عنوان پایان‌نامه
تحلیل فرآیند تولید لوله های فوق ریز دانه و مدلسازی تحول ریز ساختاری فرآیند با رهیافت مدل میکرومکانیکی
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک- ساخت و تولید
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3145;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72253
- تاریخ دفاع
- ۱۲ دی ۱۳۹۴
- دانشجو
- حسین جعفرزاده
- استاد راهنما
- کارن ابری نیا
- چکیده
- با توجه به اهمیت بالای کاربرد لوله ها در صنایع مختلف، در این تحقیق یک روش جدید بر پایه تغییر شکل پلاستیک شدید به منظور تولید لوله های فوق ریزدانه با استحکام بالا با عنوان انقباض و انبساط متوالی لوله ها ارائه شده است. فرایند انقباض و انبساط متوالی لوله ها شامل دو نیم پاس می باشد که در نیم پاس اول لوله اولیه با قطر داخلی d1 در داخل مجموعه قالب قرار گرفته و توسط فشار سنبه ای قطر خارجی آن به d2 (d2>d1) می رسد. در نیم پاس بعدی لوله حاصل از مرحله قبلی با قطر d2 درون قالب بعدی قرار گرفته و به ابعاد اولیه می رسد. به منظور نشان دادن قابلیت روش جدید ارائه شده در تولید لوله های فوق ریزدانه، در بخش آزمایشهای تجربی، پس از طراحی و ساخت مجموعه قالب فرایند، لوله هایی از جنس آلیاژ منیزیم AZ91، مس خالص و آلومینیوم خالص تجاری فوق ریزدانه تولید گردید و مواردی همچون تعیین تجربی مقدار نیروی شکل دهی، بررسی ریزساختاری و خواص مکانیکی لوله های تولید شده، اثر تعداد پاسهای شکل-دهی بر روی ریزساختار، اندازه دانه و خواص مکانیکی بررسی شد. نتایج حاصله از آزمایشهای عملی نشان دهنده کاهش زیاد اندازه دانه اولیه در تمامی لوله ها حتی پس از یک سیکل از فرایند و همچنین افزایش استحکام و سختی لوله های فوق ریزدانه تولید شده است. ارائه روابط تحلیلی به منظور محاسبه کرنش پلاستیک موثر نشان می دهد که فرایند ارائه شده در مقایسه با بیشتر فرایندهای تغییر شکل شدید، میزان کرنش بالای معادل 5.8 را در یک سیکل به ریزساختار ماده اعمال می نماید. در ادامه و به منظور مطالعه بهتر فرایند از روش شبیه سازی اجزای محدود استفاده شده است. بدلیل اهمیت بالای پیش بینی تحول ریزساختاری شامل اندازه دانه و چگالی نابجایی، از یک مدل ساختاری مکانیکی پیوسته با رهیافت میکرومکانیکی و کوپل شده با مدل اجزای محدود ماکرو استفاده گردید. مدل بکار رفته در این تحقیق، تبلور مجدد دینامیکی پیوسته انجام شده در حین تغییرشکل شدید سرد لوله های از جنس آلومینیوم خالص تجارتی رخ داده در حین تغییرشکل سرد را در نظر گرفته و تحول چگالی نابجایی و اندازه دانه روی داده در حین فرایند را پیش بینی می نماید. رویکرد مورد نظر در این رساله برخلاف رویکردهای معمول در شبیه سازیهای عددی شکل دهی فلزات است که در آن اندازه دانه به عنوان یک پارامتر یا در نظر گرفته نمی شود و یا اینکه مقداری ثابت فرض می شود. علاوه بر بررسی اندازه دانه تبلور مجدد یافته، تغییرات پارامترهای مختلف اندازه دانه و چگالی نابجایی در سطح ریزساختاری و کرنش پلاستیک موثر در سطح ماکرو توسط مدل بررسی شده است. اندازه دانه در آلومینیوم 1050 از مقدار اولیه?m45 به nm320 پس از یک سیکل، در آلیاژ منیزیمAZ91 از مقدار اولیه ?m150 بهnm 700 پس از یک سیکل و در مس خالص از مقدار اولیه?m 35 به nm 85-220 پس از اعمال دو سیکل تغییر یافت. نتایج حاصل از ازمایشهای تجربی و شبیه سازی عددی حاکی از توزیع یکنواخت مقادیر سختی، کرنش معادل پلاستیک، اندازه دانه و چگالی نابجایی در راستای طول لوله و مقداری ناهمگنی در راستای ضخامت بود که این ناهمگنی در سیکلهای بالاتر کمتر شده است. نتایج بدست آمده حاکی از مطابقت خوب میزان اندازه دانه اندازه گیری شده توسط روش تجربی و شبیه سازی اجزای محدود در نیم سیکلهای مختلف فرایند داشت. واژه‌های کلیدی: تغییرشکل پلاستیک شدید ـ انقباض و انبساط متوالی لوله ـ تحول ریزساختاری- اجزا محدود، مدل میکرومکانیکی.
