new5 free

شبیه سازی عددی و تحلیل تجربی تولید مقاطع استوانه‌ای نانو ساختار با استفاده از فرآیند تدریجی پیچش با فشار بالا

199.000تومان

توضیحات

129 صفحه

فایل word

دانشگاه تهران

پردیس دانشکده های فنی

دانشکده مهندسی مکانیک

شبیه سازی عددی و تحلیل تجربی تولید مقاطع استوانه‌ای نانو ساختار با استفاده از فرآیند تدریجی پیچش با فشار بالا

رساله براي دريافت درجه دکتری

در رشته مهندسی مکانیک گرایش ساخت و تولید

چکيده

فرآیند پیچش با فشار بالا (HPT) به فرآیندی اطلاق می‌شود که در آن ماده‌ تحت فشار هیدرواستاتیک بالا با مکانیزمهای خاصی دچار کرنش پیچشی شدید می‌شود تا خواص مکانیکی و یا فیزیکی ماده بهبود یابد. در شرایط فعلی تکنیک‌های موجود برای اعمال فرآیند پیچش با فشار بالا به گونه‌ای هستند که امکان تولید قطعه‌کارهایی با ضخامت‌های بیشتر از چند میلیمتر را فراهم نمی‌کنند. برای رفع این مشکل در این تحقیق تکنیکی با نام پیچش با فشار بالای تدریجی تک مرحله ای (SI-HPT) پیشنهاد شده است که به واسطه آن می‌توان محدودیت طول در قطعه‌کارهای تولیدی با فرآیند پیچش با فشار بالا را تا حدود زیادی از بین برد. بدین منظور در این کار تحقیقی با الهام از ایده روش IHPT یک قطعه کار بلند را به صورت مرحله به مرحله و در هر مرحله چند میلیمتر از طول قطعه کار را تحت فرآیند HPT قرار می‌دهند، با این تفاوت که در طرح جدید نیازی به باز و بسته کردن قالب در هر مرحله نمی‌باشد و در طول کل فرآیند قطعه‌کار فقط یکبار باز و بسته می‌شود. در این روش قطعه کار در داخل سوراخ مرکزی چندین ورق با ضخامت در حدود 5 میلیمتر قرار میگیرد، که با چرخش متوالی این ورقها زیر فشار هیدرولیک می توان در هر مرحله یک حجم جزیی از قطعه کار و در نهایت کل قطعه کار را تبدیل به نانوساختار نمود. در راستای همین مطالعه قالب پیشنهادی طراحی و ساخته شده و چندین نمونه قطعه‌کار با طول‌هایی بزرگتر از 50 میلیمتر تولید شده است. بررسی میکروساختار قطعات تولیدی با استفاده از روش پیچش با فشار بالای تدریجی تک مرحله‌ای (SI-HPT) بوسیله دستگاههای میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و نیز میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) نشان داد که اندازه دانه‌های مس از حدود  در حالت آنیل شده به حدود  پس از فرآیند شدن با استفاده از SI-HPT رسیده است. همچنین مقایسه خواص مکانیکی قطعات تولیدی نشان داد که مقاومت کششی قطعات فرآیند شده نسبت به قطعات آنیل شده در حدود 100% بهبود داشته است. ضمنا، برای بررسی بیشتر پارامترهای دخیل در فرآیند، مدل اجزاء محدود طرح پیشنهادی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. از آنجاییکه اصطکاک نقش بسیار مهمی ‌را در طرح پیشنهادی بازی می‌کند مکانیزم اصطکاک به طور خاص در این مطالعه مورد توجه قرار گرفته و آزمایشات تجربی متعددی به منظور اندازه‌گیری تجربی میزان ضریب اصطکاک بین قطعه‌کار مسی و قالب فولادی صورت پذیرفته و رابطه بین فشار وارد بر سطح تماس با میزان ضریب اصطکاک برای سیستم مذکور گزارش گردید.

