کلمات کلیدی: ریخته گری مرکب، دوفلزی آلومینیم/آلومینیم، دوفلزی آلومینیم/برنج، فصل مشترک، ترکیبات بین فلزی فهرست مطالبفصل اول: مقدمه 1مقدمه 2فصل دوم:مروری بر منابع 42-1 انواع روش‌های اتصال دو فلز به یکدیگر 52-1-1 پیوند نفوذی 52-1-2 جوشکاری اصطکاکی اختلاطی 72-1-3 جوشکاری لیزری 82-1-4 لحیم‌کاری 92-1-5 سایر روش‌های اتصال دو فلز 92-1-6 ریخته‌گری مرکب 92-2 فصل مشترک مذاب/جامد و شرایط حاکم بر آن در ریخته‌گری مرکب 112-2-1 ترشوندگی و شرایط سطحی 112-2-1-1 ترشوندگی 112-2-1-2 اکسیدهای سطحی 132-2-1-2-1 غلبه بر اکسیدهای سطحی 142-3 شرایط دمایی فصل مشترک مذاب/جامد 222-3-1 دمای بارریزی 222-3-2 اثر نسبت مذاب به جامد 252-4 ترکیبات بین فلزی 272-4-1 نفوذ در فصل مشترک جامد/جامد 282-4-1-1 عوامل موثر بر نفوذ در حالت‌جامد 282-4-1-2 دما282-4-1-3 تأثیر فاکتورهای ساختاری خود فلز 302-4-1-4 تأثیر شیب غلظتی 302-4-1-5 تأثیر فشار بر نفوذ در حالت جامد 312-4-2 ترکیبات بین فلزی در فصل مشترک دوفلزی های Al-M 31فصل سوم: روش تحقیق 37مقدمه 383-1 مشخصات مواد اولیه 393-2 تجهیزات و ماشین‌آلات 403-3 انتخاب و آماده‌سازی مدل برای ریخته‌گری 413-3-1 مشخصات قالب 413-3-2 تعیین سیستم راهگاهی مناسب 413-4 عملیات آماده‌سازی مغزه‌ها 423-5 قالب‌گیری با ماسه سیلیسی 433-6 تهیه مذاب و عملیات ذوب ریزی 433-7 آماده‌سازی نمونه‌ها برای متالوگرافی 443-8 روش های بررسی ریزساختار 453-9 نحوه انجام آزمایش سختی سنجی 45فصل چهارم: نتایج و بحث 47مقدمه 484-1 نتایج حاصل از تصاویر میکروسکوپ نوری 494-1-1 دوفلزی های Al/Brass 494-1-1-1 دوفلزی های تولید شده در دمای 700 درجه سانتیگراد 494-1-2-1 دوفلزی های تولیدشده در دمای بارریزی 750 درجه سانتیگراد 534-1-2 دوفلزی های آلومینیم/آلومینیم 564-1-2-1 نمونه های تولید شده در دمای 700 درجه سانتیگراد 564-1-2-2 نمونه های تولید شده در دمای 750 درجه سانتیگراد 604-1-3 دوفلزی های آلومینیم/چدن 644-1-3-1 نمونه های تولید شده در دمای 700 درجه سانتیگراد 644-1-3-1 نمونه های تولید شده در دمای 750 درجه سانتیگراد 664-2 نتایج حاصل از میکروسکوپ الکترونی روبشی 684-2-1 دوفلزی های آلومینیم/برنج 694-2-2 دوفلزی آلومینیم/آلومینیم 734-2-2 دوفلزی آلومینیم/چدن 844-3 نتایج آزمایش ریز سختی سنجی 884-4 نتایج آنالیز تفرق اشعه ایکس (XRD) برای دوفلزی های Al/Brass 904-5 تاثیر دما و نسبت های حجمی مذاب/جامد مختلف بر انحلال مغزه و تغییر ضخامت فصل مشترک واکنشی 944-6 مکانیزم تشکیل لایه‌های ترکیبی در فصل مشترک 964-6-1 نحوه حرکت مذاب اطراف مغزه 964-6-2 انجماد و تشکیل لایه ها994-7 تشکیل اتصال متالورژیکی 1024-8 تأثیر دمای بارریزی و نسبت حجمی مذاب/جامد بر فصل مشترک دوفلزی 103فصل پنجم: جمع بندی و پیشنهادات 1055-1 جمع بندی 1065-2 پیشنهاد‌ها 107مراجع 108پیوست ها 115 فهرست جدول هاعنوان صفحهجدول 2‑1 ضخامت فیلم اکسیدی و زمان مورد نیاز برای تشکیل ]27[19جدول 2‑2 وابستگی دمایی دندریت‌های