بخشی از مقاله
چکیده
یکی از روش های اصلی و نوین که در چند دههی اخیر برای تولید مواد نانوساختار مورد توجه محققان قرار گرفته، اعمال تغییر شکل پلاستیک شدید بر روی نمونهی اولیه با دانههای درشت میباشد. از جمله ویژگیهای این روش بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی ماده می باشد. تغییر شکل پلاستیک شدید ایکپ - ECAP - یکی از بهترین روشهای تغییر شکل میباشد.
در این تحقیق شبیهسازی فرآیند تغییر شکل پلاستیک شدید ایکپ با نرمافزار آباکوس بهصورت سه بعدی بر روی آلیاژ منیزیم - AZ31 - انجام شده است. سپس نتایج به دست آمده با روابط تحلیلی و نتایج تجربی و عددی محققان دیگر مقایسه شده است. مقایسه فوق حاکی از این است که نتایج پژوهش حاضر از اعتبار خوبی برخوردار است. همچنین نیروی لازم برای اعمال تغییر شکل پلاستیک شدید، کرنش ایجاد شده و کیفیت ماده نانو ساختار ایجاد شده، مورد بررسی قرار گرفته است. بررسیها نشان میدهد که در قسمتی از شمش که در سمت زاویه کانال قرار دارد موارد نانو ساختار با کیفیت بهتری شکل گرفته است.
مقدمه
با پیشرفت علم و تکنولوژی بهخصوص در دو دههی اخیر مواد با دانهبندی بسیار ریز1 در حد نانومتر و یا چند صد نانومتر - کمتر از میکرون - به دلیل برخورداری از خواص مکانیکی و فیزیکی ویژهشدیداً مورد توجه محققان قرار گرفته است. خواص مکانیکی و فیزیکی مواد کریستالی تحت تأثیر فاکتورهای متعددی میباشند که اندازه متوسط دانه در تعیین این خواص تأثیر بسزایی دارد. طبق رابطهی - 1 - که به رابطهی هال- پچ معروف است، استحکام ماده با عکس مجذور اندازهی دانهی آن ارتباط دارد؛ به عبارت دیگر با کوچک شدن اندازهی دانه، استحکام ماده افزایش مییابد .
که در رابطهی بالا تنش تسلیم، استحکام شبکه، ثابت تسلیم که به جنس ماده بستگی دارد و d اندازه دانه است. بررسیهای مختلف نشان داده است که خواص مطلوب زمانی حاصل میشود که اندازه دانه مواد در حد میکرون و ممولاًع زیر 1 میکرون باشد به عبارت دیگر مواد حاصل در زیر مجموعه نانو مواد قرار گیرند
به طور کلی روشهای تولید مواد با دانه بندی بسیار ریز، به دو دسته تقسیم میشوند. دسته اول روشهایی که از ابتدا به تولید مواد با ساختار ریز و نانو میپردازد. دسته دوم روشهایی هستند که با استفاده از اعمال کرنشهای خیلی زیاد و بارهای ضربهای به مواد با دانه بندی معمولی، سبب ریز شدن ساختار و دانهبندی این مواد میشوند. مزیت عمده دسته دوم این است که هیچ محدودیتی در اندازه قطعه تولیدی وجود ندارد، از طرف دیگر توسط این روشها میتوان دامنه زیادی از آلیاژهای مختلف را تولید کرد
یکی از رویکردهای جدید و روشهای اصلی دسته دوم برای تولید مواد نانو کریستال - NC - 2، اعمال تغییر شکل پلاستیک شدید - SPD - 3 بر روی نمونهی اولیه با دانههای درشت میباشد. در این روش با اعمال کرنشهای شدید به نمونه، طی چندین مرحله اندازهی دانههای آن تا مقیاس نانومتری کاهش مییابد