واژه‌هاي كليدي: نانوساختار، پیچش با فشار بالا، میکروساختار، خواص مکانیکی، اصطکاک

فهرست مطالب

فصل 1: مقدمه  1

1-2- مکانیزم ریزدانه شدن با فرآیندهای SPD. 4

1-3- تعریف موضوع تحقیق.. 4

1-4- اهداف تحقیق.. 7

1-5- روش انجام تحقیق.. 8

1-6- نوآوری، اهمیت و ارزش تحقیق.. 9

1-7- ساختار رساله. 10

فصل 2: مروري بر مطالعات انجام شده 11

2-2- تعاريف، اصول و مباني نظري.. 19

2-3- پارامترهای مهم در فرآیند HPT. 24

2-4- اصطکاک در فرآیند HPT. 34

2-5- کاربرد HPT  در مواد خالص…. 39

2-6- مدل سازی المان محدود فرآیند HPT. 40

2-7 کاربردهای فرآیند HPT. 41

2-8- جمع بندی.. 43

فصل 3: روش تحقيق   45

3-2- مواد و روشها 46

3-2-1-روش المان محدود. 46

3-2-2-دستگاه اندازه گیری ضریب اصطکاک.. 51

3-2-3-فرآیند پیشنهادی جدید. 58

3-2-4-بررسی پارامتر لغزش در فرآیند SI-HPT. 69

فصل 4: نتايج   73

4-2- نتایج اندازه گیری تجربی ضریب اصطکاک.. 74

4-2-1-مقایسه مدل تجربی این مطالعه با مدل های تئوریک80

4-3-تحلیل المان محدود. 83

4-3-1-مدل سازی المان محدود. 83

4-3-2- اعتبارسنجی تجربی.. 88

4-4- بررسی پدیده لغزش…. 90

4-5- تولید قطعات استوانه ای توپر به روش SI-HPT. 95

4-6-کرنش معادل. 107

فصل 5: جمعبندی نتايج و پیشنهادها 108

5-1 مقدمه  108

5-2 جمع بندی نتایج   109

5-3 پيشنهادها 111

مراجع  1

فهرست اشکال

شکل (1-1): تصویر شماتیک از دستگاهی که   بردمن در آن از نیروی فشاری و کرنش برشی برای تولید قطعات با خواص بهبود یافته استفاده کرده بود  
شکل (1-2): شماتیک طرح ارائه شده در مرجع[1]، برای تولید پیوسته با فرآیند HPT، (a): سطح مقطع نمونه مستطیل (b): سطح مقطع نمونه دایره.  
شکل (1-3): نشان دهنده فرآیند پیچش با فشار بالای پله ای  
شکل(2-1): (a) : طرح فک های مورد استفاده توسط بریدمن در فرآیند HPT، قسمت تنگستن کارباید با حرف C مشخص شده است. (b): طرحهای پیشرفته بعدی برای فکهای قالب. همانطوریکه مشاهده می‌شود در طرحهای نوین فکهای تنگستن کاربایدی دارای حفره جهت قرار گرفتن فطعه کار می‌باشند.  
شکل (2-1): نمودار گشتاور- جابجایی زاویه‌ای آهن برای بار فشاری و بدون بار فشاری  
شکل(2-2): (a) : طرح فک‌های مورد استفاده توسط بریدمن در فرآیند HPT، قسمت تنگستن کارباید با حرف C مشخص شده است. (b): طرحهای پیشرفته بعدی برای فکهای قالب. همانطوریکه مشاهده می‌شود در طرحهای نوین فکهای تنگستن کاربایدی دارای حفره جهت قرار گرفتن فطعه کار می‌باشند.  
شکل (2-3): در صورتیکه گشتاور پیچشی زیاد لازم باشد می‌توان از چرخدنده برای چرخاندن فک پایینی کمک گرفت.  
شکل (2-3): تصویر شماتیک فرآیند HPT مدرن  
شکل (2-4): پارامترهای دخیل در تخمین مجموع کرنش دخیل در فرآیند HPT،  
شکل (2-5): کرنش معادل به عنوان تابعی از فاصله از مرکز دیسک و برای تعداد دورهای مختلف در فرآیند HPT ، مطابق معادله (2-4).  
شکل (2-6): کرنش معادل به عنوان تابعی از فاصله از مرکز دیسک و برای تعداد دورهای مختلف در فرآیند HPT ، مطابق معادله (2-4)  
شکل (2-7): شکل شماتیک انواع تکنیکهای فرآیند HPT . a : نا محدود، b: محدود و c: نیمه محدود  
شکل (2-8): a: نمودار میکروسختی نمونه نیکلی بعد از فرآیند HPT با دو فشار متفاوت و b: متوسط میکروسختی در قسمت مرکزی و لبه دیسک نیکلی به عنوان تابعی از فشار هیدرواستاتیک در دمای اتاق و بعد از 5 دور پیچش  
شکل (2-9):.  میکروساختار نمونه نیکلی بعد از فرآیند HPT (a): قسمت مرکزی دیسک بعد از 5 دور و 1GPa فشار، (b): لبه دیسک بعد از 5 دور و 1GPa فشار و (c): لبه دیسک بعد از 5 دور و 6GPa  
شکل (2-10): (a): نمودار میکروسختی نمونه نیکلی بعد از فرآیند HPT، و در دو دور متفاوت، (b): میکروسختی متوسط در نقطه ای نزدیک به لبه و مرکز دیسک به عنوان تابعی از تعداد دورها در دمای اتاق و در فشار 6GPa .  
