بررسی اثرات نرخ کرنش در آسیب فلزات با استفاده از مکانیک آسیب و پیش آسیب

نوع: Type: رساله

مقطع: Segment: دکتری

عنوان: Title: بررسی اثرات نرخ کرنش در آسیب فلزات با استفاده از مکانیک آسیب و پیش آسیب

ارائه دهنده: Provider: سیدسجاد جعفری

اساتید راهنما: Supervisors: دکتر غلامحسین مجذوبی

اساتید مشاور: Advisory Professors: دکتر احسان خادمی

اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: دکتر غلامحسین فرهی، دکتر سعید فعلی، دکتر امیرحسین محمودی

زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: 27 بهمن 1400

مکان ارائه: Place of presentation: آنلاین

چکیده: Abstract: مطالعه و بررسی آسیب نرم موضوع تحقیقات زیادی در طی دهه‌های اخیر بوده است. مدل‌های متنوعی برای بررسی آسیب نرم ارائه‌شده‌اند که مدل بونورا یکی از شناخته‌ترین و پرکاربردترین آن‌ها می‌باشد. این مدل دقت قابل قبولی در بارگذاری شبه-استاتیکی دارد. این در حالی است که اثرات نرخ کرنش در این مدل در نظر گرفته نشده است. یکی از اهداف این رساله بررسی اثرات نرخ کرنش بر آسیب نرم فلزات و اعمال اثرات نرخ کرنش در مدل بونورا می‌باشد. برای این کار فلز مس خالص و کامپوزیت مس/تیتانیوم اکسید مورد آزمایش قرار گرفتند. بدین منظور، ابتدا نمونه‌های مسی با هندسه جدید طراحی و ساخته شدند به‌گونه‌ای که بتوانند تغییر شکل دینامیکی را بدون این‌که دچار شکست یا گلویی شدن بشوند، تحمل کنند. با اعمال تغییر طول تنظیم‌شده این نمونه‌ها توسط میله هاپکینسون در نرخ‌های کرنش متفاوت، سطحی از آسیب در آن‌ها القا گردید. بعد از اعمال بار دینامیکی، قسمت اصلی نمونه تحت آزمایش سیکلیک قرار گرفته و منحنی تنش-کرنش سیکلیک نمونه به دست می‌آید. از این منحنی، مدول یانگ (الاستیسیته) محاسبه و با توجه به کاهش آن، پارامتر آسیب به‌صورت تجربی در نرخ کرنش‌های بالا محاسبه می‌گردد. نتایج تجربی به‌دست‌آمده نشان دادند که ضرایب مدل بنورا به نرخ کرنش وابسته می‌باشند. بدین ترتیب، با اعمال اثر نرخ کرنش بر معادله بونورا این معادله اصلاح گردید. مدل آسیب بهبودیافته بونورا سپس، در زیر برنامه VUSDFLD آباکوس وارد شد و آزمایش‌های آسیب تجربی انجام‌شده در این نرم‌افزار شبیه‌سازی گردیدند. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که توافق قابل قبولی بین نتایج تجربی، مدل بهبودیافته و شبیه‌سازی وجود داشت. نتایج نشان داد که آسیب می‌تواند نقش بسیار زیادی در کرنش-نرم شوندگی در منحنی تنش-کرنش (با در نظر گرفتن سطح مؤثر تحت تنش و پس از کسر سطح متناظر حفره‌ها) ایفا نماید. طبق نتایج به‌دست‌آمده آسیب، استحکام نهائی برای مس خالص را از MPa225 به MPa185 کاهش داد. در ادامه، آسیب در کامپوزیت مس/تیتانیوم اکسید موردبررسی‌ قرار گرفت. در این رساله از پودر مس به‌عنوان ماده زمینه و تیتانیوم دی‌اکسید (در ابعاد نانو و میکرو) به‌عنوان فاز تقویت‌کننده برای ساخت کامپوزیت استفاده گردید. برای تهیه نمونه‌های کامپوزیتی از روش فشرده‌سازی پودر استفاده شد. فشرده‌سازی پودر به دو روش شبه استاتیکی (به کمک دستگاه اینسترون) و دینامیکی (به کمک وزنه سقوطی و میله فشاری هاپکینسون)، با در نظر گرفتن دماهای مختلف و کسر حجمی 0، 5/2، 5 و 10 درصد انجام گردیدند. پارامتر آسیب نیز به کمک دو روش چگالی و مدول الاستیسیته محاسبه شدند. نتایج روش چگالی نشان داد که با افزایش دما و کاهش نرخ بارگذاری، پارامتر آسیب کاهش می‌یابد و همچنین، با افزایش ابعاد و کسر حجمی ذرات تقویت‌کننده، پارامتر آسیب افزایش می‌یابد. به‌منظور ساخت نمونه‌های آزمایش کشش و محاسبه آسیب به روش کاهش مدول الاستیسیته از ترکیب روش فشرده‌سازی پودر و روش اکستروژن استفاده گردید. ابتدا نمونه‌های کوتاه استوانه‌ای توسط پرس سرد به روش شبه استاتیکی و دینامیکی بر روی پودر نمونه‌ها تولید گردیدند و سپس به کمک فرآیند اکستروژن در دمای 850 درجه سلسیوس نمونه‌ها اکسترود طول آن‌ها افزایش یافت. این نمونه‌ها سپس، توسط ماشین‌کاری به نمونه‌های آزمایش کشش تبدیل گردیدند و تحت آزمایش بارگذاری-باربرداری قرار گرفتند. نتایج نشان داد که پارامتر آسیب با افزایش نرخ بارگذاری فشرده‌سازی سرد و کسر حجمی مواد تقویت‌کننده افزایش یافت. آسیب‌های محاسبه شده با دو روش چگالی و مدول یانگ با یکدیگر تفاوت قابل ملاحظه‌ای داشتند. یکی از دلایل این امر نحوه القای آسیب و ماهیت متفاوت آن در نمونه‌های استفاده شده در هر یک از این دو روش است. در روش چگالی، آسیب در هنگام ساخت نمونه‌ها که با روش فشرده‌سازی پودر تولید شدند ایجاد گردیدند. این آسیب‌ها در حقیقت، همان حفره‌های باقیمانده بین ذرات هستند که در هنگام فشرده‌سازی به‌ویژه در فشرده‌سازی‌های دینامیکی به وجود آمدند. این در حالی است که در روش مدول یانگ، نمونه‌های تولید شده پس از تولید ابتدا اکسترود، سپس ماشین‌کاری می‌شوند و در نهایت تحت کشش قرار می‌گیرند. همان‌گونه که گفته شد آسیب در کرنش-نرم شوندگی مؤثر است به‌طوری‌که استحکام نهائی پودر مس خالص فشرده‌شده را از MPa 218 به MPa 179 کاهش داد.

فایل: ّFile: