رفتن به محتوای اصلی
x
تصویر

جلسه دفاع از رساله دکتری (آقای مسعود ملکی)

موضوع:  بررسی رفتار مکانیکی نانوکامپوزیت ریختگی A356/SiO2 فراوری شده به کمک عملیات آلتراسونیک

ارائه دهنده: مسعود ملکی

استادان راهنما: دکتر علیرضا فدایی تهرانی و دکتر بهزاد نیرومند 

استادان مشاور: دکتر امیر عبداله

استادان داور: دکتر محمد مشایخی، دکتر علی مالکی، دکتر محمد جواد ناطق، دکتر رضوان عابدینی

 

چکیده:

نانوکامپوزیت ­های زمینه­ ی آلومینیومی ریختگی در صنایعی چون خودروسازی و هوا-فضا بکار گرفته می­ شوند. یکی از هدف­ های مهم ساخت و تولید این کامپوزیت­ ها، دستیابی توام به وزن سبک (به­ واسطه استفاده از زمینه فلزی سبک) و استحکام بالا (به­ واسطه حضور درصد معینی از ذرات تقویت­ کننده با استحکام بالا) است. از چالش­ های مهم در این حوزه می­ توان به ترشوندگی نامطلوب ذرات با زمینه، تخلخل، عدم پخش یکنواخت و متعاقب آن کلوخه­ شدن ذرات، و نیز واکنش­ های میان ذرات و زمینه اشاره کرد. عدم پخش موثر و یکنواخت ذرات تقویت­ کننده در زمینه­ ی فلزی می ­تواند منجر به افت خواص مکانیکی، به ­ویژه خصوصیات خستگی ماده کامپوزیتی ­شود. پژوهش حاضر به ساخت و بررسی رفتار مکانیکی نانوکامپوزیت­ های زمینه­ ی آلومینیومی (A356) تقویت­ شده با ذرات نانوسیلیکا (SiO2) می ­پردازد که توسط ریخته­ گری به کمک عملیات آلتراسونیک ساخته شده ­اند. پس از ساخت کامپوزیت مذکور، بررسی ریزساختار به همراه تحلیل خواص مکانیکی، به ­ویژه رفتار خستگی پرچرخه، انجام شد. هدف اصلی از بررسی رفتار خستگی پرچرخه کامپوزیت­ های زمینه فلزی، کاربردهای این دسته از مواد کامپوزیتی است که در آن­ها تنش­ های اعمالی عمدتا در ناحیه الاستیک قرار می­ گیرند. به این منظور دوغاب ­های نانوکامپوزیتی از آلیاژ A356 حاوی 0/125 تا 0/375 درصد وزنی نانوذرات سیلیکا تحت عملیات آلتراسونیک قرار گرفته و به صورت ثقلی در قالب های فولادی ریخته شدند. ابتدا ترانسدیوسری با فرکانس تشدید 20 کیلوهرتز و با قابلیت خنک­ کاری با گردش آب و هوا، طراحی، شبیه­ سازی و ساخته شده و پارامترهای بهینه آن در ارتعاش مذاب آلومینیوم مشخص شد. علاوه بر ساخت نمونه ­های کامپوزیتی، نمونه ­های شاهد (بدون تقویت­ کننده) نیز تحت شرایط یکسان ساخته شدند. با توجه به نقش مخرب تخلخل بر خواص خستگی، روش ­های مختلفی برای کاهش تخلخل در نمونه­ های ریختگی به­ کار برده شده، نهایتا همه نمونه­ ها تحت عملیات شکل­دهی مشخصی قرار گرفتند. ریزساختار نمونه­ ها توسط میکروسکوپ­ های نوری و الکترونی روبشی مورد مطالعه قرار گرفته، تاثیر عملیات آلتراسونیک بر تشکیل فاز­ها، کلوخه­ شدن نانوذرات تقویت­ کننده، تر­شوندگی نانوذرات توسط زمینه فلزی، و یکنواختی توزیع نانوذرات در زمینه بررسی شد. با انجام عملیات آلتراسونیک، از یک سو هیچ سرباره­ی­ حاوی ذرات پس­زده شده بر روی مذاب ایجاد نشد و از سوی دیگر، ذرات کلوخه­ شده­ ی قابل­ ملاحظه ­ای نیز در بررسی­ های ریزساختاری مشاهده نگردید. با توجه به ترشوندگی ضعیف ذرات نانوسیلیکا در مذاب A356، این مشاهدات نشان­دهنده تاثیر قابل­ ملاحظه عملیات آلتراسونیک بر پراکندگی و ترشوندگی ذرات تقویت کننده سیلیکا در مذاب کامپوزیتی آلومینیوم است؛ هم­زدن صوتی موثر ذرات در مذاب، و نیز فعالیت حباب­ های کاویتاسیونی در کاهش کلوخه­ ی ذرات و متعاقب آن بهبود اتصال در فصل مشترک ذرات با زمینه، از علل مهم در مشاهدات مذکور دانسته شد. نتایج این پژوهش نشان داد که نمونه­ ی کامپوزیتی با 0/125 درصد وزنی تقویت­ کننده،­ دارای بهترین خصوصیات مکانیکی نسبت به سایر کامپوزیت ­هاست، به­ طوری­که این کامپوزیت مقادیر بالاتری از استحکام کششی، استحکام فشاری، شکل ­پذیری و چقرمگی را از خود نشان داد. در درصدهای بالاتر از ذرات تقویت کننده، مقادیر استحکام کششی، استحکام فشاری، شکل ­پذیری و چقرمگی کاهش یافت که علت آن توزیع غیریکنواخت ­تر ذرات دانسته شد. برای نمونه با بیشترین خواص مکانیکی، مکانیزم­ های هال-پچ، عدم انطباق در ضریب انبساط حرارتی، و اوروان، به ­ترتیب مکانیزم ­های غالب تقویت­ کنندگی شناخته شدند. در پایان، نمونه­ ی کامپوزیتی با درصد تقویت­ کننده بهینه به­ همراه نمونه شاهد تحت آزمون خستگی پرچرخه در بازه­ی 30 تا 90 درصد تنش تسلیم قرار گرفتند. نتایج این مطالعه نشان از افزایش قابل­ ملاحظه عمر خستگی نانوکامپوزیت ساخته شده در مقایسه با نمونه شاهد داشت و بهبود قابل­ توجهی نسبت به مطالعات پژوهشگران قبلی را نشان داد. دلیل این مسئله بهبود ترشوندگی ذرات تقویت­ کننده، پخش موثر و یکنواخت آنها، و نیز اصلاح ساختار ماده کامپوزیتی تشخیص داده شد. به دلیل تاثیر سدکنندگی ذرات در مقابل رشد و اشعه نابجایی ­ها و ترک­ ها، مقدار افزایش عمر خستگی در سطوح تنشی پایین ­تر (و چرخه­ های بالا) بیشتر ­بوده، به­ طوری­که در این سطوح تنشی، تا صد درصد افزایش در عمر خستگی کامپوزیت با درصد تقویت­ کننده بهینه مشاهده شد.

تحت نظارت وف ایرانی