فهرست مطالبفهرست مطالب هشتفهرست اشکال یازدهفهرست جداول شانزدهچکیده1فصل اول: مقدمه1-1-مقدمه2فصل دوم: مروری بر منابع2-1-معرفی و تاریخچه42-2-طبقهبندی آلیاژهای آلومینیوم42-3-معرفی آلیاژ A41352-4-فرایند اصطکاکی اغتشاشی62-5-تحولات ریزساختاری در اثر انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی82-5-1-ناحیه اغتشاش یافته82-5-2-ناحیه متاثر از عملیات ترمومکانیکی92-5-3-ناحیه ی متاثر از حرارت92-6-پارامترهای فرایند اصطکاکی اغتشاشی102-6-1-هندسه ابزار102-6-2-سرعت چرخشی و سرعت خطی112-7-استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی جهت اصلاح ریزساختار آلیاژهای ریختگی آلومینیوم122-8-ساخت کامپوزیتهای سطحی زمینه فلزی و روشهای ایجاد آن با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی152-8-1-روش دوغابی162-8-2-روش شیار باریک172-8-3-پاشش حرارتی172-9-تحقیقات انجام شده در زمینه ساخت کامپوزیت سطحی با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی18 2-10-سایش، انواع و مکانیزمهای آن242-10-1-سایش خراشان242-10-2-سایش چسبان272-10-3-سایش ورقهای282-10-4-منحنی مشخصه سایش292-11-تاثیر فرایند اصطکاکی اغتشاشی بر خواص و رفتار سایشی آلیاژهای آلومینیوم312-12-ارزیابی رفتار سایشی کامپوزیتهای ایجاد شده توسط فرایند اصطکاکی اغتشاشی342-13-بهینه سازی به روش تاگوچی372-14-جمع بندی مرور مطالعاتی و هدف تحقیق حاضر38فصل سوم: مواد، آزمایشها و روش انجام تحقیق3-1-مقدمه403-2-مواد اولیه مورد نیاز403-3-آماده سازی نمونهها423-4-تجهیزات مربوط به فرایند اصطکاکی اغتشاشی423-5-روندنمای انجام تحقیق433-6-اجرای فرایند اصطکاکی اغتشاشی443-7-بهینه سازی با استفاده از روش تاگوچی453-8-ارزیابی ریزساختار453-9-محاسبه کسر سطحی ذرات تقویت کننده453-10-آزمون پراش پرتو ایکس463-11-آزمون سختی463-12-آزمون سایش46فصل چهارم:نتایج وبحث4-1-انتخاب پارامترهای مناسب جهت انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی484-2-بهینه سازی به روش تاگوچی554-2-1-طراحی آزمایش به روش تاگوچی55 4-2-2-آنالیز آماری564-2-3-آنالیز واریانس614-3-مشخصهیابی نمونه بهینه634-4-تشکیل ترکیبات بین فلزی از دید ترمودینامیک و بررسی سینتیک آن684-5-بررسی اثر افزایش تعداد پاس704-5-1-اثر افزایش پاس بر ریزساختار704-5-2-اثر افزایش پاس بر ریزسختی764-6-بررسی رفتار سایشی آلیاژ A413 و کامپوزیت A413/Ni/Al3Ni774-6-1-سایش دما پایین774-6-2-سایش دما بالا82فصل پنجم: نتیجه گیریو پیشنهادات5-1-نتایج کلی885-2-پیشنهادات جهت ادامه این پژوهش89مراجع90پیوست 196 فهرست اشکالشکل 2-1. طبقهبندی کلی آلیاژهای آلومینیوم5شکل 2-2. نمایی از جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی7شکل 2-3. نواحی مختلف ریزساختاری در آلیاژ آلومینیوم اصطکاکی اغتشاشی شده 70758شکل 2-4. ریزساختارناحیهمتاثرازعملیاتترمومکانیکیدرآلیاژآلومینیوم70759شکل 2-5. انواع مختلف پروفیلهای ابزار فرایند اصطکاکی اغتشاشی10شکل 2-6. تاثیرهندسهپینبرسختیناحیهاغتشاش یافته11شکل2-7. اندازه دانه ناحیه اغتشاش یافته در آلیاژ آلومینیوم 7075 با پارامترهای فرایند مختلف12شکل 2-8 . ریزساختار ریختگی آلیاژ A356، الف) ساختار دندریتی و ب) توزیع بین دندریتی ذرات سیلیسیم13شکل 2-9. تصویر میکروسکوپی نوری نشان دهنده شکل و توزیع ذرات سیلیسیم در آلیاژ A356 پس از انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی14شکل 2-10. تصویر میکروسکوپی الکترونی از مرکز ناحیه اغتشاش یافته نمونههای الف) تک پاس، ب) دو پاس و ج) سه پاس فرایند شده با سرعت چرخشی 1500 دور در دقیقه و سرعت خطی 16 میلیمتر بر دقیقه15شکل 2-11. نمایی از روش شیاری18شکل 2-12. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از کامپوزیت سطحی Al/SiC ، الف) بدون اچ و ب) با اچ و بزرگنمایی بیشتر18شکل 2-13. توزیع سختی نمونه اصطکاکی اغتشاشی شده A356 با و بدون ذرات SiC19شکل 2-14. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از الف) توزیع ذرات نیکل در ناحیه اغتشاشی و ب) فصل مشترک بین زمینه و ذره19شکل 2-15. الف) تصویر پراش الکترونی برگشتی از ناحیه اغتشاش یافته و ب) توزیع زوایای عدم تطابق20شکل 2-16. الف) نقشه مرزهای دانه در زمینه، ب) مرزهای با جهتگیری مخلوط و ج) مرزهای مخلوط با تطابق کم و بزرگ زاویه20شکل 2-17. الگوی پراش پرتو ایکس کامپوزیت آلومینیوم-نیکل21شکل 2-18. پروفیل ریزسختی ناحیه اغتشاش یافته کامپوزیت آلومینیوم-نیکل21شکل 2-19. دیاگرام فازی آلومینیوم-نیکل23شکل 2-20. پروفیل ریزسختی ناحیه اغتشاش یافته ورق آلومینیومی 110023شکل 2-21. نمونهای از سایش خراشان25شکل 2-22. سایش خراشان الف) دو جسمی و ب) سه جسمی25شکل 2-23. اثرنسبتسختیفلزبهمادهسایندهبرمقاومت به سایش26 شکل 2-24. مکانیزمهایسایشخراشان27شکل 2-25. مکانیزمهایمختلفگسیختگیاتصالاتسطحیوسایشچسبان28شکل 2-26. الگویی از یک منحنی سایش نمونه30شکل 2-27. انواع مختلف منحنی مشخصه سایش30شکل 2-28. تغییرات کاهش وزن در مقابل مسافت لغزش آلیاژ A356 فرایند شده با پارامترهای مختلف و آلیاژ A356 فرایند نشده32شکل 2-29. تغییرات نرخ سایش در مقابل مسافت لغزش32شکل 2-30. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از اثرات سایش آلیاژ اصطکاکی اغتشاشی شده A356 در الف) 500 ، ب) 800، ج) 1000 و د) 1250دور بر دقیقه.33شکل 2-31. نمودار کاهش وزن نمونههای آلیاژ A356 فرایند شده و کامپوزیتی35شکل 2-32. نمودار تغییرات ضریب اصطکاک نمونههای آلیاژ A356 فرایند شده و کامپوزیتی35شکل 2-33. تصویر میکروسکوپی الکترونی از الف) سطح ساییده شده و ب) زیر سطح کامپوزیت A356/SiCp36شکل 2-34. تصویر میکروسکوپی الکترونی از الف) سطح ساییده شده و ب) زیر سطح کامپوزیت A356/SiCp/MoS236شکل 2-35. تغییرات نرخ سایش کامپوزیتهای الف) A390/Al2O3 و ب) A390/Gr با افزایش سرعت چرخش ابزار37شکل 2-36. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از سطوح سایش، الف و ب) کامپوزیت سطحی A390/Al2O3 به ترتیب فرایند شده در 1200 (الف) و 1800 (ب) دور در دقیقه، و ج و د) کامپوزیت سطحی A390/Gr به ترتیب فرایند شده در 1200 (ج) و 1800 (د) با سرعت خطی 20 میلیمتر بر دقیقه38شکل 3-1. الگوی پراش پرتو ایکس آلیاژ آلومینیوم ریختگی A41341شکل 3-2. تصویر میکروسکوپی الکترونی از ذرات نیکل41شکل 3-3. الگوی پراش اشعه ایکس پودر نیکل41شکل 3-4. تصویر نمونه اولیه آماده شده و شیار روی آن42شکل 3-5. شماتیک ابزارهای به کار برده شده جهت انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی و ابعاد آنها43شکل 3-6. روندنمای انجام پروژه43شکل 3-7. تصویری از یک نمونه تحت فرایند قرار گرفته با سرعت چرخشی 2000 دور در دقیقه، سرعت خطی 8 میلیمتر بر دقیقه و زاویه 3 درجه44شکل 3-8. نمایی از دستگاه سایش پین بر روی دیسک دمای محیط.47شکل 3-9. نمایی از دستگاه سایش پین بر روی دیسک دمای بالا47 شکل 4-1. آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی از ذرات مورد نظر در نمونههای کامپوزیتی ایجاد شده با شرایط الف) سرعت چرخشی 1400 دور بر دقیقه و سرعت خطی 20 میلیمتر بر دقیقه و ب) سرعت چرخشی 2000 دور بر دقیقه و سرعت خطی 20 میلیمتر بر دقیقه. (ج) و (د) به ترتیب پیکهای مربوط به شکلهای (الف) و (ب) میباشند.49شکل 4-2. آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی از ذرات مورد نظر در نمونههای کامپوزیتی ایجاد شده با شرایط الف) سرعت چرخشی 1400 دور بر دقیقه و سرعت خطی 20 میلیمتر بر دقیقه و ب) سرعت چرخشی 2000 دور بر دقیقه و سرعت خطی 20 میلیمتر بر دقیقه. (ج) و (د) به ترتیب پیکهای مربوط به شکلهای (الف) و (ب) میباشند50شکل 4-3. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از ذرات نیکل در نمونههای تولید شده با پارامترهای الف) 1400 دور در دقیقه و 20 میلیمتر بر دقیقه و ب) 2000 دور در دقیقه و 20 میلیمتر بر دقیقه51شکل 4-4. الگوی پراش پرتو ایکس نمونههای ایجاد شده با الف) 1400 دور در دقیقه و 20 میلیمتر بر دقیقه و ب) 2000 دور در دقیقه و 20 میلیمتر بر دقیقه52شکل 4-5. الف و ب) تصویر میکروسکوپی نوری و الکترونی از ریزساختار فلز پایه، ج و د) نمونه کامپوزیتی ایجاد شده با شرایط 1400 دور در دقیقه و 20 میلیمتر بر دقیقه همراه با وجود حفره، ه و و) نمونه کامپوزیتی ایجاد شده با شرایط 2000 دور در دقیقه و 20 میلیمتر بر دقیقه54شکل 4-6. نمودار میانگین نسبت سیگنال به نویز برای کاهش وزن در مقابل تغییرات هر پارامتر بر اساس معیار هر چه کمتر بهتر59شکل 4-7. نمودار میانگین نسبت سیگنال به نویز برای ریزسختی در برابر تغییرات هر پارامتر بر اساس معیار هر چه بیشتر بهتر60شکل 4-8. میزان درصد مشارکت هر پارامتر برای مقادیر الف) ریزسختی و ب) کاهش وزن60شکل 4-9. تصویر ماکروسکوپی از نمونه ایجاد شده با شرایط بهینه64شکل 4-10. الف) ریزساختار فلز پایه همراه با وجود دندریتها، ب) ریزساختار فلز پایه در مقیاس کوچکتر برای نمایش ذرات سوزنی سیلیسیم و حفرات و ج) ریزساختار نمونه بهینه.65شکل 4-11. ریزساختار ناحیه متاثر از عملیات ترمومکانیکی در مرز ناحیه اغتشاش یافته نمونه بهینه با زمینه در سمت پیشران66شکل 4-12. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از ناحیه اغتشاش یافته نمونه بهینه. الف) ترکیب بین فلزی Al3Ni به صورت لایههای خاکستری رنگ اطراف ذرههای سفید رنگ (ذرات نیکل) و ب) ذرات ریز خاکستری رنگ توزیع شده در زمینه (ذرات Al3Ni)67شکل 4-13. آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی از فصل مشترک ذره نیکل با زمینه و نتایج آن67شکل 4-14. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از توزیع ذرات تقویت کننده در ناحیه اغتشاش یافته نمونههای الف) تک پاس همراه با کلوخهای شدن شدید ذرات نیکل، ب) سه پاس و ج) پنج پاس71شکل 4-15. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از ریزساختار ناحیه اغتشاش یافته الف) نمونه یک پاس و ب) نمونه پنج پاس72 شکل 4-16. الگوی پراش پرتو ایکس نمونههای یک پاس، سه پاس و پنج پاس.73شکل 4-17. نمونهای از تصویر مورد استفاده برای نرم افزار clemex و محاسبه نسبت بزرگترین به کوچکترین طول و میزان کروی شدن ذرات سیلیسیم درآن74شکل 4-18. تصویر میکروسکوپی نوری از ریزساختار نمونههای الف) تک پاس، ب) سه پاس و ج) پنج پاس75شکل 4-19. تغییرات نسبت بیشترین به کمترین طول با افزایش تعداد پاس75شکل 4-20. تغییرات میزان کروی شدن ذرات سیلیسیم با افزایش تعداد پاس76شکل 4-21. تغییرات سطح ذرات سیلیسیم با افزایش تعداد پاس76شکل 4-22. پروفیل ریزسختی نمونههای یک پاس، سه پاس و پنج پاس77شکل 4-23. میزان کاهش وزن فلز پایه و نمونههای کامپوزیتی با افزایش تعداد پاس در شرایط دمای اتاق، نیروی 25 نیوتن و مسافت لغزش 600 متر78شکل 4-24. تغییرات ضریب اصطکاک در مقابل مسافت لغزش در دمای اتاق، مسافت 600 متر و نیروی 25 نیوتن79شکل 4-25. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین فلز پایه با الف) مقیاس بزرگ و ب) جزئیات بیشتر و همراه با مکانیزمهای چسبان و خراشان79شکل 4-26. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین کامپوزیتی تک پاس. الف) مکانیزم تورق و ب) ترک خوردن ذره نیکل کلوخه شده80شکل 4-27. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح پین نمونه کامپوزیتی سه پاس. الف و ب) وجود خراش و فرورفتگیها در سطح پین و ج) تصویر الکترونی برگشتی شکل (ب) همراه با ذرات اکسید شده با رنگ سیاه81شکل 4-28. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین کامپوزیتی پنج پاس. الف و ب) وجود فرورفتگیهای ایجاد شده در اثر مکانیزم چسبان و تورق در تصاویر و همچنین آثار خراش و ج) چسبیدن و تجمع ذرات اکسیدی سیاه رنگ در شیارها و کندگیهای موجود در تصویر (ب)82شکل 4-29. میزان کاهش وزن فلز پایه و نمونههای کامپوزیتی با افزایش تعداد پاس در شرایط دمای 250 درجه سانتیگراد، نیروی 25 نیوتن و مسافت لغزش 600 متر83شکل 4-30. تغییرات ضریب اصطکاک در مقابل مسافت لغزش در دمای 250 درجه سانتیگراد، نیروی 25 نیوتن و مسافت لغزش 600 متر84شکل 4-31. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین فلز پایه در دمای 250 درجه سانتیگراد. الف) چسبیدن ذرات سایش به سطح پین، ب) سایش خراشان همراه با تغییر شکل پلاستیک اطراف شیارها و تجمع ذرات اکسیدی درون آنها85 شکل 4-32. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین تک پاس در دمای 250 درجه سانتیگراد. الف) مکانیزم تورق، ب) آثار خراشیدگی همراه با تغییر شکل پلاستیک کم و ج) تصویر الکترونی برگشتی (ب) و نشان دهنده خراشهای کم عمق86شکل 4-33. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح نمونه پین سه پاس در دمای 250 درجه سانتیگراد در الف) مقیاس بزرگ و همراه با آثار خراشیدگیهای بسیار کم عمق و ب) مقیاس کوچکتر و نشان دهنده مکانیزم تورق86شکل 4-34. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین پنج پاس در دمای 250 درجه سانتیگراد. الف) مکانیزم تورق و ب) وجود خراشهای بسیار کم عمق87 فهرست جداولجدول 2-1. ترکیب شیمیایی استاندارد آلیاژ A413 بر حسب درصد وزنی6جدول 2-2. مقایسه خواص مکانیکی آلیاژ A413 با برخی از آلیاژهای ریختگی مشابه6جدول 2-3. مکانیزمهای سایش بر اساس فرایندهای سایش24جدول 3-1. ترکیب شیمیایی آلیاژ A413 مورد استفاده بر حسب درصد وزنی40جدول 4-1. نتایج آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی مربوط به شکل 4-149جدول 4-2. نتایج آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی مربوط به شکل 4-2. شکل (ب) ترکیب بین فلزی Al3Ni را نشان میدهد50جدول 4-3. پارامترهای مورد بررسی فرایند اصطکاکی اغتشاشی و سطوح انتخابی آنها55جدول 4-4. جدول طراحی آزمایش به روش تاگوچی56جدول 4-5. نتایج حاصل از اندازهگیری میزان کاهش وزن نمونهها در اثر سایش و محاسبه نسبت سیگنال به نویز57جدول 4-6. نتایج حاصل از اندازهگیری ریزسختی ناحیه اغتشاش یافته و محاسبه نسبت سیگنال به نویز57جدول 4-7. میانگین مقدار اندازهگیری شده کاهش وزن برای سطوح مختلف هر فاکتور و میانگین نسبت سیگنال به نویز آنها58جدول 4-8. میانگین مقدار اندازهگیری شده ریزسختی برای سطوح مختلف هر فاکتور و میانگین نسبت سیگنال به نویز آنها60جدول 4-9. نتایج آنالیز واریانس برای مقادیرکاهش وزن62جدول 4-10. نتایج آنالیز واریانس برای مقادیر ریزسختی62جدول 4-11. تغییرات انرژی آزاد موثر تشکیل ترکیبات بین فلزی آلومینیوم – نیکل70 چکیدهدر پژوهش حاضر، از فرایند اصطکاکی اغتشاشی جهت تلفیق ذرات نیکل در آلیاژ A413 برای ساخت کامپوزیت A413/Ni/Al3Ni استفاده شد. به همین منظور، دو نمونه اولیه با سرعتهای چرخشی 1400 و 2000 دور در دقیقه، سرعت خطی 20 میلیمتر بر دقیقه ایجاد شده و سپس مورد ارزیابیهای ریزساختاری به کمک تصاویر حاصل از میکروسکوپ نوری و الکترونی قرار گرفتند. پس از ارزیابیهای صورت گرفته، محدودههای مناسب سرعت چرخشی 1250-2000 دور بر دقیقه و سرعت خطی 8-80 میلیمتر بر دقیقه تعیین شد. همچنین، زاویه در محدوده 1-3 درجه و تعداد پاس نیز سه انتخاب گردید و طراحی آزمایش صورت پذیرفت.در بخش بعد، به منظور دستیابی به بیشترین ریزسختی و مقاومت به سایش (کمترین میزان کاهش وزن) در دمای اتاق، از بهینه سازی به روش تاگوچی استفاده گردید. نتایج حاصل از بهینه سازی شرایط سرعت چرخشی 2000 دور در دقیقه، سرعت خطی 8 میلیمتر بر دقیقه و زاویه 2 درجه را به عنوان شرایط بهینه برای هر دو مشخصه ریزسختی و کاهش وزن در دمای محیط تعیین نمود. همچنین اثر پاس بر ریزساختار، ریزسختی و مقاومت به سایش نمونهها در دمای اتاق و دمای 250 درجه سانتیگراد مورد بررسی قرار گرفت.برای این منظور، نمونههایی با تعداد پاس یک، سه و پنج، تحت شرایط بهینه ایجاد شدند. جهت ارزیابی ریزساختار این نمونهها، میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی به کار گرفته شد. همچنین برای بررسی تشکیل ترکیب بین فلزی از طیف نگاری تفکیک انرژی استفاده شد. مشاهدات ریزساختاری نشان داد که فرایند اصطکاکی اغتشاشی سبب خردایش ذرات سوزنی شکل سیلیسیم و از بین رفتن دندریتهای αAl شده است. نشان داده شد که سختی و رفتار سایشی آلیاژ A413 به صورت چشمگیری تحت تاثیر این فرایند قرار گرفته است. همچنین، تشکیل ذرات بین فلزی Al3Ni به صورت درجا، به عنوان یک عامل مهم در کنترل مکانیزم سایش بود. آزمونهای سایش نشان داد که با افزایش تعداد پاس، توزیع همگنتری از ذرات Al3Ni حاصل شده و در نتیجه مقاومت به سایش در دمای اتاق و دمای بالا به صورت چشمگیری افزایش یافت. از این رو، مقاومت به سایش نمونه پنج پاس در دمای اتاق بیشتر از دو برابر و در دمای 250 درجه سانتیگراد سه برابر آلیاژ پایه بود.کلمات کلیدی:فرایند اصطکاکی اغتشاشی، آلیاژ آلومینیوم A413، ترکیب بین فلزی Al3Ni، روش تاگوچیفصل اولمقدمه1-1-مقدمهدر سالهای اخیر، استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی[1] به عنوان روشی نوین، جهت توسعه کامپوزیتهای سطحی زمینه فلزی مورد توجه واقع شده است. این فرایند، توسط میشرا[2] و با الگو گیری از جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی[3] که در سال 1991 ابداع شد، توسعه یافته است. در این فرایند، در اثر حرارت تولید شده بر اثر اصطکاک، ماده اطراف پین و زیر شانه[4]، بدون آنکه به دمای ذوب خود برسد، نرم میشود. از این رو، امکان سیلان ماده اطراف پین فراهم گشته و پین میتواند در جهت خاصی حرکت نماید. بسته به ارتفاع پین، میتوان از سطح تا عمق مشخصی از ماده را به صورت کامپوزیت زمینه فلزی درآورد. افزایش دما و تغییر شکل پلاستیک شدیدی که در حین این فرایند صورت میپذیرد، سبب تبلور مجدد و اصلاح ریزساختار میگردد. به همین جهت، در سالهای اخیر مطالعات بسیاری در زمینه بهبود ریزساختار آلیاژهای مختلف به ویژه آلیاژهای آلومینیوم با استفاده از این روش صورت پذیرفته است.