بخشی از مقاله
چکیده
امروزه آلیاژهای منیزیم، بهدلیل دارا بودن نسبت استحکام به وزن مناسب، یکی از مواد جایگزین برای انواع فولادها و آلیاژهای آلومینیم در صنایع مختلف بهخصوص خودروسازی هستند. در این مقاله، آسیب خستگی دو آلیاژ منیزیم AZ91 و AZE911 تحت بارگذاری خستگی پرچرخه و تخمین عمر خستگی آنها با استفاده از روش مکانیک آسیب پیوسته، بررسی شده است. یکی از کاربردهای این آلیاژ، ساخت بلوک سیلندر موتور خودرو است، که با توجه به کارکرد بلوک سیلندر، بارگذاری آن، خستگی پرچرخه خواهد بود. برای این منظور، در ابتدا روابط مربوط به روش مکانیک آسیب پیوسته، استخراج شده و سپس، برای نتایج تجربی موجود - حاصل از آزمون خستگی پرچرخه خمشی دورانی - برای آلیاژ منیزیم AZE911 و AZ91، مدل تخمین پارامتر آسیب خستگی، ارائه خواهد شد. نتایج حاصل از روش مکانیک آسیب پیوسته نشان میدهد که میزان آسیب خستگی پرچرخه در آلیاژ منیزیم AZE911، در همان سیکلهای اولیه نسبت به آلیاژ منیزیم AZ91، بیشتر است و لذا با شیب کمتری، به مقدار یک میرسد. این در حالی است که بطور کلی، عمر خستگی پرچرخه آلیاژ منیزیم AZE911، بیشتر از آلیاژ منیزیم AZ91 است.
کلیدواژهها: مکانیک آسیب پیوسته، آلیاژ منیزیم، خستگی پرچرخه، قطعات موتوری.
مقدمه
از جمله مواردی که موجب کاهش آلایندگی خودرو میشود، سبک بودن وزن بدنه و موتور خودرو است، که این مهم با بهکارگیری آلیاژهای سبک در ساخت بدنه و قطعات موتور محقق شده است. در سالهای 2006- 2007 موتور N52 شرکت BMW بهدلیل استفاده از منیزیم در ساخت بلوک سیلندر و نیز آلومینیوم برای میللنگ، در زمره ده موتور برتر قرار گرفت که مهمترین ویژگی آن، وزن کم موتور و در نتیجه خودرو بود. همچنین، تولید کربندیاکسید خودروهای جدید که از آلیاژهای منیزیم استفاده میکنند، 156 گرم بر کیلومتر تخمین زده شده است که 70 درصد خودروهای دیگر است .[1] با وجود گرانتر بودن منیزیم بهدلیل آسان بودن ریختهگری و شکلدهی در صنایع خودروسازی، از نظر اقتصادی استفاده از این فلز و آلیاژهای آن مقرونبهصرفه است.
از میان آلیاژهای منیزیم، آلیاژهای گروه AZ و AM حدود 90 درصد آلیاژهای کاربردی در صنعت خودرو را تشکیل میدهند. در این بین آلیاژ AZ91 به دلیل استحکام بالا در دمای اتاق، استهلاک کمتر، مقاومت الکترومغناطیسی1، قابلیت ماشینکاری و ریختهگری عالی پرکاربردترین آنهاست .[2] افزایش مقدار آلومینیوم در آلیاژ منیزیم سبب افزایش سختی و استحکام آن میشود .[3] هم اکنون از این آلیاژها در ساخت اجزای ستون فرمان و صندلی، پیشخوان خودرو، قاب داخلی، سگدست، دستگیره و قاب درب، مخزن سوخت، مخزن روغن، جعبه دنده خودکار، پوسته اتصال کلاچ، چرخ خودرو و ...استفاده میشود .[4]
کاهش استحکام و مقاومت خوردگی آلیاژ AZ91 در دماهای بالای 150 درجه سانتیگراد مهمترین مشکلی است که از گسترش بیشتر این آلیاژ در صنعت جلوگیری میکند، که در این تحقیق اضافه کردن عناصر نادر خاکی2 به آن در جهت بهبود خاصیت خوردگی پیشنهاد میشود، که نسبت به دو روش پوششدهی و عملیات سطح مقرون بهصرفهتر بوده و از ایجاد تنشهای محیطی جلوگیری میکند. .[5] عنوان فلزات نادر خاکی به گروهی از عناصر با 57 تا 71 اطلاق میشود. اقتصادیترین روش برای افزودن این عناصر استفاده از میش متال3 است که یک آلیاژ از عناصر نادر خاکی است و ترکیبی مشابه سنگ معدن آن دارد .[6] آسیب، فرآیندی است برگشتناپذیر که با کاهش تدریجی مقاومت مکانیکی، زوال ماده را درپی دارد. مکانیک آسیب شاخهای از مکانیک جامدات است، که عوامل مکانیکی مؤثر در گسیختگی ماده را تحت بارگذاریهای مختلف، مورد مطالعه قرار میدهد. خستگی، گونهای از آسیب است که میتواند منجر به شکست ناگهانی قطعه گردد.
