بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به بررسی چگونگی ساخت و اندازهگیري خواص مکانیکی نمونههاي هدفمند ساخته شده به روش متالورژي پودر پرداخته شدهاست. در این تحقیق براي اولین بار در کشور، ماده هدفمند شامل عناصر پایه فولاد 316 و مس خالص ساختهشد. ابتدا با استفاده از روش آسیاکاري، پودرهاي مس و فولاد در فشار بالا بر روي هم انباشته شده - ایجاد چهار لایه با درصد عناصر متفاوت - و در ادامه با قرار دادن نمونه خام آنها در کوره خلا، عملیات زینتر صورت گرفته و در نهایت با انجام عملیات سنگ زنی، ضخامت نمونهها به اندازه مورد نظر رساندهشد. در ادامه با انجام آزمون تجربی بر روي هر یک از چهار لایهي نمونهها، مقادیر خواص مکانیکی لایهها محاسبه شد. در نهایت با تعریف یک تابع توانی، مقادیر خواص مکانیکی ماده هدفمند به صورت تابعی از مکان در راستاي ضخامت تقریب زدهشد.
مقدمه
در سال 1984 براي اولین بار محققان ژاپنی توانستند موادي به نام مواد هدفمند - FGM1 - را تولید کنند، که مقاومت به حرارت بالایی را داشتند و براي ایجاد سپر حرارتی در سازهها مورد استفاده قرار میگرفتند. همچنین این مواد، مقاومت به خوردگی، سایندگی و مقاومت بالاي شکست را دارا بودند. در سالهاي اخیر استفاده از مواد هدفمند به شکل جديتري مورد توجه قرار گرفته است؛ چنانکه این مواد در صنایع شیمیایی - غشاها و کاتالیستها - ، راکتورها و همچنین در مهندسی پزشکی - دندان مصنوعی و اندامهاي مصنوعی - مورد استفاده قرار میگیرند. همچنین با توجه به مقاومت بالاي این مواد در برابر کمانش حرارتی، کاربرد آنها در پوستههاي مخازن و توربینها افزایش پیدا کرده است.
مواد هدفمند در واقع نوعی از کامپوزیتها هستند که خواص آنها بهصورت تدریجی و پیوسته در طول آنها تغییر میکند. این تغییر تدریجی در خواص، ناشی از تغییر در درصد حجمی دو مادهي موجود در ساختار ماده هدفمند است .[1] با توجه به اینکه در این مواد یک پیوستگی در لایهها رخ میدهد، در نتیجه پدیده تورق دیگر امکانپذیر نیست؛ که در نهایت باعث میشود این مواد خواص مکانیکی بهتري را نسبت به کامپوزیتهاي لایهاي فراهم کنند. به طورکلی مواد هدفمند به دو گروه اصلی تقسیم میشوند. گروه اول به صورت صفحات نازك جهت پوششدهی بر روي اجسام دیگر به کار برده میشوند؛ که روشهاي آبکاري الکتریکی، پوششدهی شیمیایی و پاشش پلاسما در این گروه قرار میگیرند.
درحالی که در گروه دوم نمونههاي هدفمند به شکل مدل حجم دار تولید میشوند. روشهاي متالورژي پودر، قالبگیري تزریقی با پودر، فرآیند نفوذ، SFF و ذوب دوباره سرباره اي از جمله روشهاي ساخت نمونههاي هدفمند حجم دار هستند .[2] فرایند متالورژي پودر شامل فشردن پودر مواد فلزي یا سرامیکی در قالب مورد نظر در دمایی بالا - کمتر از نقطه ذوب - است. از این رو با نزدیک شدن اتمهاي ذرات مجاور، این ذرات به یکدیگر متصل میشوند. این روش با توجه به خصوصیت ذاتی آن در تولید مواد مرکب، امکان تنوع در ساخت مواد هدفمند باکیفیت و خواص مطلوب را ایجاد کردهاست.
در سالهاي اخیر استفاده از نمونههاي هدفمند فولاد-مس گسترش یافتهاست. در واقع اضافه کردن مقداري مس در فاز فولاد، باعث میشود خواص مخلوط آنها از جمله چگالی، میکروسختی، مدول الاستیسیته، ضریب انبساط حرارتی طولی و ضریب هدایت حرارتی تغییر کرده و این خواص در راستاي ضخامت نمونهها متغیر باشد و با توجه به کاربرد مورد نظر، میتوان درصد مناسبی از فولاد و مس را ترکیب نمود تا خواص مناسب براي آن کار به دست آید .[3] در این تحقیق ابتدا چگونگی ساخت نمونهي هدفمند شامل 4 لایه از مخلوط مس و فولاد 316 به روش متالورژي پودر شرح داده میشود. در ادامه با اندازهگیري خواص مکانیکی هر یک از لایهها با آزمون تجربی، براي هر یک از خواص مکانیکی، یک تابع توانی تعریف میشود. این تابع توانی مقدار خواص مکانیکی را بر حسب فاصله از لبه نمونه - در راستاي ضخامت - به دست میدهد.
روش تحقیق
در این تحقیق نمونههاي هدفمند 4 - لایهاي - فولاد 316 مس به روش متالورژي پودر ساخته شدهاست. این نمونهها داراي 4 لایه میباشند، که به ترتیب از لایه اول به لایه چهارم درصد جرمی فولاد %100، %67، % 33 و %0 میباشد. در جدول 1 ترکیبات شیمیایی هر لایه نشان داده شدهاست. براي ساخت این نمونههاي هدفمند از سیستم آسیاکاري با انرژي بالا استفاده شدهاست. براي تشکیل هر یک از لایهها، پودرها با درصد جرمی مناسب مطابق جدول 1 در دستگاه بالمیل - شکل1 الف - مخلوط شدند.
پودرهاي هر یک از لایهها بر روي هم در قالب فولادي به قطر 25 میلیمتر و ارتفاع 50 میلیمتر انباشته می شوند - شکل -1ب - . ضخامت هر یک از لایهها یک میلیمتر است. پودرهاي انباشته شده در دماي اتاق و فشار 500 مگاپاسکال فشرده میشوند. سپس این نمونه خام فشرده شده، به کوره خلا برده شده و تحت فشار 0/00001 میلی بار و دماي 1050 در جه سانتیگراد به مدت سه ساعت زینتر میشود. در نهایت سطح بالا و پایین نمونه هاي زینتر شده سنگزنی شده و ضخامت کل آن به چهار میلیمتر رساندهشد - شکل . - 2
با توجه به این که درصد عناصر موجود در نمونههاي هدفمند در راستاي ضخامت آنها متغیر است، بنابراین خواص مکانیکی نیز در این راستا تغییر میکند. به منظور مشخصهسازي خواص مکانیکی هر لایه از نمونههاي هدفمند ابتدا باید با استفاده از آزمونهاي تجربی مقدار خواص مکانیکی لایهها - در این تحقیق 4 لایه موجود در نمونه هدفمند - را اندازه گرفت. سپس با فرض آنکه مقدار خواص مکانیکی هر لایه در ناحیه هدفمند، تابعی از مکان آن است، با استفاده از تابع توانی، مقادیر خواص مکانیکی در هر فاصلهاي از ضخامت نمونه به دست میآید.
نتایج و بحث
در این تحقیق هر یک از نمونههاي هدفمند داراي دو لایه همگن فولاد 316 و مس و همچنین داراي دو لایه هدفمند شامل مخلوطی از مس و فولاد میباشد. بنابراین ابتدا هر کدام از لایههاي موجود در نمونه هدفمند به صورت جداگانه ساخته شده - شکل - 3 و پس از انجام آزمایش بر روي آنها، خواص مکانیکی آنها به دست آمد.
