فهرست مطالب فصل اول: مقدمه2 فصل وم: مبانی نظری تحقیق2-1- مفهوم خزش52-2- منحنی خزشی62-3- تغییرات ساختاری حین پدیده ی خزش82-4- مکانیزم های تغییر فرم مواد92-4-1- مکانیزم های تغییر فرم در دمای پائین92-4-2- مکانیزم های تغییر فرم در دمای بالا92-4-3- مکانیزم های اصلی تغییر فرم در دمای بالا92-4-3-1- لغزش92-4-3-2- تشکیل مرزدانه های فرعی102-4-3-3- لغزش مرزدانه ای102-4-4- مکانیزم های ثانویه ی تغییر فرم در دمای بالا102-4-5- مکانیزم های تغییر فرم خزشی112-4-5-1- لغزش نابجایی112-4-5-2- خزش نابجایی112-4-5-3- خزش ناشی از نفوذ122-4-5-3-1- خزش نفوذی از طریق دانه (Nabarro-Herring)12عنوان صفحه 2-4-5-3-2- خزش نفوذی در امتداد مرزدانه ها (Coble)122-5- لغزش مرزدانه ای122-6- مکانیزم های موازی و سری132-7- معادلات خزشی132-8- خزش مواد مرکب زمینه آلومینیومی (تاریخچه و مروری بر تحقیقات پیشین)142-9- موضوع تحقیق162-9-1- انتخاب نیتراید آلومینیوم به عنوان تقویت کننده162-9-2- انتخاب تقویت کننده ی نا پیوسته با شکل ذره ای172-9-3- انتخاب اندازه ی نانو برای ذرات تقویت کننده172-9-4- انتخاب روش متالورژی پودر جهت ساخت ماده ی مرکب182-9-5- کاربرد های ماده ی مرکب آلومینیوم-نیتراید آلومینیوم18 فصل سوم: شرح آزمایشات3-1- مواد اولیه203-2- تجهیزات مورد استفاده203-2-1- قالب ها213-2-1-1- قالب آسیابکاری213-2-1-2- قالب فشرده سازی213-2-1-3- قالب اکستروژن223-2-2- دستگاه ها243-2-2-1- آنالیزکننده ی ذره ای (PSA)243-2-2-2- میکروسکوپ الکترونی (SEM)24 عنوان صفحه 3-2-2-3- ترازوی دیجیتال253-2-2-4- آسیاب سیاره ای263-2-2-5- آون273-2-2-6- پرس هیدرولیک273-2-2-7- دستگاه سنجش چگالی283-2-2-8- کوره283-2-2-9- دستگاه مانت گرم293-2-2-10- دستگاه کشش 293-2-2-11- دستگاه میکرو سختی303-2-2-12- دستگاه خزش 303-3- مراحل انجام تحقیق353-3-1- تعیین خصوصیات مواد اولیه353-3-2- آسیابکاری مکانیکی مواد اولیه353-3-3- تعیین خصوصیات پودر آسیابکاری شده363-3-4- فشردن سرد پودر آسیابکاری شده363-3-5- سنجش چگالی پودر فشرده شده373-3-6- اکستروژن گرم پودر فشرده شده373-3-7- سنجش چگالی و بررسی میکروساختار نمونه ی اکسترود شده383-3-8- سنجش سختی و ارزیابی رفتار کششی نمونه ی اکسترود شده393-3-8-1- آزمون سختی393-3-8-2- آزمون کشش393-3-9- بررسی رفتار خزشی393-3-9-1- تعیین استاندارد انجام آزمون خزش403-3-9-2- بررسی کالیبره بودن دستگاه خزش40عنوان صفحه 3-3-9-2-1- بررسی کالیبره بودن نیروی اعمالی413-3-9-2-2- بررسی کالیبره بودن تغییرات طول اندازه گیری شده423-3-9-2-3- بررسی کالیبره بودن ترموکوپل473-3-9-3- طراحی فیکسچر جهت نصب نمونه در دستگاه473-3-9-4- انجام آزمون های خزش513-3-9-5- استخراج داده های مورد نیاز از داده های خام اولیه513-3-9-6- تجزیه و تحلیل داده های حاصل از آزمون خزش52 فصل چهارم: بحث و بررسی نتایج4-1- خصوصیات پودرهای اولیه544-1-1- مورفولوژی544-1-2- توزیع اندازه554-2- خصوصیات پودر آسیابکاری شده574-2-1- مورفولوژی574-2-2- توزیع اندازه584-3- چگالی نمونه های حاصل از فشرده سازی سرد پودرآسیاب شده594-4- خصوصیات نمونه های اکسترود شده604-4-1- چگالی604-4-2- میکروساختار604-4-3- خواص مکانیکی624-4-3-1- آزمون سختی624-4-3-2- آزمون کشش624-5- رفتار خزشی63 عنوان صفحه 4-5-1- نتایج اولیه ی آزمون های خزش644-5-2- تعیین مکانیزم خزشی674-5-3- تعیین تنش آستانه744-5-4- وابستگی تنش آستانه به دما764-5-5- تعیین انرژی فعالسازی خزش764-6- ثبت نتایج آزمون های خزش784-6-1- سخت افزار ثبت داده های آزمون794-6-2-نرم افزار ثبت داده های آزمون804-7- پردازش اولیه ی داده ها814-8- پردازش نهایی داده ها81 فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات5-1- نتیجه گیری835-2- پیشنهادات85 فهرست منابع و مأخذ............................ 86 پیوست 1....................................... 90پیوست 2....................................... 