بررسی اثر تغییرشکل پلاستیک شدید در فشار کنگره ای مقید دما بالا بر خواص مکانیکی و پارامترهای شکست در مود ترکیبی

نوع: Type: رساله

مقطع: Segment: دکتری

عنوان: Title: بررسی اثر تغییرشکل پلاستیک شدید در فشار کنگره ای مقید دما بالا بر خواص مکانیکی و پارامترهای شکست در مود ترکیبی

ارائه دهنده: Provider: داود زرینی - مهندسی مکانیک

اساتید راهنما: Supervisors: دکتر فرامرز فرشته صنیعی

اساتید مشاور: Advisory Professors:

اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: دکتر رحمن سیفی، دکتر حشمت اله حقیقت، دکتر علی پورکمالی انارکی

زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: ساعت 15 - 1405/1/26

مکان ارائه: Place of presentation: دانشکده مهندسی

چکیده: Abstract: با توجه به گسترش کاربرد آلیاژهای سبک در صنایع خودروسازی، هوافضا و تجهیزات انرژی، و نقش مهم رفتار شکست، چقرمگی و دوام خستگی در طراحی سازه، این تحقیق به‌منظور توسعه دانش پایه در زمینه بهینه‌سازی عملکرد مکانیکی از طریق مهندسی ریزساختار انجام شده است. در این رساله، تأثیر فرآیند تغییرشکل پلاستیک شدید به روش فشار کنگره‌ای مقید (Constrained Groove Pressing = CGP) بر ریزساختار، بافت بلوری، چگالی نابجایی‌ها، خواص مکانیکی، چقرمگی شکست و رفتار رشد ترک دو آلیاژ سبک آلومینیم Al3105 و منیزیم AZ80 مورد مطالعه قرار گرفته است. هدف اصلی پژوهش، ایجاد درکی عمیق از چگونگی اثرگذاری تغییرشکل شدید بر خواص بنیادی این آلیاژها و مشخص‌کردن تفاوت رفتار در دو سیستم فلزی با شبکه‌های بلوری کاملاً متفاوت FCC و HCP بوده است. در بخش مربوط به آلیاژ Al3105، فرآیند CGP با استفاده از قالب اختصاصی موجود انجام شد و اثرات آن بر تکامل ریزساختار با کمک میکروسکوپ نوری، پراش پرتو ایکس، تحلیل EDS و نقشه‌برداری عناصر مورد ارزیابی قرار گرفت. یافته‌ها نشان داد که اعمال کرنش‌های بالا باعث فعال شدن بازیابی دینامیکی و تغییرات در رسوبات ثانویه از جمله Al₆(Fe,Mn) و α-Al(Fe,Mn)Si می‌شود. بخش قابل‌توجهی از این رسوبات در زمینه حل شده و بخش دیگر خرد شده و توزیع یکنواخت‌تری می‌یابد. این تغییرات همراه با افزایش اندازه دانه و تضعیف بافت‌های بلوری غالب مکعبی و گوس به کاهش استحکام تسلیم تا ۵۷ درصد و استحکام نهایی منجر شد. در مقابل، درصد ازدیاد طول تا ۳۸ درصد، چقرمگی شکست تا ۴۰ درصد و انرژی شکست جذب‌شده به‌طرز محسوسی افزایش یافت. تحلیل سطح شکست نمونه‌های CT نیز بازتاب‌دهنده گذار از شکست نسبتاً ترد به شکست نرم همراه با حفره‌های بزرگ و ناحیه پلاستیک گسترده در اطراف نوک ترک بود. به‌طور کلی، ساختار FCC این آلیاژ، امکان بازیابی و رشد دانه را فراهم کرده و اثر CGP در آن بیشتر به صورت افزایش انعطاف‌پذیری و چقرمگی خود را نشان داده است. در آلیاژ AZ80، نقش ساختارHCP، محدودیت سیستم‌های