بخشی از مقاله
چکیده
یکی از روش های افزایش استحکام ماده بلورین کاهش اندازه دانه آنست. از جمله روش های ریز کردن دانه، اعمال تغییر شکل پلاستیک شدید به ماده است. در این تحقیق، به بررسی تاثیر عملیات ریز دانه کردن دانه ها با استفاده از تغییر شکل پلاستیکی شدید بر روی خواص مکانیکی و خستگی ورق آلیاژی AA 2024 پرداخته شده است.
روش تولید ساختار فوق ریزدانه در این تحقیق، اتصال نورد تجمعی بوده است. نمونه های نورد تجمعی شده به مقدار 3 پاس و 6 پاس، بهمراه نمونه های آنیل و رسوب سختی شده بر اساس استاندارد E466 تحت آزمایش خستگی قرار گرفتند. از نرم افزار تجاری ABAQUS برای شبیه سازی آزمون خستگی استفاده شد. نتایج آزمون خستگی و نتایج شبیهسازی سازگاری قابل قبولی را نشان دادند.
-1 مقدمه
خواص مکانیکی و فیزیک تمام مواد بلوری وابسته به عوامل متعددی است که که اندازه دانه میانگین مهمترین نقش را دارد. استحکام تمام مواد بلوری با اندازه دانه از طریق رابطه معروف هال-پچ ارتباط دارد که به صورت معادله - 1 - بیان میشود. حضور کسر زیادی از مرز دانهها با زوایای بزرگ بهمنظور رسیدن به خواص یکنواخت مهم است. استحکام به وزن فلزات فوق ریز دانه و نانو ساختار بسیار بالاتر از استحکام به وزن همان فلز یا اندازهی دانه معمولی میباشد. لذا میتوان فلزات فوق ریزدانه را در زیرمجموعه مواد فوق مستحکم و سبک طبقه بندی نمود. [1]
دو روش پایهای برای ساخت مواد فوق ریز دانه و نانو ساختار وجود دارد که به روشهای پایین به بالا و بالا به پایین معروف هستند: درروش پایین به بالا، مواد نانو ساختار با در کنار هم قرار دادن اتمها با نانو ذرات توسط متراکم کردن آنها ساخته میشوند. مثالهایی از این روشها شامل چگالش از فاز گازی، رسوب دهی الکتریکی، آسیا کردن و چگالش به همراه پرس در دمابالا میباشند.
در عمل این روشها محدود به تولید نمونه های کوچک که بیشتر کاربردهای الکترونیکی دارند، بوده و به طور کلی برای قطعات بزرگ مناسب نیستند. علاوه بر آن، قطعات نهایی تولید شده با این روش شامل مک، تخلخل و همچنین ناخالصی به وجود آمده طی مراحل ساخت، هستند .[1] در روش بالا به پایین ماده اولیه یک نمونه بالک با اندازه دانه بزرگ است و در اثر اعمال کرنشهای برشی یا بارهای ضربهای، تبدیل به یک مادهی فوق ریز دانه میشود.
روشهای تغییر شکل پلاستیک شدید1 محدودیت اندازه قطعه نداشته و تخلخل و آلودگیهایی که در مواد تولیدشده به روش پایین به بالا به وجود میآید، وجود ندارد. مزیت دیگر این روشها قابلیت کاربرد این روشها برای محدوده وسیعی از فلزات، آلیاژها و حتی پلیمرها است .[1] سابقه ساخت اولین مواد UFG تولید شده به روش بالا به پایین، به دههی 90 میلادی بازمی گردد که در این دوره با انتشار چندین مقاله توسط دانشمندان روسی توانایی آنها در تولید کرنشهای پلاستیکی بالا و تولید مواد نوردی فوق ریزدانه مورد اشاره قرارگرفته بود .[1]
ایجاد ساختار فوق ریزدانه در یک ماده مستلزم اعمال کرنشهای برشی شدید بهمنظور ایجاد چگالی بالایی از نابجاییها در ماده است. در عمل، روشهای متعارف شکلدهی فلزات همچون اکستروژن و نورد به دو دلیل نمیتوانند چنین ساختاری ایجاد کنند. اول اینکه به دلیل کاهش سطح مقطع قطعه کار توسط این روشها، نمیتوان کرنش کلی بیشتری اعمال نمود و دوم اینکه کرنشهای اعمالی در روشهای سنتی به دلیل کارپذیری پایین آلیاژهای فلزی در دمای محیط برای تولید ساختارهای ریزدانه کافی نمیباشد.
این محدودیتها در روشهای سنتی، باعث تمایل به استفاده از روشهای "تغییر شکل پلاستیک شدید " شده است که با استفاده از این روشها میتوان کرنش بسیار بالایی در دماهای پایین به قطعه کار اعمال نمود بدون اینکه کاهش قابل ملاحظهای در سطح مقطع آن ایجاد شود[2] فرآیندهای تغییر شکل پلاستیکی شدید روشهایی از شکل دهی فلزات هستند که با استفاده از آنها میتوان کرنش بسیار بالایی را به یک قطعه تودهای اعمال نمود بدون اینکه کاهش قابل ملاحظهای در ابعاد کلی قطعه ایجاد شود. این روشها ریزدانگی بسیار بالایی را در ریزساختار به وجود میآورند .[1]
اساس فرآیندهای تغییر شکل پلاستیک شدید بر پایه افزایش شدید چگالی نابجاییها، تشکیل دیوارهای متراکم از نابجاییها و تبدیل این دیوارها به مرز دانههای جدید میباشد. مواد تولیدشده با این روشمعمولاً دارای اندازه دانههایی در محدوده 1000-100 نانومتر میباشند ولی دارای ساختارهایی ریزتر از دانه مانند دانههای فرعی میباشند کهغالباً ابعادشان کوچکتر از 100 نانومتر میباشد. بنابراین میتوان آنها را مواد نانو ساختار نامید[2]
تغییر پلاستیکی شدید - SPD - ، قابلیت خود را بهعنوان یک روش مناسب برای ایجاد ساختارهای بسیار ریز در حد زیر میکرون و نانو اثبات کرده است. امروزه، روشهای زیادی در حال گسترش و در حال گذر از حالت آزمایشگاهی به صنعتی هستند. برای اینکه یک روش تغییر شکل پلاستیکی شدید بتواند بهعنوان یک روش مطلوب و مناسب در تولید ساختارهای ریز در نمونههای حجیم به کار رود باید دارای خصوصیات ویژهای باشد.
اول اینکه، مهم است که ساختار بهدستآمده دارای مرز دانههای با زاویهی بزرگ و اصلی باشد؛ زیرا فقط در این حالت است که تغییر واضح و قابل توجهی در خواص ماده دیده میشود. دوم اینکه، تشکیل چنین ساختاری باید همگن باشد تا بتوان پایداری خواص ماده تولیدی را تضمین کرد. سوم اینکه، گرچه نمونهها در معرض تغییر شکلهای پلاستیکی شدیدی قرارگرفتهاند، نباید در آنها عیوب مکانیکی یا ترکهای شدید به وجود آید. لذا برای تضمین ایجاد ساختارهای ریزدانه مطلوب در نمونههای حجیم باید شرایط بهینه انجام فرآیند و پارامترهای آن مشخص گردد .[3]
روشهای معمول تغییر شکل پلاستیکی مثل نورد، کشش و اکستروژن نمیتوانند تمام این خواص را باهم در نمونههای ساختهشده، جمع کنند .[4] پیچش در فشار بالا و اکستروژن در کانال زاویهدار همسان روشهایی از SPD هستند که برای اولین بار در تولید فلزات و آلیاژهای با ساختارهای بسیار ریز بهکاررفتهاند. تاکنون، با انجام آزمایشهای مختلف، مسیرها و رژیمهای تغییر شکل مشخص برای بسیاری از فلزات و آلیاژها مشخص شده است که به عنوان مثال میتوان رژیمهای بهینه برای تغییر شکل مواد با داکتیلیته کم و موادی که تغییر شکل آنها مشکل است، اشاره کرد.
اتصال نورد تجمعی - 1ARB -
اتصال نورد تجمعی ازجمله روشهای اعمال تغییر شکل پلاستیک شدید روی فلزات میباشد که برای اولین بار توسط سوجی2 در سال 1998 ابداع شد . شماتیکی از این روش در 1Error> Reference source not found. آورده شده است. این روش علاوه بر تولید مواد فوق ریزدانه یک روش اتصال دهی نیز میباشد. در این روش %50 ورق نورد شده بریده میشود و بعد از آمادهسازی سطحی رویهم گذاشته و دوباره نورد میشود. تعداد لایههای موجود در n بار اعمال فرآیند 2n لایه میباشد.