91 فهرست جدولها جدول 3-1: نتایج بررسی کالیبره بودن دستگاه از نظر نیرو 41جدول 3-2: نتایج بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال در گستره ی 1/1 با استفاده از کولیس دیجیتال............... 44جدول 3-3: نتایج بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال در گستره ی 2/1 با استفاده از کولیس دیجیتال............... 44جدول 3-4: نتایج بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال در گستره ی 5/1 با استفاده از کولیس دیجیتال............... 45جدول 3-5: نتایج بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال در گستره ی 1/1 با استفاده از کرنش سنج عقربه ای........... 46جدول 3-6: نتایج بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال در گستره ی 5/1 با استفاده از کرنش سنج عقربه ای........... 46جدول 3-7: نتایج بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال در گستره ی 10/1 با استفاده از کرنش سنج عقربه ای.......... 47جدول 4-1: شرایط انجام آزمون های خزشی.......... 64جدول 4-2: نتایج آنالیز آماری داده ها.......... 73جدول 4-3: مشخصات مدار ثبت داده ها............. 79 فهرست شکل ها شکل 2‑1: شماتیک دستگاه آزمون خزش6شکل 2‑2: رفتار کرنش-زمان تحت بارگذاری و لذا تنش مهندسی ثابت و خزش سه مرحله ای6شکل 2‑3: نرخ کرنش آزمون خزش به صورت تابعی از کرنش کل7شکل 2‑4: حرکت نابجائی ها برای ایجاد چند وجهی (شماتیک)10شکل 3‑1: محفظه ی آسیابکاری21شکل 3‑2: قالب فشرده سازی به ترتیب از راست به چپ: ماتریس، قسمت پائینی وپانچ22شکل 3‑3: قالب اکستروژن الف) شمای کلی ب) محفظه ی نگه دارنده ج) به ترتیب از راست به چپ پانچ، ماتریس و دوزه اکستروژن23شکل 3‑4: آنالیزکننده ی ذره ای24شکل 3‑5: میکروسکوپ الکترونی25شکل 3‑6: ترازوی دیجیتال جهت توزین پودرها25شکل 3‑7: ترازوی دیجیتال جهت توزین ساچمه ها26شکل 3‑8: آسیاب سیاره ای26شکل 3‑9: آون27شکل 3‑10: پرس هیدرولیک27شکل 3‑11: دستگاه سنجش چگالی28عنوان صفحه شکل 3‑12: کوره28شکل 3‑13: دستگاه مانت گرم29شکل 3‑14: دستگاه کشش29شکل 3‑15: دستگاه آزمون سختی30شکل 3‑16: دستگاه خزش31شکل 3‑17: کرنش سنج دستگاه خزش32شکل 3‑18: اکستنسومتر دستگاه خزش الف) عقربه ای ب) الکترونیکی34شکل 3‑19: ساچمه ها ی فولادی آسیابکاری36شکل 3‑20: پودر فشرده شده37شکل 3‑21: کیفیت سطحی نمونه اکسترود شده الف) بدون و ب) با قرص آلومینیومی38شکل 3‑22: نمونه ی آزمون کشش39شکل 3‑23: نمونه ی آزمون خزش40شکل 3‑24: کولیس دیجیتال42شکل 3‑25: بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر عقربه ای43شکل 3‑26: بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال43شکل 3‑27: فیکسچر طراحی شده48شکل 3‑28: نمونه شکسته شده از محل مته حین آزمون48شکل 3‑29: قراردادن نمونه در فیکسچر با استفاده از میخ و پیچ48شکل 3‑30: فیکسچر طراحی شده پس از ناکارآمدی فیکسچر نشان داده شده در شکل3-2749شکل 3‑31: شیارهای ایجاد شده در سطوح داخلی فیکسچر برای جلوگیری از سر خوردن نمونه50شکل 3‑32: نحوه ی قرار گرفتن نمونه در فک دستگاه خزش51 شکل 4‑1: مورفولوژی پودر آلومینیوم اولیه55شکل 4‑2: مورفولوژی پودر نیتراید آلومینیوم اولیه55شکل 4‑3: توزیع اندازه ذرات پودر آلومینیوم اولیه56شکل 4‑4: توزیع اندازه ذرات پودر نیتراید آلومینیوم اولیه56شکل 4‑5: مورفولوژی پودر آسیابکاری شده58شکل 4‑6: توزیع اندازه ذرات پودر آسیابکاری شده58شکل 4‑7: توزیع ذرات نیتراید آلومینیوم در زمینه آلومینیوم61شکل 4‑8: آگلومره شدن ذرات نیتراید آلومینیوم در زمینه آلومینیوم61شکل 4‑9: نمودار تنش-کرنش نمونه ی اکسترود شده63شکل 4‑10: منحنی خزشی دردمای 523 کلوین در تنش های متفاوت65شکل 4‑11: منحنی خزشی در دمای 573 کلوین در تنش های متفاوت66شکل 4‑12: نمودار ln - ln در دمای 523 کلوین68شکل 4‑13: نمودارσln - lnدر دمای 573 کلوین69شکل 4‑14: بهترین خط گذرانده شده از نمودار ln - ln در دمای 523 کلوین69شکل 4‑15: بهترین خط گذرانده شده از نمودار ln - ln در دمای 573 کلوین70شکل 4‑16: نمودار ln - ln در دمای 573 کلوین