فهرست مطالب……………………….هشت

فهرست شکل‌ها………………………………ده

فهرست جداول……………………………………سیزده

چکیده…………………………….1

فصل اول: مقدمه. 2

فصل دوم: مروری بر منابع.. 4

2-1 معرفی منیزیم و آلیاژهای آن.. 4

2-2 آلیاژهای منیزیم.. 5

2-2-1 آلیاژهای کارشده منیزیم.. 5

2-2-2 آلیاژهای ریختگی منیزیم.. 6

2-3 خواص منیزیم.. 6

2-4 اثر عناصر آلیاژی بر خواص منیزیم.. 7

2-4-1 اثر افزودن عنصر آلیاژی  Alبر خواص منیزیم.. 7

2-4-2 اثر افزودن عنصر آلیاژیZn  بر خواص منیزیم.. 9

2-4-3 اثر افزودن منگنز بر خواص منیزیم.. 9

2-4-4 اثر سایر عناصر آلیاژی بر خواص منیزیم.. 9

2-5 کاربرد آلیاژهای موجود در سیستم Mg-Cu. 9

2-6 مکانیزم فرایند اصطکاک اغتشاشی.. 10

2-6-1 ابزار فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 11

2-7 سرعت چرخشی (ω) و سرعت حرکت خطی پین بر سطح قطعه کار (v). 12

2-8 زاویه ابزار با سطح قطعه. 14

2-9 عملیات حرارتی جانبی.. 14

2-10 تحولات ساختاری فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 15

2-10-1 ناحیه‌ی اغتشاش(SZ) 15

2-10-2 منطقه‌ی تحت تأثیر عملیات ترمومکانیکی(TMAZ) 16

2-10-3 منطقه ی تحت تأثیر حرارت (HAZ) 17

2-11 اثر تعداد پاس‌های فرایند اصطکاکی اغتشاشی بر خواص و ریزساختار نهایی.. 17

2-12 اثر فرایند اصطکاکی اغتشاشی بر سختی.. 18

2-13 کاربردهای فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 20

2-14 سایش…. 22

2-15 سایش چسبان.. 22

2-15-1 پارامترهای مؤثر در سایش چسبان.. 23

2-16 سایش خراشان.. 24

2-17 سایش ورقه‌ای.. 25

2-18 تفاوت بین سایش چسبان و ورقه‌ای.. 25

2-19 سایش نوسانی.. 25

2-20 رفتار سایشی آلیاژهای منیزیم.. 25

2-21 نقشه سایشی آلیاژ AZ91. 26

2-22 تأثیر فرایند اصطکاکی اغتشاشی بر رفتار سایشی آلیاژ AZ91. 27

2-23 ترکیبات بین‌فلزی نمودار فازی Mg-Cu. 28

 

 

2-24 جمع‌بندی و هدف از اجرای پژوهش…. 29

فصل سوم: مواد، تجهیزات و روش تحقیق.. 30

3-1 مقدمه. 30

3-2 مواد اولیه. 30

3-3 آماده سازی نمونه‌ها 31

3-4 بهینه سازی پارامترهای فرایند.. 32

3-5 ارزیابی های متالورژیکی.. 32

3-6 بررسی رفتار مکانیکی.. 32

3-6-1 آزمون سختی سنجی.. 32

3-6-2 آزمون کشش…. 33

3-6-3 آزمون سایش…. 33

3-7 عملیات حرارتی T6. 33

فصل چهارم: نتایج و بحث… 34

4-1 ساخت نانوکامپوزیت در سیستم‌های Mg/Cu وMg/CuO.. 34

4-2 تعیین پارامتر بهینه. 34

4-3 بررسی اثر فرایند اصطکاکی اغتشاشی و کامپوزیت‌سازی بر ریزساختار آلیاژAZ91. 36

4-4 بررسی فازی و میکروساختاری کامپوزیت AZ91/CuO قبل و بعد از عملیات حرارتی.. 41

4-5 ارزیابی خواص مکانیکی.. 43

4-5-1 سختی سنجی.. 43

4-5-2 بررسی رفتار کششی.. 44

4-5-3 بررسی سطوح شکست… 46

4-6 شکل‌گیری ترکیبات بین‌فلزی طی فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 48