شکل (2-11): گشتاور به عنوان تابعی از تعداد دورها و نیروی اعمالی (a): HPT مس و (b) HPT آهن Armco  
شکل (2-13): کانتور سه بعدی از سختی نمونه نیکلی که با فرآیند HPT تولید شده (a) N=1/2 ؛ (b) N=1 ؛ (c) N=3 و N=7 (d)  
شکل (2-14): میکروسختی نمونه آلومینیوم به صورت تجاری خالص در امتداد قطر دیسک، که با فرآیند HPT و با فشار 1GPa و تا 8 دور پیچانده شده است. خط چین پایینی مربوط به سختی نمونه قبل از فرآیند می‌باشد.  
شکل (2-15): میکروساختار نمونه آلومینیومی‌به صورت تجاری خالص بعد از 8 دور پیچش (a) مناطق مرکزی و (b) نقاط محیطی  
شکل (2-16): میکروسختی ویکرز متوسط ، بر حسب فاصله از مرکز دیسک آلومینیوم خیلی خالص، (a) بعد از دورهای مختلف در فشار 1.25GPa (b) بعد از دورهای مختلف در فشار 6GPa و (c) در فشارهای مختلف بعد از 5 دور  
شکل (2-17): نمودار فوق پیش بینی ها در خصوص کاربرد روز افزون فرآیند پیچش با فشار بالا در صنایع مختلف را نشان می‌دهد  
شکل (3-1): شماتیک فرآیند IHPT (a) چرخش فک بالایی باعث کرنش برشی و ریز دانه شدن قسمت مشخص (منطقه متاثر از کرنش) در فاصله بین دو فک می‌شود. (b) با تغییر عمق حفره های دو فک منطقه‌ی دیگری تحت تاثیر کرنش قرار می‌گیرد  
شکل (3-2): المان‌بندی استفاده شده برای قطعه‌کار (فشار اعمالی 1500 مگا‌پاسکال) در شبیه‌سازی اجزای محدود فرآیند IHPT  
شکل (3-3): دستگاه اندازه گیری ضریب اصطکاک فلزات در فشارهای تماسی بالا؛ الف) مطالعه حاضر ب) طرح پوقیس و همکاران  
شکل (3-4): (الف) تصویر مربوط به فکها، میل راهنماها، مندرل و قطعه کار در داخل مندرل (ب) شماتیک ابعاد قطعه کار در داخل مندرل  
شکل (3-5) ساختاربندی آزمون تجربی برای اندازه گیری ضریب اصطکاک  
شکل (3-6): نمودار تنش کرنش مس خالص  
شکل(3-7): تغییر در فشار بر سطح قطعه‌کار با بستین پیچ دستگاه اندازه‌گیری ضریب اصطکاک نمایش داده شده در نشانگر لودسل  
شکل (3-8): نقشه شماتیک طرح پیشنهادی برای انجام فرآیند پیچش با فشار بالا؛ نمای برش خورده  
شکل (3-9): نمونه آزمایش به قطر 10 میلیمتر  
شکل (3-10): الف) قطعه‌کار در داخل استیپرها ب) یک استیپر با سوراخ داخلی 10 میلیمتری  
شکل(3-11): غلاف بیرونی برای کنترل حرکت استیپرها  
شکل(3-12): دو دسته استیپر که در دو غلاف مختلف نسبت به هم چرخانده می‌شوند.  
شکل (3-13): قطعه کار در داخل استیپرها و خود استیپرها در داخل غلاف پایینی (برای راحتی دید غلاف بالایی آورده نشده و نیز تعدادی از استیپرهای بالایی برداشته شده است.)  
شکل (3-14): قطعه‌کار در داخل استیپرها و مراحل مختلف ریزدانه نمودن با استفاده از روش SI-HPT (برای راحتی درک مطلب غلافهای بیرونی در اینجا آورده نشده است)  
شکل(3-15): شماتیک طرح استفاده شده برای تولید قطعات لوله‌ای شـــکل با اســتفاده از فرآیند SI-HPT  
شکل(3-16): قطعات مسی در کوره عملیات حرارتی؛ برای یک ساعت، دما 700 درجه سلیسیوس  
شکل(3-17): a) قطعه‌کار در داخل استیپرها؛ b) قطعات مختلف تکنیک پیشنهادی تحت عنوان SI-HPT .  
شکل(3-18): داستگاه SI-HPT زیر پرس هیدرولیک و اهرمهای دستی برای چرخش قالب  
شکل(3-19): a) نمونه آماده شده برای آزمون سختی سنجی b) شماتیک موقعیتهای سختی سنجی c)نمونه کشش از قطعه SI-HPT  
شکل(3-20): دستگاه میکروسکوپ الکترونی دانشگاه تبریز ( MIRA3 FEG-SEM, Tescan, Czech)  
شکل(3-21): شیار ایجاد شده در نمونه های آزمون برای بررسی میزان لغزش در فرآیند SI-HPT  
شکل(3-22): نمونه آزمون لغزش در داخل تجهیزات SI-HPT  
شکل (4-1): نشان دهنده جابجایی مندرل و بار مماسی اعمالی برای جابجایی مربوطه برای نمونه های پولیش شده  
شکل (4-2): نشان دهنده جابجایی مندرل و بار مماسی اعمالی برای جابجایی مربوطه برای نمونه های با زبری عین ماشینکاری  
شکل (4-3): رفتار ضریب اصطکاک ایستایی در فشارهای عمود بر سطح مختلف برای دو صافی سطح پولیش و عین ماشینکاری شده قطعه کار