از آنجایی که تغییرات ابعادی ماده میتواند مانعی در مقابل میزان کرنش اعمالی باشد، لذا اکثر روشهای SPD به نحوی طراحی شدهاند که ابعاد نمونه در حین فرآیند ثابت مانده و تغییر نمیکند. فرآیند اکستروژن در کانال زاویه دار - ECAP - 4 به نوعی مادر روشهای SPD محسوب میگردد. اصول ابتدایی و کلی روش ایکپ به این صورت است که با عبور قطعه کار از یککانال زاویه دار - معمولاً با زاویه نزدیک به 90 درجه - باعث ایجاد کرنش برش بالایی در قطعه کار میشود. شکل 1 نمایی از فرآیند ایکپ را نشان میدهد. در این فرآیند ابعاد قطعه کار تغییر نمیکند بنابراین میتوان فرآیند را چندین مرتبه تکرار کرد. با تکرار فرآیند کرنشها انباشته میشوند و میتوان در مجموع به کرنشهای خیلی زیاد دستیابی پیدا کرد .همین کرنشهای بالا نقش اصلی را در ریز کردن ساختار ماده و نانو مواد دارند
شکل :1 فرآیند تغییر شکل پلاستیک شدید ایکپ
با توجه به سطح مقطع نمونهی تحت فرآیند ایکپ - ECAP - ، میتوان مسیرهای5 مختلفی برای این فرآیند انتخاب نمود .[10] این مسیرها میتواند شامل چرخاندن نمونه برای پاس بعدی به میزان 180 درجه حول محور اصلی نمونه و یا 90 درجه - در صورت وجود تقارن - و همچنین شامل سر و ته کردن نمونه باشد. برخی از این مسیرها تنها برای نمونههای با مقطع چند ضلعی قابل اعمال است. شکل 2 نمونهای از این مسیرها را که بهعنوان مسیرهای اصلی هستند، مشخص کرده است. هر کدام از این مسیرها، میدانهای تنشهای متفاوتی در نمونهها ایجاد میکند.
شکل :2 مسیرهای مختلف اصلی در روش فرآیند تغییر شکل پلاستیک شدید ایکپ
با توجه به فرآیند ایکپ هدف اعمال کرنش در قطعه کار است و با استفاده از روابط تئوری میتوان میزان کرنش اعمالی در طول فرآیند را محاسبه نمود. واهاشی و همکارانش [12] برای اولین بار در سال 1996 رابطهی زیر را
برای محاسبهی کرنش پلاستیک مؤثر - - در فرآیند تغییر شکل پلاستیک شدید ایکپ ارائه نمودند.
که Ø زاویه کانال، زاویه گوشه و N تعداد تکرار فرآیند است.
نیروی شکلدهی یکی دیگر از پارامترهای مهم در فرآیند ایکپ میباشد که آلکورتا و همکارانش [13] در سال 2003 میلادی رابطهی زیر را برای محاسبهی فشار وارده به سنبه در فرآیند تغییر شکل پلاستیک شدید ایکپ را ارائه نمودند.
ضریب استحکام6، n ضریب کار سختی، زاویه کانال و که زاویه گوشه است. در این پژوهش فرآینداکستروژن در کانالهای هممقطع زاویهدار برروی آلیاژ منیزیم با نرمافزار آباکوس شبیهسازی شده است. همچنین با استفاده از روابط تحلیلی نیروی شکلدهی و کرنش پلاستیک موثر نیز محاسبه میشود. در نهایت نتایج حاصل شده از شبیهسازی با نرمافزار آباکوس با روابط تحلیلی و همچنین با نتایج تجربی و شبیهسازی با نرمافزار دیفرم توسط دیگر محققان مقایسه شده است.
-2مواد و روش پژوهش
فرآیند تغییر شکل پلاستیک شدید ایکپ شامل سه قسمت قالب، سنبه و شمش میباشد و همگی بهصورت سه بعدی شبیهسازی شدهاند. قالب با ابعاد - 75×75×15 - میلیمتر که مجرای قالب با زاویه کانال - و زاویه گوشه - در داخل قالب خالی شده است و بهصورت یکپارچه در نرمافزار اینونتور مدل و سپس بهصورت صلب گسسته7 در نرمافزار آباکوس وارد شده است. شکل 3 نمای برش خورده از قالب را نشان میدهد.
