بخشی از مقاله
چکیده
فوم های سلول بسته از آلیاژ Zn-1Ca به روش فوم سازی ذوبی و با استفاده از حبابزای هیدرید تیتانیم ساخته شدند. خواص فشاری فوم ها تحت شرایط شبه استاتیک مورد بررسی قرار گرفت. جهت بررسی ارتباط میان خواص مکانیکی و مورفولوژی، ساختار فوم ها مورد آنالیز میکروسکوپی قرار گرفتند. عامل اصلی پایداری فوم مذاب، وجود ذرات بین فلزی می باشد که به صورت درجا در مذاب ایجاد شده اند. نتایج نشان می دهند که رفتار تنش- کرنش فومهای Zn-1Ca مشابه رفتار سایر فوم های فلزی بوده و شامل سه ناحیه الاستیک خطی، پلاتو و تراکم است. بررسیها حاکی از آن است که خواص فشاری فومها به شدت وابسته به چگالی نسبی آنها میباشد.
واژگان کلیدی:فوم Zn-1Ca، خواص فشاری، چگالی نسبی، جذب انرژی
مقدمه
فوم های فلزی سلول بسته به صورت مخلوط انجماد یافته حبابهای گازی و یک مذاب فلزی تعریف میشوند . [1] این دسته از مواد، به عنوان مواد سازه ای با ترکیب منحصر به فردی از خواص همانند فوق سبک بودن، جذب انرژی، جذب صوت، میرایی ارتعاش و کنترل حرارتی مورد استفاده قرار گرفتهاند .[2] روشهای مختلفی برای تولید فومهای فلزی سلول بسته بکار گرفته شده اند .[3] در میان آنها، دو روش شامل متالورژی پودر و فوم سازی ذوبی از بیشترین کاربرد برای فوم سازی فلزات برخوردار هستند .[4] روش فوم سازی ذوبی که در آن پودر حباب زا به فلز مذاب افزوده می شود، از مطلوبیت بیشتری برخوردار است؛ چرا که بخاطر سادگی عملیات و هزینه پایینتر، امکان ساخت اقتصادیتر فومهای فلزی را فراهم میسازد.
در روش فوم سازی ذوبی، ماده حباب زا هماانند هیدرید تیتانیم به مذابی با ویسکوزیته بالا افزوده می شود. جهت جلوگیری از خروج و فرار حباب ها ویسکوزیته بالا ضروری است. تشکیل ذرات به صورت درجا و افزودن ذرات خارجی به مذاب، دو روش عمده برای افزایش ویسکوزیته میباشد.[5]در میان فوم های فلزی، آلیاژهای آلومینیوم و روی به جهت نقطه ذوب پایین و خواص ذوبی مناسب از ویژگی های فوم شوندگی عالی برخوردار هستند.[6] با اینکه اکثریت فوم های فلزی از آلومینیوم و آلیاژهای آن ساخته می شوند، بنا به دلایلی، فوم های ساخته شده از آلیاژهای روی نیز می توانند به اندازه فومهای آلومینیومی مهم تلقی شوند.
اولاً به دلیل مشابه بودن رفتار فوم شدن، می توان با ساخت فوم روی، مسائل موجود در فومسازی را مورد بررسی قرار داده و حتی مشکلات موجود در فوم های فلزی به خصوص فومهای آلومینیومی را برطرف ساخت. ثانیاً تولید فوم روی و آلیاژهای آن میتواند به گسترش محصولات فومی و ایجاد شدن کاربردهای جدیدتر بیانجامد.تا کنون چندین مطالعه در زمینه تولید و خواص فوم های آلیاژهای روی انجام شده است. کواسیک و همکاران [7] فوم Zn و ZnAl4Cu1 را به روش متالورژی پودر فراوری کرده و گزارش کردند که این مواد دارای خواص فشاری نسبتاً یکسانی با فوم های آلومینیومی در چگالی نسبی یکسان هستند. تحقیقات دیگری [8-12] نیز بر روی خواص مکانیکی فوم های Zn-22Al انجام گرفته است. در تحقیق حاضر، خواص فشاری فوم های آلیاژ Zn-1Ca ساخته شده به روش ذوبی با استفاده از حبابزای هیدرید تیتانیم مورد بررسی قرار گرفته است.
فعالیتهای تجربی
از شمش روی گرید SHG، % 99/99، برای تولید فوم ها استفاده شد. جهت همزدن مذاب، همزن فولاد زنگ نزن که با آلومینا پوشش داده شده بود، بکار برده شد. کلسیم فلزی، % 99/9 و پودر هیدرید تیتانیم، مش 325، % 99 از شرکت آلفا ایسر تهیه شدند. قطعات بریده شده از شمش روی - ~ 1000 g - در یک قالب فولادی پوشش داده شده با آلومینا توسط کوره مقاومتی ذوب شدند و کلسیم به میزان یک درصد وزنی در دمای 450 °C به مذاب افزوده شد. جهت فوم کردن مذاب Zn-1Ca، پودر هیدرید تیتانیم در همین دما افزوده شده و با سرعت 1200 rpm و به مدت 45 ثانیه همزده شد تا توزیع گردد.
سپس دمای مذاب تا 500 °C افزایش داده شد و به مدت 5 دقیقه در همین دما بدون همزدن نگهداری شد. سپس قالب از کوره بیرون آورده شده و برای انجماد سریع فوم مذاب، در آب کوئنچ شد. جهت رویت ساختار داخلی و وقوع کمترین تخریب به هنگام برشکاری، از روش ماشینکاری تخلیه الکتریکی - EDM - برای برش فوم ها استفاده شد. ساختار و هندسه فوم ها توسط آنالیز تصویری مورد بررسی قرار گرفتند. حفره های یک نمونه از فوم برش خورده، توسط رنگ مشکی پر شده و سپس پلیش کاری شد تا ساختار سطح مقطع آن آشکار گردد. تصاویر دیجیتالی از این سطح مقطع در بزرگنمایی های مختلف تهیه گردید و برای ازریابی اندازه سلول، نسبت انیزوتروپی سلولی و ضخامت دیواره توسط نرم افزار ImageJ v. 1.46h مورد استفاده قرار گرفت.