اخیرا استفاده از آلیاژهای ریختگی آلومینیوم – سیلیسیم، به علت دارا بودن خواص مطلوبی نظیر مقاومت به خوردگی بالا، قابلیت ریختگی مناسب، چگالی پایین، جوش پذیری بالا، ضریب انبساط حرارتی کم و پایداری ابعادی، در صنایع دریایی و خودرو سازی گسترش فراوانی یافته است. در میان این آلیاژها، آلیاژ A413، به صورت گستردهای در ساخت قطعات موتور خودرو نظیر میلههای اتصال، پیستون، روتور، کاسه ترمز، بوش سیلندر و محفظهها مورد استفاده قرار گرفته است. ریزساختار آلیاژ A413 که دارای حفرات، ذرات سیلیسیم سوزنی شکل و دندریتها است، میتواند خواص مکانیکی و سایشی این آلیاژ را تضعیف نماید. به همین دلیل، در صنایع مهمتر نظیر هوا-فضا کاربرد این آلیاژ با محدودیت مواجه شده است. اخیرا در صنایع خودروسازی ، به منظور بالا بردن عمر مفید قطعات و نیز کیفیت بالاتر آنها، تلاشهایی به منظور بهبود ریزساختار و خواص این آلیاژ صورت پذیرفته است. یکی از خواصی که در کاربردهای مذکور حائز اهمیت فراوان است، مقاومت به سایش است. یکی از روشهای بهبود خواص سایشی این آلیاژ، تولید و بهکارگیری کامپوزیت حاصل از این آلیاژ به جای استفاده از خود آلیاژ در این صنایع است. استفاده از ذرات بین فلزی به عنوان تقویت کننده نسبت به سایر ذرات تقویت کننده دارای مزایایی از جمله هزینه کمتر است. به علاوه ذرات بین فلزی، استحکام و مقاومت به سایش را افزایش داده و میتوانند ضریب انبساط حرارتی را کاهش دهد.تاکنون، پژوهشهای صورت گرفته جهت تولید این کامپوزیتها، غالبا مبتنی بر استفاده از روشهای ذوبی بوده است. نکته قابل ذکر در مورد کامپوزیت سازی با روشهای ذوبی این است که از آنجایی که این فرایندها در دمای بالا و در فاز مایع صورت میگیرند، در طی انجام این فرایندها، واکنشهایی صورت میپذیرد که منجر به تشکیل فازهای ترد و شکننده میشود. نکته دیگر اینکه حصول ریزساختار منجمد شده مطلوب، مستلزم انتخاب دقیق و کنترل شدید پارامترها میباشد. به علاوه در برخی از کاربردها، نیاز به کامپوزیت سازی تمام قطعه نیست و فقط سطوح قطعه حائز اهمیت است. از این رو استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی به عنوان یک فرایند حالت جامد، علاوه بر حل مشکلات فوق، امکان ایجاد کامپوزیتهای سطحی زمینه فلزی و کاهش چشمگیر هزینهها را نیز فراهم میکند. برخی از محققان کامپوزیتهای تقویت شده با ترکیبات بین فلزی را به صورت درجا[5] با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی ایجاد نمودهاند. در این روش ذرات تقویت کننده بین فلزی توسط واکنشهای بین فلزی حالت جامد تولید میگردند. باید توجه داشت که استفاده از این روش وابسته به دیاگرام فازی مربوطه و توانایی آن جهت تشکیل ترکیبات بین فلزی دارد.علیرغم تحقیقات صورت پذیرفته جهت ایجاد کامپوزیتهای تقویت شده با ذرات بین فلزی مختلف، گزارشهای کمی راجع به ساخت کامپوزیتهای سطحی تقویت شده با ذرات بین فلزی Al3Niو به صورت درجا با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی و همچنین ارزیابی رفتار سایشی این کامپوزیت وجود دارد. هدف از انجام پژوهش حاضر، ساخت A413/Ni/Al3Ni و بررسی اثر فرایند اصطکاکی اغتشاشی بر خصوصیات ریزساختاری، ریزسختی و رفتار سایشی این کامپوزیت سطحی در دمای اتاق و بالا است. فصل دوممروری بر منابع2-1-معرفی و تاریخچهدر دهه اول قرن نوزدهم، وجود آلومینیوم توسط همفری دیوی[6] مطرح گردید و در سال 1825 توسط کریستین اورستد[7] خالص سازی آن آغاز شد. این فلز تا سال 1886 که استخراج آلومینیوم از کانیهایش به صورت یک فرایند قابل اجرای صنعتی مطرح گردید، به صورت کمیاب و در مقیاس آزمایشگاهی وجود داشت. به علت طبیعت واکنشپذیر آلومینیوم، این فلز در طبیعت به صورت فلزی یافت نمیشود اما در پوسته زمین همراه با ترکیبات مختلف است [1]. آنچه باعث شده تا این فلز مورد توجه فراوانی قرار گیرد، جمع شدن خواص مختلف و البته بسیار کاربردی در آن است. خواص آلومینیوم بهگونهای است که میتوان گفت هیچ فلز یا خانوادهای از فلزات، یک چنین ترکیبی از خواص را دارا نمیباشد. خواص ویژهای همچون وزن مخصوص کم، هدایت الکتریکی بالا، هدایت حرارتی بالا، قابلیتهای انعکاس، مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت شکل پذیری، افزایش استحکام در دمای پایین، نسبت استحکام به وزن بالا سبب شده این فلز کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف پیدا کند [2].2-2-طبقهبندی آلیاژهای آلومینیومآلیاژهای کارپذیر با استفاده از فرایندهای شکلدهی (به حالتهای سرد وگرم) تولید میشوند، در حالیکه فرایند اصلیدر تولید آلیاژهای ریختگی، ذوب و ریختگی میباشد. آلیاژهای کارپذیر از نقطه نظر ترکیب شیمیایی و ساختار میکروسکوپی، با آلیاژهای ریختگی کاملا تفاوت دارند. طبقهبندی کلی آلیاژهای آلومینیوم در شکل 2-1 نشان داده شده است [3].شکل 2-1. طبقهبندی کلی آلیاژهای آلومینیوم[3].به طور متوسط حدود 85 درصد آلومینیوم تولید شده در ساخت محصولات کارپذیر مانند صفحات نورد شده، ورق، فویل و قطعات اکسترود شده به کار میرود. این محصولات از شمشهای ریختگی تولید شده که ساختار آنها متاثر از عملیات مکانیکی و حرارتی است[3].2-3-معرفی آلیاژ A413آلیاژ ریختگی آلومینیوم A413 در طبقه آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر و یوتکتیک آلومینیوم-سیلیسیم قرار میگیرد [4]. به دلیل خواص مطلوبی نظیر مقاومت به خوردگی بالا، قابلیت ریختگی مناسب، چگالی پایین، جوش پذیری بالا، ضریب انبساط حرارتی کم و پایداری ابعادی ، کاربرد این آلیاژ در صنایع دریایی و به ویژه اتومبیل سازی در حال گسترش است. در سالهای اخیر از آلیاژ A413، به صورت گستردهای در ساخت قطعات موتور خودرو نظیر میلههای اتصال، پیستون، روتور، کاسه ترمز، بوش سیلندر و محفظهها بهره گرفته شده است [4 و 5]. ساختار ریختگی این آلیاژ همراه با تخلخل، فازهای درشت سوزنی شکل سیلیسیم و دندریتهای درشت اولیه است. این ریزساختار، خصوصیات مکانیکی این آلیاژ نظیر انعطافپذیری، چقرمگی، مقاومت در برابر سایش و خستگی را محدود میکند. بنابراین اصلاح ریزساختار این آلیاژ در کاربردهایی که نیاز به انعطافپذیری و مقاومت به سایش بالا دارد، ضروری است [5]. ترکیب شیمیایی این آلیاژ در جدول 2-1 نشان داده شده است.
ساخت کامپوزیت Al413/Ni/Al3Ni با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی و مشخصه یابی آن word