بارگذاری خستگی، در اثر تنشهای چرخهای که کمتر از تنش کششی نهایی یا حتی تنش تسلیم هستند، ایجاد میشود. خستگی میتواند روی هر جزء حرکتکننده یا بخشی از آن تأثیرگذار باشد، خوردو در جاده، بال و بدنه هواپیما، کشتی در دریا، راکتورهای هستهای و موتور جت همگی موضوعات شکست خستگی هستند. در مسأله خستگی، مهمترین راه برای ارزیابی عمر خستگی هنوز هم روشهای تجربی و آزمایشگاهی است .[7] خستگی پرچرخه4 یک نمونه شکست مرسوم در مهندسی است که زمانی رخ میدهد که ماده در معرض بارگذاری چرخهای با مقادیر تنش کم، اما چرخههای زیاد قرار میگیرد. اکثر اجزای ساخته شده در موتور خودرو تحت بارگذاری نوسانی بهویژه پرچرخه هستند؛ از این رو بررسی خستگی پرچرخه اهمیت ویژهای دارد .[8] مکانیک آسیب پیوسته5 یکی از ابزارهای مورد اطمینان برای تخمین عمر قطعات تحت بارگذاری خستگی پرچرخه است. در ادامه، خلاصهای از چندین تحقیق مرتبط با آلیاژهای منیزیم و سپس مکانیک آسیب پیوسته ارائه خواهد شد.
فردریک و شامن[9] 6، استفاده از منیزیم در خودروسازی را تحولی جدید در این صنعت دانستند و این عنصر را نه تنها جایگزین خوبی برای آلومینیوم و فولاد، بلکه به دلیل خاصیت بازیافت ساده آن، استفاده آن را بهجای پلاستیک پیشنهاد دادند. بیانی و صائبنوری [10]، رفتار خستگی حرارتی آلیاژ AZ91 را بعد از اضافه کردن عناصر نادر خاکی بررسی کرده و بهبود خواص این آلیاژ را در دماهای بالا، بهخصوص دماهای 170 و 210 درجه سانتیگراد، گزارش کردند. مختاری و همکاران [11]، اثر افزودن عناصر نادر خاکی را به آلیاژ منیزیم AZ91 برروی خستگی پرچرخه در دمای اتاق، مطالعه کرده و ای آلیاژ را جایگزین خوبی برای دو آلیاژ A356-T7 و A319 در ساخت قطعات خودرو پیشنهاد کردند. ایسنمیر7 و همکاران [12]، تغییر شکل و رفتار خستگی آلیاژ AZ91 را تحت بارگذاری نوسانی و یکنواخت در مقیاس میکروسکوپیک8 مطالعه کرده و عوامل شکست از جمله بههم پیوستن ترکهای ریز در ناحیه بارگذاری، را در آن بررسی کردند. چابوچه[13] 9، با بررسی جزئیات بیشتر، به بررسی جداگانه آسیب و مکانیک پیوسته برای خستگی پرچرخه و کمچرخه پرداخت. وی با بررسی دو نمونه سوپرآلیاژ IN100 و آلیاژ AU2GN بهطور مفصل به تشریح این روش پرداخت و در آخر، مکانیک آسیب پیوسته را روشی برای پیوند بین رفتار مکانیکی مواد و خواص آن و عیوب حاصل از آسیب معرفی نمود.
