شماره مدرك :
18831
شماره راهنما :
2112 دكتري
پديد آورنده :
ملكي، مسعود
عنوان :

بررسي رفتار مكانيكي نانوكامپوزيت ريختگي A356/SiO2 فراوري شده به كمك عمليات آلتراسونيك

مقطع تحصيلي :
دكتري
گرايش تحصيلي :
ساخت و توليد
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع :
1401
صفحه شمار :
پانزده، 99ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
نانوكامپوزيت ريختگي , آلياژ A356 , نانو سيليكا , عمليات آلتراسونيك روي مذاب , استحكام خستگي , كلوخه شدن , كاويتاسيون
تاريخ ورود اطلاعات :
1402/07/04
كتابنامه :
كتابنامه
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
دانشكده :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1402/07/17
كد ايرانداك :
2966736
چكيده فارسي :
نانوكامپوزيت¬هاي زمينه¬ي آلومينيومي ريختگي در صنايعي چون خودروسازي و هوا-فضا بكار گرفته مي¬شوند. يكي از هدف¬هاي مهم ساخت و توليد اين كامپوزيت¬ها، دستيابي توام به وزن سبك (به¬واسطه استفاده از زمينه فلزي سبك) و استحكام بالا (به¬واسطه حضور درصد معيني از ذرات تقويت¬كننده با استحكام بالا) است. از چالش¬هاي مهم در اين حوزه مي¬توان به ترشوندگي نامطلوب ذرات با زمينه، تخلخل، عدم پخش يكنواخت و متعاقب آن كلوخه¬شدن ذرات، و نيز واكنش¬هاي ميان ذرات و زمينه اشاره كرد. عدم پخش موثر و يكنواخت ذرات تقويت¬كننده در زمينه¬ي فلزي مي¬تواند منجر به افت خواص مكانيكي، به¬ويژه خصوصيات خستگي ماده كامپوزيتي ¬شود. پژوهش حاضر به ساخت و بررسي رفتار مكانيكي نانوكامپوزيت¬هاي زمينه¬ي آلومينيومي (A356) تقويت¬شده با ذرات نانوسيليكا (SiO2) مي¬پردازد كه توسط ريخته¬گري به كمك عمليات آلتراسونيك ساخته شده¬اند. پس از ساخت كامپوزيت مذكور، بررسي ريزساختار به همراه تحليل خواص مكانيكي، به¬ويژه رفتار خستگي پرچرخه، انجام شد. هدف اصلي از بررسي رفتار خستگي پرچرخه كامپوزيت¬هاي زمينه فلزي، كاربردهاي اين دسته از مواد كامپوزيتي است كه در آن¬ها تنش¬هاي اعمالي عمدتا در ناحيه الاستيك قرار مي¬گيرند. به اين منظور دوغاب¬هاي نانوكامپوزيتي از آلياژ A356 حاوي 125/0 تا 375/0 درصد وزني نانوذرات سيليكا تحت عمليات آلتراسونيك قرار گرفته و به صورت ثقلي در قالب¬هاي فولادي ريخته شدند. ابتدا ترانسديوسري با فركانس تشديد 20 كيلوهرتز و با قابليت خنك¬كاري با گردش آب و هوا، طراحي، شبيه¬سازي و ساخته شده و پارامترهاي بهينه آن در ارتعاش مذاب آلومينيوم مشخص شد. علاوه بر ساخت نمونه¬هاي كامپوزيتي، نمونه¬هاي شاهد (بدون تقويت¬كننده) نيز تحت شرايط يكسان ساخته شدند. با توجه به نقش مخرب تخلخل بر خواص خستگي، روش¬هاي مختلفي براي كاهش تخلخل در نمونه¬هاي ريختگي به¬كار برده شده، نهايتا همه نمونه¬ها تحت عمليات شكل¬دهي مشخصي قرار گرفتند. ريزساختار نمونه¬ها توسط ميكروسكوپ¬هاي نوري و الكتروني روبشي مورد مطالعه قرار گرفته، تاثير عمليات آلتراسونيك بر تشكيل فاز¬ها، كلوخه¬شدن نانوذرات تقويت¬كننده، تر¬شوندگي نانوذرات توسط زمينه فلزي، و يكنواختي توزيع نانوذرات در زمينه بررسي شد. با انجام عمليات آلتراسونيك، از يك سو هيچ سرباره¬ي¬ حاوي ذرات پس¬زده شده بر روي مذاب ايجاد نشد و از سوي ديگر، ذرات كلوخه¬شده¬ي قابل¬ملاحظه¬اي نيز در بررسي¬هاي ريزساختاري مشاهده نگرديد. با توجه به ترشوندگي ضعيف ذرات نانوسيليكا در مذاب A356، اين مشاهدات نشان¬دهنده تاثير قابل¬ملاحظه عمليات آلتراسونيك بر پراكندگي و ترشوندگي ذرات تقويت كننده سيليكا در مذاب كامپوزيتي آلومينيوم است؛ هم¬زدن صوتي موثر ذرات در مذاب، و نيز فعاليت حباب¬هاي كاويتاسيوني در كاهش كلوخه¬ي ذرات و متعاقب آن بهبود اتصال در فصل مشترك ذرات با زمينه، از علل مهم در مشاهدات مذكور دانسته شد. نتايج اين پژوهش نشان داد كه نمونه¬ي كامپوزيتي با 125/0 درصد وزني تقويت¬كننده،¬ داراي بهترين خصوصيات مكانيكي نسبت به ساير كامپوزيت¬هاست، به¬طوري¬كه اين كامپوزيت مقادير بالاتري از استحكام كششي، استحكام فشاري، انعطاف¬پذيري و چقرمگي را از خود نشان داد. در درصدهاي بالاتر از ذرات تقويت كننده، مقادير استحكام كششي، استحكام فشاري، انعطاف¬پذيري و چقرمگي كاهش يافت كه علت آن توزيع غيريكنواخت¬تر ذرات دانسته شد. براي نمونه با بيشترين خواص مكانيكي، مكانيزم¬هاي هال-پچ، عدم انطباق در ضريب انبساط حرارتي، و اوروان، به¬ترتيب مكانيزم¬هاي غالب تقويت¬كنندگي شناخته شدند. در پايان، نمونه¬ي كامپوزيتي با درصد تقويت¬كننده بهينه به¬همراه نمونه شاهد تحت آزمون خستگي پرچرخه در بازه¬ي 30 تا 90 درصد تنش تسليم قرار گرفتند. نتايج اين مطالعه نشان از افزايش قابل¬ملاحظه عمر خستگي نانوكامپوزيت ساخته شده در مقايسه با نمونه شاهد داشت (براي مثال تا 100% افزايش در عمر خستگي نمونه كامپوزيتي حاوي 125/0 درصد وزني تقويت¬كننده در تنش¬هاي خستگي كم) و بهبود قابل¬توجهي نسبت به مطالعات پژوهشگران قبلي را نشان داد. دليل اين مسئله بهبود ترشوندگي ذرات تقويت¬كننده، پخش موثر و يكنواخت آنها، و نيز اصلاح ساختار ماده كامپوزيتي تشخيص داده شد. به دليل تاثير سدكنندگي ذرات در مقابل رشد و اشاعه نابجايي¬ها و ترك¬ها، مقدار افزايش عمر خستگي در سطوح تنشي پايين¬تر (و چرخه¬هاي بالا) بيشتر ¬بوده، به¬طوري¬كه در اين سطوح تنشي، تا صد درصد افزايش در عمر خستگي كامپوزيت با درصد تقويت¬كننده بهينه مشاهده شد.
