ساخت کامپوزیت Al413/Ni/Al3Ni با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی و مشخصه یابی آن word

 

فهرست مطالب

فهرست مطالب هشت

فهرست اشکال یازده

فهرست جداول شانزده

چکیده1

فصل اول: مقدمه

1-1-مقدمه2

فصل دوم: مروری بر منابع

2-1-معرفی و تاریخچه4

2-2-طبقه­بندی آلیاژهای آلومینیوم4

2-3-معرفی آلیاژ A4135

2-4-فرایند اصطکاکی اغتشاشی6

2-5-تحولات ریزساختاری در اثر انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی8

2-5-1-ناحیه اغتشاش یافته8

2-5-2-ناحیه متاثر از عملیات ترمومکانیکی9

2-5-3-ناحیه ی متاثر از حرارت9

2-6-پارامترهای فرایند اصطکاکی اغتشاشی10

2-6-1-هندسه ابزار10

2-6-2-سرعت چرخشی و سرعت خطی11

2-7-استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی جهت اصلاح ریزساختار آلیاژهای ریختگی آلومینیوم12

2-8-ساخت کامپوزیت­های سطحی زمینه فلزی و روش­های ایجاد آن با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی15

2-8-1-روش دوغابی16

2-8-2-روش شیار باریک17

2-8-3-پاشش حرارتی17

2-9-تحقیقات انجام شده در زمینه ساخت کامپوزیت سطحی با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی18

 

2-10-سایش، انواع و مکانیزم­های آن24

2-10-1-سایش خراشان24

2-10-2-سایش چسبان27

2-10-3-سایش ورقه­ای28

2-10-4-منحنی مشخصه سایش29

2-11-تاثیر فرایند اصطکاکی اغتشاشی بر خواص و رفتار سایشی آلیاژهای آلومینیوم31

2-12-ارزیابی رفتار سایشی کامپوزیتهای ایجاد شده توسط فرایند اصطکاکی اغتشاشی34

2-13-بهینه سازی به روش تاگوچی37

2-14-جمع بندی مرور مطالعاتی و هدف تحقیق حاضر38

فصل سوم: مواد، آزمایش­ها و روش انجام تحقیق

3-1-مقدمه40

3-2-مواد اولیه مورد نیاز40

3-3-آماده سازی نمونه­ها42

3-4-تجهیزات مربوط به فرایند اصطکاکی اغتشاشی42

3-5-روندنمای انجام تحقیق43

3-6-اجرای فرایند اصطکاکی اغتشاشی44

3-7-بهینه سازی با استفاده از روش تاگوچی45

3-8-ارزیابی ریزساختار45

3-9-محاسبه کسر سطحی ذرات تقویت کننده45

3-10-آزمون پراش پرتو ایکس46

3-11-آزمون سختی46

3-12-آزمون سایش46

فصل چهارم:نتایج وبحث

4-1-انتخاب پارامترهای مناسب جهت انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی48

4-2-بهینه سازی به روش تاگوچی55

4-2-1-طراحی آزمایش به روش تاگوچی55

 

4-2-2-آنالیز آماری56

4-2-3-آنالیز واریانس61

4-3-مشخصه­یابی نمونه بهینه63

4-4-تشکیل ترکیبات بین فلزی از دید ترمودینامیک و بررسی سینتیک آن68

4-5-بررسی اثر افزایش تعداد پاس70

4-5-1-اثر افزایش پاس بر ریزساختار70

4-5-2-اثر افزایش پاس بر ریزسختی76

4-6-بررسی رفتار سایشی ­آلیاژ A413 و کامپوزیت A413/Ni/Al₃Ni77

4-6-1-سایش دما پایین77

4-6-2-سایش دما بالا82

فصل پنجم: نتیجه گیریو پیشنهادات

5-1-نتایج کلی88

5-2-پیشنهادات جهت ادامه این پژوهش89

مراجع90

پیوست 196

 

فهرست اشکال

شکل 2-1. طبقه­بندی کلی آلیاژهای آلومینیوم5

شکل 2-2. نمایی از جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی7

شکل 2-3. نواحی مختلف ریزساختاری در آلیاژ آلومینیوم اصطکاکی اغتشاشی شده 70758

شکل 2-4. ریزساختارناحیهمتاثرازعملیاتترمومکانیکیدرآلیاژآلومینیوم70759

شکل 2-5. انواع مختلف پروفیل­های ابزار فرایند اصطکاکی اغتشاشی10

شکل 2-6. تاثیرهندسهپینبرسختیناحیهاغتشاش یافته11

شکل2-7. اندازه دانه ناحیه اغتشاش یافته در آلیاژ آلومینیوم 7075 با پارامترهای فرایند مختلف12

شکل 2-8 . ریزساختار ریختگی آلیاژ A356، الف) ساختار دندریتی و ب) توزیع بین دندریتی ذرات سیلیسیم13

شکل 2-9. تصویر میکروسکوپی نوری نشان دهنده شکل و توزیع ذرات سیلیسیم در آلیاژ A356 پس از انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی14

شکل 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 دقیقه15

شکل 2-11. نمایی از روش شیاری18

شکل 2-12. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از کامپوزیت سطحی Al/SiC ، الف) بدون اچ و ب) با اچ و بزرگنمایی بیشتر18

شکل 2-13. توزیع سختی نمونه اصطکاکی اغتشاشی شده A356 با و بدون ذرات SiC19

شکل 2-14. تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از الف) توزیع ذرات نیکل در ناحیه اغتشاشی و ب) فصل مشترک بین زمینه و ذره19

شکل 2-15. الف) تصویر پراش الکترونی برگشتی از ناحیه اغتشاش یافته و ب) توزیع زوایای عدم تطابق20

شکل 2-16. الف) نقشه مرزهای دانه در زمینه، ب) مرزهای با جهت­گیری مخلوط و ج) مرزهای مخلوط با تطابق کم و بزرگ زاویه20

شکل 2-17. الگوی پراش پرتو ایکس کامپوزیت آلومینیوم-نیکل21

شکل 2-18. پروفیل ریزسختی ناحیه اغتشاش یافته کامپوزیت آلومینیوم-نیکل21

شکل 2-19. دیاگرام فازی آلومینیوم-نیکل23

شکل 2-20. پروفیل ریزسختی ناحیه اغتشاش یافته ورق آلومینیومی 110023

شکل 2-21. نمونه­ای از سایش خراشان25

شکل 2-22. سایش خراشان الف) دو جسمی و ب) سه جسمی25

شکل 2-23. اثرنسبتسختیفلزبهمادهسایندهبرمقاومت به سایش26

 

شکل 2-24. مکانیزم­هایسایشخراشان27

شکل 2-25. مکانیزم­هایمختلفگسیختگیاتصالاتسطحیوسایشچسبان28

شکل 2-26. الگویی از یک منحنی سایش نمونه30

شکل 2-27. انواع مختلف منحنی مشخصه سایش30

شکل 2-28. تغییرات کاهش وزن در مقابل مسافت لغزش آلیاژ A356 فرایند شده با پارامترهای مختلف و آلیاژ A356 فرایند نشده32

شکل 2-29. تغییرات نرخ سایش در مقابل مسافت لغزش32

شکل 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.33

شکل 2-31. نمودار کاهش وزن نمونه­های آلیاژ A356 فرایند شده و کامپوزیتی35

شکل 2-32. نمودار تغییرات ضریب اصطکاک نمونه­های آلیاژ A356 فرایند شده و کامپوزیتی35

شکل 2-33. تصویر میکروسکوپی الکترونی از الف) سطح ساییده شده و ب) زیر سطح کامپوزیت A356/SiCp36

شکل 2-34. تصویر میکروسکوپی الکترونی از الف) سطح ساییده شده و ب) زیر سطح کامپوزیت A356/SiCp/MoS₂36

شکل 2-35. تغییرات نرخ سایش کامپوزیت‌های الف) A390/Al₂O₃ و ب) A390/Gr با افزایش سرعت چرخش ابزار37

شکل 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 دقیقهه38

شکل 3-1. الگوی پراش پرتو ایکس آلیاژ آلومینیوم ریختگی A41341

شکل 3-2. تصویر میکروسکوپی الکترونی از ذرات نیکل41

شکل 3-3. الگوی پراش اشعه ایکس پودر نیکل41

شکل 3-4. تصویر نمونه اولیه آماده شده و شیار روی آن42

شکل 3-5. شماتیک ابزارهای به کار برده شده جهت انجام فرایند اصطکاکی اغتشاشی و ابعاد آن­ها43

شکل 3-6. روندنمای انجام پروژه43

شکل 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 درجه44

شکل 3-8. نمایی از دستگاه سایش پین بر روی دیسک دمای محیط.47

شکل 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.49

شکل 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) می‌باشند50

شکل 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 دقیقه51

شکل 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 دقیقه52

شکل 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 دقیقه54

شکل 4-6. نمودار میانگین نسبت سیگنال به نویز برای کاهش وزن در مقابل تغییرات هر پارامتر بر اساس معیار هر چه کمتر بهتر59