باتاچاریا و الینگوود [14] 1، پیشبینی شروع ترکهای خستگی را با استفاده از قوانین ترمودینامیک و براساس مکانیک آسیب پیوسته بررسی کردند و نشان دادند که آسیب خستگی از سطح ماده آغاز می-شود. ژاو2 و همکاران [15]، با درنظر گرفتن تاثیرات تنش میانگین و کرنش الاستیک معادلات پیچیده مکانیک آسیب پیوسته برای خستگی پرچرخه را سادهتر کرده و به شکل امروزی نزدیک کردند. جیانسن3 و همکاران [16]، اجزای دندانهدار و صاف را در همین زمینه بررسی کردند و نشان دادند که مکانیک آسیب پیوسته در خستگی برای بارهای پرچرخه و کمچرخه نه تنها برای سطوح صاف بلکه برای قطعات دندانهدار هم کاربرد دارد. شی4 و همکاران [17]،
خستگی پرچرخه سوپرآلیاژهای دارای مفاصل لحیمشده را با روش مکانیک آسیب پیوسته مورد بررسی قرار دادند. آنها برای نمونه از سوپرآلیاژ پایه نیکل DZ125 که در پرههای توربین کاربرد دارد، استفاده کردند. لیانگ5 و همکاران [18]، با توجه به اهمیت و بالا بودن فرکانس در بارگذاری پرچرخه فلزات را به دو دسته وابسته به فرکانس و غیروابسته تقسیم کردند، سپس مدلی برای تخمین عمر خستگی پرچرخه بر اساس مکانیک آسیب پیوسته ارائه کردند. مدل پیشنهادی برای تمام مواد کاربرد دارد. جوهونگ6 و همکاران [19]، مدلی برای تعیین عمر خستگی در روش مکانیک آسیب پیوسته با درنظر گرفتن تاثیر تنش میانگین ارائه دادند. آنها به بررسی خستگی پرچرخه پره-های موتور هواپیمای ساختهشده از آلیاژ TC4 پرداخته و انتهای پره را محل بیشترین آسیب دانستند.
دو7 و همکاران [20]، با بسط مکانیک آسیب پیوسته، مدلی برای محاسبه عمر خستگی پرچرخه جوشهای لببهلب که متاثر از تنش پسماند است، معرفی کردند. آپاهایا و اسریهایا[21] 8، با ترکیب روابط مکانیک شکست و مکانیک آسیب پیوسته، مدلی ارائه کردند و برای اثبات درستی معادلات، نمونه EN19 را آزمایش کردند. مطابق مروری بر مقالات انجام شده میتوان گفت که بررسی خواص و کارکرد آلیاژهای منیزیم و پیشبینی عمر خستگی مواد با روش مکانیک آسیب پیوسته توسط برخی از پژوهشگران، ارائه شد. در این مقاله، ضمن تأکید بر استفاده از آلیاژهای منیزیم AZ91 و AZE911 برای ساخت قطعات موتور خودرو، عمر خستگی این آلیاژها تحت بارگذاری سیکلی پرچرخه، بهصورت تجربی بهدست آمده و با استفاده از روش مکانیک آسیب پیوسته، تخمین زده شده است.
مواد و آزمونها
در این پژوهش، برای ساخت نمونههای استاندارد آلیاژ منیزیم AZ91 از عناصر منیزیم، آلومینیوم و روی خالص تجاری استفاده شده و منگنز بهصورت ترکیبی - Al-8%Mn - اضافه گردیده است . آلیاژ منیزیم AZE911 هم با اضافه کردن عناصر خاکی به میزان یک درصد وزنی، به مذاب آلیاژ منیزیم AZ91 بهدست آمده است. جزئیات بیشتر در مورد مواد، در مراجع 6] و [22 آمده است. جدول 1، درصد عناصر استاندارد دو آلیاژ منیزیم را نشان میدهد که با استاندارد [23] نیز مقایسه شده است. خواص مکانیکی آلیاژهای منیزیم AZ91 و AZE911 در جدول 2 ، قابل مشاهده است. همچنین، در شکل 1 نمودار تجربی تنش- کرنش آلیاژهای منیزیم AZ91 و AZE911 که براساس دادههای آزمون کشش رسم شده، قابل مشاهده است. نتایج فوقالذکر نشان میدهد که با اضافه شدن عناصر نادر خاکی به آلیاژ منیزیم پایه - AZ91 - ، خواص مکانیکی شامل استحکام تسلیم، استحکام نهایی، درصد تغییر طول، افزایش یافته است.
