بخشی از مقاله
چکیده
یکی از روشهای تولید مواد با خواص مکانیکی و فیزیکی ارتقاء یافته برای تولید مواد نانوساختار که مورد توجه محققان قرار گرفته، اعمال تغییر شکل پلاستیک شدید بر روی نمونهی اولیه با دانههای درشت میباشد. . در این روش با اعمال کرنش های شدید به نمونه، طی چندین مرحله اندازهی دانههای آن تا مقیاس نانومتری کاهش می یابد و این امر باعث بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی ماده میشود. یکی از بهترین روشهای تغییر شکل پلاستیک شدید روش اکستروژن در کانال های هم مقطع زاویهدار میباشد .
در این تحقیق شبیهسازی فرآیند اکستروژن در کانالهای هم مقطع زاویهدار با نرمافزار آباکوس بهصورت سه بعدی بر روی آلیاژ هوایی آلومینیوم 2024 انجام شده است. سپس نتایج به دست آمده با روابط تحلیلی 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. بررسی ها نشان می دهد که در قسمتی از شمش که در سمت زاویه کانال قرار دارد موارد نانو ساختار با کیفیت بهتری شکل گرفته است.
مقدمه
برای تولید مواد با خواص مکانیکی و فیزیکی ارتقاءیافته روشهای زیادی وجود دارد. یکی از روشهای مرسوم و دارای سابقه آلیاژسازی عناصر مختلف است که این روش علاوه بر هزینه بالای آن، دارای محدودیت در خواص محصول میباشد. یکی دیگر از روشهای تولید مواد با خواص مکانیکی و فیزیکی ارتقاءیافته استفاده از مواد با دانهبندی بسیار ریز 1 - UFG - میباشد.
در دو دههی اخیر مواد پلی کریستال با دانه بندی بسیار ریز 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 هال- پچ - 2-1 - ، استحکام ماده با عکس مجذور اندازهی دانهی آن ارتباط دارد [2 ,1]؛ به عبارت دیگر با کوچک شدن اندازهی دانه، استحکام ماده افزایش مییابد.
بهطور کلی با ریز شدن ساختار و دانه بندی مواد، استحکام بالاتری حاصل میشود. 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 میگیرند. روشهای تولید مواد با دانهبندی بسیار ریز، بهطور کلی به دو دسته تقسیم میشوند. دسته اول روشهایی که از ابتدا به تولید مواد با ساختار ریز و نانو میپردازد. روش کار آنها به این صورت است که از مونتاژ و ترکیب نانو ذرات، ماده مربوط ساخته میشود، در عمل این روشها قادر به تولید قطعات خیلی کوچک میباشند که فقط جوابگوی بعضی نیازهای صنعت الکترونیک است و قادر به تولید قطعات بزرگ صنعتی نمیباشد. همچنین هزینه قطعات تولیدی به این روشها بسیار بالا میباشد.
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 این روشها 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
دنیای نانو مواد را از یک دیدگاه میتوان به دو دسته اصلی مواد نانو اندازه و مواد نانو ساختار دسته بندی نمود. مواد نانو اندازه به این معنی است که ماده مورد نظر ما دارای ابعاد نانومتری است که میتواند بهصورت نانو ذرات - مانند نانولولههای کربنی و یا نانو ذرات سیلیس - و یا نانو الیاف - مانند نانو فیبرهای کربنی - و یا نانو ورقها - مانند نانو ورقهای میکا یا نانو ورقهای خاک رس - باشد.
در سمت دیگر، مواد نانو ساختار قرار دارند. مواد نانو ساختار به موادی گفته میشود که ابعاد ظاهری آنها بهصورت بزرگ است، ولی ساختار تشکیل دهنده آنها در ابعاد نانو قرار دارد .[7] یکی از رویکردهای جدید و روشهای اصلی برای تولید مواد نانو کریستال - NC - 2 و مواد با دانههای بسیار ریز 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 و این امر باعث بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی ماده میشود. یکی از مهمترین روشهای اعمال تغییر شکل پلاستیک شدید، اکستروژن در کانالهای هممقطع زاویهدار - ECAE - 4 است.
روش کار در این فرآیند به این صورت است که قطعه کار از مجرای قالب عبور کرده و پس از عبور از زاویه قالب، کرنش برشی بالایی در قطعه کار ایجاد میشود. شکل 1 نمایی از فرآیند اکستروژن در کانالهای هممقطع زاویهدار را نشان میدهد. در این فرآیند ابعاد قطعه کار تغییر نمیکند. با تکرار فرآیند در این روش کرنشها انباشته میشوند و میتوان در مجموع به کرنشهای خیلی زیاد دستیابی پیدا کرد .[6] همین کرنشهای بالا نقش اصلی را در ریز کردن ساختار ماده و نانو مواد دارند
شکل :1 فرآیند اکستروژن در کانالهای هممقطع زاویه دار
در فرآیند اکستروژن در کانالهای هممقطع زاویهدار 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 [10] برای اولین بار در سال 1996 رابطهی زیر را برای محاسبهی کرنش پلاستیک مؤثر - - در فرآیند تغییر شکل پلاستیک شدید اکستروژن در کانالهای هممقطع زاویهدار ارائه نمودند.
نیروی شکلدهی یکی دیگر از پارامترهای مهم در فرآیند اکستروژن در کانالهای هممقطع زاویهدار میباشد که آلکورتا و همکارانش [11] در سال 2003 میلادی رابطهی زیر را برای محاسبهی فشار وارده به سنبه در فرآیند تغییر شکل پلاستیک شدید اکستروژن در کانالهای هممقطع زاویهدار را ارائه نمودند.
در این پژوهش فرآیند اکستروژن در کانالهای هممقطع زاویهدار برروی آلیاژ آلومینیوم هوایی 2024 با سطح مقطع ششضلعی توسط 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 مقایسه شده است.
-2 روش پژوهش
در فرآیند اکستروژن در کانالهای هممقطع زاویهدار قالب، سنبه و شمش همگی بهصورت سه بعدی مدل سازی شده اند.