یوتکتیک مایع Sn-Zn وZn-Al]37[23جدول 2‑3 وضعیت نهایی هسته‌ی مسی بعد از ذوب ریزی و نوع گرافیت به وجود آمده در زمینه‌ی هر یک از نمونه‌ها]39[25جدول 2‑4 ساختار کریستالی، انرژی آزاد، آنتالپی و آنتروپی تشکیل ترکیبات بین فلزی سیستم آلومینیم- آهن]62[32جدول 3‑1 ترکیب شیمیایی مغزه‌ی برنجی40جدول 3‑2 ترکیب شیمیایی مغزه‌ی آلومینیمی40جدول 3‑3 ترکیب شیمیایی مغزه‌ی چدنی40جدول 3‑4 نام‌گذاری مشخصات نمونه‌های مورد استفاده در آزمایش‌ها45جدول 4‑1 درصد اتمی به‌دست آمده از آنالیز نقطه‌ای EDS از نقاط مشخص شده در شکل 4‑3372جدول 4‑2 آنالیز EDS از نقطه‌ی 1 در شکل 4‑3674جدول 4‑3 تغییرات میانگین ضخامت فصل مشترک واکنشی دوفلزی های با مغزه برنجی95 فهرست شکل هاعنوان صفحهشکل 2‑1 طرح‌واره‌ای از دستگاه مورد استفاده برای پیوند نفوذی به روش پیوند جریان الکتریکی پالسی]12[ 6شکل 2‑2 نتایج آنالیز حساسیت به (a) دمای اتصال دهی (℃) (b)فشار (MPa) مدت‌زمان عملیات (دقیقه) و (d) زبری سطح (μ m)]2[ 7شکل 2‑3 طرح‌واره‌ای از ابزار عملیاتFSW]12 [ 8شکل 2‑4 طرح‌واره‌ای از جوشکاری لیزری Al/Zn ]17 [2-1-4 لحیم‌کاری9شکل 2‑5 (a) نمایی از جفت فلزی و ذوب سطحی فولاد زنگ نزن (b) ناحیه اختلاط فولاد زنگ نزن و فولاد مذاب ]41[ 10شکل 2‑6 (a) انجماد فولاد زنگ زن (فصل مشترکi) و (b) ریزساختار فصل مشترک ii]41 [ 11شکل 2‑7 طرح‌واره‌ای از قطره‌ی مذاب، زاویه تماس و سه نیروی کششی فصل مشترک]37[ 12شکل 2‑8 دوفلزی تولید شده به‌وسیله ریخته‌گری مرکب الف)با پوشش دهی هسته و ب) بدون پوشش دهی هسته]35[ 14شکل 2‑9 مورفولوژی ناحیه‌ی انتقالی آلیاژ/هسته برای ریخته‌گری در حالت Y30]35 [ 15شکل 2‑10 تصویر میکروسکوپ نوری از ناحیه فصل مشترک AS13 /فولاد ]36 [ 15شکل 2‑11 فصل مشترک بین تیتانیوم و آلیاژ آلومینیم -سیلیکون پس از عملیات حرارتی T6]33 [ 16شکل 2‑12 ترشوندگی ضعیفAlMg1با لایه‌ی اکسیدی (چپ)؛ترشوندگی عالی لایه‌ی پوشش داده شده با روی ]28 [ 16شکل 2‑13 تصاویر میکروسکوپ نوری از نمونه‌های ریخته‌گری مرکب : بستر AlMg1و آلیاژ آلومینیمی با 7% مس (a,b)؛ 7% سیلیکون (c,d)؛ 7% روی (e,f) و آلومینیم خالص (g,h) ]28 [ 17شکل 2‑14 تصاویر میکروسکوپ الکترونی از فصل مشترکAl-Mn-Mg، نشان دهنده لایه‌ی بین فلزی 6 میکرونی. در سمت راست نقشه EDXبرایMg، Mnو Al]34 [ 17شکل 2‑15 (a)تصاویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک اتصال لوله فولادی / AC4C(b) اتصال فلزی (بدون پوشش)/AC4C]54 [ 18شکل 2‑16 اندرکنش محدود شده در فصل مشترک مس و آلومینیم مذاب به خاطر اکسیدهای سطحی ]27 [ 19شکل 2‑17 زدایش اکسیدهای سطحی توسط مکانیسم نیروی برشی مذاب ]27 [ 20شکل 2‑18 تصویر میکروسکوپ نوری از اتصال در فصل مشترک 6063Al/AC4C]54 [ 21شکل 2‑19 ریزساختار چدن خاکستری (a) به روش متداول (b) با استفاده از القای میدان الکترومغناطیسی ]57 [ 21شکل 2‑20 طرح‌واره‌ای از دستگاه تعبیه شده برای اندازه‌گیری ترشوندگی ]37[ 22شکل 2‑21 سطح پخش و ضریب پخش برای