با فرض خطی بودن در بازه ی تنشی الف) 77/43 - 79/39 و ب) 75/47 - 77/43 مگا پاسکال71شکل 4‑17: نمودار - 1/nدر دمای 523 کلوین بازای مقادیر 3، 5 و 8 برای n72شکل 4‑18: نمودار - 1/nدر دمای 573 کلوین بازای مقادیر 3، 5 و 8 برای n73شکل 4‑19: نمودار 1/n - σ در دمای 523 کلوینبازای 5=n74شکل 4‑20: نمودار 1/n - σ در دمای 573 کلوین بازای 3=n75شکل 4‑21: نمودار - 1/Tln در تنش 77/43 مگاپاسکال77شکل 4‑22: نمودار ln - 1/T در تنش 75/47 مگاپاسکال77شکل 4‑23: مدار طراحی شده ی جهت ثبت داده ها79 1- مقدمه بدنبال نیاز روز افزون به موادی با کارآیی بالاتر که با معیارهای متفاوت از جمله وزن کم تر، استحکام بالاتر و ارزان تر تعریف می گردد، مواد موجود غالبا به نهایت کارآیی خود می رسند، لذا دانشمندان و محققان همواره در تلاشند تا مواد رایج را بهبود دهند و یا مواد کاملا جدید را تولید نمایند. از جمله دستاورد تلاشها ی صورت گرفته در زمینه ی اخیر می توان به پدید آمدن مواد مرکب[1]اشاره نمود[1]. مواد مرکب موادی هستند که از ترکیب فیزیکی چند ماده حاصل می گردند. جزئی که پیوسته است و معمولا کسر بیشتری از ماده را تشکیل می دهد زمینه[2] و جزء و یا بقیه اجزاء، تقویت کننده[3] نامیده می شود.در حوزهی صنایع هوافضا، تقاضا برای مواد پیشرفته با قابلیت های مکانیکی و حرارتی بالا به سرعت در حال گسترش می باشد. چنین موادی در صنایع اتومبیل سازی، الکترونیک و کامپیوتر نیز با هدف جایگزین کردن مواد پلاستیکی موجود، مورد نیاز می باشند[2]. مواد مرکب زمینه آلومینیومی[4] از جهاتی از جمله وزن کم، مقاوم بودن در برابر محیط، استحکام و سفتی[5] ویژه ی بالا، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا و مقاومت سایشی خوب[3]، گزینه ای مناسب جهت پاسخگویی به این نیاز محسوب می گردند. علاوه بر این برتری رفتار خزشی این مواد نسبت به زمینه ی آلومینیومی تقویت نشده[4] موجب شده بکارگیری آنها در دماهای بالا به عنوان یک پتانسیل مطرح گردد. این موضوع شناخت مکانیزم های تغییر فرم خزشی مواد مرکب زمینه آلومینیومی را ضروری ساخته است. دستیابی به چنین دانشی علاوه بر فراهم آوردن امکان یافتن روش های بهبود مقاومت خزشی مواد مرکب زمینه آلومینیومی موجود، می تواند در ساخت مواد مرکب زمینه آلومینیومی مقاوم به خزش نیز سودمند واقع گردد. این نکته که علیرغم تلاش های گسترده ی بسیاری محققان، هنوز مفاهیم پایه ای رفتار خزشی بهتر مواد مرکب نسبت به زمینه ی تقویت نشده محل بحث می باشد[4]، ضرورت انجام تحقیقات گسترده تر بر رفتار خزشی مواد مرکب زمینه آلومینیومی را آشکار می گرداند. فصل دوم 2- مبانی نظری تحقیق این فصل به بیان مبانی نظری پدیده ی خزش، تاریخچه و مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه ی خزش مواد مرکب زمینه آلومینیومی و نیز معرفی موضوع تحقیق حاضر و بیان ضرورت و اهمیت آن اختصاص یافته است. 2-1- مفهوم خزش[6] تغییر فرم آهسته ی مواد جامد که در طی بازه های زمانی طولانی رخ می دهد خزش نامیده می شود[5]. پدیده ی خزش در هر دمایی رخ می دهد لیکن میزان دمای مورد نیاز برای رخداد این پدیده بگونه ای که تغییر فرم ناشی از آن اهمیت یابد، به کاربرد و نوع ماده وابسته است. برای سازه های عظیم و یا تولارنس های کم حتی کرنش غیر الاستیک کوچک ممکن است به تغییر فرم های قابل توجه منجر گردد در چنین مواردی ممکن است دمای اتاق نیز بالا محسوب شود[5]. 2-2- منحنی خزشی[7] اگر یک نمونه ی میله ای شکل تحت بار کششی ثابت قرار گیرد (شکل2-1) تغییر شکل ایجاد شده در آن با گذشت زمان (خزش) مشابه با منحنی نشان داده شده در شکل 2-2 خواهد بود[6]. این منحنی که نمودار تغییرات طول ایجاد شده بر حسب زمان در اثر پدیده ی خزش را نشان می دهد، منحنی خزشی نامیده می شود. شکل 2‑1: شماتیک دستگاه آزمون خزش[6].شکل 2‑2: رفتار کرنش-زمان تحت بارگذاری و لذا تنش مهندسی ثابت و خزش سه مرحله ای [5]. شیب منحنی خزشی به نرخ کرنش[8] موسوم است[7]. عموما نرخ تغییر فرم ناشی از خزش کمتر از یک درصد در یک دقیقه می باشد[8]. تغییرات نرخ کرنش با زمان برای منحنی خزشی نشان داده شده در شکل 2-2، در شکل 2-3 نمایش داده شده است.