عنوان پایان‌نامه
تحلیل تجربی نظری خزش خمشی نانوکامپوزیت تابعی Al.Sicتولید شده به روش متالورژی مواد
- رشته تحصیلی
- مهندسی متالورژی و مواد
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1324;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 78532;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1324;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 78532
- تاریخ دفاع
- ۰۹ بهمن ۱۳۹۵
- دانشجو
- سحر گلمکانیون
- استاد راهنما
- فرشاد اخلاقی
- چکیده
- هدف از پژوهش حاضر، بررسی رفتار خزشی مواد تابعی تقویت شده با ذرات در شرایط مختلف بارگذاری و یافتن گرادیان بهینه تقویت کننده در هر وضعیت برای حصول مقدار کمینه سرعت خزش است. به منظور دستیابی به این هدف، در ابتدا روابط ریاضی حاکم بر رفتار خزشی مواد تابعی استخراج شد و بر مبنای این روابط رفتار خزشی این مواد پیش بینی شد. برای این منظور به ازای استفاده از مقدار مشخصی از ذرات ماده تقویت کننده توزیع بهینه این ذرات برای دستیابی به کمترین سرعت خزش به دست آمد. تطابق خوبی که از مقایسه بین نتایج آزمایشگاهی و عددی حاصل شد بیانگردقت روابط پیشنهادی بود. در بخش تجربی، رفتار خزشی نانوکامپوزیت های تابعی Al6061-SiC ساخته شده به روش متالورژی پودرمورد مطالعه قرار گرفت. به منظورساخت این نانوکامپوزیت ها در ابتدا پودرهای آلومینیم 6061 به همراه مقادیر مختلف نانوذرات SiC در زمان بهینه سازی شده 28 ساعت آسیاکاری مکانیکی شدند تا پودرهای نانوکامپوزیتی Al-SiC حاوی 0، 1/0، 16/0، 25/0، 33/0 و 5/0 (درصد حجمی) نانوذرات SiC حاصل شود. نمونه های تابعی از طریق انباشت لایه هایی از این پودرها با درصدهای متفاوت تقویت کننده و با گرادیان های مختلف در قالب فولادی و انجام عملیات پرس گرم ساخته شدند. در ضمن از همین روش نمونه های نانوکامپوزیتی همگن (حاوی درصد مشخصی از تقویت کننده) نیز ساخته شدند. خصوصیات خزشی نمونه های همگن شامل ضریب خزش، توان خزش و تنش آستانه ای در هر دما، از طریق انجام آزمون های خزش فرورونده در محدوده دمایی 523 تاK 623 به دست آمد و مکانیزم خزش آن ها نیز مشخص شد. با توجه به این نتایج توان تنش برابر با 8 و مقدار انرژی اکتیواسیون معادل انرژی اکتیواسیون نفوذ از طریق شبکه آلومینیم حاصل شد و مکانیزم خزش غالب، خزش نابجایی-ها کنترل شده با پدیده نفوذ در شرایط ساختاری ثابت پیشنهاد شد. به منظور مقایسه نتایج تئوری و آزمایشگاهی، رفتار خزشی نانوکامپوزیت های تابعی با گرادیان های مختلف تقویت کننده در دمای K 573 با استفاده از آزمون خزش خمشی ارزیابی شدند. در این کامپوزیت های تابعی، در مجموع 25/0 درصد حجمی نانوذرات SiC با سه گرادیان متفاوت در ضخامت یک قطعه صفحه ای شکل توزیع شده بودند. در گروه اول تعداد لایه ها ثابت در نظر گرفته شده بود و شیب به صورت خطی با تغییر درصد تقویت کننده اولین و آخرین لایه در طول قطعه، تغییر می کرد. در گروه دوم مقدار تقویت کننده در اولین و آخرین لایه ثابت بود و تغییر خطی شیب با تغییر در تعداد لایه ها اعمال شده بود. در گروه سوم تعداد لایه ها ثابت بود و تغییر توانی شیب در طول قطعه ایجاد شده بود. نتایج نشان دادند که کاهش شیب در گروه اول، افزایش تعداد لایه ها از 2 به 4 در گروه دوم و افزایش توان از 67/0 به 2 در گروه سوم منجر به بهبود مقاومت به خزش نانوکامپوزیت های تابعی به ترتیب حدود 10% برای گروه اول، 15% برای گروه دوم و 45% برای گروه سوم می شود. همچنین رفتار خزش خمشی نانوکامپوزیت های تابعی Al6061-SiC، بر اساس پارامترهای خزشی نانوکامپوزیت های همگن، توسط تئوری الاستیسیته و با استفاده از رابطه سازی های ریاضی و روشی شبه تحلیلی، مورد پیش بینی عددی قرار گرفت. از روش شبه تحلیلی ارایه شده برای بررسی تاثیرپذیری رفتار خزشی کامپوزیت های تابعی از نحوه توزیع تقویت کننده تحت شرایط بارگذاری های حرارتی، خمش خالص و فشار محوری نیز استفاده شد. به عنوان نمونه، بررسی ها نشان دادند که در شرایط گرادیان حرارتی، با کاهش گرادیان تقویت کننده، سرعت خزش قطعه ممکن است تا هزاران برابر کاهش یابد. ضمن آنکه در این وضعیت بارگذاری، وقوع خزش منجر به کاهش انحنای ناشی از حرارت می¬شود که در عملکرد عضو تاثیر مثبت دارد. نتایج این بررسی¬های عددی حاکی از این بود که رفتار ماده تابعی در دمای بهره برداری به شدت تحت تاثیر دمای تولید و جهت بارگذاری است. به عنوان مثال مشخص شد که بهره برداری از یک ماده تابعی تحت تنش فشاری در دمایی کمتر از دمای تولید ممکن است منجر به افزایش سرعت خزش تا هزاران برابر بیشتر از حالتی باشد که بهره برداری در دمایی بالاتر از دمای تولید انجام شود. به طور کلی نتایج رابطه سازی عددی در این تحقیق تطابق خوبی با نتایج آزمون های تجربی متناظر داشتند. کلمات کلیدی: نانو کامپوزیت تابعی، خزش، متالورژی پودر، روش حل های الاستیک پیاپی، گرادیان حرارتی
