واژههای کلیدی: شکل دهی نیمه جامد، طراحی آزمایشات، تست آزمایشگاهی، سطح شیبدار خنک کننده، فرآیند آهنگری با شمش نیمه جامدفهرست مطالب1-فصلاول- اصول و کلیات11-1-مقدمه 21-1-1-روشهای توليد مخلوط مذاب و جامد31-1-2-فرآيندهاي توليد قطعه از مخلوط مذاب و جامد51-1-3-مقایسه فرآیندهای رئوکستینگ با تیگسوکستینگ. 71-1-4- سازوکارهاي حاكم بر تغييرات ساختاري در فرآيندهاي شكل‌دهي نيمهجامد81-1-4-1- نظریه تغییر شکل و تبلور مجدد بازوهاي دندریتی81-1-4-2- ذوب ریشه بازوهاي دندریتی91-1-4-3- سازوکار رشد کنترل شده91-1-4-4- سازوکار به هم پیوستن91-1-5-پارامترهای موثر بر غیردندریتی شدن101-2-طراحی آزمایش111-2-1-کلیات 111-2-2-مراحل مختلف طراحی آزمایش111-2-3-انواع طرحهای آزمایشی122-فصل دوم – پیشینه پژوهش132-1-مقدمه142-2-مروری بر پژوهشهای مبتنی بر ریختهگری روی سطح شیبدار142-3-مروری بر پژوهشهای مبتنی بر عملیات حرارتی و گرمایش مجدد202-4-مروری بر پژوهشهای مبتنی بر کدنویسی و شبیهسازی242-5-مروری بر پژوهشهای مبتنی بر آهنگری شمش نیمهجامد272-6-شرح مسئله و هدف از کار پژوهشی حاضر333-فصل سوم- آزمایشات تجربی363-1-مقدمه373-2-تولید شمش نیمه جامد به روش سطح شیبدار373-2-1-ماده اولیه مورد استفاده373-2-2-اندازهگیری دماهای خطوط مذاب و جامد393-2-3-تجهیزات مورد استفاده403-2-4-روش انجام آزمایش و پارامترهای مورد بررسی423-3-آهنگری شمش نیمه جامد443-3-1-معرفی قطعه و طراحی قالب443-3-2-شرایط دمایی حاکم و محاسبه میزان کسر جامد453-3-3-روش انجام آهنگری و پارامترهای مورد بررسی473-3-3-1- شکلدهی نمونههای سربی483-3-3-2- شکلدهی نمونههای آلومینیمی493-3-3-3- آزمون فشار و آزمون حلقه503-4-چگونگی اندازهگیری پارامترهای خروجی513-4-1-مطالعه ریزساختار513-4-2-محاسبه اندازه متوسط دانه و میزان کرویت523-4-3-آزمون سختی سنجی533-4-4-آزمون کشش534-فصل چهارم – شبیه سازی اجزای محدود544-1-مقدمه554-2-شبیهسازی اجزای محدود تولید شمش نیمه جامد554-2-1-معرفی نرمافزار554-2-2-معرفی مدل و چگونگی مشبندی574-2-3-تنظیم پارامترهای فیزیکی و مشخصات سیال584-2-4-اعمال شرایط مرزی و اولیه594-3-شبیهسازی اجزای محدود فرآیند آهنگری با شمش نیمهجامد604-3-1-معرفی نرمافزار604-3-2-مراحل شبيه سازي604-3-3-تنظیم پارامترهای فیزیکی و مشخصات قطعه و قالب614-3-4-نحوه مشبندی624-3-5-شرايط مرزي و بارگذاري635-فصل پنجم – نتایج و بحث655-1-مقدمه665-2-بررسی نتایج تولید شمش نیمهجامد665-2-1-بررسی مستقل پارامترها و مقایسه با نتایج شبیهسازی665-2-1-1- اعتبارسنجی شبیهسازیها665-2-1-2- اثر خنککنندگی سطح شيبدار685-2-1-3- اثر دماي بارریزی695-2-1-4- اثر زاویه سطح شیبدار745-2-1-5- اثر طول سطح شیبدار795-2-1-6- تاثیر نرخ بارریزی825-2-2-بررسی مشخصات ساختاری نمونهها با استفاده از روش طراحی فاکتوریل855-2-2-1- بررسی پارامترهای موثر روی درصد کرویت875-2-2-2- بررسی کمترین قطر میانگین اندازه دانه935-2-2-3- بررسی میزان سختی975-2-3-مقایسه حالت بهینه ریختهگری در محیط خنثی و اتمسفر1025-2-3-1- بررسی میزان تخلخل1025-2-3-2- بررسی نمونهها با پراش تفرق اشعه ایکس (XRD)1065-2-3-3- بررسی نمونهها با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)1075-2-3-4- بررسی خواص کششی1085-3-بررسی نتایج آهنگری شمش نیمهجامد قطعه درپوش گیربکس حلزونی مدل 621085-3-1-اعتبارسنجی شبیهسازیها1085-3-2-بررسی تاثیر گرمایش مجدد روی نمونههای ریختهگری1095-3-3-بررسی تاثیر اصطکاک1115-3-4-تاثیر سرعت حرکت پرس (نرخ کرنش)1145-3-5-تاثیر دمای قالب و فشار پرس1165-3-6-اثر