آلیاژ Zn-Al بر بستر Cu]37[ 23شکل 2‑22 ریزساختار و نتیجه EDX از فصل مشترک Zn-Al/Cu پس از تر شدن در هوا در دمای 500 ℃]37[ 24شکل 2‑23 ناحیه پخش و ضریب پخش برای آلیاژ Zn-Al بر بستر Al]37[ 24شکل 2‑24 ریزساختار و EDX برای فصل مشترک Zn-Al/Alپس از تر شدن در هوا در دمای 500 ℃]37[ 24شکل 2‑25 الف) تصویر میکروسکوپ الکترونی نشان دهنده ذوب کامل مغزه ی مسی به قطر 0.4 میلیمتر در مذاب آلومینیم ب) تصویر میکروسکوپ الکترونی نشان دهنده ذوب موضعی مغزه مسی به قطر 0.8 در مذاب آلومینیم ج) تصویر میکروسکوپ نوری از مغزه مسی با قطر 1.2 احاطه شده توسط آلومینیم]55[ 26شکل 2‑26 دیاگرام آرنیوسی مربوط به ضریب نفوذ چند عنصر مختلف در سرب ]59[ 29شکل 2‑27 بیان طرح‌واره‌ای قانون اول فیک ]59[ 31شکل 2‑28 تصویر فصل مشترک آلومینیم/فولاد بوجود آمده از غوطه وری میله ی فولادی در مذاب آلومینیم 800 درجه سانتیگراد و به مدت الف) 185 ثانیه ب)3000 ثانیه]62[ 32شکل 2‑29 ساختار دندانه دار لایه ی ترکیبFe2Al5در فصل مشترک آلومینیم/فولاد]65[ 33شکل 2‑30 پیشرفت لایه ی فعال و فصل مشترک میان فولاد 1040 و آلومینیم خالص پس از زمان های غوطه وری متفاوت الف) 10 دقیقه، ب)20 دقیقه ج) 40 دقیقه د) 60 دفیقه.با افزایش زمان ساختار دندانه دار به ساختاری یکنواخت تبدیل می گردد.]66[ 34شکل 2‑31 سه لایه ی بین فلزی تشکیل یافته در فصل مشترک مس و آلومینیم خالص (a)مغزه مسی (b)لایه بین فلزی (1)Al4Cu9(2) AlCu(3) Al2Cu(c) لایه یوتکتیک]27[ 36شکل 2‑32 تصویر میکروسکوپ الکترونی از فصل مشترک الومینیم/برنج. لایه ها به ترتیب از چپ به راست عبارتند از آلومینیم، CuAl2، دو لاهی میانی شامل Cu9Al4، CuZnو برنج]12[ 36شکل 3‑1 نمودار درختی از مراحل انجام پروژه 39شکل 3‑2 طرح شبیه‌سازی شده از مدل به همراه سیستم راهگاهی 41شکل 3‑3 طرحواره هایی از شبیه‌سازی پر شدن حفره‌ی قالب بدون حضور مغزه‌ی فلزی با نرم‌افزار Procast 42شکل 3‑4 سری اول نمونه‌ها پس از پایان عملیات ریخته‌گری و سرد شدن در هوا 43شکل 3‑5 طرحواره ای از تقسیم‌بندی استوانه‌های دوفلزی برای برش عرضی 44شکل 3‑6 جفت های فلزی آلومینیم/برنج ریخته شده در دمای 700 درجه سانتیگراد و نسبت‌های حجمی 3 و 5، پس از آماده‌سازی برای متالوگرافی 46شکل 4‑1 سطح مقطع میانی از دوفلزی های آلومینیم/چدن تولید شده در دمای 700 درجه سانتیگراد و سه نسبت حجمی مذاب/جامد 3 ، 5 و 8 49شکل 4‑2 جفت فلزی ریخته شده در دمای 700 درجه سانتیگراد و نسبت حجمی 8 بدون اتصال بین مغزه و آلومینیم 50شکل 4‑3 تصویر میکروسکوپی از فصل مشترک نمونه‌ی 5-700B. تمامی لایه‌های واکنشی در تصویر دیده میشوند.