چكيده انگليسي :
To date, inuamerable research efforts has been followed, all trying to fix the aforesaid issues by enhancing wettability, reducing porosities, improving dispersion quality, deagglomerating reinforcing particles, in order to get the desired mechanical and material features. A wide variety of chemical, thermal, coatings, or mechanical treatments has been examined to date, each with some success. For example, those reactive wetting methods usually alter the chemical composition and that the thermal treatments may adversely influence the final products. Mechanical treatments, either by impeller stirring or power ultrasonication, may greatly improve the final performance as unlike the others may not change the chemical composition and use excessive temperatures. It has frequently been reported that ultrasonic treatment may greatly facilitate grain refinement, eliminate the entrapped gasses, reduce porosities and voids. As of composite manufacturing, ultrasonication could improve dispersion and distribution quality of reinforcing agent by acoustic pressure, cavitation and streaming, being the most dominant ultrasonic consequences of applying high-frequency vibratuons. The initiation, growth and then collapse of the cavitation bubbles could enourmously facilitate the de-agglomeration of reinformcements even at nanoscales. Here in this study, it is aimed to improve the mechanical properties of cast metal matrix nanocomposite made of A356 reinforced as base alloy reinforced by nanometric silica powder of different weight fractions, namely 0.0, 0.125, 0.25, and 0.375 wt.%, named as C0, C2, C4 and C6, respectively. A particular attention is focused on the fatigue performance as the cyclic behavior of cast metal matrix composites have almost always been inferior than their monolithic materials. It is found that ultrasonication has a great potential to improve both static and fatigue properties. Among the different weigth fractions, the sample with 0.125 wt.% silica nano reinforcement (C2) exhibited the highest toughness and elongation values being vital parameters dictating the fatigue response; therefore, the mentiond composite was determined to compare its fatigue behavior with that of un-reinforced alloy. Unlike those studies reported in the literature wherein their fatigue of composite is usually lower than its corresponding neat alloy, a 100% improvement in fatigue life was obtained when the C2 composite was fatigued in high-cycle regimes of applied stresses. When the magnitude of stress goes up, the reinforcing effect of the silica particles may diminish to gradually reach to the values seen from the un-reinforced samples. By further increasing the applied cyclic stresses, this is the fatigue life of the monolithic sample becoming better than the composite. In other words, there is a stress threshold of ~45MPa, below of which the fatigue behavior of C2 is better than C0 and vise versa. The two competing effects in the present composite system is (i) the positive influencing effect of solid reinforcemnts against dislocation/crack propogation/duplications as well as the grain refinement induced by hoteregenous nucleation due to the presence of homogenously dispersed nano-scaled particles throughout the melt matrix during solidification, and (ii) the adverse consequence of reinforcement-matrix interfacial micro-/nano- voids or decohesion being potential sites for crack initiation, nucleation, growth and early brittle fracture. Finally, it is concluded that proper sonication may improve dispersion efficiency, de-agglomerate the solid particles, boost the wetting conditions, all leading to enhanced microstructural and mechanical properties.
استاد راهنما :
عليرضا فدائي تهراني , بهزاد نيرومند
استاد مشاور :
امير عبداله
استاد داور :
رضوان عابديني , محمدجواد ناطق , محمد مشايخي , علي مالكي
لينک به اين مدرک :

بازگشت