شکل 2‑3: نرخ کرنش آزمون خزش به صورت تابعی از کرنش کل[7]. در این شکل بازه ی کاهش نرخ کرنش به خزش اولیه[9]، بازه ای که نرخ کرنش در آن ثابت می گردد به خزش مرحله دوم یا یکنواخت[10] و بازه ی شتاب گیرنده ی نهایی که معمولا به شکست قطعه منجر می گردد به ناحیه ی سوم[11] خزش موسوم است. برای بعضی مواد ممکن است ناحیه ی اول خزش مشاهده نشود و یا به صورت معکوس باشد. هم چنین امتداد ناحیه ی سوم خزش ممکن است در بعضی مواد ترد محدود و در مواد نرم گسترده باشد، لیکن متداول ترین شکل منحنی خزشی، منحنی نشان داده شده در شکل 2-2 است و در یک توضیح عام از پدیده ی خزش باید منحنی خزش کلاسیک سه مرحله ای این شکل در نظر گرفته شود.[8] 2-3- تغییرات ساختاری حین پدیده ی خزش منحنی شکل 2-3 نشاندهنده ی تغییرات بسیار زیاد نرخ کرنش حین پدیده ی خزش می باشد. با توجه به ثابت بودن دما و نیرو (و یا تنش) در خزش، تغییرات گسترده نرخ خزشی (شکل2-3)، از تغییرات ساختار داخلی ماده با کرنش خزشی و زمان ناشی می گردد[7].این باور وجود دارد که اثر متقابل دو پدیده ی کرنش سختی[12] و بازیابی[13] که بطور موثر بر نرخ کرنش کل ماده در دما و تنش معین تاثیر گذار است، موجب رفتار متغیر کرنش خزشی یک ماده با زمان می گردد. اعتقاد بر این است که در دمای بالا کرنش سختی ناشی از تشکیل دانه های فرعی[14] در اثر آرایش مجدد[15] نابجایی ها است در حالیکه لغزش متقاطع[16] و صعود نابجایی ها[17] دو فرآیند غالب بازیابی محسوب می گردند. کاهش سرعت خزش در ناحیه ی اولیه ی خزش از تغییرات ریز ساختار و تشکیل دانه های فرعی و ایجاد موانع در برابر حرکت نابجایی ها ناشی می گردد. سرعت ثابت خزش در ناحیه ی دوم، به دلیل ایجاد یک ساختار پایدار و به تعادل رسیدن فرآیندهای کرنش سختی و بازیابی است. در ناحیه ی سوم تعادل میان دو فرآیند کرنش سختی و بازیابی از بین می رود[8] و عوامل ضعیف کننده ی متالورژیکی مانند گلویی شدن موضعی[18]، خوردگی، شکست بین دانه ای[19]، تشکیل میکروحفره ها[20] و رسوب ذرات فاز ثانویه ی ترد که در اصل موجب استحکام دهی آلیاژ می گردند، موجب شکست ماده می شوند. علاوه بر این دانه های کرنش سخت شده ممکن است تبلور مجدد[21] یافته و تعادل میان دو فرآیند کرنش سختی و بازیابی را برهم زنند.[9] 2-4- مکانیزم های تغییر فرم مواد در یک تقسیم بندی کلی مکانیزم های تغییر فرم مواد در دو دسته ی مکانیزم های تغییر فرم در دمای پائین و مکانیزم های تغییر فرم در دمای بالا جای می گیرند. که هر یک در ذیل تشریح می گردد: 2-4-1- مکانیزم های تغییر فرم در دمای پائیندر دماهایی که در مقایسه با دمای ذوب ماده پائین هستند، مکانیزم های تغییر فرم غالب شامل دو مکانیزم لغزش[22] و دوقلویی شدن[23] می باشد[9]. 2-4-2- مکانیزم های تغییر فرم در دمای بالامکانیزم های مسئول تغییر فرم در دمای بالا را می توان در دو دسته ی مکانیزم های اصلی و مکانیزم های ثانویه تقسیم بندی نمود. در ادمه این مکانیزم ها تشریح می گردد: 2-4-3- مکانیزم های اصلی تغییر فرم در دمای بالامکانیزم های اصلی تغییر فرم دردمای بالا لغزش، تشکیل مرزدانه های فرعی[24] و لغزش مرزدانه ای[25] را شامل می گردد.[7] 2-4-3-1- لغزشاگرچه مکانیزم لغزش یکی از عوامل تغییر شکل ماده در دماهای پائین می باشد لیکن در درجه حرارت های بالا، فعال شدن سیستم های لغزشی جدید موجب تسهیل تغییر فرم و حرکت نابجایی ها می گردد. لغزش در خزش دمای بالا، بر صفحات لغزشی متعدد و مسافت های لغزشی کوتاه رخ می دهد[7]. Weertman پیشنهاد نموده است که این مسئله از عملکرد منابع متعدد نابجائی ناشی می گردد که در شرایط دمای پائین به علت نیروی دافعه موجود میان حلقه های مجاور سبب توقف یکدیگر می شوند. در دمای بالا حلقه های نابجایی می توانند با صعود یکدیگر زا خنثی نموده، بنابراین همواره جریانی مانایی از نابجایی های جدید می تواند از منابع مختلف بوجود آیند[7].
