسطه استفاده از زمينه فلزي سبك) و استحكام بالا (به¬واسطه حضور درصد معيني از ذرات تقويت¬كننده با استحكام بالا) است. از چالش¬هاي مهم در اين حوزه مي¬توان به ترشوندگي نامطلوب ذرات با زمينه، تخلخل، عدم پخش يكنواخت و متعاقب آن كلوخه¬شدن ذرات، و نيز واكنش¬هاي ميان ذرات و زمينه اشاره كرد. عدم پخش موثر و يكنواخت ذرات تقويت¬كننده در زمينه¬ي فلزي مي¬تواند منجر به افت خواص مكانيكي، به¬ويژه خصوصيات خستگي ماده كامپوزيتي ¬شود. پژوهش حاضر به ساخت و بررسي رفتار مكانيكي نانوكامپوزيت¬هاي زمينه¬ي آلومينيومي (A356) تقويت¬شده با ذرات نانوسيليكا (SiO2) مي¬پردازد كه توسط ريخته¬گري به كمك عمليات آلتراسونيك ساخته شده¬اند. پس از ساخت كامپوزيت مذكور، بررسي ريزساختار به همراه تحليل خواص مكانيكي، به¬ويژه رفتار خستگي پرچرخه، انجام شد. هدف اصلي از بررسي رفتار خستگي پرچرخه كامپوزيت¬هاي زمينه فلزي، كاربردهاي اين دسته از مواد كامپوزيتي است كه در آن¬ها تنش¬هاي اعمالي عمدتا در ناحيه الاستيك قرار مي¬گيرند. به اين منظور دوغاب¬هاي نانوكامپوزيتي از آلياژ A356 حاوي 125/0 تا 375/0 درصد وزني نانوذرات سيليكا تحت عمليات آلتراسونيك قرار گرفته و به صورت ثقلي در قالب¬هاي فولادي ريخته شدند. ابتدا ترانسديوسري با فركانس تشديد 20 كيلوهرتز و با قابليت خنك¬كاري با گردش آب و هوا، طراحي، شبيه¬سازي و ساخته شده و پارامترهاي بهينه آن در ارتعاش مذاب آلومينيوم مشخص شد. علاوه بر ساخت نمونه¬هاي كامپوزيتي، نمونه¬هاي شاهد (بدون تقويت¬كننده) نيز تحت شرايط يكسان ساخته شدند. با توجه به نقش مخرب تخلخل بر خواص خستگي، روش¬هاي مختلفي براي كاهش تخلخل در نمونه¬هاي ريختگي به¬كار برده شده، نهايتا همه نمونه¬ها تحت عمليات شكل¬دهي مشخصي قرار گرفتند. ريزساختار نمونه¬ها توسط ميكروسكوپ¬هاي نوري و الكتروني روبشي مورد مطالعه قرار گرفته، تاثير عمليات آلتراسونيك بر تشكيل فاز¬ها، كلوخه¬شدن نانوذرات تقويت¬كننده، تر¬شوندگي نانوذرات توسط زمينه فلزي، و يكنواختي توزيع نانوذرات در زمينه بررسي شد. با انجام عمليات آلتراسونيك، از يك سو هيچ سرباره¬ي¬ حاوي ذرات پس¬زده شده بر روي مذاب ايجاد نشد و از سوي ديگر، ذرات كلوخه¬شده¬ي قابل¬ملاحظه¬اي نيز در بررسي¬هاي ريزساختاري مشاهده نگرديد. با توجه به ترشوندگي ضعيف ذرات نانوسيليكا در مذاب A356، اين مشاهدات نشان¬دهنده تاثير قابل¬ملاحظه عمليات آلتراسونيك بر پراكندگي و ترشوندگي ذرات تقويت كننده سيليكا در مذاب كامپوزيتي آلومينيوم است؛ هم¬زدن صوتي موثر ذرات در مذاب، و نيز فعاليت حباب¬هاي كاويتاسيوني در كاهش كلوخه¬ي ذرات و متعاقب آن بهبود اتصال در فصل مشترك ذرات با زمينه، از علل مهم در مشاهدات مذكور دانسته شد. نتايج اين پژوهش نشان داد كه نمونه¬ي كامپوزيتي با 125/0 درصد وزني تقويت¬كننده،¬ داراي بهترين خصوصيات مكانيكي نسبت به ساير كامپوزيت¬هاست، به¬طوري¬كه اين كامپوزيت مقادير بالاتري از استحكام كششي، استحكام فشاري، انعطاف¬پذيري و چقرمگي را از خود نشان داد. در درصدهاي بالاتر از ذرات تقويت كننده، مقادير استحكام كششي، استحكام فشاري، انعطاف¬پذيري و چقرمگي كاهش يافت كه علت آن توزيع غيريكنواخت¬تر ذرات دانسته شد. براي نمونه با بيشترين خواص مكانيكي، مكانيزم¬هاي هال-پچ، عدم انطباق در ضريب انبساط حرارتي، و اوروان، به¬ترتيب مكانيزم¬هاي غالب تقويت¬كنندگي شناخته شدند. در پايان، نمونه¬ي كامپوزيتي با درصد تقويت¬كننده بهينه به¬همراه نمونه شاهد تحت آزمون خستگي پرچرخه در بازه¬ي 30 تا 90 درصد تنش تسليم قرار گرفتند. نتايج اين مطالعه نشان از افزايش قابل¬ملاحظه عمر خستگي نانوكامپوزيت ساخته شده در مقايسه با نمونه شاهد داشت (براي مثال تا 100% افزايش در عمر خستگي نمونه كامپوزيتي حاوي 125/0 درصد وزني تقويت¬كننده در تنش¬هاي خستگي كم) و بهبود قابل¬توجهي نسبت به مطالعات پژوهشگران قبلي را نشان داد. دليل اين مسئله بهبود ترشوندگي ذرات تقويت¬كننده، پخش موثر و يكنواخت آنها، و نيز اصلاح ساختار ماده كامپوزيتي تشخيص داده شد. به دليل تاثير سدكنندگي ذرات در مقابل رشد و اشاعه نابجايي¬ها و ترك¬ها، مقدار افزايش عمر خستگي در سطوح تنشي پايين¬تر (و چرخه¬هاي بالا) بيشتر ¬بوده، به¬طوري¬كه در اين سطوح تنشي، تا صد درصد افزايش در عمر خستگي كامپوزيت با درصد تقويت¬كننده بهينه مشاهده شد.

222853

ساخت و توليد

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان