بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهبود مقاومت به سايش و خواص اصطکاکي مس خالص با روش فرآيند اصطکاکي اغتشاشي (FSP)
چکيده
فرآيند اصطکاکي اغتشاشي(FSP) براي توليد لايه سطحي ريز دانه روي ورق مسي در حالـت جامـد بـه کـار بـرده شد. اعمال يک پاس اين فرآيند باعث کاهش اندازه دانه از در حالت آنيل شده بـه در حالـت FSP شده ، ميشود. کاهش اندازه دانه باعث افزايش سختي و در نتيجه افزايش مقاومت به سايش به ميزان %٢٣و کاهش ضريب اصطکاک به ميزان %١١مي گردد. علت افزايش مقاومت به سايش به تغيير مکانيزم سايش از چسبنده غالـب در حالت آنيل شده به سايش اکسيداسيون و سـايا در حالـت FSP شـده نسـبت داده شـده اسـت . همچنـين کـاهش ضريب اصطکاک به دليل سخت تر شدنِ شکستن لايه هاي اکسيدي سطح به دليل افزايش سختي ميباشد.
واژه هاي کليدي : فرآيند اصطکاکي اغتشاشي، مقاومت به سايش ، ضريب اصطکاک، اندازه دانه
١. مقدمه
در سالهاي اخير، مطالعات روي خواص اصطکاکي و سايشي مواد ريز دانه به علت اهميت مقاومت به سايش در کاربردهاي مهندسي توجه زيادي را به خود جلب کرده است . نشان داده شده است که اصلاح ساختار دانه بندي منجربه بهبود قابل توجه مقاومت به سايش در بسياري از مواد ريزدانه ميشود. به عنوان مثال کاهش ضريب اصطکاکو افزايش مقاومت به سايش در اثر کاهش اندازه دانه و افزايش سختي در آلياژهاي مس - برليوم [1 ]، آلومينيوم [ 2]، نيکل [٣و4 ]، کبالت [٤]و فولاد کربن متوسط [٥]گزارش شده است . همچنين افزايش مقاومت به سايش در سطح مس با کاهش اندازه دانه ناشي از کارمکانيکي در سطح نيز گزارش شده است [٦]. هرچند بيشتر تحقيقات روي خواص سايشي مواد دانه ريز روي آلياژهاي دوفازي و کامپوزيت ها تمرکز کرده اند که در اين مواد، خواص سايشي و اصطکاکي ممکن است بوسيله فاکتورهاي زيادي علاوه بر اصلاح ساختار دانه بندي از جمله سخت شدن ناشي از تشکيل محلول جامد، رسوب سختي و همچنين سختي ناشي از وجود ذرات ثانويه در کامپوزيت ها تحت تأثير قرار بگيرد. مطالعات سيستماتيک روي سايش مواد دانه ريز خالص بسيار کم است که احتمالاً به دليل مشکلات در ايجاد ساختار دانه ريز در حجم يک ماده خالص است [٧].در بسياري از موارد، تخريب در مواد مهندسي مانند سايش و خستگي در سطح مواد رخ ميدهد. بنابراين ايجاد ساختار دانه ريز در سطح مواد خالص مي تواند باعث بهبود مقاومت به سايش سطح شود در صورتيکه ساختار دانه بندي حجم ماده حفظ شده است .
اخيراً عمليات اصطکاکي اغتشاشي که اختصارًا به آن FSP١ گفته ميشود به منظور اصلاح و بهبود ميکروساختار مواد بر پايه اصول اوليه FSW٢ گسترش يافته است . در فرآيند FSW يک ابزار در حال چرخش غيرمصرفي شامل پين و شانه که به شکل خاصي طراحي شده اند، وارد درز اتصال ميشود. ابزار در حال گردش تا زماني وارد درز اتصال ميشود که شانه ي ابزار با سطح قطعه کار تماس پيدا کند و آنگاه حرکت انتقالي ابزار در راستاي درز اتصال به همراه حرکت گردشي منجربه اتصال ميشود. در مورد فرآيند FSP ابزار درحال چرخش به درون قطعه ي يکپارچه و بدون درز اتصال فروبرده ميشود تا در اثر ايجاد ريزساختار ظريف ، به طور موضعي باعث بهبود خواص ، به ويژه خواص مکانيکي در حالت جامد شود (شکل ١)[٨].