فهرست مطالبفهرست مطالب هشتفهرست اشکال یازدهفهرست جداول شانزدهچکیده1فصل اول: مقدمه1-1-مقدمه2فصل دوم: مروری بر منابع2-1-معرفی و تاریخچه42-2-طبقهبندی آلیاژهای آلومینیوم42-3-معرفی آلیاژ A41352-4-فرایند اصطکاکی اغتشاشی62-5-تحولات ریزساختاری در اثر انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی82-5-1-ناحیه اغتشاش یافته82-5-2-ناحیه متاثر از عملیات ترمومکانیکی92-5-3-ناحیه ی متاثر از حرارت92-6-پارامترهای فرایند اصطکاکی اغتشاشی102-6-1-هندسه ابزار102-6-2-سرعت چرخشی و سرعت خطی112-7-استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی جهت اصلاح ریزساختار آلیاژهای ریختگی آلومینیوم122-8-ساخت کامپوزیتهای سطحی زمینه فلزی و روشهای ایجاد آن با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی152-8-1-روش دوغابی162-8-2-روش شیار باریک172-8-3-پاشش حرارتی172-9-تحقیقات انجام شده در زمینه ساخت کامپوزیت سطحی با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی18 2-10-سایش، انواع و مکانیزمهای آن242-10-1-سایش خراشان242-10-2-سایش چسبان272-10-3-سایش ورقهای282-10-4-منحنی مشخصه سایش292-11-تاثیر فرایند اصطکاکی اغتشاشی بر خواص و رفتار سایشی آلیاژهای آلومینیوم312-12-ارزیابی رفتار سایشی کامپوزیتهای ایجاد شده توسط فرایند اصطکاکی اغتشاشی342-13-بهینه سازی به روش تاگوچی372-14-جمع بندی مرور مطالعاتی و هدف تحقیق حاضر38فصل سوم: مواد، آزمایشها و روش انجام تحقیق3-1-مقدمه403-2-مواد اولیه مورد نیاز403-3-آماده سازی نمونهها423-4-تجهیزات مربوط به فرایند اصطکاکی اغتشاشی423-5-روندنمای انجام تحقیق433-6-اجرای فرایند اصطکاکی اغتشاشی443-7-بهینه سازی با استفاده از روش تاگوچی453-8-ارزیابی ریزساختار453-9-محاسبه کسر سطحی ذرات تقویت کننده453-10-آزمون پراش پرتو ایکس463-11-آزمون سختی463-12-آزمون سایش46فصل چهارم:نتایج وبحث4-1-انتخاب پارامترهای مناسب جهت انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی484-2-بهینه سازی به روش تاگوچی554-2-1-طراحی آزمایش به روش تاگوچی55 4-2-2-آنالیز آماری564-2-3-آنالیز واریانس614-3-مشخصهیابی نمونه بهینه634-4-تشکیل ترکیبات بین فلزی از دید ترمودینامیک و بررسی سینتیک آن684-5-بررسی اثر افزایش تعداد پاس704-5-1-اثر افزایش پاس بر ریزساختار704-5-2-اثر افزایش پاس بر ریزسختی764-6-بررسی رفتار سایشی آلیاژ A413 و کامپوزیت A413/Ni/Al3Ni774-6-1-سایش دما پایین774-6-2-سایش دما بالا82فصل پنجم: نتیجه گیریو پیشنهادات5-1-نتایج کلی885-2-پیشنهادات جهت ادامه این پژوهش89مراجع90پیوست 196 فهرست اشکالشکل 2-1. طبقهبندی کلی آلیاژهای آلومینیوم5شکل 2-2. نمایی از جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی7شکل 2-3. نواحی مختلف ریزساختاری در آلیاژ آلومینیوم اصطکاکی اغتشاشی شده 70758شکل 2-4. ریزساختارناحیهمتاثرازعملیاتترمومکانیکیدرآلیاژآلومینیوم70759شکل 2-5. انواع مختلف پروفیلهای ابزار فرایند اصطکاکی اغتشاشی10شکل 2-6. تاثیرهندسهپینبرسختیناحیهاغتشاش یافته11شکل2-7. اندازه دانه ناحیه اغتشاش یافته در آلیاژ آلومینیوم 7075 با پارامترهای فرایند مختلف12شکل 2-8 . ریزساختار ریختگی آلیاژ A356، الف) ساختار دندریتی و ب) توزیع بین دندریتی ذرات سیلیسیم13شکل 2-9. تصویر میکروسکوپی نوری نشان دهنده شکل و توزیع ذرات سیلیسیم در آلیاژ A356 پس از انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی14شکل 2-10. تصویر میکروسکوپی الکترونی از مرکز ناحیه اغتشاش یافته نمونههای الف) تک پاس، ب) دو پاس و ج) سه پاس فرایند شده با سرعت چرخشی 1500 دور در دقیقه و سرعت خطی 16 میلیمتر بر دقیقه15شکل 2-11. نمایی از روش شیاری18شکل 2-12. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از کامپوزیت سطحی Al/SiC ، الف) بدون اچ و ب) با اچ و بزرگنمایی بیشتر18شکل 2-13. توزیع سختی نمونه اصطکاکی اغتشاشی شده A356 با و بدون ذرات SiC19شکل 2-14. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از الف) توزیع ذرات نیکل در ناحیه اغتشاشی و ب) فصل مشترک بین زمینه و ذره19شکل 2-15. الف) تصویر پراش الکترونی برگشتی از ناحیه اغتشاش یافته و ب) توزیع زوایای عدم تطابق20شکل 2-16. الف) نقشه مرزهای دانه در زمینه، ب) مرزهای با جهتگیری مخلوط و ج) مرزهای مخلوط با تطابق کم و بزرگ زاویه20شکل 2-17. الگوی پراش پرتو ایکس کامپوزیت آلومینیوم-نیکل21شکل 2-18. پروفیل ریزسختی ناحیه اغتشاش یافته کامپوزیت آلومینیوم-نیکل21شکل 2-19. دیاگرام فازی آلومینیوم-نیکل23شکل 2-20. پروفیل ریزسختی ناحیه اغتشاش یافته ورق آلومینیومی 110023شکل 2-21. نمونهای از سایش خراشان25شکل 2-22. سایش خراشان الف) دو جسمی و ب) سه جسمی25شکل 2-23. اثرنسبتسختیفلزبهمادهسایندهبرمقاومت به سایش26 شکل 2-24. مکانیزمهایسایشخراشان27شکل 2-25. مکانیزمهایمختلفگسیختگیاتصالاتسطحیوسایشچسبان28شکل 2-26. الگویی از یک منحنی سایش نمونه30شکل 2-27. انواع مختلف منحنی مشخصه سایش30شکل 2-28. تغییرات کاهش وزن در مقابل مسافت لغزش آلیاژ A356 فرایند شده با پارامترهای مختلف و آلیاژ A356 فرایند نشده32شکل 2-29. تغییرات نرخ سایش در مقابل مسافت لغزش32شکل 2-30. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از اثرات سایش آلیاژ اصطکاکی اغتشاشی شده A356 در الف) 500 ، ب) 800، ج) 1000 و د) 1250دور بر دقیقه.33شکل 2-31. نمودار کاهش وزن نمونههای آلیاژ A356 فرایند شده و کامپوزیتی35شکل 2-32. نمودار تغییرات ضریب اصطکاک نمونههای آلیاژ A356 فرایند شده و کامپوزیتی35شکل 2-33. تصویر میکروسکوپی الکترونی از الف) سطح ساییده شده و ب) زیر سطح کامپوزیت A356/SiCp36شکل 2-34. تصویر میکروسکوپی الکترونی از الف) سطح ساییده شده و ب) زیر سطح کامپوزیت A356/SiCp/MoS236شکل 2-35. تغییرات نرخ سایش کامپوزیتهای الف) A390/Al2O3 و ب) A390/Gr با افزایش سرعت چرخش ابزار37شکل 2-36. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از سطوح سایش، الف و ب) کامپوزیت سطحی A390/Al2O3 به ترتیب فرایند شده در 1200 (الف) و 1800 (ب) دور در دقیقه، و ج و د) کامپوزیت سطحی A390/Gr به ترتیب فرایند شده در 1200 (ج) و 1800 (د) با سرعت خطی 20 میلیمتر بر دقیقه38شکل 3-1. الگوی پراش پرتو ایکس آلیاژ آلومینیوم ریختگی A41341شکل 3-2. تصویر میکروسکوپی الکترونی از ذرات نیکل41شکل 3-3. الگوی پراش اشعه ایکس پودر نیکل41شکل 3-4. تصویر نمونه اولیه آماده شده و شیار روی آن42شکل 3-5. شماتیک ابزارهای به کار برده شده جهت انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی و ابعاد آنها43شکل 3-6. روندنمای انجام پروژه43شکل 3-7. تصویری از یک نمونه تحت فرایند قرار گرفته با سرعت چرخشی 2000 دور در دقیقه، سرعت خطی 8 میلیمتر بر دقیقه و زاویه 3 درجه44شکل 3-8. نمایی از دستگاه سایش پین بر روی دیسک دمای محیط.47شکل 3-9. نمایی از دستگاه سایش پین بر روی دیسک دمای بالا47 شکل 4-1. آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی از ذرات مورد نظر در نمونههای کامپوزیتی ایجاد شده با شرایط الف) سرعت چرخشی 1400 دور بر دقیقه و سرعت خطی 20 میلیمتر بر دقیقه و ب) سرعت چرخشی 2000 دور بر دقیقه و سرعت خطی 20 میلیمتر بر دقیقه. (ج) و (د) به ترتیب پیکهای مربوط به شکلهای (الف) و (ب) میباشند.49شکل 4-2. آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی از ذرات مورد نظر در نمونههای کامپوزیتی ایجاد شده با شرایط الف) سرعت چرخشی 1400 دور بر دقیقه و سرعت خطی 20 میلیمتر بر دقیقه و ب) سرعت چرخشی 2000 دور بر دقیقه و سرعت خطی 20 میلیمتر بر دقیقه. (ج) و (د) به ترتیب پیکهای مربوط به شکلهای (الف) و (ب) میباشند50شکل 4-3. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از ذرات نیکل در نمونههای تولید شده با پارامترهای الف) 1400 دور در دقیقه و 20 میلیمتر بر دقیقه و ب) 2000 دور در دقیقه و 20 میلیمتر بر دقیقه51شکل 4-4. الگوی پراش پرتو ایکس نمونههای ایجاد شده با الف) 1400 دور در دقیقه و 20 میلیمتر بر دقیقه و ب) 2000 دور در دقیقه و 20 میلیمتر بر دقیقه52شکل 4-5. الف و ب) تصویر میکروسکوپی نوری و الکترونی از ریزساختار فلز پایه، ج و د) نمونه کامپوزیتی ایجاد شده با شرایط 1400 دور در دقیقه و 20 میلیمتر بر دقیقه همراه با وجود حفره، ه و و) نمونه کامپوزیتی ایجاد شده با شرایط 2000 دور در دقیقه و 20 میلیمتر بر دقیقه54شکل 4-6. نمودار میانگین نسبت سیگنال به نویز برای کاهش وزن در مقابل تغییرات هر پارامتر بر اساس معیار هر چه کمتر بهتر59شکل 4-7. نمودار میانگین نسبت سیگنال به نویز برای ریزسختی در برابر تغییرات هر پارامتر بر اساس معیار هر چه بیشتر بهتر60شکل 4-8. میزان درصد مشارکت هر پارامتر برای مقادیر الف) ریزسختی و ب) کاهش وزن60شکل 4-9. تصویر ماکروسکوپی از نمونه ایجاد شده با شرایط بهینه64شکل 4-10. الف) ریزساختار فلز پایه همراه با وجود دندریتها، ب) ریزساختار فلز پایه در مقیاس کوچکتر برای نمایش ذرات سوزنی سیلیسیم و حفرات و ج) ریزساختار نمونه بهینه.65شکل 4-11. ریزساختار ناحیه متاثر از عملیات ترمومکانیکی در مرز ناحیه اغتشاش یافته نمونه بهینه با زمینه در سمت پیشران66شکل 4-12. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از ناحیه اغتشاش یافته نمونه بهینه. الف) ترکیب بین فلزی Al3Ni به صورت لایههای خاکستری رنگ اطراف ذرههای سفید رنگ (ذرات نیکل) و ب) ذرات ریز خاکستری رنگ توزیع شده در زمینه (ذرات Al3Ni)67شکل 4-13. آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی از فصل مشترک ذره نیکل با زمینه و نتایج آن67شکل 4-14. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از توزیع ذرات تقویت کننده در ناحیه اغتشاش یافته نمونههای الف) تک پاس همراه با کلوخهای شدن شدید ذرات نیکل، ب) سه پاس و ج) پنج پاس71شکل 4-15. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از ریزساختار ناحیه اغتشاش یافته الف) نمونه یک پاس و ب) نمونه پنج پاس72 شکل 4-16. الگوی پراش پرتو ایکس نمونههای یک پاس، سه پاس و پنج پاس.73شکل 4-17. نمونهای از تصویر مورد استفاده برای نرم افزار clemex و محاسبه نسبت بزرگترین به کوچکترین طول و میزان کروی شدن ذرات سیلیسیم درآن74شکل 4-18. تصویر میکروسکوپی نوری از ریزساختار نمونههای الف) تک پاس، ب) سه پاس و ج) پنج پاس75شکل 4-19. تغییرات نسبت بیشترین به کمترین طول با افزایش تعداد پاس75شکل 4-20. تغییرات میزان کروی شدن ذرات سیلیسیم با افزایش تعداد پاس76شکل 4-21. تغییرات سطح ذرات سیلیسیم با افزایش تعداد پاس76شکل 4-22. پروفیل ریزسختی نمونههای یک پاس، سه پاس و پنج پاس77شکل 4-23. میزان کاهش وزن فلز پایه و نمونههای کامپوزیتی با افزایش تعداد پاس در شرایط دمای اتاق، نیروی 25 نیوتن و مسافت لغزش 600 متر78شکل 4-24. تغییرات ضریب اصطکاک در مقابل مسافت لغزش در دمای اتاق، مسافت 600 متر و نیروی 25 نیوتن79شکل 4-25. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین فلز پایه با الف) مقیاس بزرگ و ب) جزئیات بیشتر و همراه با مکانیزمهای چسبان و خراشان79شکل 4-26. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین کامپوزیتی تک پاس. الف) مکانیزم تورق و ب) ترک خوردن ذره نیکل کلوخه شده80شکل 4-27. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح پین نمونه کامپوزیتی سه پاس. الف و ب) وجود خراش و فرورفتگیها در سطح پین و ج) تصویر الکترونی برگشتی شکل (ب) همراه با ذرات اکسید شده با رنگ سیاه81شکل 4-28. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین کامپوزیتی پنج پاس. الف و ب) وجود فرورفتگیهای ایجاد شده در اثر مکانیزم چسبان و تورق در تصاویر و همچنین آثار خراش و ج) چسبیدن و تجمع ذرات اکسیدی سیاه رنگ در شیارها و کندگیهای موجود در تصویر (ب)82شکل 4-29. میزان کاهش وزن فلز پایه و نمونههای کامپوزیتی با افزایش تعداد پاس در شرایط دمای 250 درجه سانتیگراد، نیروی 25 نیوتن و مسافت لغزش 600 متر83شکل 4-30. تغییرات ضریب اصطکاک در مقابل مسافت لغزش در دمای 250 درجه سانتیگراد، نیروی 25 نیوتن و مسافت لغزش 600 متر84شکل 4-31. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین فلز پایه در دمای 250 درجه سانتیگراد. الف) چسبیدن ذرات سایش به سطح پین، ب) سایش خراشان همراه با تغییر شکل پلاستیک اطراف شیارها و تجمع ذرات اکسیدی درون آنها85 شکل 4-32. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین تک پاس در دمای 250 درجه سانتیگراد. الف) مکانیزم تورق، ب) آثار خراشیدگی همراه با تغییر شکل پلاستیک کم و ج) تصویر الکترونی برگشتی (ب) و نشان دهنده خراشهای کم عمق86شکل 4-33. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح نمونه پین سه پاس در دمای 250 درجه سانتیگراد در الف) مقیاس بزرگ و همراه با آثار خراشیدگیهای بسیار کم عمق و ب) مقیاس کوچکتر و نشان دهنده مکانیزم تورق86شکل 4-34. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از سطح ساییده شده نمونه پین پنج پاس در دمای 250 درجه سانتیگراد. الف) مکانیزم تورق و ب) وجود خراشهای بسیار کم عمق87 فهرست جداولجدول 2-1. ترکیب شیمیایی استاندارد آلیاژ A413 بر حسب درصد وزنی6جدول 2-2. مقایسه خواص مکانیکی آلیاژ A413 با برخی از آلیاژهای ریختگی مشابه6جدول 2-3. مکانیزمهای سایش بر اساس فرایندهای سایش24جدول 3-1. ترکیب شیمیایی آلیاژ A413 مورد استفاده بر حسب درصد وزنی40جدول 4-1. نتایج آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی مربوط به شکل 4-149جدول 4-2. نتایج آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی مربوط به شکل 4-2. شکل (ب) ترکیب بین فلزی Al3Ni را نشان میدهد50جدول 4-3. پارامترهای مورد بررسی فرایند اصطکاکی اغتشاشی و سطوح انتخابی آنها55جدول 4-4. جدول طراحی آزمایش به روش تاگوچی56جدول 4-5. نتایج حاصل از اندازهگیری میزان کاهش وزن نمونهها در اثر سایش و محاسبه نسبت سیگنال به نویز57جدول 4-6. نتایج حاصل از اندازهگیری ریزسختی ناحیه اغتشاش یافته و محاسبه نسبت سیگنال به نویز57جدول 4-7. میانگین مقدار اندازهگیری شده کاهش وزن برای سطوح مختلف هر فاکتور و میانگین نسبت سیگنال به نویز آنها58جدول 4-8. میانگین مقدار اندازهگیری شده ریزسختی برای سطوح مختلف هر فاکتور و میانگین نسبت سیگنال به نویز آنها60جدول 4-9. نتایج آنالیز واریانس برای مقادیرکاهش وزن62جدول 4-10. نتایج آنالیز واریانس برای مقادیر ریزسختی62جدول 4-11. تغییرات انرژی آزاد موثر تشکیل ترکیبات بین فلزی آلومینیوم – نیکل70 چکیدهدر پژوهش حاضر، از فرایند اصطکاکی اغتشاشی جهت تلفیق ذرات نیکل در آلیاژ A413 برای ساخت کامپوزیت A413/Ni/Al3Ni استفاده شد. به همین منظور، دو نمونه اولیه با سرعتهای چرخشی 1400 و 2000 دور در دقیقه، سرعت خطی 20 میلیمتر بر دقیقه ایجاد شده و سپس مورد ارزیابیهای ریزساختاری به کمک تصاویر حاصل از میکروسکوپ نوری و الکترونی قرار گرفتند. پس از ارزیابیهای صورت گرفته، محدودههای مناسب سرعت چرخشی 1250-2000 دور بر دقیقه و سرعت خطی 8-80 میلیمتر بر دقیقه تعیین شد. همچنین، زاویه در محدوده 1-3 درجه و تعداد پاس نیز سه انتخاب گردید و طراحی آزمایش صورت پذیرفت.در بخش بعد، به منظور دستیابی به بیشترین ریزسختی و مقاومت به سایش (کمترین میزان کاهش وزن) در دمای اتاق، از بهینه سازی به روش تاگوچی استفاده گردید. نتایج حاصل از بهینه سازی شرایط سرعت چرخشی 2000 دور در دقیقه، سرعت خطی 8 میلیمتر بر دقیقه و زاویه 2 درجه را به عنوان شرایط بهینه برای هر دو مشخصه ریزسختی و کاهش وزن در دمای محیط تعیین نمود. همچنین اثر پاس بر ریزساختار، ریزسختی و مقاومت به سایش نمونهها در دمای اتاق و دمای 250 درجه سانتیگراد مورد بررسی قرار گرفت.برای این منظور، نمونههایی با تعداد پاس یک، سه و پنج، تحت شرایط بهینه ایجاد شدند. جهت ارزیابی ریزساختار این نمونهها، میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی به کار گرفته شد. همچنین برای بررسی تشکیل ترکیب بین فلزی از طیف نگاری تفکیک انرژی استفاده شد. مشاهدات ریزساختاری نشان داد که فرایند اصطکاکی اغتشاشی سبب خردایش ذرات سوزنی شکل سیلیسیم و از بین رفتن دندریتهای αAl شده است. نشان داده شد که سختی و رفتار سایشی آلیاژ A413 به صورت چشمگیری تحت تاثیر این فرایند قرار گرفته است. همچنین، تشکیل ذرات بین فلزی Al3Ni به صورت درجا، به عنوان یک عامل مهم در کنترل مکانیزم سایش بود. آزمونهای سایش نشان داد که با افزایش تعداد پاس، توزیع همگنتری از ذرات Al3Ni حاصل شده و در نتیجه مقاومت به سایش در دمای اتاق و دمای بالا به صورت چشمگیری افزایش یافت. از این رو، مقاومت به سایش نمونه پنج پاس در دمای اتاق بیشتر از دو برابر و در دمای 250 درجه سانتیگراد سه برابر آلیاژ پایه بود.کلمات کلیدی:فرایند اصطکاکی اغتشاشی، آلیاژ آلومینیوم A413، ترکیب بین فلزی Al3Ni، روش تاگوچیفصل اولمقدمه1-1-مقدمهدر سالهای اخیر، استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی[1] به عنوان روشی نوین، جهت توسعه کامپوزیتهای سطحی زمینه فلزی مورد توجه واقع شده است. این فرایند، توسط میشرا[2] و با الگو گیری از جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی[3] که در سال 1991 ابداع شد، توسعه یافته است. در این فرایند، در اثر حرارت تولید شده بر اثر اصطکاک، ماده اطراف پین و زیر شانه[4]، بدون آنکه به دمای ذوب خود برسد، نرم میشود. از این رو، امکان سیلان ماده اطراف پین فراهم گشته و پین میتواند در جهت خاصی حرکت نماید. بسته به ارتفاع پین، میتوان از سطح تا عمق مشخصی از ماده را به صورت کامپوزیت زمینه فلزی درآورد. افزایش دما و تغییر شکل پلاستیک شدیدی که در حین این فرایند صورت میپذیرد، سبب تبلور مجدد و اصلاح ریزساختار میگردد. به همین جهت، در سالهای اخیر مطالعات بسیاری در زمینه بهبود ریزساختار آلیاژهای مختلف به ویژه آلیاژهای آلومینیوم با استفاده از این روش صورت پذیرفته است.