قسمت زردرنگ مربوط به مغزه‌ی برنجی است. 50شکل 4‑4 تصویر میکروسکوپ نوری از ریزساختار نمونه 5-700Bالف) لایه‌هایA، Bو C ب) لایه‌های Bو C 51شکل 4‑5 تصویر میکروسکوپ نوری از ریزساختار نمونه 5-700B الف) لایه‌ی Dب) لایه‌ی Dبا بزرگنمایی بیشتر، ایجاد ذرات بین فلزی در زمینه یوتکتیک 51شکل 4‑6 تصویر میکروسکوپ نوری از مرز بین لایه‌ی دندریتی Eبا آلومینیم در نمونه 5-700B 52شکل 4‑7 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک نمونه‌ی شماره 3-700B. مغزه ی برنجی به همراه لایه های فصل مشترک نمایان است. 53شکل 4‑8 تصویر میکروسکوپ نوری حاصل کنار هم قرار دادن تصاویر متعدد از نمونه شماره 3-700B. مغزه ی برنجی به همراه چهار لایه ی نخستین فصل مشترک فابل مشاهده اند. 53شکل 4‑9 تصویر میکروسکوپ نوری از نمونه شماره 5-750B. سه لایه‌ی نخستین فصل مشترک در تصویر مشخص گردیده اند 54شکل 4‑10 تصویر میکروسکوپی از فصل مشترک دولایه‌ی یوتکتیک یو دندریتی-یوتکتیکی در فصل مشترک نمونه 5-750B 55شکل 4‑11 تصویر میکروسکوپ نوری از دولایه‌ی یوتکیتیکی و دندریتی+یوتکتیکی در فصل مشترک نمونه 5-750B 55شکل 4‑12 تصویر میکروسکوپ نوری از 4 لایه‌ی نخستین فصل مشترک برنج و آلومینیم در نمونه 3-750B 56شکل 4‑13 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک نمونه‌ی 8-700A دوفلزی آلومینیم/آلومینیم 57شکل4‑14 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک نمونه‌ی 5-700A. اتصال جز در قسمت کوچکی از فصل مشترک برقرار شده است. 58شکل 4‑15 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک نمونه‌ی 5-700A. فاز یوتکتیک در محل برخورد مرزدانه‌ها قابل مشاهده است 58شکل 4‑16 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک نمونه شماره 3-700A. اتصال در بخش قابل توجهی از فصل مشترک ایجاد شده است. 59شکل 4‑17 تصویر حاصل از به هم پیوستن چندین تصویر میکروسکوپی از نمونه‌ی 3-700A.. رگه‌ی آلومینیم آلیاژی داخل آلومینیوم خالص قابل رؤیت است.59شکل 4‑18 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک نمونه 3-700A60شکل 4‑19 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک نمونه شماره 8-750A. پیوند متالورژیکی در فصل مشترک با مشکل مواجه شده است 61شکل 4‑20 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک نمونه 8-750A . فازهای یوتکتیک در دو طرف فصل مشترک دیده می شوند 62شکل 4‑21 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک نمونه 5-750A63شکل 4‑22 تصویر میکروسکوپ نوری از فاز یوتکتیک Al-Siجوانه زده در محل اتصال مرزها در نمونه 5-750A 63شکل 4‑23 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک نمونه 3-750A64شکل 4‑24 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک دوفلزی آلومینیم/چدن در نمونه3-700 A 65شکل 4‑25 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک دوفلزی آلومینیم/چدن در نمونه3-700 A 65شکل 4‑26 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک دوفلزی آلومینیم/چدن در نمونه 5-700 A 65شکل 4‑27 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک دوفلزی آلومینیم/چدن در نمونه 8-700A 66شکل 4‑28 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک دوفلزی آلومینیم/چدن در نمونه 8-700 A 66شکل 4‑29 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک دوفلزی آلومینیم/چدن در نمونه 3-750 A 67شکل 4‑30 تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک دوفلزی آلومینیم/چدن در نمونه 5-750 A. الف) لایه بین فلزی در فصل مشترک بصورت پیوسته تشکیل یافته است. ب) لایه ی بین فلزی فصل مشترک در بزرگنمایی بالاتر 67شکل 4‑31 الف) تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک چدن و آلومینیم در نمونه 8-750 A. ب) بزرگنمایی قسمت علامت گذاری شده در شکل الف. فصل مشترک بصورت موجدار بوجود آمده است 68شکل 4‑32 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از فصل مشترک برنج و آلومینیم در نمونه 5-750B. دو لایه‌ی اول در شکل مشخص هست‌اند 69شکل 4‑33 تصویر میکروسکوپ الکترونی از فصل مشترک برنج/آلومینیم نمونه 08Br. در این تصویر سه لایه‌ی نخست علامت‌گذاری شده‌اند 70شکل 4‑34 نتایج آنالیز EDXاز نقاط A,B,C,Dمشخص شده در شکل 4‑33 71شکل 4‑35 نتایج آنالیز EDXاز نقاط A,B,C,Dمشخص شده در شکل 4‑3372شکل 4‑36 تصویر میکروسکوپ الکترونی از ساختار یوتکتیکی. دو نقطه‌ی 1 و 2 به ترتیب نمایانگر فاز آلومینیم و فاز بین فلزی Al2Cuهست‌اند.73شکل 4‑37 آنالیز EDSاز نقطه‌ی 1 در شکل 4‑36 74شکل 4‑38 تصویر میکروسکوپ الکترونی از فصل مشترک آلومینیم خالص و آلیاژی در نمونه 8-700A. ادامه‌ی تصویر الف در تصویر ب قابل مشاهده است 74شکل 4‑39 تصویر میکروسکوپ الکترونی از نمونه 8-700A 75شکل 4‑40 تصویر آنالیز EDS از نقاط مختلف در شکل 4‑30. الف، ب و ج به ترتیب آنالیز نقاط 1، 2 و 3 از شکل 4‑39 هستند. 76شکل 4‑41 تصویر میکروسکوپ الکترونی از فصل مشترک آلومینیم مذاب و آلومینیم آلیاژی 77شکل 4‑42 آنالیز EDSاز نقطه‌ی 1 در شکل 4‑41 77شکل 4‑43 تصویر میکروسکوپ الکترونی از فصل مشترک آلومینیم خالص و آلومینیوم آلیاژی در نمونه 5-700A 78شکل 4‑44 تصویر میکروسکوپ الکترونی از فصل مشترک آلومینیم خالص و آلومینیم آلیاژی در نمونه 5-750A. تصویر الف تصویر حاصل از الکترون‌های ثانویه و تصویر ب حاصل از الکترون‌های بازگشتی است. 78شکل 4‑45 تصویر میکروسکوپ الکترونی از فصل مشترک آلومینیم خالص و آلومینیم آلیاژی در نمونه 3-750A حفرات زیادی در فصل مشترک به چشم می خورند.79شکل 4‑46 آنالیز EDSاز نقطه‌ی 1 در شکل 4‑45 79شکل 4‑47 تصویر میکروسکوپ الکترونی از فصل مشترک آلومینیم خالص و آلیاژی در نمونه 3-700A 80شکل 4‑48 تصویر میکروسکوپ الکترونی از سطح مورد آنالیز نقطه‌ای روبش خطی در نمونه 8-750A 81شکل 4‑49 نتایج روبش خطی 10 نقطه‌ای از نقاط شکل 4‑39 با در نظر گرفتن 4 عنصر Si, Fe, Mg, Cu 81شکل 4‑50 تصویر میکروسکوپ الکترونی از سطح مورد آنالیز نقطه‌ای روبش خطی در نمونه 5-750A 82شکل 4‑51 نتایج روبش خطی 30 نقطه‌ای از نقاط شکل 4‑41 با در نظر گرفتن 4 عنصر Si, Fe, Mg, Cu 82شکل 4‑52 قسمتی از شکل قبل با بزرگنمایی بالاتر در اطراف فصل مشترک 82شکل 4‑53 تصویر میکروسکوپ الکترونی از سطح مورد آنالیز نقطه‌ای روبش خطی در نمونه 3-750A 83شکل 4‑54 