4-6-1 سینتیک و ترمودینامیک تشکیل ترکیبات بین‌فلزی.. 48

4-6-2 مکانیزم تشکیل تقویت‌کننده‌ها طی فرایند اصطکاکی اغتشاشی.. 51

4-7 رفتار سایشی کامپوزیت‌های مختلف در سیستم‌های مختلف Mg-Cu و Mg-CuO.. 54

4-7-1 بررسی مکانیزم‌های حاکم بر سایش…. 56

فصل پنجم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات… 63

5-1 نتیجه‌گیری و جمع‌بندی نهایی.. 63

5-2 پیشنهادها 64

چکیده

در این پژوهش نانوکامپوزیت سطحی بر پایه‌ی ترکیبات بین فلزی سیستم Mg-Cu، با بهره گرفتن از فرایند اصطکاکی اغتشاشی  (FSP) و به صورت درجا بر سطح آلیاژ منیزیم (AZ91C) ایجاد شد. سپس پودر مس و اکسید مس، درون شیارهای ایجاد شده بر سطح آلیاژ AZ91C اعمال گردید به منظور دست‌یابی به ساختار کامپوزیتی بدون عیب، واکنش بهتر ذرات مس با زمینه و توزیع مناسب ذرات تقویت‌کننده در زمینه، پارامتر سرعت چرخشی 1000 دور بر دقیقه و سرعت خطی 40 میلی‌متر بر دقیقه طی شش پاس فرایند اصطکاکی اغتشاشی روی این آلیاژ اعمال گردید. به منظور بررسی تشکیل ترکیبات بین فلزی در کامپوزیت‌ها از آنالیز XRD استفاده شد. بررسی‌ها نشان داد که در نمونه­ FSP شده­ی AZ91/Cu ترکیب Mg2Cu و در نمونه­ AZ91/CuO، به دلیل انجام شدن واکنش اکسید مس و منیزیم علاوه بر این ترکیب بین فلزی Mg2Cu ، ذرات تقویت‌کننده‌ی MgO و MgCu2 نیز تشکیل شد.سپس نمونه­ فرایند شده­ی AZ91/CuO تحت عملیات حرارتی T6 قرار گرفت. سختی نمونه‌ی AZ91/CuO بعد از عملیات حرارتی حدود 165 ویکرز است که نسبت به سختی فلز پایه (62 ویکرز) و نمونه­های FSP شده­ی AZ91/Cu و AZ91/CuO (به ترتیب 114و 128 ویکرز) افزایش بیشتری از خود نشان داد. مقایسه‌ی نتایج آزمون کشش و سایش نشان می‌دهد که در بین کامپوزیت‌های مختلف، نمونه­ FSP شده­ی AZ91/CuO دارای بهترین خواص کششی و سایشی است. استحکام کششی نهایی فلز پایه (AZ91C) از مقدار 4/112 مگاپاسکال، به حدود 330 مگاپاسکال برای کامپوزیت AZ91/CuO افزایش یافت. بررسی سطح سایش نمونه‌ها، نشان‌دهنده‌ی وقوع مکانیزم سایش خراشان و ورقه‌ای در فلز پایه است. در کامپوزیت AZ91/CuO عمق و پهنای شیارهای ناشی از سایش، نسبت به نمونه­های دیگر کمتر است؛ در نتیجه نرخ سایش این نمونه در مقایسه با نمونه‌های دیگر کاهش بیشتری یافته‌ است. بعد از انجام عملیات حرارتی T6 روی نمونه‌ی FSP شده­ی AZ91/CuO، به دلیل تشکیل میکروترک‌ها میزان سایش ورقه‌ای و نرخ سایش نسبت به نمونه‌های عملیات حرارتی نشده افزایش یافت.

کلمات کلیدی: نانوکامپوزیت سطحی، آلیاژ منیزیم، فرایند اصطکاکی اغتشاشی،ترکیبات بین‌فلزی، سیستم Mg-Cu..