رفتار خزشی کامپوزیت زمینه آلومینیوم تقویت شده با نانو ذرات نیتراید آلومینیوم WORD
فهرست مطالب فصل اول: مقدمه2 فصل وم: مبانی نظری تحقیق2-1- مفهوم خزش52-2- منحنی خزشی62-3- تغییرات ساختاری حین پدیده ی خزش82-4- مکانیزم های تغییر فرم مواد92-4-1- مکانیزم های تغییر فرم در دمای پائین92-4-2- مکانیزم های تغییر فرم در دمای بالا92-4-3- مکانیزم های اصلی تغییر فرم در دمای بالا92-4-3-1- لغزش92-4-3-2- تشکیل مرزدانه های فرعی102-4-3-3- لغزش مرزدانه ای102-4-4- مکانیزم های ثانویه ی تغییر فرم در دمای بالا102-4-5- مکانیزم های تغییر فرم خزشی112-4-5-1- لغزش نابجایی112-4-5-2- خزش نابجایی112-4-5-3- خزش ناشی از نفوذ122-4-5-3-1- خزش نفوذی از طریق دانه (Nabarro-Herring)12عنوان صفحه 2-4-5-3-2- خزش نفوذی در امتداد مرزدانه ها (Coble)122-5- لغزش مرزدانه ای122-6- مکانیزم های موازی و سری132-7- معادلات خزشی132-8- خزش مواد مرکب زمینه آلومینیومی (تاریخچه و مروری بر تحقیقات پیشین)142-9- موضوع تحقیق162-9-1- انتخاب نیتراید آلومینیوم به عنوان تقویت کننده162-9-2- انتخاب تقویت کننده ی نا پیوسته با شکل ذره ای172-9-3- انتخاب اندازه ی نانو برای ذرات تقویت کننده172-9-4- انتخاب روش متالورژی پودر جهت ساخت ماده ی مرکب182-9-5- کاربرد های ماده ی مرکب آلومینیوم-نیتراید آلومینیوم18 فصل سوم: شرح آزمایشات3-1- مواد اولیه203-2- تجهیزات مورد استفاده203-2-1- قالب ها213-2-1-1- قالب آسیابکاری213-2-1-2- قالب فشرده سازی213-2-1-3- قالب اکستروژن223-2-2- دستگاه ها243-2-2-1- آنالیزکننده ی ذره ای (PSA)243-2-2-2- میکروسکوپ الکترونی (SEM)24 عنوان صفحه 3-2-2-3- ترازوی دیجیتال253-2-2-4- آسیاب سیاره ای263-2-2-5- آون273-2-2-6- پرس هیدرولیک273-2-2-7- دستگاه سنجش چگالی283-2-2-8- کوره283-2-2-9- دستگاه مانت گرم293-2-2-10- دستگاه کشش 293-2-2-11- دستگاه میکرو سختی303-2-2-12- دستگاه خزش 303-3- مراحل انجام تحقیق353-3-1- تعیین خصوصیات مواد اولیه353-3-2- آسیابکاری مکانیکی مواد اولیه353-3-3- تعیین خصوصیات پودر آسیابکاری شده363-3-4- فشردن سرد پودر آسیابکاری شده363-3-5- سنجش چگالی پودر فشرده شده373-3-6- اکستروژن گرم پودر فشرده شده373-3-7- سنجش چگالی و بررسی میکروساختار نمونه ی اکسترود شده383-3-8- سنجش سختی و ارزیابی رفتار کششی نمونه ی اکسترود شده393-3-8-1- آزمون سختی393-3-8-2- آزمون کشش393-3-9- بررسی رفتار خزشی393-3-9-1- تعیین استاندارد انجام آزمون خزش403-3-9-2- بررسی کالیبره بودن دستگاه خزش40عنوان صفحه 3-3-9-2-1- بررسی کالیبره بودن نیروی اعمالی413-3-9-2-2- بررسی کالیبره بودن تغییرات طول اندازه گیری شده423-3-9-2-3- بررسی کالیبره بودن ترموکوپل473-3-9-3- طراحی فیکسچر جهت نصب نمونه در دستگاه473-3-9-4- انجام آزمون های خزش513-3-9-5- استخراج داده های مورد نیاز از داده های خام اولیه513-3-9-6- تجزیه و تحلیل داده های حاصل از آزمون خزش52 فصل چهارم: بحث و بررسی نتایج4-1- خصوصیات پودرهای اولیه544-1-1- مورفولوژی544-1-2- توزیع اندازه554-2- خصوصیات پودر آسیابکاری شده574-2-1- مورفولوژی574-2-2- توزیع اندازه584-3- چگالی نمونه های حاصل از فشرده سازی سرد پودرآسیاب شده594-4- خصوصیات نمونه های اکسترود شده604-4-1- چگالی604-4-2- میکروساختار604-4-3- خواص مکانیکی624-4-3-1- آزمون سختی624-4-3-2- آزمون کشش624-5- رفتار خزشی63 عنوان صفحه 4-5-1- نتایج اولیه ی آزمون های خزش644-5-2- تعیین مکانیزم خزشی674-5-3- تعیین تنش آستانه744-5-4- وابستگی تنش آستانه به دما764-5-5- تعیین انرژی فعالسازی خزش764-6- ثبت نتایج آزمون های خزش784-6-1- سخت افزار ثبت داده های آزمون794-6-2-نرم افزار ثبت داده های آزمون804-7- پردازش اولیه ی داده ها814-8- پردازش نهایی داده ها81 فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات5-1- نتیجه گیری835-2- پیشنهادات85 فهرست منابع و مأخذ............................ 86 پیوست 1....................................... 90پیوست 2....................................... 