دانشکده مهندسی

گروه آموزشی مکانیک

 

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مکانیک گرایش طراحی کاربردی

 

عنوان:

تأثیرات افزودن نانوذرات و فرآیند اکستروژن بر خواص مکانیکی و ریزساختار یک
آلیاژ منیزیم

 

استاد راهنما:

دکتر فرامرز فرشته صنیعی

 

اساتید داور:

دکتر علی علوی نیا

دکتر یوسف مظاهری

 

نگارش:

حدیث کریمی

تاریخ: 23/11/1396

زمان: ساعت 16:30

مکان:

 

BU-Ali Sina University

 

Faculty of Engineering

Department of Mechanical Engineering

 

Thesis submitted for Master of Science in Mechanical Engineering-Solid Mechanics

 

 

 

Title

 Effects of adding nanoparticles and extrusion process on the mechanical properties and microstructure of a magnesium alloy

 

 

Supervisor:

Faramarz Fereshteh-Saniee (Ph.D)

 

 

By:

Hadis Karimi

 

February, 12, 2018

 

 

 

 

چکیده:

تولید مواد با نسبت استحکام به وزن بالا همواره مورد توجه صنعت حمل و نقل به منظور کاهش مصرف سوخت وجلوگیری از انتشار گازهای گل خانه ای بوده است. این امر با تعویض مواد چگال تر مثل فولاد، آهن، مس و حتی آلومینیم با منیزیم سبک وزن امکان پذیر است. منیزیم و آلیاژهای آن با وجود داشتن خواص مطلوبی چون چگالی کم، استحکام ویژه زیاد و قابلیت ماشین کاری بسیار بالا دارای معایبی نیز هستندکه از جمله مهمترین آنها ضریب ارتجاعی پایین، مقاومت کم در برابر خزش در دماهای بالا، قابلیت کار سرد ضعیف و محدودیت شکل پذیری می باشند. در این پایان نامه سعی بر این است با اتخاذ سه رویکرد به صورت مستقل و همچنین ترکیب آن‌ها، برخی از این نقایص تا حدودی بهبود یابند. این رویکرد‌ها عبارتند از: (الف) اعمال فرآیند تغییرشکل پلاستیک شدید، (ب) اعمال فرآیند شکل‌دهی اکستروژن داغ و (ج) افزودن نانوذرات به آلیاژ. تغییرات ریز ساختار و خواص مکانیکی از جمله استحکام تسلیم، استحکام نهایی و ازدیاد طول و همچنین سختی مواد طی به کار بردن هر یک از رویکرد‌ها به طور مستقل و ترکیبی بررسی شده است. هدف اصلی این پژوهش مقایسه خواص مکانیکی ایجاد شده در حالت های مختلف هر یک از رویکرد‌های فوق و ادغام بهترین حالت‌ها، و درنتیجه تولید ورق‌های با استحکام و سختی زیاد و شکل‌پذیری مناسب بوده است. در این ارتباط، مطالعات مختلف شامل بررسی اثر تعداد عبور فرآیند تغییر شکل پلاستیک شدید و اثر افزودن نانوذرات مختلف در درصد‌های وزنی و اندازه‌های مختلف صورت گرفته است. با اعمال یک عبور فرآیند کوبش متوالی بر روی یکی از نانوکامپوزیت‌هایی که خواص مکانیکی و سختی مطلوبی از آن گزارش شده بود، ریزساختار و توزیع نانوذرات بهبود یافت و پس از آن عملیات اکستروژن داغ بر روی این نمونه انجام شد.

با به‌کارگیری فرآیند کوبش متوالی در عبور‌های بالا، استحکام و کشیدگی نمونه به طور چشم‌گیری افزایش یافت. لیکن به علت اشباع ریزساختار و خواص مکانیکی در عبور‌های بالا، سختی اندکی تنزّل یافت. افزودن نانوذرات نیز باعث افزایش استحکام‌ها و کشیدگی شد، اما افزودن نانوذرات بیش از کسر وزنی معینی باعث افول خواص مکانیکی و سختی شد که علت می‌تواندآن توده‌ای شدن نانوذرات باشد. در مجموع بهترین خواص مکانیکی به خصوص شکل‌پذیری، برای ورق‌های تولید شده از نانوکامپوزیت‌هایی که تحت عملیات شکل‌دهی ترکیبی قرار گرفته بودند، حاصل شد.

 

 

 

 

Abstract:

Production of materials with a high strength to weight ratio has always been a concern for transportation industry to reduce fuel consumption and prevent the release of greenhouse gas.This is possible by replacing more dense materials such as Steel, Iron, Copper and even Aluminum with light weight magnesium. Beside the advantages of magnesium and its alloys such as low density, high specific strength and high machinery capability, they have some defect the most important of which are like low creep resistance at high temperatures, limited cold workability and toughness. The effort of this work is to improve some of these defects by adopting three independent approaches and also their combination. These approaches are: (a) applying a severe plastic deformation process, (b) applying hot extrusion forming process and (c) adding nanoparticles to the alloy. The evolution of microstructure and mechanical properties such as yield strength, ultimate strength and elongation, as well as hardness of materials, have been investigated, independently and in combination while applying the approaches. The main objective of this study is to compare the mechanical properties caused by different modes of each of the above approaches and combining of best modes which leading to produce sheets with high strength and hardness and good ductility. In this regard, various studies have done including the study of the effect of the number of severe plastic deformation passes, and the effect of adding nanoparticles in different weight percentages and sizes. The microstructure and nanoparticles distribution were improved by applying a repetitive upsetting process to one of the nanocomposites of which a good mechanical properties and good hardness was reported, and then hot extrusion was performed on this sample.

Applying the repetitive upsetting process in high passes, the strength and elongation of the specimen increased dramatically. However, hardness experienced a slight reduction due to the saturation of the microstructure and the mechanical properties in the high passes. The addition of nanoparticles also caused increase in strength and elongation. But the addition of nanoparticles over a certain weight, led to a decline in mechanical properties and hardness, which could be due to the agglomeration of nanoparticles. Overall, the best mechanical properties, especially the formability, were obtained for sheets made from nanocomposites that were subjected to combined forming operations.