 

 
شکل (4-4): رفتار ضریب اصطکاک جنبشی در فشارهای عمود بر سطح مختلف برای دو صافی سطح پولیش و عین ماشینکاری شده قطعه کار  
شکل (4-5): مقایسه رفتار تجربی ضریب اصطکاک ایستایی در مقابل فشارهای عمود بر سطح مختلف با برخی مدلهای تئوریک ارائه شده در منابع  
شکل (4-6): نشان دهنده توزیع تنش فون-میسز در قطعه‌کار بعد از اتمام مرحله اعمال فشار، فشار واقعی اعمالی 2 گیگا پاسکال، شعاع لبه قالب 2 میلیمتر و فاصله فک‌ها 4 میلیمتر.  
شکل (4-7): تغییرات مقادیر تنش هیدرواستاتیک در امتداد طول قطعه‌کار هفتاد میلیمتری  
شکل (4-8):  فشار هیدرواستاتیک واقعی تولید شده در قطعه‌کار برای فاصله‌های مختلف فک‌های قالب؛ شعاع لبه قالب برای همه موارد 5/1 میلیمتر و فشار روی فک متحرک 5/4 گیگاپاسکال بوده است.  
شکل (4-9):  فشار هیدرواستاتیک واقعی تولید شده در قطعه‌کار برای شعاع‌های مختلف لبه قالب؛ فاصله دو فک قالب در همه موارد 5 میلیمتر و فشار روی فک متحرک قالب 5/1 گیگاپاسکال بوده است.  
شکل (4-10): مقادیر کرنش معادل در فشارهای واقعی اعمالی مختلف  
شکل (4-11): استیپرها با شعاعهای مختلف ساخته شده برای بررسی اثر شعاع لبه قالب  
شکل (4-12): مقایسه میکروساختار نمونه مسی بعد از مرحله فشار فرآیند SI-HPT برای  (Aقالبها با شعاعهای گوشه مختلف (B برای فاصله بین دو فک مختلف  
شکل(4-13): الف) قبل از فرآیند شیار ایجاد شده در دو سمت قطعه کار هم امتداد هستند ب) بعد از فرآبند و چرخش فک متحرک شیار ایجاد شده نسبت به هم زاویه پیدا کرده اند.  
شکل (4-14): روش اندازه گیری میزان لغزش در فرآیند SI-HPT با اندازه گیری زاویه چرخش شیار  
شکل (4-15): تغییرات میزان لغزش با افزایش تعداد دور چرخش فک متحرک، بار اعمالی 8/0 گیگاپاسکال و سرعت چرخش 2 دور بر دقیقه  
شکل (4-16): ارتباط لغزش با سرعت چرخش و بار اعمالی  
b.

