بخشی از مقاله
چکیده
هدف این پژوهش بررسی تاثیر سرعت سرد شدن و ریزساختار بر تنش پسماند در قطعات چدنی با گرافیت کروی میباشد. به این منظور یک مدل شبکهی تنشی مستطیل شکل طراحی شده و پس از قالبگیری در قالبهای ماسهای دارای یک مبرد و یک تغذیه، تغذیهی یکطرفه و تغذیهی دوطرفه، با مذاب چدن نشکن ریختهگری شد. اختلاف در سرعت سرد شدن نمونهها باعث تغییر در توزیع، درصد و اندازهی فازهای زمینه و گرافیت کروی و خواص مکانیکی و تنش پسماند در آنها میگردد. تنش پسماند و ریزساختار در قطعات ریخته شده، توسط نرمافزار المان محدود ProCast شبیهسازی گردید. تنش پسماند نمونهها با آزادسازی تنش به روش برشکاری اندازهگیری شد. نتایج تجربی و شبیهسازی از تطابق قابل قبولی برخوردار بودند.
کلمات کلیدی: تنش پسماند، ریزساختار، ریختهگری، چدن نشکن، تغذیه و مبرد.
مقدمه
امروزه بسیاری از صنایع مرتبط با تولید قطعات فلزی، تمایل به کاهش عملیات تکمیلی و مجدد روی قطعات تولیدی حاصله از ریختهگری، جوشکاری، عملیات حرارتی، شکل دادن فلزات و بسیاری از فرآیندهای تولیدی دیگر دارند. این عملیات اضافی به دلیل عیوب حاصله از این فرآیندها نظیر اعوجاج و ترک خوردگی می-باشد. تنش پسماند تنشی میباشد که در فرآیند تولید یا در حین سرویس در قطعه ایجاد شده و بهصورت قفل شده درون آن باقی میماند. بهطورکلی تنش پسماند زمانی بهوجود میآید که قسمتی از قطعه بهصورت غیر همگن نسبت به قسمتهای دیگر تغییر شکل، تغییر حالت یا تغییر ابعاد داشته باشد .[4-1]
اعوجاج قطعه در فرآیند ریختهگری نتیجه برهمکنش پیچیده و همزمان توزیع دمایی، تغییرات متالورژیکی و میدانهای تنش و کرنش در قطعه میباشد. تنش پسماند در فرآیند ریختهگری عمدتا از نوع تنشهای حرارتی میباشد که بهدلیل توزیع غیریکنواخت دما در قطعه ایجاد میگردد .[4] با توجه به فاصله هوایی ایجاد شده و بهدلیل وجود قید قالب و تغییر ضریب انتقال حرارت با پیشروی انجماد و انقباض قطعه، تحلیل حرارتی در فرآیند ریختهگری بسیار حساس میباشد. تحلیل همزمان این موارد در کنار یکدیگر بر پیچیدگی شبیهسازی تنش پسماند در فرآیند ریختهگری میافزاید .[5]
امروزه طراحیهای مبتنی بر آزمون و خطا جهت رسیدن به کیفیت مطلوب جای خود را به شبیهسازیهای عددی دادهاند که با استفاده از این روش میتوان توزیع و مقدار تنشهای پسماند را در قطعه پیشبینی کرده و طراحی آن را بهینه ساخت. عوامل عمدهی موثر بر تنش پسماند عبارتند از اثر قیدهای مکانیکی خارجی، ضریب انبساط حرارتی، مدول یانگ و سرعت سرمایش که تاثیر آنها بر ایجاد تنشهای پسماند در بسیاری از قطعات آزمایشگاهی و صنعتی بررسی شده است .[8-5] خواص مکانیکی و حرارتی چدنها تابعی از شکل، مقدار، اندازه و نحوهی توزیع فازهای زمینه و گرافیت میباشد. با افزایش درصد پرلیت استحکام کششی چدن افزایش مییابد. افزایش درصد فریت سبب کاهش استحکام و افزایش درصد ازدیاد طول میگردد.[9] همچنین افزایش درصد گرافیت موجب افزایش ضریب هدایت حرارتی چدن میگردد .[10]
مواد و روش تحقیق
برای اندازهگیری تنش پسماند در فرآیند ریختهگری از مدل شبکهی تنشی1 استفاده میشود. این مدل دارای مقاطعی با ضخامتهای مختلف میباشد، تا در اثر اختلاف سرعت سرد شدن قسمتهای مختلف، تنش پسماند در آن بهوجود آید. در این پژوهش از یک شبکهی تنشی مستطیل شکل برای بررسی تاثیر نحوهی انجماد بر تنش پسماند استفاده شد.
-1 طراحی مدل و مشزنی
در پژوهشهای اخیر برای اندازهگیری تنش پسماند در قطعات ریختگی چدنی از شبکههای تنشی مستطیلی با وزن تقریبی 4 تا 5 کیلوگرم استفاده شده است 6]و.[7 با توجه به محدودیتهای موجود در انجام کارهای آزمایشگاهی و هزینه بالای مواد مصرفی شارژ و قالب، در این پژوهش از مدلی با ابعاد کوچکتر استفاده گردید که هندسهی آن با استفاده از نرمافزار به اتوکد صورت 3 بعدی طراحی گردید. سپس تمام مدلها در محیط مشزنی نرمافزار المان محدود پروکست فراخوانی و پس از ایجاد قالب در اطراف آنها، تحت مشزنی سطحی و حجمی قرار گرفتند. اندازهی مش مدل و قالب بهترتیب 3 و 10 میلیمتر انتخاب شده و مدل و قالب با المانهای تتراهدرال مشزنی شدند. در پایان به کمک نرمافزار پروکست، آنالیز همزمان حرارتی- تنشی در یک چدن یوتکتیک با 3 روش مختلف ریختهگری - به عبارتی سه نحوهی انجماد مختلف - انجام شد - شکل . - 1
-2 آزمایشهای تعیین خواص ماده و انتخاب نوع رفتار ماده
خصوصیات حرارتی مورد نیاز که در تحلیل فرآیندهای ریختهگری مورد استفاده قرار میگیرند عبارتند از: هدایت حرارتی - K - ، دانسیته - - ، آنتالپی - H - ، کسر جامد - Fs - ،گرمای نهان ذوب - Lf - ،دمای ذوب و دمای انجماد Ts - و . - TL این خصوصیات با تعیین ترکیب شیمیایی، توسط نرمافزار محاسبه میگردند. خصوصیات تنشی مورد نیاز برای تحلیل تنشی عبارتند از مدول یانگ - E - ، نسبت پواسون - - ، ضریب انبساط حرارتی - - α، تنش تسلیم - - SY و کارسختی یا مدول پلاستیک. برای تعیین ضریب انبساط حرارتی از دمای محیط تا 1100 درجه سانتیگراد، آزمون دیلاتومتری مورد استفاده گرفت. برای انجام این آزمون از نمونههای استوانهای به قطر 5
