بخشی از مقاله
چکیده
پرس در کانالهای زاویهدار متقاطع یکی از مهمترین روشهای اعمال تغییر شکل پلاستیک شدید میباشد که در فرآوری مواد فوق ریزدانه و نانو ساختار مورداستفاده قرار میگیرد. در تحقیق حاضر تأثیر شعاع انحنای داخلی در محل تقاطع کانالها بر روی مشخصههای سیلان فلز و نحوه توزیع کرنش در نمونه موردبررسی قرارگرفته است. نتایج نشان میدهد که با افزایش شعاع انحنای محل تقاطع کانالها، ناحیه پر نشده از فلز در گوشه پایینی محل تقاطع و همچنین منطقه اعمال تغییر شکل کوچکتر شده و درنتیجه کرنش در نواحی پایینی نمونه افزایش پیدا میکند. همچنین نیروی لازم برای انجام فرایند با افزایش شعاع انحنای داخلی نمونه افزایش مییابد.
مقدمه
یکی از روشهای استحکامبخشی مواد فلزی ریز کردن ساختار دانهبندی آنها میباشد .[1] با کاهش اندازه دانهها در ساختار نهایی علاوه برافزایش استحکام، چقرمگی و سختی نیز افزایش مییابد .[2] یکی از روشهای ریز کردن دانهها تغییر شکل پلاستیک شدید - Severe Plastic Deformation- SPD - میباشد که طی چند دهه اخیر بهصورت گستردهای موردمطالعه قرارگرفته است .
پرس در کانالهای زاویهدار با مقاطع همسان - Equal - Channel Angular Pressing- ECAP یکی از این روشها میباشد [7] که به دلیل مزایای زیادی که نسبت به سایر روشها دارد بیشتر تحقیقات بر روی آن انجامگرفته است. در این روش نمونههای اولیه با سطح مقطع مربعی یا دایرهای شکل از داخل کانال قالب ECAP عبور داده میشود. قالب ECAP شامل دو کانال متقاطع با سطح مقطع یکسان میباشد. وقتی نمونه از قسمت متقاطع کانالها عبور داده میشود تغییر شکل شدیدی که ماهیت برشی دارد بر روی نمونه اعمال میشود.
ازآنجاییکه سطح مقطع نمونه در حین تغییر شکل ثابت باقی میماند، با تکرار فرایند میتوان تغییر شکل پلاستیک شدیدی را بر روی ماده موردنظر اعمال کرد
شماتیکی از فرایند ECAP در شکل - 1 - نشان دادهشده است. در این روش پارامترهای مختلفی بر روی میزان و یکنواختی تغییر شکل اعمالی تأثیرگذار میباشند. این پارامترها عبارتند از پارامترهای هندسی مانند زاویه قالب [9]، زاویه انحنای بیرونی[10]، شعاع انحنای درونی[11]، ضریب اصطکاک[12] و پارامترهای مربوط به ماده مانند ضریب حساسیت به نرخ کرنش و ضریب کارسختی ماده 13]و .[14 میزان کرنش پلاستیک اعمالشده بر روی نمونه، در هر مرحله عبور نمونه از تقاطع کانالها از رابطه - 1 - قابلمحاسبه است.
در رابطه - 1 - ، زاویه قالب و زاویه انحتای بیرونی محل تقاطع کانالها میباشد. در این رابطه فرض بر این است که میزان اصطکاک بین نمونه و قالب صفر بوده و کرنش بهصورت یکنواخت در تمام قسمتهای نمونه توزیعشده است. با بررسی منابع علمی در این زمینه، مشاهده میشود که اطلاعات مختصری در مورد تأثیر شعاع انحنای داخلی بر روی فرایند ECAP وجود دارد. همچنین تأثیر شعاع انحنای داخلی بر روی توزیع خرابی - Damage - در نمونه و پیشبینی نحوه شکست در نمونه در حین فرایند تغییر شکل موردبررسی قرار نگرفته است. بنابراین در این تحقیق با استفاده از شبیهسازی المان محدود، تأثیر این پارامتر بر روی میزان و توزیع کرنش اعمالی، نیروی پرس و توزیع خرابی در نمونه و شکست احتمالی نمونه موردبررسی قرارگرفته است.