شکل 4-7. نمودار میانگین نسبت سیگنال به نویز برای ریزسختی در برابر تغییرات هر پارامتر بر اساس معیار هر چه بیشتر بهتر60

شکل 4-8. میزان درصد مشارکت هر پارامتر برای مقادیر الف) ریزسختی و ب) کاهش وزن60

شکل 4-9. تصویر ماکروسکوپی از نمونه ایجاد شده با شرایط بهینه64

شکل 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.65

شکل 4-11. ریزساختار ناحیه متاثر از عملیات ترمومکانیکی در مرز ناحیه اغتشاش یافته نمونه بهینه با زمینه در سمت پیش­ران66

شکل 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)67

شکل 4-13. آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی از فصل مشترک ذره نیکل با زمینه و نتایج آن67

شکل 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 پاس71

شکل 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.73

شکل 4-17. نمونه­ای از تصویر مورد استفاده برای نرم افزار clemex و محاسبه نسبت بزرگترین به کوچکترین طول و میزان کروی شدن ذرات سیلیسیم درآن74

شکل 4-18. تصویر میکروسکوپی نوری از ریزساختار نمونه‌های الف) تک پاس، ب) سه پاس و ج) پنج پاس75

شکل 4-19. تغییرات نسبت بیشترین به کمترین طول با افزایش تعداد پاس75

شکل 4-20. تغییرات میزان کروی شدن ذرات سیلیسیم با افزایش تعداد پاس76

شکل 4-21. تغییرات سطح ذرات سیلیسیم با افزایش تعداد پاس76

شکل 4-22. پروفیل ریزسختی نمونه‌های یک پاس، سه پاس و پنج پاس77

شکل 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 متر78

شکل 4-24. تغییرات ضریب اصطکاک در مقابل مسافت لغزش در دمای اتاق، مسافت 600 متر و نیروی 25 نیوتن79

شکل 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 خراشان79

شکل 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 شده80

شکل 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 سیاه81

شکل 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)82

شکل 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 متر83

شکل 4-30. تغییرات ضریب اصطکاک در مقابل مسافت لغزش در دمای 250 درجه سانتی‌گراد، نیروی 25 نیوتن و مسافت لغزش 600 متر84

شکل 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 عمق86

شکل 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 تورق86

شکل 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 جداول

جدول 2-1. ترکیب شیمیایی استاندارد آلیاژ A413 بر حسب درصد وزنی6

جدول 2-2. مقایسه خواص مکانیکی آلیاژ A413 با برخی از آلیاژهای ریختگی مشابه6

جدول 2-3. مکانیزم­های سایش بر اساس فرایندهای سایش24

جدول 3-1. ترکیب شیمیایی آلیاژ A413 مورد استفاده بر حسب درصد وزنی40

جدول 4-1. نتایج آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی مربوط به شکل 4-149

جدول 4-2. نتایج آنالیز طیف نگاری تفکیک انرژی مربوط به شکل 4-2. شکل (ب) ترکیب بین فلزی Al₃Ni را نشان می­دهد50

جدول 4-3. پارامترهای مورد بررسی فرایند اصطکاکی اغتشاشی و سطوح انتخابی آن­ها55

جدول 4-4. جدول طراحی آزمایش به روش تاگوچی56

جدول 4-5. نتایج حاصل از اندازه­گیری میزان کاهش وزن نمونه­ها در اثر سایش و محاسبه نسبت سیگنال به نویز57

جدول 4-6. نتایج حاصل از اندازه­گیری ریزسختی ناحیه اغتشاش یافته و محاسبه نسبت سیگنال به نویز57

جدول 4-7. میانگین مقدار اندازه­گیری شده کاهش وزن برای سطوح مختلف هر فاکتور و میانگین نسبت سیگنال به نویز آن­ها58

جدول 4-8. میانگین مقدار اندازه­گیری شده ریزسختی برای سطوح مختلف هر فاکتور و میانگین نسبت سیگنال به نویز آن­ها60

جدول 4-9. نتایج آنالیز واریانس برای مقادیرکاهش وزن62

جدول 4-10. نتایج آنالیز واریانس برای مقادیر ریزسختی62

جدول 4-11. تغییرات انرژی آزاد موثر تشکیل ترکیبات بین فلزی آلومینیوم – نیکل70

چکیده

در 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 تاگوچی

فصل اول

مقدمه

1-1-مقدمه

در 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 19911 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 دوم

مروری بر منابع

2-1-معرفی و تاریخچه

در 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 آلومینیوم

آلیاژهای کارپذیر با استفاده از فرایندهای شکل­دهی (به حالت­های سرد وگرم) تولید می­شوند، در حالی­که فرایند اصلی

در 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 A413

آلیاژ 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.