اخیرا استفاده از آلیاژهای ریختگی آلومینیوم – سیلیسیم، به علت دارا بودن خواص مطلوبی نظیر مقاومت به خوردگی بالا، قابلیت ریختگی مناسب، چگالی پایین، جوش پذیری بالا، ضریب انبساط حرارتی کم و پایداری ابعادی، در صنایع دریایی و خودرو سازی گسترش فراوانی یافته است. در میان این آلیاژها، آلیاژ A413، به صورت گستردهای در ساخت قطعات موتور خودرو نظیر میلههای اتصال، پیستون، روتور، کاسه ترمز، بوش سیلندر و محفظهها مورد استفاده قرار گرفته است. ریزساختار آلیاژ A413 که دارای حفرات، ذرات سیلیسیم سوزنی شکل و دندریتها است، میتواند خواص مکانیکی و سایشی این آلیاژ را تضعیف نماید. به همین دلیل، در صنایع مهمتر نظیر هوا-فضا کاربرد این آلیاژ با محدودیت مواجه شده است. اخیرا در صنایع خودروسازی ، به منظور بالا بردن عمر مفید قطعات و نیز کیفیت بالاتر آنها، تلاشهایی به منظور بهبود ریزساختار و خواص این آلیاژ صورت پذیرفته است. یکی از خواصی که در کاربردهای مذکور حائز اهمیت فراوان است، مقاومت به سایش است. یکی از روشهای بهبود خواص سایشی این آلیاژ، تولید و بهکارگیری کامپوزیت حاصل از این آلیاژ به جای استفاده از خود آلیاژ در این صنایع است. استفاده از ذرات بین فلزی به عنوان تقویت کننده نسبت به سایر ذرات تقویت کننده دارای مزایایی از جمله هزینه کمتر است. به علاوه ذرات بین فلزی، استحکام و مقاومت به سایش را افزایش داده و میتوانند ضریب انبساط حرارتی را کاهش دهد.تاکنون، پژوهشهای صورت گرفته جهت تولید این کامپوزیتها، غالبا مبتنی بر استفاده از روشهای ذوبی بوده است. نکته قابل ذکر در مورد کامپوزیت سازی با روشهای ذوبی این است که از آنجایی که این فرایندها در دمای بالا و در فاز مایع صورت میگیرند، در طی انجام این فرایندها، واکنشهایی صورت میپذیرد که منجر به تشکیل فازهای ترد و شکننده میشود. نکته دیگر اینکه حصول ریزساختار منجمد شده مطلوب، مستلزم انتخاب دقیق و کنترل شدید پارامترها میباشد. به علاوه در برخی از کاربردها، نیاز به کامپوزیت سازی تمام قطعه نیست و فقط سطوح قطعه حائز اهمیت است. از این رو استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی به عنوان یک فرایند حالت جامد، علاوه بر حل مشکلات فوق، امکان ایجاد کامپوزیتهای سطحی زمینه فلزی و کاهش چشمگیر هزینهها را نیز فراهم میکند. برخی از محققان کامپوزیتهای تقویت شده با ترکیبات بین فلزی را به صورت درجا[5] با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی ایجاد نمودهاند. در این روش ذرات تقویت کننده بین فلزی توسط واکنشهای بین فلزی حالت جامد تولید میگردند. باید توجه داشت که استفاده از این روش وابسته به دیاگرام فازی مربوطه و توانایی آن جهت تشکیل ترکیبات بین فلزی دارد.علیرغم تحقیقات صورت پذیرفته جهت ایجاد کامپوزیتهای تقویت شده با ذرات بین فلزی مختلف، گزارشهای کمی راجع به ساخت کامپوزیتهای سطحی تقویت شده با ذرات بین فلزی Al3Niو به صورت درجا با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی و همچنین ارزیابی رفتار سایشی این کامپوزیت وجود دارد. هدف از انجام پژوهش حاضر، ساخت A413/Ni/Al3Ni و بررسی اثر فرایند اصطکاکی اغتشاشی بر خصوصیات ریزساختاری، ریزسختی و رفتار سایشی این کامپوزیت سطحی در دمای اتاق و بالا است. فصل دوممروری بر منابع2-1-معرفی و تاریخچهدر دهه اول قرن نوزدهم، وجود آلومینیوم توسط همفری دیوی[6] مطرح گردید و در سال 1825 توسط کریستین اورستد[7] خالص سازی آن آغاز شد. این فلز تا سال 1886 که استخراج آلومینیوم از کانیهایش به صورت یک فرایند قابل اجرای صنعتی مطرح گردید، به صورت کمیاب و در مقیاس آزمایشگاهی وجود داشت. به علت طبیعت واکنشپذیر آلومینیوم، این فلز در طبیعت به صورت فلزی یافت نمیشود اما در پوسته زمین همراه با ترکیبات مختلف است [1]. آنچه باعث شده تا این فلز مورد توجه فراوانی قرار گیرد، جمع شدن خواص مختلف و البته بسیار کاربردی در آن است. خواص آلومینیوم بهگونهای است که میتوان گفت هیچ فلز یا خانوادهای از فلزات، یک چنین ترکیبی از خواص را دارا نمیباشد. خواص ویژهای همچون وزن مخصوص کم، هدایت الکتریکی بالا، هدایت حرارتی بالا، قابلیتهای انعکاس، مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت شکل پذیری، افزایش استحکام در دمای پایین، نسبت استحکام به وزن بالا سبب شده این فلز کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف پیدا کند [2].2-2-طبقهبندی آلیاژهای آلومینیومآلیاژهای کارپذیر با استفاده از فرایندهای شکلدهی (به حالتهای سرد وگرم) تولید میشوند، در حالیکه فرایند اصلیدر تولید آلیاژهای ریختگی، ذوب و ریختگی میباشد. آلیاژهای کارپذیر از نقطه نظر ترکیب شیمیایی و ساختار میکروسکوپی، با آلیاژهای ریختگی کاملا تفاوت دارند. طبقهبندی کلی آلیاژهای آلومینیوم در شکل 2-1 نشان داده شده است [3].شکل 2-1. طبقهبندی کلی آلیاژهای آلومینیوم[3].به طور متوسط حدود 85 درصد آلومینیوم تولید شده در ساخت محصولات کارپذیر مانند صفحات نورد شده، ورق، فویل و قطعات اکسترود شده به کار میرود. این محصولات از شمشهای ریختگی تولید شده که ساختار آنها متاثر از عملیات مکانیکی و حرارتی است[3].2-3-معرفی آلیاژ A413آلیاژ ریختگی آلومینیوم A413 در طبقه آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر و یوتکتیک آلومینیوم-سیلیسیم قرار میگیرد [4]. به دلیل خواص مطلوبی نظیر مقاومت به خوردگی بالا، قابلیت ریختگی مناسب، چگالی پایین، جوش پذیری بالا، ضریب انبساط حرارتی کم و پایداری ابعادی ، کاربرد این آلیاژ در صنایع دریایی و به ویژه اتومبیل سازی در حال گسترش است. در سالهای اخیر از آلیاژ A413، به صورت گستردهای در ساخت قطعات موتور خودرو نظیر میلههای اتصال، پیستون، روتور، کاسه ترمز، بوش سیلندر و محفظهها بهره گرفته شده است [4 و 5]. ساختار ریختگی این آلیاژ همراه با تخلخل، فازهای درشت سوزنی شکل سیلیسیم و دندریتهای درشت اولیه است. این ریزساختار، خصوصیات مکانیکی این آلیاژ نظیر انعطافپذیری، چقرمگی، مقاومت در برابر سایش و خستگی را محدود میکند. بنابراین اصلاح ریزساختار این آلیاژ در کاربردهایی که نیاز به انعطافپذیری و مقاومت به سایش بالا دارد، ضروری است [5]. ترکیب شیمیایی این آلیاژ در جدول 2-1 نشان داده شده است.