91 فهرست جدولها جدول 3-1: نتایج بررسی کالیبره بودن دستگاه از نظر نیرو 41جدول 3-2: نتایج بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال در گستره ی 1/1 با استفاده از کولیس دیجیتال............... 44جدول 3-3: نتایج بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال در گستره ی 2/1 با استفاده از کولیس دیجیتال............... 44جدول 3-4: نتایج بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال در گستره ی 5/1 با استفاده از کولیس دیجیتال............... 45جدول 3-5: نتایج بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال در گستره ی 1/1 با استفاده از کرنش سنج عقربه ای........... 46جدول 3-6: نتایج بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال در گستره ی 5/1 با استفاده از کرنش سنج عقربه ای........... 46جدول 3-7: نتایج بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال در گستره ی 10/1 با استفاده از کرنش سنج عقربه ای.......... 47جدول 4-1: شرایط انجام آزمون های خزشی.......... 64جدول 4-2: نتایج آنالیز آماری داده ها.......... 73جدول 4-3: مشخصات مدار ثبت داده ها............. 79 فهرست شکل ها شکل 2‑1: شماتیک دستگاه آزمون خزش6شکل 2‑2: رفتار کرنش-زمان تحت بارگذاری و لذا تنش مهندسی ثابت و خزش سه مرحله ای6شکل 2‑3: نرخ کرنش آزمون خزش به صورت تابعی از کرنش کل7شکل 2‑4: حرکت نابجائی ها برای ایجاد چند وجهی (شماتیک)10شکل 3‑1: محفظه ی آسیابکاری21شکل 3‑2: قالب فشرده سازی به ترتیب از راست به چپ: ماتریس، قسمت پائینی وپانچ22شکل 3‑3: قالب اکستروژن الف) شمای کلی ب) محفظه ی نگه دارنده ج) به ترتیب از راست به چپ پانچ، ماتریس و دوزه اکستروژن23شکل 3‑4: آنالیزکننده ی ذره ای24شکل 3‑5: میکروسکوپ الکترونی25شکل 3‑6: ترازوی دیجیتال جهت توزین پودرها25شکل 3‑7: ترازوی دیجیتال جهت توزین ساچمه ها26شکل 3‑8: آسیاب سیاره ای26شکل 3‑9: آون27شکل 3‑10: پرس هیدرولیک27شکل 3‑11: دستگاه سنجش چگالی28عنوان صفحه شکل 3‑12: کوره28شکل 3‑13: دستگاه مانت گرم29شکل 3‑14: دستگاه کشش29شکل 3‑15: دستگاه آزمون سختی30شکل 3‑16: دستگاه خزش31شکل 3‑17: کرنش سنج دستگاه خزش32شکل 3‑18: اکستنسومتر دستگاه خزش الف) عقربه ای ب) الکترونیکی34شکل 3‑19: ساچمه ها ی فولادی آسیابکاری36شکل 3‑20: پودر فشرده شده37شکل 3‑21: کیفیت سطحی نمونه اکسترود شده الف) بدون و ب) با قرص آلومینیومی38شکل 3‑22: نمونه ی آزمون کشش39شکل 3‑23: نمونه ی آزمون خزش40شکل 3‑24: کولیس دیجیتال42شکل 3‑25: بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر عقربه ای43شکل 3‑26: بررسی کالیبره بودن اکستنسومتر دیجیتال43شکل 3‑27: فیکسچر طراحی شده48شکل 3‑28: نمونه شکسته شده از محل مته حین آزمون48شکل 3‑29: قراردادن نمونه در فیکسچر با استفاده از میخ و پیچ48شکل 3‑30: فیکسچر طراحی شده پس از ناکارآمدی فیکسچر نشان داده شده در شکل3-2749شکل 3‑31: شیارهای ایجاد شده در سطوح داخلی فیکسچر برای جلوگیری از سر خوردن نمونه50شکل 3‑32: نحوه ی قرار گرفتن نمونه در فک دستگاه خزش51 شکل 4‑1: مورفولوژی پودر آلومینیوم اولیه55شکل 4‑2: مورفولوژی پودر نیتراید آلومینیوم اولیه55شکل 4‑3: توزیع اندازه ذرات پودر آلومینیوم اولیه56شکل 4‑4: توزیع اندازه ذرات پودر نیتراید آلومینیوم اولیه56شکل 4‑5: مورفولوژی پودر آسیابکاری شده58شکل 4‑6: توزیع اندازه ذرات پودر آسیابکاری شده58شکل 4‑7: توزیع ذرات نیتراید آلومینیوم در زمینه آلومینیوم61شکل 4‑8: آگلومره شدن ذرات نیتراید آلومینیوم در زمینه آلومینیوم61شکل 4‑9: نمودار تنش-کرنش نمونه ی اکسترود شده63شکل 4‑10: منحنی خزشی دردمای 523 کلوین در تنش های متفاوت65شکل 4‑11: منحنی خزشی در دمای 573 کلوین در تنش های متفاوت66شکل 4‑12: نمودار ln - ln در دمای 523 کلوین68شکل 4‑13: نمودارσln - lnدر دمای 573 کلوین69شکل 4‑14: بهترین خط گذرانده شده از نمودار ln - ln در دمای 523 کلوین69شکل 4‑15: بهترین خط گذرانده شده از نمودار ln - ln در دمای 573 کلوین70شکل 4‑16: نمودار ln - ln در دمای 573 کلوین با فرض خطی بودن در بازه ی تنشی الف) 77/43 - 79/39 و ب) 75/47 - 77/43 مگا پاسکال71شکل 4‑17: نمودار - 1/nدر دمای 523 کلوین بازای مقادیر 3، 5 و 8 برای n72شکل 4‑18: نمودار - 1/nدر دمای 573 کلوین بازای مقادیر 3، 5 و 8 برای n73شکل 4‑19: نمودار 1/n - σ در دمای 523 کلوینبازای 5=n74شکل 4‑20: نمودار 1/n - σ در دمای 573 کلوین بازای 3=n75شکل 4‑21: نمودار - 1/Tln در تنش 77/43 مگاپاسکال77شکل 4‑22: نمودار ln - 1/T در تنش 75/47 مگاپاسکال77شکل 4‑23: مدار طراحی شده ی جهت ثبت داده ها79 1- مقدمه بدنبال نیاز روز افزون به موادی با کارآیی بالاتر که با معیارهای متفاوت از جمله وزن کم تر، استحکام بالاتر و ارزان تر تعریف می گردد، مواد موجود غالبا به نهایت کارآیی خود می رسند، لذا دانشمندان و محققان همواره در تلاشند تا مواد رایج را بهبود دهند و یا مواد کاملا جدید را تولید نمایند. از جمله دستاورد تلاشها ی صورت گرفته در زمینه ی اخیر می توان به پدید آمدن مواد مرکب[1]اشاره نمود[1]. مواد مرکب موادی هستند که از ترکیب فیزیکی چند ماده حاصل می گردند. جزئی که پیوسته است و معمولا کسر بیشتری از ماده را تشکیل می دهد زمینه[2] و جزء و یا بقیه اجزاء، تقویت کننده[3] نامیده می شود.در حوزهی صنایع هوافضا، تقاضا برای مواد پیشرفته با قابلیت های مکانیکی و حرارتی بالا به سرعت در حال گسترش می باشد. چنین موادی در صنایع اتومبیل سازی، الکترونیک و کامپیوتر نیز با هدف جایگزین کردن مواد پلاستیکی موجود، مورد نیاز می باشند[2]. مواد مرکب زمینه آلومینیومی[4] از جهاتی از جمله وزن کم، مقاوم بودن در برابر محیط، استحکام و سفتی[5] ویژه ی بالا، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا و مقاومت سایشی خوب[3]، گزینه ای مناسب جهت پاسخگویی به این نیاز محسوب می گردند. علاوه بر این برتری رفتار خزشی این مواد نسبت به زمینه ی آلومینیومی تقویت نشده[4] موجب شده بکارگیری آنها در دماهای بالا به عنوان یک پتانسیل مطرح گردد. این موضوع شناخت مکانیزم های تغییر فرم خزشی مواد مرکب زمینه آلومینیومی را ضروری ساخته است. دستیابی به چنین دانشی علاوه بر فراهم آوردن امکان یافتن روش های بهبود مقاومت خزشی مواد مرکب زمینه آلومینیومی موجود، می تواند در ساخت مواد مرکب زمینه آلومینیومی مقاوم به خزش نیز سودمند واقع گردد. این نکته که علیرغم تلاش های گسترده ی بسیاری محققان، هنوز مفاهیم پایه ای رفتار خزشی بهتر مواد مرکب نسبت به زمینه ی تقویت نشده محل بحث می باشد[4]، ضرورت انجام تحقیقات گسترده تر بر رفتار خزشی مواد مرکب زمینه آلومینیومی را آشکار می گرداند. فصل دوم 2- مبانی نظری تحقیق این فصل به بیان مبانی نظری پدیده ی خزش، تاریخچه و مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه ی خزش مواد مرکب زمینه آلومینیومی و نیز معرفی موضوع تحقیق حاضر و بیان ضرورت و اهمیت آن اختصاص یافته است. 2-1- مفهوم خزش[6] تغییر فرم آهسته ی مواد جامد که در طی بازه های زمانی طولانی رخ می دهد خزش نامیده می شود[5]. پدیده ی خزش در هر دمایی رخ می دهد لیکن میزان دمای مورد نیاز برای رخداد این پدیده بگونه ای که تغییر فرم ناشی از آن اهمیت یابد، به کاربرد و نوع ماده وابسته است. برای سازه های عظیم و یا تولارنس های کم حتی کرنش غیر الاستیک کوچک ممکن است به تغییر فرم های قابل توجه منجر گردد در چنین مواردی ممکن است دمای اتاق نیز بالا محسوب شود[5]. 2-2- منحنی خزشی[7] اگر یک نمونه ی میله ای شکل تحت بار کششی ثابت قرار گیرد (شکل2-1) تغییر شکل ایجاد شده در آن با گذشت زمان (خزش) مشابه با منحنی نشان داده شده در شکل 2-2 خواهد بود[6]. این منحنی که نمودار تغییرات طول ایجاد شده بر حسب زمان در اثر پدیده ی خزش را نشان می دهد، منحنی خزشی نامیده می شود. شکل 2‑1: شماتیک دستگاه آزمون خزش[6].شکل 2‑2: رفتار کرنش-زمان تحت بارگذاری و لذا تنش مهندسی ثابت و خزش سه مرحله ای [5]. شیب منحنی خزشی به نرخ کرنش[8] موسوم است[7]. عموما نرخ تغییر فرم ناشی از خزش کمتر از یک درصد در یک دقیقه می باشد[8]. تغییرات نرخ کرنش با زمان برای منحنی خزشی نشان داده شده در شکل 2-2، در شکل 2-3 نمایش داده شده است.