نتایج روبش خطی 30 نقطه‌ای از نقاط شکل 4‑53 با در نظر گرفتن 4 عنصر Si, Fe, Mg, Cu 83شکل 4‑55 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از فصل مشترک دوفلزی آلومینیم/برنج در نمونه 8-750C. لایه ی بین فلزی تشکیل شده در فصل مشترک با رنگ خاکستری قابل مشاهده است. 85شکل 4‑56 آنالیز EDSاز ترکیب بین فلزی تشکیل شده در فصل مشترک دوفلزی آلومینیم/چدن در شکل قبل 85شکل 4‑57 آنالیز EDSاز ترکیبات بین فلزی پراکنده در بستر آلومینیمی مجاور فصل مشترک در شکل قبل 86شکل 4‑58 نقشه ی توزیع عناصر آلومینیم، آهن، کروم و سیلیکون در فصل مشترک دوفلزی آلومینیم/ چدن نمونه 8-750C 87شکل 4‑59 تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از فصل مشترک آلومینیم/چدن در نمونه 8-750C. ذوب سطحی جزئی و تشکیل ترکیبات بین فلزی پراکنده در فصل مشترک قابل مشاهده است. 88شکل 4‑60 تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از فصل مشترک آلومینیم/چدن در نمونه 8-750C . تشکیل ترکیبات بین فلزی ریز در محل فصل مشتر قابل مشاهده است 88شکل 4‑61 نمودار تغییرات ریزسختی بر حسب فاصله از فصل مشترک در نمونه 3-700B 89شکل 4‑62 نمودار تغییرات ریزسختی بر حسب فاصله از فصل مشترک در نمونه 3-700A 90شکل 4‑63 نتایج آنالیز تفرق اشعه ایکس از فازهای تشکیل شده در فصل مشترک نمونه 5-750A 91شکل 4‑64 نمودار تغییرات قطر مغزه در سه مقطع هر نمونه پس از پایان عملیات ریخته گری 95شکل 4‑66 تصویر ماکروسکوپیک از مقطع میانی نمونه . فست جابه جا شده از نقاط پایین تر برجسته شده است. 97شکل 4‑67 تصویر شماتیک از ذوب سطحی مغزه و مراحل انجماد مذاب در دوفلزی آلومینیم/ آلومینیم 98شکل 4‑68 تصویر شماتیک از ذوب سطحی مغزه و مراحل انجماد مذاب در دوفلزی آلومینیم/ آلومینیم 98شکل 4‑69 تصویر شماتیک از مرحله ی آخر انجماد در دوفلزی آلومینیم/آلومینیم 98شکل 4‑70 طرحواره ای از مراحل تشکیل لایه ی بین فلزی در فصل مشترک آلومینیم/چدن 102فصل 1 :مقدمهفلز آلومینیم به‌عنوان فراوان‌ترین فلز در پوسته‌ی زمین شناخته شده است و از پرکاربردترین عناصر در ساخت و سازهای صنعتی به شمار می رود. نسبت استحکام به وزن مخصوص بالای این فلز در کنار اهمیت کاهش مصرف سوخت و برخی ضروریات فنی، نیاز به ساخت قطعات دوفلزی با پایه‌ی آلومینیم را افزایش داده است. روش‌های مختلف اتصال دو فلز به یکدیگر همچون پیوند نفوذی، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، لحیم‌کاری و … عمدتاً از محدودیت اندازه جفت فلزی و همچنین ناتوانی در تولید قطعات با شکل پیچیده رنج می برند. در دهه‌های اخیر ریخته‌گری مرکب[1] به‌عنوان روشی برای تولید قطعات با هندسه‌ی پیچیده و یا قطعات در ابعاد بزرگ مورد توجه قرار گرفته است. متأسفانه علی‌رغم گسترش روزافزون استفاده از این روش در صنایع خودروسازی و الکترونیک، تحقیقات صورت گرفته در این زمینه از تنوع خوبی برخوردار نیست‌اند.