شکل (4-17): لایه باقیمانده از قطعه کار بر روی سطح داخلی قالب پس از فرآیند الف) 1/5GPa ب)0/8GPa

 
شکل (4-18): (a) قطعه استوانه‌ای توپر آنیل شده و فرآیند شده با روش SIHPT، (b) قطعه استوانه‌ای لوله‌ای شکل آنیل شده و فرآیند شده با روش SIHPT  
شکل (4-19): تصاویر SEM از میکروساختار نمونه ها؛ (a آنیل شده (b نزدیک مرکز (c وسط شعاع (d نزدیک سطح نمونه  
شکل (4-20): نمونه ای از نقشه دانه ها خروجی نرم افزار ImageJ و میکروساختار مربوطه  
شکل (4-21): نمونه TEM آماده شده در جهت محوری قطعه کار (عمق سطح مقطع) در نزدیکی لبه نمونه  
شکل (4-22): میکروگراف TEM از نمونه فرآیند شده با روش SIHPT در نزدیکی لبه قطعه‌کار و بعد از 5 دور کامل  
شکل (4-23): میکروگراف TEM از نمونه فرآیند شده با روش SIHPT در میانه‌های شعاع قطعه‌کار و بعد از 5 دور کامل فرآیند.  
شکل (4-24): (a): گراف EBSD از نمونه آنیــل شده،  (b): کد مربوطه به گراف آنیــل،  (c): گراف EBSD مربوط به نمونه فرآیند شده در مرکز قطعه‌کار، (d): کد مربوط به گراف قطعه فرآیند شده  
شکل (4-25): میکروسختی نمونه تولید شده بوسیله  SI-HPT در جهت شعاعی  
شکل (4-26): مقادیر میکروسختی در جهت محوری  
شکل (4-27): نمودار تنش- کرنش نمونه مسی قبل و بعد از فرآیند SI-HPT  
شکل (4-28): مقایسه میکروسختی قطعه کارهای فرآیند شده با روشهای SIHPT و IHPT در امتداد محور  
شکل (4-29): مقایسه میکروسختی قطعه کارهای فرآیند شده با روشهای SIHPT و IHPT در امتداد شعاع  

فهرست جداول

جدول (3-1): پارامترهای مورد بررسی و تعداد شبیه سازی‌های صورت گرفته در هر مورد  
جدول (4-1): مشخصات زبری سطوح نمونه ها در آزمون اندازه گیری ضریب اصطکاک

 

 

فهرست علائم اختصاري

Nomenclature
Equivalent Von Mises strain
number of IHPT turns N
corner radius   r
height of the strain affected zone h
frictional shear strength of the interference
friction coefficient
Apparent hydrostatic pressure
length of contact
specimen diameter
distance between anvils g
required force (  to overcome the shear yield strength
shear yield strength