شکل 2‑3: نرخ کرنش آزمون خزش به صورت تابعی از کرنش کل[7]. در این شکل بازه ی کاهش نرخ کرنش به خزش اولیه[9]، بازه ای که نرخ کرنش در آن ثابت می گردد به خزش مرحله دوم یا یکنواخت[10] و بازه ی شتاب گیرنده ی نهایی که معمولا به شکست قطعه منجر می گردد به ناحیه ی سوم[11] خزش موسوم است. برای بعضی مواد ممکن است ناحیه ی اول خزش مشاهده نشود و یا به صورت معکوس باشد. هم چنین امتداد ناحیه ی سوم خزش ممکن است در بعضی مواد ترد محدود و در مواد نرم گسترده باشد، لیکن متداول ترین شکل منحنی خزشی، منحنی نشان داده شده در شکل 2-2 است و در یک توضیح عام از پدیده ی خزش باید منحنی خزش کلاسیک سه مرحله ای این شکل در نظر گرفته شود.[8] 2-3- تغییرات ساختاری حین پدیده ی خزش منحنی شکل 2-3 نشاندهنده ی تغییرات بسیار زیاد نرخ کرنش حین پدیده ی خزش می باشد. با توجه به ثابت بودن دما و نیرو (و یا تنش) در خزش، تغییرات گسترده نرخ خزشی (شکل2-3)، از تغییرات ساختار داخلی ماده با کرنش خزشی و زمان ناشی می گردد[7].این باور وجود دارد که اثر متقابل دو پدیده ی کرنش سختی[12] و بازیابی[13] که بطور موثر بر نرخ کرنش کل ماده در دما و تنش معین تاثیر گذار است، موجب رفتار متغیر کرنش خزشی یک ماده با زمان می گردد. اعتقاد بر این است که در دمای بالا کرنش سختی ناشی از تشکیل دانه های فرعی[14] در اثر آرایش مجدد[15] نابجایی ها است در حالیکه لغزش متقاطع[16] و صعود نابجایی ها[17] دو فرآیند غالب بازیابی محسوب می گردند. کاهش سرعت خزش در ناحیه ی اولیه ی خزش از تغییرات ریز ساختار و تشکیل دانه های فرعی و ایجاد موانع در برابر حرکت نابجایی ها ناشی می گردد. سرعت ثابت خزش در ناحیه ی دوم، به دلیل ایجاد یک ساختار پایدار و به تعادل رسیدن فرآیندهای کرنش سختی و بازیابی است. در ناحیه ی سوم تعادل میان دو فرآیند کرنش سختی و بازیابی از بین می رود[8] و عوامل ضعیف کننده ی متالورژیکی مانند گلویی شدن موضعی[18]، خوردگی، شکست بین دانه ای[19]، تشکیل میکروحفره ها[20] و رسوب ذرات فاز ثانویه ی ترد که در اصل موجب استحکام دهی آلیاژ می گردند، موجب شکست ماده می شوند. علاوه بر این دانه های کرنش سخت شده ممکن است تبلور مجدد[21] یافته و تعادل میان دو فرآیند کرنش سختی و بازیابی را برهم زنند.[9] 2-4- مکانیزم های تغییر فرم مواد در یک تقسیم بندی کلی مکانیزم های تغییر فرم مواد در دو دسته ی مکانیزم های تغییر فرم در دمای پائین و مکانیزم های تغییر فرم در دمای بالا جای می گیرند. که هر یک در ذیل تشریح می گردد: 2-4-1- مکانیزم های تغییر فرم در دمای پائیندر دماهایی که در مقایسه با دمای ذوب ماده پائین هستند، مکانیزم های تغییر فرم غالب شامل دو مکانیزم لغزش[22] و دوقلویی شدن[23] می باشد[9]. 2-4-2- مکانیزم های تغییر فرم در دمای بالامکانیزم های مسئول تغییر فرم در دمای بالا را می توان در دو دسته ی مکانیزم های اصلی و مکانیزم های ثانویه تقسیم بندی نمود. در ادمه این مکانیزم ها تشریح می گردد: 2-4-3- مکانیزم های اصلی تغییر فرم در دمای بالامکانیزم های اصلی تغییر فرم دردمای بالا لغزش، تشکیل مرزدانه های فرعی[24] و لغزش مرزدانه ای[25] را شامل می گردد.[7] 2-4-3-1- لغزشاگرچه مکانیزم لغزش یکی از عوامل تغییر شکل ماده در دماهای پائین می باشد لیکن در درجه حرارت های بالا، فعال شدن سیستم های لغزشی جدید موجب تسهیل تغییر فرم و حرکت نابجایی ها می گردد. لغزش در خزش دمای بالا، بر صفحات لغزشی متعدد و مسافت های لغزشی کوتاه رخ می دهد[7]. Weertman پیشنهاد نموده است که این مسئله از عملکرد منابع متعدد نابجائی ناشی می گردد که در شرایط دمای پائین به علت نیروی دافعه موجود میان حلقه های مجاور سبب توقف یکدیگر می شوند. در دمای بالا حلقه های نابجایی می توانند با صعود یکدیگر زا خنثی نموده، بنابراین همواره جریانی مانایی از نابجایی های جدید می تواند از منابع مختلف بوجود آیند[7].