لغزش و تمایل این آلیاژ به تبلور مجدد دینامیکی در اثر تغییرشکل شدید، قابل توجه بود. انجام فرآیند CGP در دماهای مختلف نشان داد که افزایش دما موجب فعال‌شدن تبلور مجدد دینامیکی (Dynamic recrystallization = DRX)، و تشکیل ساختار ریزدانه با کاهش اندازه دانه تا ۶۳ درصد می‌شود. رسوبات β-Mg₁₇Al₁₂ نیز در اثر CGP خرد شده و به‌صورت یکنواخت‌تر در زمینه توزیع شدند؛ عاملی که نقش مهمی در افزایش استحکام و سختی ایفا کرد. همچنین تغییر بافت و چرخش محورهای بلوری، به‌خصوص تضعیف بافت قاعده، منجر به بهبود رفتار مکانیکی و افزایش مقاومت در برابر انتشار ترک شد. آزمون‌های کشش تک‌محوره، همراه با تصویربرداری میدان کرنش به وسیله DIC، نشان‌دهنده افزایش استحکام تسلیم تا ۳۷ درصد و استحکام نهایی و کاهش ازدیاد طول بود که به ماهیت ساختار HCP و سخت‌شدن ناشی از افزایش ۵۶ درصدی چگالی نابجایی‌ها مرتبط است. در ارزیابی رفتار شکست، آزمون CT در مود I و همچنین مود ترکیبی I+II به‌صورت دقیق انجام شد. نتایج نشان داد که نمونه‌های تغییرشکل یافته AZ80 دارای مقاومت بالاتری نسبت به حالت تابکاری شده در برابر شروع و گسترش ترک هستند به‌گونه‌ای که چقرمگی شکست تا ۷۰ درصد افزایش یافت. تحلیل سطح شکست نیز نشان داد که تغییرشکل شدید موجب تولید نواحی برشی با ظاهری پیچیده‌تر و افزایش مقاومت موضعی در برابر بازشدگی ترک شده است. در آزمون خستگی رشد ترک، تمامی نمونه‌های تحت فرآیند CGP در مقایسه با نمونه تغییرشکل نیافته، افزایش چشمگیر عمر خستگی تا ۱۴ برابر را نشان دادند. این بهبود عمدتاً ناشی از مقاومت بسیار بالاتر در برابر شروع ترک بود به‌طوری که سهم مرحله جوانه‌زنی از ۱۸ درصد در نمونه تابکاری به بیش از ۹۰ درصد در نمونه‌های CGP شده افزایش یافت. با این حال، رفتار نرخ رشد ترک در مرحله رشد پایدار به پارامترهای فرآیند CGP وابسته بود. در برخی شرایط، نرخ رشد ترک کاهش و پایداری ضرایب پاریس بهبود یافت، در حالی که در نمونه‌های دیگر نرخ رشد افزایش یافت. این نتایج نشان می‌دهد که CGP می‌تواند دوام خستگی ورق AZ80 را از طریق سازوکارهای مختلف بهبود بخشد. نتایج حاصل از مقایسه دو آلیاژ نشان داد که پاسخ سازوکار آن‌ها به تغییرشکل پلاستیک شدید طی فرآیند CGP به‌شدت تابع ساختار بلوری و رفتار ریزساختاری است. در آلومینیم، ریزساختار به سمت بازیابی حرکت کرده و این امر کاهش استحکام اما افزایش چقرمگی و شکل‌پذیری را سبب می‌شود. در مقابل، در منیزیم، سازوکارهای تبلور مجدد دینامیکی، خردشدن رسوبات و افزایش نابجایی‌ها سبب افزایش استحکام، سختی و مقاومت شکست می‌گردد. بنابراین، انتخاب پارامترهای مناسب CGP باید متناسب با ویژگی‌های هر آلیاژ انجام شود. یافته‌های این پژوهش می‌تواند مبنایی برای طراحی فرآیندهای شکل‌دهی پیشرفته و بهینه‌سازی عملکرد سازه‌های سبک در کاربردهای مهندسی را فراهم نماید.