دمای قطعه و مدت زمان نگهداری1226-فصل ششم – نتیجه گیری و پیشنهادات1286-1-نتیجه گیری1296-2-پیشنهادات131 فهرست اشکالشکل 1‑1- مقایسهای بینآهنگری، ریختهگری و فرآیند نیمهجامد از نظر محدوده دمای کاری [2]2شکل 1‑2- تصویر طرحوار روش سطح شیب دار خنک کننده [6].4شکل 1‑3- تصویر طرحوار فرآیندهای ریختهگری و آهنگری با شمش نیمهجامد [7].6شکل 1‑4- الف) حرارتدهی موفق ب) حرارتدهی ناموفق، ریزش مذاب و ایجاد پدیده پافيليشدن [7].7شکل 1‑5- مقایسه انواع روشهای شکل دادن [8]8شکل 1‑6- طرح سازوکار پیشنهادي ووگل در جدا شدن بازوهاي دندریتی (الف) اعمال تنش برشي به دندريت‌هاي فاز جامد (ب) خم شدن دندريت‌ها (ج) ايجاد شکست در ريشه دندريت‌ها (د) جدا شدن دندريت‌ها [4].8شکل 1‑7- بیان تغییرات ساختاری در طول انجماد همراه با اغتشاش شدید: الف) دندریت اولیه، ب) رشد دندریت، ج) گل برگ، د) گل برگ تکامل یافته و ه) ذره کروی [8].10شکل 1‑8- نمای توصیف فرایندهای آرام و سریع در ریزساختار نیمه جامد پس از افزایش و کاهش نرخ برش [4].10شکل 2‑1- اثر زاویه بر (الف) قطر متوسط (ب) فاکتور شکل ذرات قبل و بعد از گرمایش مجدد[24].16شکل 2‑2- سطح شیبدار ابداعی توسط بیرول[5]17شکل 2‑3- تغییرات اندازه دانه بر اثر مدت زمان نگهداری، دمای بارریزی Cº640، طول سطح شیب دار mm400 [5]17شکل 2‑4- تغییر ریزساختار در آلیاژ آلومینیم 6061Al در حالت الف) ریختگی و ب) نیمه جامد [27].18شکل 2‑5- ریزساختار شمشهای ریختهگری شده در دماهای بارریزی و طولهای متفاوت در قالب سرامیکی[28]19شکل 2‑6- ذرات فاز سیلیسیم يوتکتيک در ريزساختار آلياژ 319A بعد از انجام عمليات حرارتي[34].21شکل 2‑7- ریز ساختار قطعه تولید شده از طریق همزن الکترومغناطیسی بعد از گرمایش مجدد[35]22شکل 2‑8- ریزساختار مربوط به عملیات حرارتی (الف) T5 و (ب) T6 [41]23شکل 2‑9- جدایش در مقیاس ماکرو با زاویه سطح °30 (الف) و °60 (ب)26شکل 2‑10- توزیع دمای دوغاب روی سطح با دو دمای بارریزی (الف) k 925 و (ب) k 95527شکل 2‑11- جدایش در مقیاس ماکرو با دو دمای بارریزی (الف) k 925 و (ب) k 95527شکل 2‑12- ریزساختار بعد از فرآیند حرارتدهی[52]28شکل 2‑13- تغییر ریزساختار با تغییر در میزان جابجایی پانچ (a، b و c مکانهای مختلف برای تصویر برداری در نمونه میباشد)[52]28شکل 2‑14- درصد نمونههای آهنگری شده آلیاژ آلومینیم 356A با ازدیاد طول کمتر از 2 درصد (الف) آهنگری (ب) آهنگری با شمش نیمهجامد (ج) آهنگری همراه با پمپ خلا (د) آهنگری با شمش نیمهجامد همراه با پمپ خلا [57]30شکل 3‑1- مراحل مختلف پژوهش38شکل 3‑2- دیاگرام تعادلی دوتایی آلومینیم سیلیسیم [69].39شکل 3‑3- نمودار تغییرات دما بر حسب زمان (انجماد آلیاژ آلومینیم مورد مطالعه)40شکل 3‑4- نمودار دما-گرمای آلیاژ آلومینیم A356.40شکل 3‑5- نمایی از(الف) بوته و (ب) نگهدارنده طراحی و ساخته شده در این تحقیق.41شکل 3‑6- دستگاه سطح شیبدار با قابلیت کنترل اتمسفر (الف) نمای جانبی، محفظه محافظ سطح شیبدار (ب) نمای روبرو، محفظه محافظ قالب.41شکل 3‑7- صفحات سطح شیبدار مورد استفاده در این تحقیق (الف) دو صفحه مسی ، مسیر مارپیچی تعبیه شده بین دو صفحه و واشر فلزی مورد استفاده (ب) بزرگنمایی از محل خروج مایع خنک کننده42شکل 3‑8- (الف) قالبهای فولادی مورد استفاده در این تحقیق، (ب) نقشه و ابعاد قالب فلزی43شکل 3‑9- قطعه درپوش گیربکس حلزونی مدل 6245شکل 3‑10- نقشه ساده شده قطعه، ابعاد به میلیمتر45شکل 3‑11- نمودار تغییرات کسر جامد با کاهش دما برای آلیاژ آلومینیم 356A46شکل 3‑12- قرارگیری اجزای قالب و پرس، (الف) دستگاه