مواد و روش تحقیق
در این تحقیق، بهمنظور بررسی تأثیر شعاع انحنای داخلی قالب بر روی نحوه سیلان و توزیع کرنش از تحلیل المان محدود دوبعدی استفادهشده است. نرمافزار مورداستفاده در تحقیق حاضر Deform 2D-11.2 میباشد. شبیهسازی با طراحی قالبی با زاویه 90 درجه و زاویه انحنای بیرونی صفر درجه انجام گرفت. ضریب اصطکاک بین قالب و نمونه برابر با 0/1 در نظر گرفته شد. نمونه اولیه از جنس آلومینیم خالص و با ابعاد 65×10 میلیمتر در نظر گرفته شد و سرعت حرکت سنبه 10 میلیمتر بر ثانیه انتخاب شد. در تمامی شبیهسازیها کلیه پارامترها بهجز شعاع انحنای داخلی کانالها ثابت در نظر گرفته شد تا بتوان تأثیر این پارامتر را بر روی مشخصههای سیلان ماده بررسی کرد. شکل 1 شماتیکی از فرایند پرس در کانالهای زاویهدار با مقاطع همسان را نشان میدهد.
نتایج و بحث
در شکل - 2 - نحوه توزیع کرنش در نمونههای تغییر شکل دادهشده مشاهده میشود. همانطور که مشخص است، توزیع کرنش در مورد هیچیک از شرایط نشان دادهشده یکنواخت نمیباشد که به ماهیت غیریکنواخت تغییر شکل بهوسیله ECAP میباشد. زمانی که شعاع انحنای داخلی کانالها صفر است، بزرگترین منطقه پر نشده در گوشه محل تقاطع کانالها مشاهده میشود.
تشکیل منطقه پر نشده از فلز باعث میشود که به قسمتهای پایین نمونه میزان کرنش کمتری اعمال شود. این مورد با کنتورهای آبی در قسمت پایین نمونه مشاهده میشود. با بررسی نحوه توزیع کرنش در نمونهها مشاهده میشود که با افزایش شعاع انحنای داخلی کانالها، منطقه پر نشده از فلز کوچکتر میشود و بهطور همزمان مقدار کرنش اعمالی بر قسمت پایینی نمونه افزایش مییابد.
بهطوریکه در شعاع انحنای 5 و 6 منطقه پر نشده از فلز موجود در گوشه محل تقاطع کانالها از بین رفته و میزان کرنش اعمالی به قسمتهای پایینی نمونهها از میزان کرنش اعمالی به قسمتهای بالایی نمونهها بیشتر میشود. در شکل - 3 - شبکه مربعی سبلان یافته - Flow Net - نمونهها نشان دادهشده است. مشاهده میشود که شبکههای مربعی با عبور از منطقه تغییر شکل تحت تغییر شکل برشی به شکل متوازیالاضلاع درمیآیند.
همچنین عیب برهمنهی - Folding Defect - که با فلش نشان دادهشده است با افزایش شعاع انحنای داخلی به منطقه تغییر شکل - محل تقاطع دو کانال - نزدیکتر میشود. علاوه بر این در شعاعهای انحنای بالاتر - شعاع انحنای 4 و 5 میلیمتر - المانهای قسمت پایینی نمونه تحت تغییر شکل شدید قرار میگیرند. در شکل - 4 - نحوه تغییرات کرنش پلاستیک در عرض نمونهها - از نقطه A تا نقطه B در شکل -2 - الف - - نشان دادهشده است. مشاهده میشود میزان کرنش اعمالی از سطح بالایی نمونه تا 6 میلیمتر پایین سطح تقریباً برابر با یک بوده و با تغییر شعاع انحنای داخلی تغییر چندانی نمیکند بااینحال در 4 میلیمتر پایین نمونه، میزان کرنش اعمالی با افزایش شعاع انحنا افزایش مییابد.