فصل اول

مقدمه                                                                                                                               

منیزیم و آلیاژهای آن به دلیل استحکام ویژه‌ی بالا، خاصیت جذب ارتعاش و چگالی کم نسبت به فولاد و آلومینیوم گزینه‌ی مناسبی در کاربردهای نظامی، صنایع هوافضا و اتوموبیل‌سازی به شمار می‌روند. در کنار خواص مطلوب منیزیم، چالش‌هایی نظیر استحکام و انعطاف‌پذیری پایین به همراه مقاومت کم در برابر سایش و خزش استفاده از این آلیاژ را محدود می‌سازد؛ این عیوب با افزودن عناصر آلیاژی تا حدودی اصلاح شده، اما به منظور بهبود بیشتر خواص از روش‌های کاهش اندازه دانه، ایجاد ساختارهای هم‌محور و کامپوزیتی کردن سطح و بالک استفاده می‌گردد. افزودن ذرات تقویت‌کننده برای ساخت کامپوزیت‌های سطحی به دو روش صورت می‌گیرد:1) ذرات تقویت کننده به صورت مستقیم به زمینه اضافه شده، یا به عبارت دیگر ذرات تقویت کننده قبل از کامپوزیت‌سازی ایجاد شده باشند. 2) به صورت درجا و در حین کامپوزیت‌سازی ایجاد شوند. از مزیت‌های این روش احتمال تولید ذرات تقویت‌کننده‌ی نانومتری، قوی بودن فصل مشترک ذره و زمینه و توزیع مناسب و یکنواخت تقویت‌کننده‌ها می‌باشد. به منظور بهبود خاصیت مقاومت به سایش منیزیم از روش های پوشش‌دهی زیادی استفاده شده است. از جمله‌ی این روش‌ها می‌توان به استفاده از قوس پلاسما، لایه‌نشانی با لیزر و …. به منظور ایجاد کامپوزیت سطحی با ذرات Ni، Cu، TiN، CrNi بر سطح آلیاژ AZ91 اشاره کرد. به‌کارگیری روش‌های ذوبی در کامپوزیت‌سازی سطحی به دلیل معایبی چون ایجاد فاز مذاب، عدم کنترل فرایند، عدم توزیع یکنواخت ذرات تقویت‌کننده در زمینه و ایجاد ریزساختار غیر‌همگن و دندریتی محدود شده‌ است [1و2]. یکی از روش‌های آسان و مقرون‌ به ‌صرفه‌ی حالت جامد در تولید کامپوزیت سطحی، فرایند اصطکاکی اغتشاشی می‌باشد که علاوه بر اصلاح ریزساختار، بهبود خواص مکانیکی، حذف عیوب ساختار ریختگی وتولید ترکیبات بین‌فلزی، امکان ایجاد نانوکامپوزیت‌های سطحی و بالک را

در کوتاه‌ترین زمان فراهم می‌سازد. تاکنون تحقیقاتی پیرامون ساخت نانو‌کامپوزیت‌‌های سطحی و درجا، بر پایه‌ی سیستم سه‌تایی Al-Ni-O روی سطح ورق‌های آلومینیومی صورت گرفته و نتایج نشان داد که سختی سطح به حدود 5/2 برابر فلز پایه افزایش یافته است. به این ترتیب مقاومت به سایش این آلیاژ بهبود یافت [3]. در بیشتر تحقیقاتی که تاکنون به منظور ایجاد نانوکامپوزیت‌های سطحی بر پایه‌ی آلیاژهای منیزیم صورت گرفته، ذرات تقویت‌کننده‌ی غیر درجا در زمینه‌‌ی کامپوزیت مورد استفاده قرار گرفته است. در ادامه نمونه‌هایی از تحقیقات مختلف صورت گرفته در زمینه‌ی ساخت نانوکامپوزیت‌های زمینه منیزیم ونتایج حاصل از بررسی خواص مختلف آن به صورت خلاصه بیان شده است.

با توجه به آنکه برخی بررسی‌ها حاکی از تأثیر مناسب ترکیبات بین‌فلزی MgxCuy در زمینه‌ی منیزیم است ، در این پژوهش سعی می‌شود نانو‌کامپوزیت سطحی حاوی ترکیبات بین‌فلزی مربوط به سیستم Mg-Cu و Mg-CuO به صورت درجا و با بهره گرفتن از فرایند FSP بر سطح آلیاژ AZ91 ایجاد شده و در نهایت به منظور بررسی اثر رسوبات فاز β در ریزساختار و خواص مکانیکی و سایشی، نمونه‌ها تحت عملیات حرارتی T6 قرار گرفتند. در ادامه ابتدا به بررسی مطالعات مشابه صورت گرفته در این زمینه و توضیح نحوه‌ی انجام آزمون‌های مختلف روی نمونه‌ها پرداخته خواهد شد. در فصل چهارم نتایج آزمون‌های مختلف تجزیه و تحلیل شده و در پایان نیز جمع‌بندی از نتایج به دست آمده ارائه