پرس، (ب) ترموکوپل و المنت حرارتی، (ج) سیستم کنترل دما، (د) قرارگیری شمشال درون قالب پایینی47شکل 3‑13- (الف) نمونه خام (ب) قطعات آهنگری شده48شکل 3‑14- قطعات آهنگری شده از نمونه سربی در دماهای مختلف49شکل 3‑15- قطعههای دایکست و آهنگری شده از نمونه آلیاژها با ریزساختار دندریتی49شکل 3‑16- قطعههای آهنگری شده از نمونههای تولید شده با ریختهگری در زمانهای نگهداری مختلف و دماهای (الف) Cº580، (ب) Cº590 و (ج) Cº60050شکل 3‑17- قطعههای آهنگری شده از نمونههای تولید شده با ریختهگری تحت کنترل اتمسفر در دمای Cº590 و مدت زمان 15 دقیقه50شکل 3‑18- منحنیهای کالیبراسیون آلیاژ 356A برای دمای c°400 بر حسب فاکتور اصطکاک مختلف [69, 76]51شکل 3‑19- شماتیک برش نمونهها (الف) قطعه ریختهگری شده (ب) قسمتهای مشخص شده برای مطالعه ریزساختاری52شکل 3‑20- شماتیک برش نمونهها، موقعیتهایی که مشخص شده برای مطالعه ریزساختاری در نظر گرفته شده است.52شکل 4‑1- نحوه شناسایی مدل هندسی توسط پیش‌پردازشگر نرمافزار Flow-3D [80].56شکل 4‑2- تفاوت روش مشبندی در روش معمول اختلاف محدود (الف) و در روش چند بلوکی (ب) [80].57شکل 4‑3- مدل سطح شیبدار و قالب در Catia (الف) و در Flow-3D به همراه مش (ب)58شکل 4‑4- render کردن با مش با اندازه شبکه نسبتاً درشت(الف) و با اندازه شبکه نسبتاً ریز (ب)58شکل 4‑5- شماتیک شرایط مرزی در نظر گرفته شده برای شبیهسازی60شکل 4‑6- (الف) مجموعه قالب و قطعه (ب) ابعاد و شکل بیلت61شکل 4‑7- مراحل انجام فرآیند شبیهسازی و آزمایشگاهی، مقادیر بر حسب درصد اتمام عملیات62شکل 4‑8- نحوه المان بندی قطعه در مراحل مختلف تولید بر حسب درصد اتمام کار63شکل 5‑1- شبیهسازی ریختهگری نیمهجامد (الف)کسر جامد دوغاب خروجی (ب) سرعت دوغاب خروجی، زاویه سطح °3067شکل 5‑2-شبیهسازی ریختهگری نیمهجامد (الف) کسر جامد دوغاب خروجی (ب) سرعت دوغاب خروجی، زاویه سطح °6067شکل 5‑3- مقایسه نتایج مقاله کاند و دوتا با نتایج حاصل از این پژوهش68شکل 5‑4- ريزساختار نمونههای حاصل از ريختهگري بر روي سطح شيبدار در مرکز و در دماهای بارریزی (الف) Cº680 - بدون خنککاری، (ب) Cº650 - بدون خنککاری، (ج) Cº625 - بدون خنککاری، (د)C º680 - با سیستم آبگرد، (ه) Cº650 - با سیستم آبگرد، (و) Cº625 - با سیستم آبگرد69شکل 5‑5- تاثير وضعیت خنککاری بر قطرمتوسط ذرات فاز اولیه و فاکتور شکل در دماهای مختلف بارریزی، طول سطح mm 500، زاویه º50 و نرخ ریختهگری ml/s 869شکل 5‑6- ريزساختار نمونه ريختهگري روي سطح شيبدار با سیستم آبگرد و زاویه ثابت º50، طول ثابت mm500 و دماهاي بارریزی (الف) Cº650 (ب) Cº625 (ج) Cº61570شکل 5‑7- تاثير دمای بارریزی بر قطرمتوسط ذرات فاز اولیه و فاکتور شکل، طول سطح mm 500، زاویه º50 و نرخ ریختهگری ml/s 870شکل 5‑8- مقایسه کسرجامد ایجاد شده بر روی سطح شیبدار در دماهای مختلف بارریزی (1) Cº680، (2) Cº650 (3) Cº 625، (4) Cº 615 و (5) Cº60071شکل 5‑9- نرخ برش در لحظات اولیه برخورد با سطح شیبدار (واحد نمودار بر ثانیه میباشد)72شکل 5‑10-کسر جامد دوغاب روی سطح شیبدار (الف) در زمان 2 ثانیه و (ب) در زمان 5 ثانیه، دمای بارریزی C°62572شکل 5‑11-کسر جامد دوغاب روی سطح شیبدار (الف) در زمان 2 ثانیه و (ب) در زمان 5 ثانیه، دمای بارریزی C°65073شکل 5‑12- کسر جامد دوغاب روی سطح شیبدار (الف) در زمان 2 ثانیه و (ب) در زمان 5 ثانیه، دمای بارریزی C°68073شکل 5‑13- کسر جامد دوغاب خروجی در زمانهای 2 و 5 ثانیه برای دماهای بارریزی مختلف73شکل 5‑14- ريزساختار نمونههای حاصل از ريختهگري بر روي سطح شيبدار