- Abstract
- The aim of this study was to investigate the creep behavior of particle reinforced functionally graded materials (FGMs) and finding the optimum reinforcement concentration grading pattern for achieving the minimum creep rate under any known loading conditions. In this regard, the constructive equations of creep behavior of FGMs were extracted and the creep behavior of these materials was predicted accordingly. Based on these equations, the best grading pattern for achieving the minimum creep rate of composite materials with identical reinforcement contents was predicted. The good agreement between the numerical and experimental results confirmed the reliability of the suggested equations. In the experimental studies, the creep behavior of Al6061-SiC nano-composites produced via powder metallurgy was investigated. For this purpose, Al6061 powder particles were mechanically co-milled with 0, 0.1, 0.167, 0.25, 0.33 and 0.5 vol.% of nano sized SiC powders for 28h to produce nano-composite powders. FGM samples were fabricated through stacking of different layers of these nano-composite powders with different grading patterns in a steel die and hot pressing. The same method was employed to fabricate nano-composites with different specified reinforcement contents distributed uniformly within the matrix alloy (non-FGM composite samples). The creep behavior of these non-FGMs was investigated via the impression creep tests in the temperature range of 523-623 K. The creep mechanism of these materials was found to obey the steady state power law with exponent of 8. Also the parameters of the Norton’s law and the threshold stresses at different temperatures were obtained. The creep activation energy was found to be equal to self-diffusion activation energy of aluminum. In order to compare the experimental and theoretical results, flexural creep behavior of FGMs with different grading patterns at 573 K was investigated. In these FGMs, 0.25 vol.% of SiC nano particles were distributed within the thickness of plate shaped samples through three different grading patterns. In the first group, the reinforcement gradient was changed linearly by changing the concentrations of layers while the number of layers was fixed. In the second group, the number of layers was changed while the content of reinforcement in the upper and lower layers was fixed and in the third group a power law grading pattern was considered through a fixed number of layers. The results showed that decreasing the concentration gradient in the first group, increasing the number of layers from 2 to 4 in the second group and increasing the exponent from 0.67 to 2 in the third group lead to decrease in the creep rate by 10%, 15% and 45% respectively. Moreover, based on the experimentally driven creep parameters of the non-FGM samples and by using the elasticity theory, a semi-analytical approach was employed to numerically predict the creep behavior of Al6061-SiC functionally graded nano-composites under thermal, pure bending and compression loadings. These results showed that under the thermal gradients, the decreased concentration gradient of the reinforcement results in the decreased creep rate up to 1000 times. In addition, both the thermal stresses and the curvature of the FGM samples decrease with time during the steady state creep process. Furthermore, it was concluded that the creep response of FGMs at any operating temperature was strongly influenced by the sample fabrication temperature as well as the loading direction. For example, under a compression loading, the creep rate of a FGM operated at a temperature below its fabrication temperature was several orders of magnitude higher than the creep rate of the same sample measured at a temperature above its fabrication temperature. Generally, the numerical results of this study were in good agreement with their correspondent experimental findings. Keywords: Functionally Graded Nanocomposites, creep, powder metallurgy, successive elastic solution, thermal gradient
