عنوان پایان‌نامه
بررسی خواص مکانیکی و سایشی دمای بالای کامپوزیت
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1166;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 66802
- تاریخ دفاع
- ۲۲ دی ۱۳۹۳
- دانشجو
- فرید لبیب
- استاد راهنما
- رضا محمودی, حمیدرضا قاسمی منفردراد
- چکیده
- در این پژوهش اثر افزودن 5، 5/7، 10 و 15% حجمی ذرات SiC با اندازه¬ی ?m 10 بر استحکام برشی ، رفتار خزشی و تریبولوژیکی منیزیم خالص که از طریق فرآیند¬ متالورژی پودر تولید شده بود مورد بررسی قرار گرفت. ملاحظه شد که افزودن ذرات SiC تاثیری روی ریز دانه کردن ریزساختار نداشته است. رفتار خزشی نمونه¬ها به روش خزش فروروندگی با فرورونده¬ی استوانه¬ای در دماهای ?C150، ?C175 و ?C200 و تحت تنش¬های مختلف (MPa 250-150) مطالعه شد. مقاومت به خزش کامپوزیت¬ها بیشتر از منیزیم خالص بود و در بین کامپوزیت¬ها، Mg-10% SiC بیشترین مقاومت خزشی را دارا بود. مقاومت خزشی کامپوزیت Mg-15% SiC ، به دلیل تمایل به کلوخه شدن و تشکیل و گسترش ترک¬ها در زمان¬های طولانی نسبت به کامپوزیت تقویت شده با 10% حجمی SiC کمتر شد. با توجه به مقادیر توان تنشی (9/7-8/6n = ) و انرژی فعال¬سازی (kJ/mol 92 Q = ) به دست آمده در گستره¬ی دمایی و تنشی آزمون¬های این پژوهش، مکانیزم خزش فعال، صعود دما پایین نابجایی¬ها کنترل شونده با نفوذ مرزدانه¬ای یا نفوذ از طریق هسته نابجایی تشخیص داده شد. استحکام برشی نمونه¬ها از طریق آزمون پانچ برشی بدست آمد. سختی¬ دمای °C25 و دما بالا¬ی نمونه¬ها نیز اندازه¬گیری شد. استحکام برشی و سختی کامپوزیت-ها با افزایش کسر حجمی ذرات تقویت کننده افزایش یافت. مکانیزم¬های استحکام¬دهی در همه¬ی نمونه¬ها مورد بررسی قرار گرفت. بهبود استحکام برشی کامپوزیت¬ها نسبت به نمونه¬ی منیزیم خالص، به ترتیب به مکانیزم¬های تنش¬های حرارتی اطراف ذره (ناشی از تفاوت در ضریب انبساط حرارتی ذره و زمینه) و انتقال بار از زمینه به ذره ارتباط داده شد. رفتار تریبولوژیکی نمونه¬ها به وسیله روش پین بر روی دیسک، در سرعتm/s 4/0، مسافت m 1000، تحت نیروهای 5، 20، 40 وN 60 و دماهای 25، 100، 150 و °C200 انجام شد. در دمای °C25 رفتار سایشی نمونه¬ی منیزیم خالص و کامپوزیت¬های آن تا نیروی N 20 مشابه هم و ناچیز بود ولی با افزایش نیروهای اعمالی و وارد شدن به محدوده¬ی سایش شدید، کامپوزیت¬ها مقاومت به سایش بیشتری نسبت به منیزیم خالص نشان دادند. با افزایش دمای سایش و کسر حجمی ذرات SiC نیروی بحرانی تبدیل از سایش خفیف به شدید به نیروهای بالاتر انتقال یافت. تصاویر میکروسکوپی الکترونی از سطوح سایش و مقاطع آن، وجود لایه¬های اختلاط مکانیکی با سختی بالاتر از زمینه و ایجاد لایه¬¬های اکسیدی را در محدوده¬ی سایش خفیف نشان داد. در محدوده¬ی سایش شدید، هیچ¬گونه لایه¬ی تریبولوژیکی مشاهده نشد و سطوح سایش تغییر شکل پلاستیکی شدید را نشان دادند. برای توضیح تغییر رفتار سایشی با افزایش دما، دمای سطح سایش نیز محاسبه شد. به طور کلی در محدوده¬ی سایش خفیف، مکانیزم¬ اکسیداسیون و در محدوده¬ی سایش شدید مکانیزم¬ تغییر شکل پلاستیکی شدید به عنوان مکانیزم¬های سایشی فعال تشخیص داده شد. کلمات کلیدی: کامپوزیت Mg/SiC، متالورژی پودر، خواص خزشی، خواص مکانیکی دما بالا، خواص سایشی دما بالا
- Abstract
- Magnesium based composites with varying levels of sharp edge, micron-sized SiC particles (SiCp) were prepared by the powder metallurgy technique. The ultimate goal of the thesis was to investigate high-temperature mechanical and wear behavior of composites. The microstructure of the composites was studied using optical and scanning electron microscopy. XRD analysis was performed on composites to confirm the presence of SiC particles. The results of impression creep tests at temperatures between 150? to 200? under constant punching stresses in the range of 150 MPa to 850 MPa show that the composites with 10 vol. % SiCp exhibits relatively better creep resistance compared to those with 5, 7.5 and 15vol. % SiCP. The stress exponents were in a range of 6.8 to 7.9 and the calculated activation energy values were close to 92 kJ/mol, suggesting ‘low-temperature climb (core diffusion), as the predominant creep mechanism. Shear punch tests were performed on pure magnesium and composites in a temperature range of 25?225 ?. Depending on the test temperature, the maximum ultimate shear strength increase was about 8-22 MPa that belonged to the Mg-10%SiC. The strength improvement was mostly due to the CTE mismatch between the matrix and the particles and to a lesser extent to the Orawan strengthening mechanism of the micron sized SiC particles in the magnesium matrix. High temperature hardness tests were performed on all materials and the results showed that addition of the varying levels of SiC particles to pure magnesium increased hardness of magnesium at both room and elevated temperatures. Hot hardness data were analyzed to calculate the transition temperature and softening coefficient for different materials. It was shown that Mg-15% SiC composite exhibits the highest hot hardness values among all tested materials, due to the highly refined microstructure and the high volume fraction of the thermally stable reinforcements. The dimensional stability of the monolithic and composite specimens was evaluated by CTE test in the temperature range of 30?400 ?. According to the obtained results, the average CTE value found to be 28.6×10?6 K?1 and 23.4×10?6 K?1 for pure Mg and Mg-15% SiC, respectively. The tribological characteristics of the composites were investigated using a pin on disk tribometer under the loads of 5, 20, 40 and 60 N, at a sliding speed of 0.4 m/s and the wear temperatures of 25?300 ?. It was observed that wear rates of composites decreased by increasing the temperature except for the Mg-15% SiC composite that exhibited constant wear rate up to 250 ? and suddenly jumped at 300 ?. The sliding wear behavior of composites was classified into two main wear regimes, namely a mild wear regime and a severe wear regime. In the mild wear regime, the dominant wear mechanisms were identified as oxidation and abrasive wear, whereas in the severe wear regime the dominant wear mechanisms were adhesive wear and severe plastic deformation. It was indicated that the transition from mild to severe wear is controlled by a combination of temperature and stress factors. Keywords: Mg/SiC composite, Powder metallurgy, Shear punch, Impression creep, Sliding wear