در دماي بارریزی Cº650 ، طول mm400 و زاویههای (الف) º30، (ب) º40، (ج) º50، (د) º6074شکل 5‑15- تاثير زاویه سطح شیبدار بر اندازه دانه و فاکتور شکل، دماي بارریزی Cº650 ، طول mm40074شکل 5‑16- نرخ برش اعمالی اعمال شده به دوغاب در زاویههای مختلف سطح شیبدار (الف) °30، (ب) °40، (ج) °50 و (د) °60 (واحد نمودار بر ثانیه میباشد)75شکل 5‑17- نرخ برش در زاویههای مختلف سطح شیبدار، طول mm 40076شکل 5‑18- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در زاویههای مختلف، طول mm 40076شکل 5‑19- کسر جامد دوغاب در زاویههای مختلف و زمانهای 2، 4 و 6 ثانیه در طول mm 40076شکل 5‑20- تاثير زاویه سطح شیبدار بر انداه ذرات فاز اولیه و فاکتور شکل، دماي بارریزی Cº650 ، طول mm60077شکل 5‑21- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در زاویههای مختلف، طول mm 60077شکل 5‑22- کسر جامد دوغاب در زاویههای مختلف و زمانهای 2، 4 و 6 ثانیه در طول mm 60078شکل 5‑23- دوغاب منجمد شده روی سطح شیبدار با دمای بارریزی C°650 و طول mm 600 و زاویه °4078شکل 5‑24- انرژی اغتشاش در زاویههای (الف) °30، (ب) °40، (ج) °50 و (د) °60 (واحد نمودار 1-j.kg)79شکل 5‑25- ريزساختار نمونههای حاصل از ريختهگري بر روي سطح شيبدار در دماي بارریزی Cº650، زاویه º40 و طولهای بارریزی (الف) mm300، (ب) mm400، (ج) mm500 و (د) mm60080شکل 5‑26- تاثير طول سطح شیبدار بر اندازه دانه و فاکتور شکل، دماي بارریزی Cº650 ، زاویه º4080شکل 5‑27- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در طولهای مختلف، زاویه º4081شکل 5‑28- کسر جامد دوغاب در طولهای مختلف و زمانهای 2، 4 و 6 ثانیه در زاویه º4081شکل 5‑29- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در طولهای مختلف، زاویه º5081شکل 5‑30- کسر جامد دوغاب در طولهای مختلف و زمانهای 2، 4 و 6 ثانیه در زاویه º5082شکل 5‑31-ریزساختار نمونه در نرخ بارریزی مختلف و در طول سطح 400 و 600 میلیمتر (زاویه: °50، دمای بارریزی: °C650)83شکل 5‑32- تاثير نرخ بارریزی بر اندازه دانه و فاکتور شکل در طول سطح (الف) 400 و (ب) 600 میلیمتر تحت زاویه: °50، دمای بارریزی: °C650.83شکل 5‑33- تغییرات انرژی توربولانس در نرخهای مختلف بارریزی برای طولهای 400 و mm 600 در زاویه º5084شکل 5‑34- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح در نرخهای مختلف بارریزی برای طولهای 400 و mm 60084شکل 5‑35- کسر جامد دوغاب برای نرخهای ریختهگری مختلف در زمانهای 2، 4 و 6 ثانیه، طول mm 400، زاویه º5085شکل 5‑36- کسر جامد دوغاب برای نرخهای ریختهگری مختلف در زمانهای 2، 4 و 6 ثانیه، طول mm 600، زاویه º5085شکل 5‑37- تصویر میکروسکوپ نوری ریزساختار نمونههای الف) 1، ب) 2، پ) 3، ت) 4، ث) 5، ج) 6، چ) 7، ح) 8، خ) 9، د) 10، ذ) 11، ر) 12، ز) 13، ژ) 14، س) 15، ش) 16، ص) 17، ض) 18 و ط) 19 (رجوع شود به جدول 3‑3)86شکل 5‑38- نمودار نرمال عوامل موثر روی میزان درصد کرویت.88شکل 5‑39- تاثیر عامل واکنش همزمان V.L روی میزان درصد کرویت. (زاویه: °40، دمای بارریزی: °C625)89شکل 5‑40- منحنی رفتار میزان درصد کرویت تحت واکنش همزمان عوامل V و L. (زاویه: °40، دمای بارریزی: °C625)89شکل 5‑41- نمودار مکعبی تاثیر عامل واکنش همزمان T.V.L بر میزان درصد کرویت. (زاویه: °60)90شکل 5‑42-اثر تغییر عامل واکنش همزمان T.L بر حسب بیشترین درصد کرویت: الف) نمودار دو بعدی و ب) نمودار سه بعدی.91شکل 5‑43-نمودار میزان کرویت پیش بینی شده بر حسب کرویت واقعی.92شکل 5‑44-نمودار نرمال عوامل