فصل 1: مقدمه

  • مقدمه

مواد موجود و مرسوم جوابگوی بسیاری از کاربردهای نوین مهندسی نیستند، لذا دانشمندان در دو حوزه تلاش می‌کنند تا مواد با کارایی بهتر ارائه دهند. رویکرد اول معرفی مواد جدید با جنس و ترکیب متفاوت می‌باشد. از این حوزه می‌توان به مواد کامپوزیتی و نانو مواد اشاره کرد. رویکرد دومی ‌که در بین دانشمندان طرفداران زیادی دارد، بهبود دادن خواص مواد موجود بدون استفاده از افزودنی ها و با معرفی فرآیندهای ابتکاری و نوین می‌باشد. یکی از این فرآیندها که اخیرا رشد قابل توجهی داشته است، فرآیندهای تغییر شکل پلاستیک شدید ([1]SPD) نظیر روشهای ECAP[2], TCAP[3], HPT[4] می‌باشد. هدف از اعمال تغییر شکل‌های شدید تولید مواد با دانه‌های فوق العاده ریز می‌باشد. این ساختار که به UFG[5] مشهور می‌باشد، موادی مقاوم‌تر، شکل پذیرتر و با مقاومت در مقابل خستگی بالاتری را بدست می‌دهد. روشهای مختلف SPD از استراتژیهای متفاوتی برای ایجاد کرنش های ترجیحا همگن در مواد استفاده می‌کنند. برای مثال در فرآیند ECAP ماده در داخل قالبی که به خوبی روغن کاری شده است، می‌لغزد و یک مسیر با پیچ تندی (برای مثال90 درجه) را طی می‌نماید تا در حین این تغییر مسیر تند کرنش‌های برشی بالا به قطعه‌کار القا شود. در فرآیند مشابه دیگر نظیر TCAP قطعه‌کار استوانه‌ای از یک قالب استونه‌ای که قطر آن در مقطعی از قالب تغییر می‌کند و دوباره به قطر اصلی بر می‌گردد، عبور داده می‌شود تا پس از تحمل کرنش‌های برشی زیاد در حین عبور از این قالب، میکروساختارهای بسیار ریز دانه در قطعه کار ایجاد شود. در بین فرآیندهای تغییر شکل شدید به طور قطع فرآیند پیچش با فشار بالا (HPT) یکی از مهمترین آنها می‌باشد که در آن قطعه‌کار تحت فشار هیدرواستاتیک بالا پیچانده می‌شود[2-4] . امروزه فرآیند HPT به عنوان یکی از کارامدترین و قدرتمندترین روشهای تغییر شکل پلاستیک شدید برای تولید قطعات نانوساختار با خواص بهبود یافته شناخته شده است [5]. اولین کار علمی‌ در خصوص تاثیر فشار هیدرواستاتیک بر مقاومت مواد در سال 1943 توسط  بریدمن  صورت پذیرفته است.  در این مقاله  بریدمن در یکی از نتیجه گیری های خود آورده است:

” اگر یک میله‌ای که تحت فشار طولی است پیچانده شود در این صورت میله تحت زاویه بیشتری خواهد چرخید بدون اینکه شکسته شود. همچنین در این حالت میله قادر خواهد بود تا گشتاور بیشتری را تحمل کند.”

بعد از این مقاله این استاد دانشگاه هاروارد بر روی این نتیجه گیری خود تمرکز نموده و آزمایشهای بیشتر و بیشتری را بر روی تاثیر فشارهای بالا بر مقاومت مواد انجام داد. در حین تحقیقات خود  بریدمن دستگاهی را ابداع نمود که بواسطه آن می‌توانست فشارهای بسیار بالایی را به مواد وارد نماید. این دستگاه و تحقیقات بردمن بر روی فیزیک فشار بالا باعث شد که ایشان در سال 1946 برنده جایزه نوبل شوند. ایشان متوجه شده بود که فشار طولی روی میله باعث بالا رفتن انعطاف پذیری ماده می‌شود. ولی از آنجاییکه اعمال فشار به یک قطعه کار بلند باعث خمیدگی میله می‌شد، لذا تحقیقات خود را به قطعه کارهای با طول کوچک محدود نمود. شماتیک طرح  بردمن در شکل (1-1) آورده شده است. در این طرح دو قطعه کار وجود دارد که دو سوی آنها ثابت نگه داشته شده است و یک فشار طولی به آنها وارد می‌شود. و قطعه کارها ما بین فکها با چرخش قطعه میانی قالب دچار کرنش برشی می‌شوند. این اولین تحقیقی بود که نشان داد فشار طولی تاثیر به سزایی بر مقاومت برشی ماده دارد.