ریخته‌گری مرکب عبارت از ریختن مذاب آلیاژی درون یا پیرامون جامد فلزی است که لزوماً باید منجر به تشکیل یک ناحیه‌ی نفوذیدر فصل مشترک دو فلز شود. بنابراین اولین شرط در ریخته‌گری مرکب ایجاد یک اتصال سالم در حضور یک ناحیه‌ی نفوذی است. اصولاً برای این‌که اتصالی شکل گیرد مذاب آلیاژی باید موفق به تر کردن سطح آلیاژ جامد شود، به همین دلیل پارامترهای ترشوندگی از مواردی هست‌اند که باید پیش از عملیات ریخته‌گری تکلیفشان مشخص شده باشد. اکسیدهای سطحی در فلزات سبکی چون آلومینیم و منیزیم از نقطه‌ی ذوب بالاتری نسبت به خود آلیاژ برخوردار هست‌اند و اندرکنش بین سطح جامد و مذاب را با مشکل مواجه می‌کنند. به‌کارگیری روش‌های اکسید زدایی می‌تواند در مرتفع نمودن این مشکل کارگر واقع شود.مذابی که وارد قالب می‌گردد محتوای حرارتی زیادی با خود دارد که انرژی فعال‌سازی اندرکنش های متعاقب را فراهم کرده و می‌تواند تغییراتی در ریزساختار هسته‌ی جامد ایجاد کند. هنگامی که مذاب به طور کامل حفره‌ی قالب را پر کرد و انجماد آغاز شد، شکل‌گیری ناحیه‌ی نفوذی در فصل مشترک در دستور کار قرار می‌گیرد. کیفیت این ناحیه‌ی نفوذی تضمین کننده‌ی حصول یک پیوند سالم بین دو فلز است. اندرکنش‌ها در فصل مشترک می‌توانند منجر به تشکیل فازهای بین فلزی گردند. این فازهای بین فلزی اغلب ترد و شکننده هست‌اند و خواص جفت فلزی حاصل را تحت تأثیر قرار می‌دهند. در ریخته‌گری مرکب، ضخامت زیاد لایه‌های مختلف ترکیبات بین فلزی نسبت به روش‌هایی چون جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی و اتصال نفوذی می‌تواند دردسرساز باشد. سعی بر این است که با انتخاب پارامترهای بهینه‌ی ریخته‌گری مرکب، ضمن اطمینان از حصول پیوند متالورژیکی، ضخامت این لایه‌ها را بهینه کرد و تا حد ممکن از به وجود آمدن ترکیبات مضر جلوگیری نمود.متغیرهای مورد نظر در این پژوهش شامل دمای بارریزی، نسبت حجمی مذاب به جامد و آلیاژ مورد استفاده در مغزه است. گوناگونی شرایط حاصل از تغییر هر کدام از عوامل بالا و تأثیر متعاقب این تغییرات بر فصل مشترک، مورد بررسی قرار گرفته است.فصل دوم پایان نامه ی پیش رو، مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه‌ی دوفلزی ها، خصوصاً دوفلزی های با پایه‌ی آلومینیم دارد. در فصل سوم کلیه مراحل انجام آزمایش‌ها همچون تهیه‌ی مواد، تجهیزات مورد استفاده، طراحی قالب و سیستم راهگاهی، ذوب ریزی، آماده‌سازی قطعات برای متالوگرافی و آزمایش سختی سنجی شرح داده شده است. فصل چهارم تحت عنوان فصل نتایج، به ارائه‌ی نتایج حاصل از آزمایش‌های صورت گرفته بر روی دوفلزی های تولیدی، از قبیل تصاویر، نمودارها و داده‌ها اختصاص یافته است. این نتایج در فصل پنجم مورد بحث و تحلیل قرار گرفته اند. در پایان، نتایج به‌دست آمده از این پژوهش به همراه پیشنهاد‌هایی جهت گسترش آن در آینده، موضوع فصل ششم در نظر گرفته شده است. فصل 2:مروری بر منابع 2-1 انواع روش‌های اتصال دو فلز به یکدیگرجوشکاری از روش‌های قدیمی و متداول پیوند دو فلز با یکدیگر است. اتصال دو فلز توسط روش جوشکاری متداول هنگامی که