باقیمانده در مدل بیشینه کرویت.92شکل 5‑45-مقادیر نهایی جهت دستیابی به بیشترین درصد کرویت.92شکل 5‑46- نمودار نرمال عوامل موثر در کمترین قطر میانگین دانهها.93شکل 5‑47- اثر تغییر عامل واکنش همزمان V.L در مدل کمترین قطر میانگین دانهها الف) نمودار دو بعدی و ب) نمودار سه بعدی. (زاویه: °60، دمای بارریزی: °C625)94شکل 5‑48- نمودار مکعبی تاثیر عامل واکنش همزمان T.V.L بر اندازه دانهها. (زاویه: °60)95شکل 5‑49- اثر تغییر عامل واکنش همزمان T.L در رفتار کمترین مقدار اندازه دانهها الف) نمودار دوبعدی و ب) نمودار سه بعدی. (زاویه: °60، نرخ ریختهگری: 1 (ml/s 8))96شکل 5‑50- نمودار میزان قطر میانگین دانهها پیش بینی شده بر حسب قطر میانگین دانهها واقعی.97شکل 5‑51- مقادیر نهایی جهت دستیابی به کمترین مقدار قطر میانگین دانهها.97شکل 5‑52- نمودار نرمال عوامل موثر بر بیشترین مقدار سختی.98شکل 5‑53- اثر تغییر عامل واکنش همزمان V.L در رفتار مدل بیشینه سختی: الف) نمودار دوبعدی و ب) نمودار سه بعدی. (زاویه: °40، دمای بارریزی: °C625)99شکل 5‑54- نمودار مکعبی تاثیر عامل واکنش همزمان T.V.L روی مقدار سختی. (زاویه: °40)100شکل 5‑55- مقدار سختی پیشبینی شده بر حسب سختی واقعی.101شکل 5‑56- مقادیر نهایی جهت دستیابی به بیشترین سختی.101شکل 5‑57- مقادیر نهایی جهت رسیدن به بهترین حالت ممکن.101شکل 5‑58- مقایسه میزان تخلخل نمونه ریختهشده (الف) در هوا (ب) تحت گاز آرگون و نمونه آهنگریشده با قطعه ریختهشده (ج) در هوا (د) تحت گاز آرگون.104شکل 5‑59- نحوه اندازهگیری بخشهای مختلف قطعه در روش آلتراسونیک.105شکل 5‑60- شکل موج برگشتی در تست آلتراسونیک در محدوده 4 از نمونه ها (الف) نمونه ریخته شده در اتمسفر (ب) نمونه ریخته شده تحت محیط گاز آرگون.105شکل 5‑61- میانگین مقادیر بدست آمده در تست آلتراسونیک.105شکل 5‑62- نمودار XRD در الف) نمونه ریختهشده در هوا ، ب) نمونه ریختهشده تحت گاز آرگون و ج) نمونه آهنگری شده از نمونه ریختهشده تحت گاز آرگون.106شکل 5‑63- آنالیز سطح نمونهها با میکروسکوپ الکترونی روبشی به همراه نتیجه آنالیز EDX107شکل 5‑64- نمودار تغییرات تنش بر حسب کرنش در الف) نمونه ریختهشده در هوا، ب) نمونه ریختهشده تحت گاز آرگون و ج) نمونه آهنگری شده از نمونه ریختهشده تحت گاز آرگون.108شکل 5‑65- نمونه مورد بررسی در کار کنگ و همکاران [87]109شکل 5‑66- مقایسه نتایج حاصل از کار کنگ با این پژوهش109شکل 5‑67- ريزساختار آلياژ حاصل از سطح شیبدار با دمای °C625، طول mm 400،زاویه °40 و نرخ ریختهگری ml/s 8111شکل 5‑68- تغییرات ريزساختار آلياژ بر اثر گرمایش مجدد در دمای °C580 و زمان نگهداری (الف) 5 (ب) 10 (ج) 15 (د) 20 دقیقه111شکل 5‑69- تغییرات مقدار اندازه دانه و فاکتور شکل بر اثر اعمال فرآیند گرمایش مجدد111شکل 5‑70- تاثیر اصطکاک بر روی دمای قطعه و قالب - دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس mm/s250112شکل 5‑71- تاثیر اصطکاک بر روی تنشهای وارده بر قالب و قطعه در لحظه 80% - دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس mm/s20113شکل 5‑72- رابطه تناژ پرس با اصطکاک - دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس mm/s20113شکل 5‑73- تاثیر اصطکاک بر رویهم افتادگی لبهها - دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس mm/s20113شکل 5‑74- تاثیر نرخ کرنش روی تناژ پرس بر حسب درصد اتمام فرآیند، (واحد mm/s)115شکل 5‑75- تاثیر نرخ کرنش روی تناژ پرس، دمای قالب °c400115شکل 5‑76- تاثیر نرخ کرنش بر روی دمای قطعهکار (الف) mm/s 