شکل (1-1): تصویر شماتیک از دستگاهی که  بردمن در آن از نیروی فشاری و کرنش برشی برای تولید قطعات با خواص بهبود یافته استفاده کرده بود [6]

نظر به اهمیت روش HPT در این تحقیق هدف توسعه روش مذکور برای قابل استفاده نمودن روش در بازه وسیعتری از قطعات به لحاظ ابعاد و اندازه می‌باشد. اولین نمونه های HPT محدود به قطعات دیسکی و رینگی کوچک با قطری در حدود 10 میلیمتر و ضخامتی پایین تر از 1 میلیمتر بوده است. متاسفانه با وجود تلاشهای زیادی که توسط محققین برای گسترش کاربرد HPT  در قطعات با ابعاد یزرگتر صورت پذیرفته است، پیشرفتها در این زمینه چشم‌گیر نبوده و می‌توان گفت هنوز محدودیت در ابعاد قطعه کار تا حدود زیادی پا برجاست. در این پژوهش روشی ارائه می‌شود که بر پایه آن می‌توان قطعات با طولهای نسبتا بلند (حتی بیشتر از 100 میلیمتر) و قطرهای بزرگ (بزرگتر از 50 میلیمتر) را تحت فرآیند HPT قرار داد. با وجود اینکه با استفاده از این روش زمان نسبتا زیادی یرای تولید قطعه‌کار صرف می‌شود، ولی مطابق نتایج تجربی بدست آمده روش ارائه شده یک استراتژی کارآمد و انعطافپذیر برای اعمال فرآیند HPT برای قطعات با ابعاد دلخواه بدست می‌دهد.

  • مکانیزم ریزدانه شدن با فرآیندهای SPD

وجود فشار هیدرواستاتیکی زیاد به همراه کرنش برشی شدید باعث تولید چگالی بالایی از نابجایی در شبکه کریستالی می شود. وجود این نابجایی‌ها طی مراحل زیر می‌تواند باعث ریزدانه شدن شود:

نابجایی‌های اولیه که در درون دانه توزیع شده‌اند،  بازآرایی شده و با پیوستن بهم هسته کوچکی را تشکیل می‌دهند و سطح انرژی را کاهش می‌دهند.

با افزایش میزان تغییر شکل، نابجایی‌های جدید تولید شده و زاویه بین هسته‌ها افزایش یافته و باعث ایجاد مرزدانه‌های فرعی[6] می‌گردد.

این فرآیند در داخل این دانه‌ها تکرار شده تا اندازه‌ی دانه های مذکور به حد کافی کوچک شده و ضمنا چرخش در زاویه دانه‌ها رخ دهد. [7]

  • تعریف موضوع تحقیق

همانطوریکه در بخش های بعدی به صورت مفصل بحث خواهد گردید، قطعه کار تولیدی با فرآیند پیچش با فشار بالا کیفیت بالاتری را از جنبه های مختلف نسبت به سایر روشهای تغییر شکل پلاستیک شدید دارد. یکی از مشخصه های این روش حضور نیروی هیدرواستاتیک بالا در سیستم می‌باشد. این مقدار فشار بالا برای جلوگیری از ترک برداشتن نمونه در حین پیچش زیاد ضروری می‌باشد. اگر از فشارهای بالای دخیل در فرآیند بگذریم، فرآیند پیچش با فشار بالا روشی نسبتا ساده و سرراست با قابلیت تولید قطعات اقتصادی می‌باشد. در مقابل مزایای زیادی که این روش دارد محدودیت اساسی ( فقط قابلیت تولید قطعات با ضخامت پایین وجود دارد)، کاربرد این روش مهم را کم نموده است. تکنیک های فعلی روش پیچش با فشار بالا فقط برای قطعات با قطر کمتر از 50 میلیمتر و ضخامت کمتر از 10 میلیمتر قابل اعمال می‌باشند. قبلا تلاشهای مختلفی برای فائق آمدن بر این مشکل صورت پذیرفته است[8]. ولی روشهای ابتکاری پیشنهاد شده عمدتا موفق نبوده و بیش از چند میلیمتر نتوانسته اند محدودیت در ضخامت را ارتقا دهند. همچنین در تکنینک های پیشنهادی وقتی نسبت طول به قطر بیشتر می‌شود قطعه کار نهایی دارای ناهمگنی زیاد در امتداد طول می‌شود[9]. این ناهمگنی در نمونه های با نسبت طول به قطر زیاد، که نتیجه موضعی شدن بیش از حد کرنش می‌باشد در برخی از مواد مانند آلیاژهای آلومینیوم و منگنز خالص بیشتر دیده می‌شود[10]. در میان تحقیقات صورت پذیرفته در زمینه معرفی تکنیک مناسب برای کاربرد فرآیند پیچش با فشار بالا در ابعاد دلخواه تلاشهای عدالتی و همکارانش یکی از موفق ترین نمونه ها بوده است [1]. شماتیک طرح پیشنهادی ایشان در شکل (1-2) آورده شده است. مطابق این شکل، تکنیک پیشنهادی شامل دو فک می‌باشد، فک بالایی جهت اعمال نیروی فشاری مورد استفاده قرار می‌گیرد و از فک پایینی برای پیچش نمونه استفاده شده است. همانطوریکه مشاهده می‌شود طرح ایشان قابل استفاده برای نانو ساختار نمودن قطعه با سطح مقطع های مختلف مناسب می‌باشد. ولی این سیستم ذاتا برای نوع خاصی از قطعات مانند کابل می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. همچنین در این سیستم میزان کرنش اعمالی چندان قابل کنترل نیست. طرح دیگری در مرجع [10] توسط هوهنوارتر برای تولید قطعات با طول بیشتر به روش پیچش با فشار بالا پیشنهاد شده است. طرح پیشنهادی هوهنوارتر که خودشان آن را تکنیک پله ای برای فرآیند پیچش با فشار بالا معرفی کرده اند، بر روی مس خالص اعمال شده است. قطر قطعه کار در این مطالعه 50 میلیمتر و طول آن 70 میلیمتر بوده است. طرح شماتیک فرآیند در شکل (1-3) آورده شده است. همانطوریکه از شکل مشخص است با استفاده از این فرآیند در هر مرحله می‌توان ناحیه ای در حدود 8 میلیمتر را ریز دانه نمود. وقتی این ناحیه تحت تاثیر قرار گرفته و بر اثر 15 دور چرخش ریز دانه شد، بایستی کل سیستم باز شود، جزء زیری قالب با قطعه جدید و به اندازه حدود 8 میلیمتر بزرگتر تعویض شود، تا طول حفره قالب پایینی کمتر شده و ناحیه دیگری از قطعه کار در منطقه جدایش بین دو فک قالب قرار گیرد و فرآیند تکرار شود تا این بار این منطقه 8 میلیمتر جدید از قطعه کار در حین پیچش ریز