اندازه سلول میانگین به کمک شمارش تعداد تقاطعات سلولی در واحد طول یک خط مستقیم - NL - به موازات جهات اصلی اندازه گیری شد. رابطه استفاده شده به صورت d=1.5/NL=1.5Ɩ میباشد که در آن Ɩ، طول تقاطعی خطی میانگین و d اندازه سلول میانگین میباشد. نسبت انیزوتروپی سلولی به صورت Κ = Ɩ1/Ɩ2 تعریف گردید که در آن Ɩ1، بزرگترین اندازه سلول اصلی و Ɩ2، کوچکترین آن میباشد.[13] تخلخل کل نیز به کمک چگالی نسبی طبق رابطه - 1 - محاسبه گردید:که در آن، P، تخلخل کل و ρ و ρs به ترتیب چگالی فوم و چگالی ماده سازنده دیواره میباشد.نمونه های متالوگرافی توسط روش های متداول آن، آماده شده و میکروگراف لبه و دیواره سلولها توسط میکروسکوپ نوری Olympus DP25 تهیه شدند. الگوی پراش اشعه x برای تشخیص فازهای موجود در دیواره و لبه سلولها حاصل از دیفراکتومتر X’pert با تابش Kα کبالت مورد استفاده قرار گرفت.
برای ارزیابی خواص فشاری و ظرفیت جذب انرژی فوم ها، آزمون فشار تک محوری در دمای محیط انجام شد. نمونه های مکعبی شکل به ابعاد 20×20×20 mm3 توسط روش EDM برشکاری شدند. جهت حذف اثر اندازه که در فوم های فلزی گزارش شده است[14]، ابعاد نمونه بگونه ای انتخاب شد که نسبت ابعاد نمونه به اندازه سلول، ~13 بود. چگالی هر کدام از نمونه های مکعبی توسط اندازه گیری وزن و حجم آن ها محاسبه گردید. چگالی نسبی، ρ/ρs با در نظر گرفتن چگالی آلیاژ Zn-1Ca به میزان 7/1 g/cm3 تخمین زده شد. آزمون فشاری توسط دستگاه Instron مدل 6027 انجام شده و خروجی لودسل توسط یک کامپیوتر شخصی ثبت گردید. راستای آزمون فشاری با راستای فومشدن یکسان بود. تغییرشکل نمونه براساس حرکت فک دستگاه اندازهگیری گردید و کرنش با استفاده از ارتفاع اولیه نمونه محاسبه شد. تمامی تستها با نرخ کرنش ثابت 1× 10-3 s-1 انجام شدند.
نتایج و بحث
ماکروساختار فوم آلیاژ Zn-1Ca در شکل 1 نشان داده شده است. ساختار فوم Zn-1Ca به صورت حفرات یا سلول هایی با اندازههای مختلف و عمدتاً به شکل سلول بسته می باشد. چگالی متوسط فوم پس از حذف دیواره بیرونی به میزان 1/04 g/cm3 اندازه گیری شده است.توزیع اندازه سلول تقریباً وسیع بوده و از چند دهم میلیمتر تا 8 میلی متر را پوشش میدهد. با این حال، اکثر سلول ها کوچک بوده و اندازه سلول میانگین، 1/55 mm می باشد. نسبت انیزوتروپی سلولی به میزان 1/1 محاسبه شد. مقدار این نسبت نزدیک به واحد بوده و بیان می کند که رفتار فوم شوندگی تا حد زیادی همسانگرد بوده است و کشیدگی سلولی یا زه کشی به عنوان مشکل غالب مطرح نیست. ضخامت دیواره بررسی شده در قسمت های مختلف ماده فوم شده بین 25 تا 100 میکرون تخمین زده شد. تخلخل فوم اندازهگیری شده توسط رابطه - 1 - ، % 85/3 میباشد.
دمایی که در آن فوم سازی انجام شده است - 500°C - ، بطور قابل ملاحضه ای از دماهای فوم سازی موجود در آلومینیوم و آلیاژهای آن پایین تر است. دمای شروع تجزیه حباب زای هیدرید تیتانیم ~420 °C می باشد.[15] در دمای 500 °C سینتیک تجزیه و حباب زایینسبتاً کم بوده و این منجر به افزایش زمان فوم شدن کامل مذاب در مواد نقطه ذوب پایین همانند روی و آلیاژهای آن میگردد. این نیز به نوبه خود، موجب بهبود پایداری فوم مذاب گشته و از فرایند درشت شدن حباب ها جلوگیری می کند. با یک مقدار مناسب از حباب زا دردماهای نسبتاً کم که نرخ تجزیه نیز پایین است، حبابهای ایجاد شده، ظریف بوده و میتوان تا حدی فوم ظریف همگن ساخت.ریزساختار نمونه وار دیواره و لبه سلول های فوم Zn-1Ca در شکل 2 مشاهده می شود. الگوی پراش ماده دیواره - شکل - 3 مشخص می کند که ساختار متشکل از ذرات بین فلزی CaZn13 میباشد. این ذرات بین فلزی مطابق با نمودار فازی Ca-Zn تشکیل می گردند.[16] ذرات بین فلزی دارای اشکال بینظم و تا حدی کروی بوده و اندازه متوسط آن ها