20 (ب) mm/s 300115شکل 5‑77- تاثیر نرخ کرنش بر روی تنش های وارده بر قطعهکار (الف) mm/s 20 (ب) mm/s 30116شکل 5‑78-تاثیر نرخ کرنش روی بیشینه و کمینه دمای قطعهکار، دمای اولیه قطعه کار °C590116شکل 5‑79- تاثیر دمای قالب بر روی دمای قطعه در حین فرایند (نتایج شبیهسازی)117شکل 5‑80- تاثیر دمای قالب بر روی دمای قطعه در لحظه 80% از اتمام فرآیند117شکل 5‑81- تاثیر دمای قالب بر روی نیروی شکلدهی در فرآیند آهنگری با شمش نیمهجامد117شکل 5‑82- تاثیر دمای قالب بر روی نیروی شکلدهی بر حسب درصد اتمام کار118شکل 5‑83- ریزساختار نواحی مختلف قطعه بر حسب دمای قالب، دمای قطعه °C590 ، فشار MPa100 و سرعت حرکت پرس mm/s20119شکل 5‑84- ریزساختار نواحی مختلف قطعه بر حسب فشار پرس، دمای قطعه °C590 ، دمای قالب °C25 و سرعت حرکت پرس mm/s20119شکل 5‑85- اثر تغییرات دمای قالب بر روی بیشینه چگالی المان120شکل 5‑86- تاثیر دمای قالب بر روی سختی در نواحی مختلف نمونهها121شکل 5‑87- تاثیر دمای قالب بر روی تنشهای وارده بر قطعه، دمای قطعه °C580121شکل 5‑88- تاثیر دمای قالب بر روی تنشهای وارده بر قطعه121شکل 5‑89- تاثیر دما بر روی تنش وارده بر قطعه، (الف) °C570 (ب) °C580 (ج) °C590123شکل 5‑90- تاثیر دما بر روی تناژ پرس، دمای قالب °C400123شکل 5‑91- تاثیر دما بر روی تناژ پرس، دمای قالب °C400124شکل 5‑92- تاثیر دمای قطعه و مدت زمان نگهداری بر ریزساختار125شکل 5‑93- تغییرات اندازه دانه با تغییرات دما و زمان نگهداری، دمای قالب °C400126شکل 5‑94- تاثیر دمای نمونه روی سختی در مناطق مختلف، زمان نگهداری قطعه: min10127شکل 5‑95- سطح نمونه آهنگری نیمهجامد شده در دمای قطعه °C590، دمای قالب °C25 و زمان نگهداری min10127 فهرست جداولجدول 2‑1- کسر جامد در زوایای مختلف سطح شیبدار26جدول 2‑2- خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیم 356Aدر فرآیندهای مختلف [67]33جدول 3‑1- درصد عناصر تشکيل دهنده آلياژ A35637جدول 3‑2- پارامترهای مورد بررسی فرآیند ریختهگری بر روی سطح شیبدار42جدول 3‑3-عوامل موثر بر فرآیند سطح شیب دار خنک کننده و سطوح آنها.44جدول 3‑4-درصد کسر جامد نسبت به دما46جدول 3‑5- پارامترهای مورد مطالعه در این تحقیق48جدول 3‑6- ضریب اصطکاکی به دست آمده از آزمونها51جدول 4‑1- مشخصات ماده و دیگر پارامترها59جدول 5‑1-لیست عوامل موثر بر کرویت.87جدول 5‑2- لیست عوامل موثر بر مدل کمترین قطر میانگین دانهها.93جدول 5‑3-لیست عوامل موثر بر بیشترین مقدار سختی.98جدول 5‑4-واکنشهای منجر به تشکیل ترکیبات غیرفلزی آلومینیم و تخلخل در نمونه.102جدول 5‑5- ارتباط درجه حرارت آب با چگالی آن [86].103جدول 5‑6- اثر فشار اعمالی بر روی اندازه دانه و فاکتور شکل ذرات α اولیه120 1-1- مقدمهفرآوری نیمه جامد یک فرآیند تهیه فلزات و آلیاژها است که در چند سال اخیر توسعه سریعی داشته است. در این فرآیند آلیاژ مورد نظر ابتدا تحت شرایط کنترل شدهای ذوب شده، سپس در دامنه انجماد آن به مذاب تنش برشی وارد میشود. اعمال تنش برشی در منطقه دو فازی منجر به تخریب ساختار شاخهای(دندریتی[1]) میشود و در نتیجه میتوان یک مخلوط مایع-جامد[2] را به قطعهای با ساختار غیر دندریتی تبدیل نمود [1].به عنوان یک تعریف ساده، ریزساختار نیمهجامد شامل فازهای جامد اولیهای است که دارای مورفولوژی غیردندریتی و تقریباً کروی بوده و توسط زمینه یوتکتیکی احاطه شده است [2]. از ویژگیهای مهم فرآيندهاي شكل‌دهي فلزات در حالت نيمهجامد مي‌توان به تخلخل كمتر و همچنین قابلیت تولید قطعات با اشکال پیچیده اشاره کرد. همانطور که در شکل 1‑1 نشان داده شدهاست، این فرآیند از دیدگاه محدوده دمای کاری در حد میانی دو فرآیند ریختهگری و آهنگری قرار دارد. به بیان دیگر، دمای کاری در این فرآیند پایینتر از ریختهگری و بالاتر از آهنگری است.