خواص فیزیکی دو فلز نظیر دمای ذوب و ضریب انبساط حرارتی تفاوت محسوسی داشته باشند، با اشکالات متعددی روبه‌رو است. حتی در صورت نزدیکی و تطابق دمای ذوب و ضریب انبساط حرارتی، تفاوت‌های متالورژیکی دو فلز کار را دشوار کرده و ناحیه‌ی جوشی فاقد استحکام لازم به وجود می‌آورند. روش پیوند نفوذی یکی از روش‌های جوشکاری حالت‌جامد است که با توسل به آن، اتصال فلزات با مشخصات فیزیکی متفاوت به یکدیگر امکان‌پذیر می‌گردد. پارامترهای مهم این روش عبارت‌اند از دمای اتصال، فشار اتصال و مدت عملیات [1]. ماهیت فلزات متصل شونده و همچنین زبری سطوح درگیر نیز از دیگر پارامترهایی هست‌اند که خواص اتصال به وجود آمده را تحت تأثیر قرار می‌دهند]2[.در پیوند نفوذی، دو فلز همسان یا ناهمسان در محل اتصال تحت دمایی پایین‌تر از دمای ذوب و فشاری کمتر از تنش تسلیم برای مدتی مشخص در تماس با یکدیگر قرار می گیرند. پروسه‌ی اتصال از سه مرحله تشکیل یافته که عبارت‌اند از:1- افزایش ناحیه تماس با تغییر شکل در محل و خزش2- نفوذ عناصر در ناحیه‌ی تماس و حذف حفره‌های موجود در فصل مشترک دانه‌ها3- مهاجرت مرزدانه‌ها از ناحیه‌ی فصل مشترک و رشد دانه‌ها]3[.پیشرفت‌های متعددی در بهینه‌سازی روش پیوند نفوذی صورت گرفته که از آن جمله می‌توان به پیوند نفوذی[2] تحت خلأ ]4[ و پروسه‌ی پیوند جریان الکتریکی پالسی[3]]5 [اشاره کرد. گزارش‌هایی در مورد استفاده از این روش برای اتصال فلزات و غیر فلزات به یکدیگر نیز منتشر شده است]6[.شکل 2‑1طرح‌واره‌ای از دستگاه مورد استفاده برای پیوند نفوذی به روش پیوند جریان الکتریکی پالسی]12[شانگ[4] و همکارانش در بررسی تأثیرات تغییر دما بر فصل مشترک Mg/Al گزارش داده‌اند که با افزایش دمای عملیات ضخامت لایه‌ی فصل مشترک افزایش می‌یابد و ساختار فصل مشترک تحت تأثیر قرار می‌گیرد]7[. نتیجه مشابهی نیز برای افزایش زمان عملیات گزارش شده است]8[. شکل 2‑2 حساسیت تنش برشی نسبت به پارامترهای مختلف را در جفت Mg/Al نشان می‌دهد. واضح است که مقاومت برشی بیشترین حساسیت را به دمای عملیات پیوند نفوذی دارد ]2[.شکل 2‑2نتایج آنالیز حساسیت به (a) دمای اتصال دهی (℃) (b)فشار (MPa) (c) مدت‌زمان عملیات (دقیقه) و (d) زبری سطح (μ m) ]2[باوجود پیشرفت‌های متعدد روش پیوند نفوذی، این روش جواب گوی قطعات با اندازه بزرگ و همچنین شکل های پیچیده نیست]3[. همچنین وجود اکسیدهای سطحی نیز حصول پیوندی سالم در فصل مشترک را با مشکل روبه‌رو می کند]9[.جوشکاری اصطکاکی اختلاطی در دهه‌های گذشته برای اتصال فلزات ناهمسان همچون مس/آلومینیم،]10[ نیکل/مس]11[ و برنج/آلومینیم]12[ مورد توجه بوده است. پارامترهای دخیل در این روش انحراف ابزار، نرخ چرخش و سرعت عبور عنوان شده‌اند]13[. در این روش یک ابزار جوش چرخان غیر مصرفی به محل اتصال دو فلز متصل می‌گردد، گرمای حاصل از اصطکاک سبب نرم شدن فلز و تغییر شکل پلاستیک گردیده، مواد نرم شده در حضور حرکت حاصل از ابزار چرخان در هم مختلط میشوند و پیوند جامد صورت می‌گیرد]14[.