- Abstract
- In this study, by considering the importance of tubes in different industries, a novel severe plastic deformation (SPD) technique entitled repetitive tube expansion and shrinking (RTES) is introduced for producing ultra-fine grained tubular parts. This process consists of two different half-cycles. In the first half-cycle the initial tube with internal diameter of d1 is positioned inside a rigid chamber and a flanged solid punch is put into the tube. The tube is pressed into the angular channel, where two shear events take place and the internal diameter of the tube is increased to d2 from an initial value of d1. In the second half-cycle of RTES, the processed tube with internal diameter of d2 is positioned in another die set and is pressed into the same angular channel and the internal diameter of the tube is decreased to d1. Consequently at the end of any cycle the initial shape of the tube is reproduced and repeating the forming cycles leads to accumulation of desired amount of plastic strain. The AZ91 magnesium alloy, pure copper and AA1050 aluminum alloy tubular parts were employed to investigate the feasibility of the RTES method in producing UFG tubes. In the experimental tests to study the processed tubes, the processing load, microstructural investigation and mechanical properties were studied. The experimentally obtained results show the initial grain size was refined after the one cycle of RTES processing. Also, the microhardness and strength of tubes were increased remarkably after one cycle. From the proposed formula, the total equivalent plastic strain produced in one cycle of RTES with the parameters used in this work is 5.8 which introduce RTES as an outstanding straining method. In order to primarily demonstrate the deformation behavior and refinement ability of RTES method, the FE simulations were done. Considering the importance of microstructural evolution during severe plastic deformation, the grain size and dislocation density were considered as the microstructural quantities in a constitutive model in which is implemented in the finite element simulation framework with the micromechanical approach. The model was used to simulate the AA1050 continuous recrystallization during cold severe plastic deformation where the grain size and dislocation density are taken as micromechanical variables characterizing the microstructure evolution. Also, in the macro-level, these variables are allowed to influence on the flow stress in which is not common approach in FEM simulations of SPD methods where the grain size is considered to be a constant value. Moreover, the variations of grain size, dislocation density and effective plastic strain in both micro and macro-level were studied. Applying a single cycle of RTES could refine the microstructure to ~700 nm from an initial grain size of about 150?m in AZ91 magnesium tubes. Also, the AA1050 initial grains were refined to ~320 nm from an initial grain size of about 45?m after one cycle. After two cycles of RTES processing the microstructure of pure copper tubes were significantly refined to 85-220nm from the initial value of 35?m. Calculations indicated a uniform distribution of grain size, dislocation density, effective plastic strain and hardness along tube length but a non-uniform distribution along tube thickness. Also, increasing the number of RTES half-cycles resulted in homogeneous distribution across the tube section. The distribution characteristics of grain size, dislocation density, hardness and effective plastic strain were consistent with each other. Keywords: SPD; Repetitive tube expansion and shrinking (RTES), microstructure evolution; FEM; micromechanical model.