شکل 1‑1- مقایسهای بینآهنگری، ریختهگری و فرآیند نیمهجامد از نظر محدوده دمای کاری [2].از معایب عمده ریختهگری میتوان به موارد زیر اشاره کرد[3]:1- وجود حفرههای گازی بدلیل حلالیت بالای گاز در مذاب با دمای بالا2- ایجاد حفرههای انقباضی، یعنی تشکيل شاخههايي از فلز جامد در زمينهاي از فلز مذاب موسوم به دندریت. اين شاخهها باعث بالا رفتن گرانروي مذاب شده و مانع تغذيه و پر شدن حفرهها ميشود.هر دو عامل فوق باعث پايين آمدن كيفيت قطعه توليدي میشود. آهنگری هم دارای محدودیتهایی به شرح زیر است [3]:1-عدم توانایی تولید قطعات پیچیده2-رویهم افتادگی[3] دیواره قطعات3-نیاز به پرسهایی با تناژ بالا و در نتیجه افزایش هزینه تولیدفرآیندهای شکلدهی در حالت نیمهجامد در واقع به منظور برطرفکردن محدودیتهای دو روش اشاره شده میباشد. تولید قطعات با این فرآیند بخاطر خواص مفيدي که از خود نشان دادهاند از حدود 30 سال پیش مورد توجه قرار گرفته است [4].ماده اولیه ورودی فرآیند و روش تهیه آن و نیز چگونگی شکلدهی این مواد، مهمترین مشخصههای کلیدي به منظور شناخت روشهای نیمهجامد هستند. در این فرآیندها، مخلوطی متشکل از ذرات جامد غیردندریتی پخش شده در فاز مذاب فلزي به عنوان ماده شروع کننده فرآیند مورد استفاده قرار میگیرد.به طور کلی روشهای تولید دوغاب نیمهجامد به دو دسته تلاطمی و غیر تلاطمی (حرارتی) تقسیمبندی میشوند. روشهای همزدن مکانیکی[4]، همزدن مغناطیسی[5]، سطح شیبدار[6]، عملیات فراصوتی[7]، غلتک سرد کننده و گلولههای نسوز را میتوان از انواع روشهای تلاطمی برشمرد. روشهای اسپری کردن[8]، رئوکست نیمهجامد[9] و رئوکست جدید[10] از انواع روشهای غیرتلاطمی میباشند.با توجه به اینکه در پایان نامه حاضر از روش سطح شیبدار خنککننده استفاده شده است، از این رو، توضیح جامعتری از این روش در ادامه خواهد آمد. به کارگیری سطح شيبدار خنككننده يكي از ساده‌ترين و در عين حال جالبترين روشهاي ابداعي برای توليد مخلوط مذاب-جامد و در نهایت تولید ریزساختار کروی است. توضيح در مورد اين روش به اين دليل كه دقيقاً مفهوم سرعت تغيير شكل زاويه‌اي (نرخ برش) و نيز مفهوم قانون لزجت نيوتن را در خود جاي داده است، لازم و جالب توجه است. این روش یکی از روشهاي جدید تولید قطعات از طریق فرآیند نیمه جامد بوده و به منظور تولید شمشهاي تیکسوکست شده و قطعات رئوکست شده کاربرد دارد [4].شکل 1‑2 تصویر طرحوار این روش را نشان میدهد. ریختهگری سطح شيبدار شامل ذوب کردن آلياژ در يك كوره مناسب نظیر کوره القايي و سپس سرد کردن آهسته آن تا دماي معین، کمی بالای خط مذاب آلیاژ، است. به منظور تامین کسر جامد مشخص در انتهای سطح شیبدار، دمای بارریزی تعیین میشود. مذاب با حداقل دمای فوق گداز روی سطح شیبداری که معمولاً از جنس همان فلز مذاب است، ریخته میشود. سطح شیبدار معمولاً نسبت به خط افق زاویهای بین 30 تا º60 دارد. گاهی اوقات سطح شیبدار بوسيله گردش آب در قسمت زيرين آن، خنك ميشود. توجه به اين مورد ضروری است كه جريان بارریزی بايد آرام باشد تا موجب لغزش لایههای آلیاژی روی یکدیگر شود. مذابي كه به انتهاي سطح شيبدار مي‌رسد به شکل مخلوطی از مذاب و جامد با ساختار غیردندریتی مي‌باشد [5].شکل 1‑2- تصویر طرحوار روش سطح شیب دار خنک کننده [6].