شکل (1-2): شماتیک طرح ارائه شده در مرجع [1]، برای تولید پیوسته با فرآیند HPT، (a): سطح مقطع نمونه مستطیل (b): سطح مقطع نمونه دایره [1].

شکل (1-3): نشان دهنده فرآیند پیچش با فشار بالای پله ای [10]

دانه شود. این کار بایستی بارها و بارها تکرار شود تا نهایتا تمام طول قطعه کار ریز دانه شود. این طرح گامی ‌موفق در گسترش کاربرد فرآیند پیچش با فشار بالا برای قطعات بلندتر می‌باشد، ولی باز و بسته کردن های مکرر قالب بسیار زمان بر بوده و هنوز برای طولهای خیلی بلند نمی‌توان از این روش استفاده نمود.  با این توضیحات مشخص است که هنوز خلا تکنیکی که بتواند محدودیت طول را از قطعات تولیدی بروش HPT بگیرد وجود دارد. به همین خاطر در این کار تحقیقاتی تکنیک جدیدی پیشنهاد شده است که بواسطه آن می‌توان قطعات با طولهای بزرگتر (در حدود 10 سانتی متر) را تحت فرآیند HPT قرار داد. لذا قالب پیشنهادی طراحی و ساخته شده و برای نشان دادن قابلیت تکنیک پیشنهادی نمونه های مسی با طول 70 میلیمتر و قطر 10 میلیمتر تحت فرآیند HPT قرار گرفتند. نتایج بیانگر این است که تمامی ‌قسمتهای نمونه با استفاده از این تکنیک جدید تبدیل به نانوساختار مشابه در فرآیند HPT معمولی شده است. پارامترهای اصطکاک، لغزش قطعه در داخل قالب و شعاع لبه قالب به صورت تجربی و المان محدود مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.

[1] Severe Plastic Deformation

[2] Equal Channel Angular Pressing

[3] Tubular Channel Angular Pressing

[4] High Pressure Torsion

[5] Ultra-Fine Grain

1Subgrain

دیدگاهها

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.

اولین نفری باشید که دیدگاهی را ارسال می کنید برای “شبیه سازی عددی و تحلیل تجربی تولید مقاطع استوانه‌ای نانو ساختار با استفاده از فرآیند تدریجی پیچش با فشار بالا”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

− 8 = 1