٢. مواد و روش تحقيق
مواد اوليه مورد استفاده در اين پژوهش شامل :
١- مس خالص تجاري با خلوص %٩٩.٩به ضخامت mm٥،
شکل ١. شماتيک فرآيند اصطکاکي اغتشاشي (FSP)
٢- فولاد گرم کار کرم دار (H١٣) براي تهيه ابزار فرآيند اصطکاکي اغتشاشي (FSP)،
٣- فولاد ساده کربني ١٠٤٥ SAE براي تهيه ديسک آزمايش سايش بودند.
در ابتدا ورقهاي مسي بوسيله دستگاه برش گيوتين با ابعاد بريده شدند. سپس درون کوره در دماي و به مدت ٢ساعت آنيل شدند.براي ساخت ابزار فرآيند FSP از فولاد گرم کار کرم دار(H١٣) استفاده شد.قطر شانه ابزار mm٢٠، طول پين ابزار mm٣و قطر مؤثر پين ابزار mm٦٥بود.شکل پين ابزار مثلثي بود که به صورت شماتيک در شکل ٢نشان داده شده است . سپس تمامي ابزارها براي سخت شدن تحت سيکل عمليات حرارتي سخت کاري قرار گرفتند.ابتدًا ورق مس روي دستگاه FSP توسط فيکسچرهاي دستگاه محکم ميشد و سپس اين نمونه تحت عمليات اصطکاکي اغتشاشي قرارميگرفتند. سرعت چرخشي ابزار rpm١٦٠٠، سرعت حرکت ١-mm.min ٢٠ و زاويه شانه ابزار در تمامي نمونه ها ثابت و برابر ١.٥درجه انتخاب شد.
شکل ٢. شماتيک ابزار بکار برده شده .
براي تعيين ضريب اصطکاکو انجام آزمايش سايش از دستگاه سايش Pin-on-Disk استفاده شد. ديسک فولادي از جنس فولاد ساده کربني ١٠٤٥ SAE مطابق استاندارد ASTM G٩٩ به قطر mm١٠٠ تهيه شد و تحت عمليات حرارتي سخت کردن قرار گرفت . سختي ديسک بعد از عمليات حرارتي HRC٢±٦٠بود. سپس روي ديسک سخت شده مراحل سنباده کاري و پوليش انجام شد و آزمايش زبري سطح بر روي ديسک توسط زبري سنج Mahr انجام و ميزان Rmax برابر μm 0.6تعيين شد. نمونه هاي آزمايش تعيين ضريب اصطکاک پين هايي به قطر mm٥در امتداد ضخامت از مرکز نمونه توسط برش وايرکات تهيه شدند. سطح پين ها قبل از آزمايش کاملاً پوليش و با استون شسته شد. آزمايشها در دماي محيط ... ٢±٢٠و رطوبت محيط انجام شد.ميزان بار عمودي اعمال شده براي N١٠ و سرعت حرکت ديسک ١-m.s ٠.٣در نظر گرفته شد. براي تعيين ضريب اصطکاک، نمونه ها به مسافت m١٠٠٠ تحت آزمايش قرار گرفتند و نيروي اصطکاکو ضريب اصطکاک توسط نرم افزار دستگاه ثبت ميشد.در آزمايش سايش ابتدًا نمونه ها با ترازوي ديجيتال با دقت ٠.٠٠٠١گرم وزن ميگرديدو سپس به مسافت m١٠٠ تحت آزمايش سايش قرارميگرفت و سپس توسط محلول استون تميز ميشد تا ذرات ناشي از سايش روي سطح کاملاً زدوده شوندو مجددًا وزن ميگرديد تا کاهش وزن نمونه ناشي از سايش تعيين شود. اين عمل تا m١٠٠٠ (١٠مرحله ) انجام شد تا نرخ سايش کامپوزيت ها بدست آيد. نرخ سايش در اين پژوهش طبق رابطه زيرمحاسبه شد:
که W نرخ سايش بر حسب کاهش وزن ناشي از سايش بر حسب گرم ، Lبار اعمال شده بر حسب نيوتن و Dمسافت طي شده در حين آزمايش سايش بر حسب متر ميباشد.
بعد از مراحل آماده سازي متالوگرافي که شامل برش ، مانت ، سنباده ، پوليش و اچ بود، نمونه ها توسط ميکروسکوپ نوري و الکتروني روبشي (SEM) از نظر اندازه دانه مورد بررسي قرار گرفتند. محلول اچ مورد استفاده شامل و الکل (cc٩٦) بود.آناليز EDX براي تعيين مکانيزم سايش بر روي سطح نمونه هاي ساييده شده و ديسک سايش انجام شد. ميکروسختي نمونه ها برحسب سختي ويکرز با بکار بردن بار g٥٠ و براي مدت ١٠ثانيه انجام شد.
٣. نتايج و بحث
٣. ١. ميکروساختار و سختي
شکل ٣ساختار دانه بندي نمونه مس آنيل شده رانشان ميدهد. توسط نرم افزارآناليز تصوير اندازه متوسط دانه حدود m...١٦تخمين زده شد. تصوير SEM از ميکروساختار ناحيه اغتشاش يافته ١در سطح مس خالص FSP شده در شکل ٤آمده است . اندازه دانه در اين منطقه با نرم افزارآناليز تصوير حدود تخمين زده شد. کاهش اندازه دانه در اين منطقه به تغييرشکل شديد پلاستيک (SPD )ناشي از فرآيند و تبلور مجدد ديناميک ٢ به علت تغييرشکل پلاستيک برشي و حرارت دهي همزمان ناشي از اصطکاک، نسبت داده شده است [٩].
نتايج ميکروسختي نمونه هاي مس آنيل شده ومس FSP شده در شکل ٥آورده شده است .ميانگين سختي براي نمونه مس خالص آنيل شده μm٥٥ است . افزايش سختي در کناره هاي اين نمونه به دليل اثر کارسختي ناشي از برش با گيوتين است . ميانگين سختي در مناطق مرکز ناگت (منطقه اي به طول mm٧در مرکز نمونه ) HV١٤٥ است که اين افزايش سختي نسبت به نمونه آنيل شده به دليل کاهش اندازه دانه است . آزمايش سايش بر روي اين منطقه انجام شد.
٢.٣. بررسي اثر فرآيند FSP بر روي ضريب اصطکاک و مقاومت به سايش مس خالص
شکل ٦تغييرات ضريب اصطکاک بر حسب مسافت براي نمونه هاي مس آنيل شده و FSP شده را نشان ميدهد.
شکل ٥. نتايج سختي مس آنيل شده و FSP شده .
شکل ٦. تغييرات ضريب اصطکاک بر حسب مسافت طي شده در مس آنيل شده و مس FSP شده .
ميانگين ضريب اصطکاک در حالت پايدار براي مس آنيل شده حدود ٠.٨١و براي مس FSP شده حدود٠.٧٢است . بنابراين با اعمال يک پاس FSP ضريب اصطکاک حدود ٠.٠٩کاهش (حدود %١١)يافته است که به علت کاهش اندازه دانه و افزايش سختي است . اگرچه سختي اثر کمي روي ضريب اصطکاک دارد اما شواهدي وجود دارد که ضريب اصطکاک مواد سخت کمتر از مواد نرم است . کاربيد تنگستن ، کروم سخت و فولادهاي سخت ضريب اصطکاک پاييني دارند. هرچند مواد نرمي مانند گرافيت و سرب وقلع نيز وجود دارند که ضريب اصطکاک پاييني داشته باشند اما به طور کلي گفته شده است که ضريب اصطکاک با افزايش سختي يک ماده ، کاهش مييابد. براي بيان علت کاهش ضريب اصطکاک با کاهش اندازه دانه و افزايش سختي در ابتدا بايد ماهيت نيروي اصطکاک مورد بررسي قرار گيرد. همانگونه که در بيان قانون Amontons آمده است ، مساحت واقعي تماس Ar بين دو جسم فقط کسر کوچکي از مساحت تماس ظاهري است . اين به علت ناهمواري سطح است . در عمل تقريباً همه ي سطوح زبر هستند. برخي سطوح از قبيل شيشه يا فلزات پوليش شده ممکن است از نظر اپتيکي صاف به نظربرسند، اما صاف به نظر آمدن از نظر اپتيکي فقط به اين معني است که اندازه ناهمواريها کمتر از طول موج نور هست . درمقياس نانومتري اين سطوح هنوز ناهموار هستند. به علت اين ناهمواريها، سطوح فقط يکديگر را در برخي نقاط تماس ميکروسکوپي لمس ميکنند[١٠].در حقيقت نيروي