در روش سطح شيبدار خنككننده، تنش برشی بر اثر شيب سطح و نيروي وزن سیال تامين ميشود. با تداوم اعمال تنش برشي، شاخه‌هاي بوجود آمده در مذاب نيمهجامد شكسته میشود و به تدريج كروي شكل مي‌گردد. زاویه و طول سطح شیبدار، دماي بارریزي، نرخ بارریزی، جنس و دمای قالب، ارتفاع نازل تا سطح و میزان زبری سطح از عوامل مهم در روش سطح شیبدار میباشند. با افزایش زاویه سطح خنککننده، میزان نرخ برش و در نتیجه تلاطم ایجاد شده در مخلوط نیمهجامد افزایش مییابد. در مقابل، هر چه زاویه کمتر باشد مدت زمان سیلان ماده نیمهجامد بر روي سطح بیشتر میشود و در نتیجه احتمال دستیابی به ساختاري با درصد کرویت بالاتر و توزیع یکنواختتر، بیشتر خواهد بود. بعلاوه، طول سطح شیبدار بر مدت زمان اعمال برش تاثیر گذار است. در نتیجه، براي تعیین شرایط بهینه سطح شیبدار از نظر میزان و مدت زمان اعمال برش، باید تاثیر متقابل زاویه و طول سطح شیبدار در نظر گرفته شود. دماي بارریزي نیز داراي یک حد بهینه است که با توجه به طول سطح شیبدار و نیز قدرت خنککنندگی سطح تغییر میکند [6].فرآیند تولید نیمهجامد از مجموع دو فرآیند ریختهگری و شکلدادن تشکیل شده است. در مرحله ریختهگری، آلیاژ مذاب با دامنه انجماد وسیع یا نسبتاً وسیع آماده میشود و طی سرد شدن درمحدوده دو فازی جامد-مذاب تحت تلاطم قرار میگیرد. در این حالت، مخلوط یکنواختی از مذاب و جامد حاصل می شود. سپس مخلوط فوق به کمک یکی از روشهای شکلدادن فلزات مانند اکستروژن یا دایکاست به شکل مورد نظر تبدیل میشود. از آنجا که این مخلوط در مقایسه با روشهای شکلدادن فلزات جامد از مقاومت کمتری برخوردار است، از این رو، نیاز به نیروی شکلدهی کمتری دارد. فرآیند تولید در حالت نیمهجامد به دو روش مستقیم یا رئوکستینگ[11] یعنی ریختهگری با مخلوط مذاب و جامد و روش غیرمستقیم یا تیکسوفورمینگ[12] یعنی شکلدهی با شمش نیمهجامد تقسیمبندی میکنند. فرآيند شکلدهی با شمش نیمهجامد نيز خود به دو دسته آهنگری با شمش نیمهجامد[13] و ریختهگری با شمش نیمهجامد[14] تقسيم ميشود.تيكسوفورمينگ اصطلاحی است كه به فرآيند توليد یک قطعه از شمشی كه به صورت جزئي ذوب گرديده و به داخل قالب تزريق ميشود، اطلاق میگردد. از اين فرآيند براي توليد قطعات نزديك به شكل نهايي[15] استفاده ميشود. شمش مخصوص كه به صورت نيمهجامد است (به صورت جزئي ذوب گرديده)، داراي ذرات جامد با ساختار كروي شكل مي‌باشد. در این روش پس از تهیه مذاب و اعمال تنش برشی در ناحیه دو فازی، مخلوط جامد- مذاب را به صورت شمش ریختهگری میکنند. سپس این شمشها تا دمای محیط سرد و به اندازههای دلخواه بریده میشوند. در عین حال، در این روش قبل از شکلدهی، شمشها را دوباره تا دمای نیمهجامد گرم و با اعمال فشار (از طریق تزریق در قالب یا آهنگری) شکل میدهند. اگر فرآيند توليد، شامل تزريق شمش مخصوص نيمه جامدی با کسر جامد پایین باشد به اين فرآيند ریختهگری با شمش نیمهجامد مي‌گويند. در مقابل، اگر در فرآيند توليد قطعه از شمشی با کسر جامد بالا استفاده شود، به اين فرآيند آهنگری با شمش نیمهجامد مي‌گويند. تصویر طرحوار این تعاریف در شکل 1‑3 آورده شده است.فرآيند شکلدهی با شمش نیمهجامد شامل دو مرحله مي‌باشد. مرحله اول که مهمتر است، حرارت دادن يكنواخت و كنترل شده شمش مخصوص مي‌باشد. هدف اين مرحله ذوب نمودن يكنواخت شمش مخصوص و تشكيل مخلوط مذاب و جامد همگن با كسر جامد مطلوب مي‌باشد [7]. مرحله دوم، انتقال شمش به دستگاه تزريق ریختهگری با شمش نیمهجامد يا به داخل قالب مي‌باشد. بعد از مرحله انجماد كامل مخلوط مذاب-جامد در قالب و توليد قطعه نهايي، اين قطعه از قالب بيرون مي‌آيد و راهي مراحل بعدي توليد مانند ماشينكاري ميشود [7].