پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی شناسایی و انتخاب مواد مهندسی با عنوان
ساخت کامپوزیت Al/Zircon به روش متالورژی پودر و بررسی تاثیر عوامل مختلف فرآیند بر خواص کامپوزیت
چکیده
کامپوزیت
های Al-ZrSiO4 به دلیل خواص استحکامی و مقاومت سایشی بالای خود کاربردهای
زیادی در صنایع نظامی، هوا فضا و غیره دارند. روش متالورژی پودر از جمله
مناسب ترین روشهای ساخت کامپوزیت ها می باشد. یکی از مهمترین مزایای این
روش در مقایسه با روشهای ذوبی این است که درجه حرارت فرآیند در این روش
پایین تر است، به همین دلیل از برهم کنش بین فاز زمینه و تقویت کننده و
ایجاد فازهای ناخواسته ناشی از آن جلوگیری می شود. بدین منظور ابتدا پس از
انتخاب آلیاژ مورد نظر و همچنین زیرکن، دو دما جهت تف جوشی مدنظر قرار گرفت
و تف جوشی در دماهای ۶۰۰ و c°۶۵۰ انجام شد.
میزان
زیرکن جهت هر کامپوزیت به مقدار ۵/۱، ۵/۲، ۵/۳، ۵، ۱۰، ۱۵، و ۲۰ درصد
حجمی منظور شد.. در این پروژه مطالعه بر روی پارامترهای کسر حجمی و دمای تف
جوشی، خواص مکانیکی و همچنین ریزساختار این کامپوزتها، مورد بررسی قرار
گرفته است. نتایج نشان داد که خواص مکانیکی همچون استحکام فشاری و سختی
برای نمونه های تف جوشی شده در c°۶۵۰ در مقایسه با نمونه های مشابه ساخته
شده از وضعیت مطلوبتری برخوردار هستند. همچنین این خواص با افزایش کسر ذرات
تا ۵% حجمی افزایش قابل ملاحظه ای نسبت به نمونه خالص یافته اند. الگوی
پراش اشعه X نیز حضور فاز ZrSiO4 را تایید نموده است. به علاوه، مطالعات
میکروسکوپ نوری و الکترونی نشان می دهد که توزیع ذرات ZrSiO4 در داخل
زمینه نیز در مورد نمونه های کامپوزیتی کاملا یکپارچه بوده و بطور کلی
نتایج نشان می دهد که تولید این کامپوزیتها به روش متالورژی پودر موفقیت
آمیز بوده است.
کلمات کلیدی:
کامپوزیت Al/Zircon
کامپوزیت زمینه فلزی
آلومینیم
زیرکن
متالورژی پودر
تف جوشی
فهرست مطالب
چکیده
مقدمه
فصل اول: کلیات
فصل دوم: مروری بر منابع
۲-۱- کامپوزیت ها و انواع آن
۲-۱-۱- کامپوزیتهای زمینه پلیمری PMCS
۲-۱-۲- کامپوزیتهای زمینه سرامیکی CMCS
۲-۱-۳- کامپوزیتهای کربن - کربن CCCS
۲-۱-۴- کامپوزیتها با زمینه بین فلزی IMCS
۲-۱-۵- کامپوزیتهای زمینه فلزی MMCS
۲-۱-۶- انواع تقویت‌کننده‌ها و خواص آنها
۲-۱-۷- معرفی فلزAl بعنوان فاز زمینه کامپوزیت
۲-۱-۸- معرفی خواص زیرکن
۲-۱-۹- دلایل استفاده از کامپوزیت Al-Zircon و کاربرد آن
۲-۲- روش های تولید کامپوزیت های زمینه فلزی
۲-۲-۱- روش گردابی
۲-۲-۲- روش کمپوکستینگ
۲-۲-۳- روش ریخته گری کوبشی
۲-۲-۴- روش ریخته‌گری فشار بالا
۲-۲-۵- روش رخنه‌دهی
۲-۲-۶- روش درجا
۲-۲-۷- روش شکل دهی توسط اسپری
۲-۲-۸- روش متالورژی پودر
۲-۲-۹- مزایا و معایب استفاده از روش متالورژی پودر برای تولید کامپوزیت
۲-۳: کامپوزیت های زمینه آلومینیمی تقویت شده با زیرکن
۲-۳-1: توزیع ذرات زیرکن در نمونه ها
۲-۴- تاثیرفرآیند پروسه ساخت برریزساختار
۲-۴-۱: خواص مکانیکی کامپوزیتهای Al-Zircon
۲-۴-۱-۱: تاثیر کسر حجمی
۲-۴-۱-۲- تاثیر روش تولید و اندازه ذره
۲-۴-۱-۳- تاثیر مواد افزودنی
۲-۴-۲- اثر مقدار و اندازه ذارت 4ZrSiO بر روی چگالی
۲-۴-۳- اثر مقدار و اندازه ذرات Zircon بر روی سختی
۲-۴-۴- اثر مقدار و اندازه ذارت تقویت کننده بر استحکام فشاری و کششی، مدول یانگ وتغییر طول تا شکست
۲-۴-۵- اثر مقدار واندازه ذرات Zircon بر ریزساختار کامپوزیت Al-Zircon
2-4-6-اثر دمای تف جوشی بر روی خواص و ریزساختارکامپوزیت
فصل سوم: روش تحقیق
۳-۱- مشخصات مواد اولیه
۳-۲- تجهیزات
۳-2-۱- تجهیزات لازم برای ساخت قطعه
۳-2-2- تجهیزات مربوط به بررسی خواص نمونه ها
۳-۳- آماده سازی نمونه ها
۳-۳-۱- ساخت کامپوزیت های Al- ZrSiO4
۳-۴- روش انجام آزمایش
3-4-1-اندازه گیری چگالی
3-4-2اندازه گیری سختی
۳-۴-۳- مطالعات میکروسکوپ نوری
۳-۴-4- مطالعات میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
3-4-5- آزمایش فشار
3-4-۶- پراش اشعه X (XRD)
فصل چهارم : نتایج و بحث
۴-۱- بررسی نتایج آزمایش چگالی
4-1—1- اثر مقدار ذرات زیرکن بر چگالی قطعات تف جوشی شده
4-1-2-اثر دمای تف جوشی بر روی چگالی کامپوزیت Al-Zircon
۴-۲- بررسی نتایج آزمایش سختی کامپوزیت Al-Zircon
4-2-1- اثر درصد حجمی ذرات زیرکن بر سختی کامپوزیت Al-Zircon
4-2-2-اثر دمای تف جوشی بر روی سختی کامپوزیت Al-Zircon
۴-۳- بررسی نتایج آزمایش فشار کامپوزیت های Al-Zircon
4-3—1- اثرمقدار تقویت‌کننده بر تنش تسلیم، استحکام فشاری و تغییر طول تا شکست کامپوزیتAl-Zircon
4-3-2-اثردمای تف جوشی بر روی تنش تسلیم، استحکام فشاری و تغییر طول تا شکست کامپوزیت Al-Zircon
۴-۴- بررسی تصاویر میکروسکوپ الکترونی
۴-۴-۱- اثر مقدار ذرات زیرکن بر روی ریزساختار کامپوزیت Al-Zircon
۴-۴-۲- اثردمای تف جوشی بر روی ریزساختار کامپوزیت
۴-۵- بررسی تصاویر میکروسکوپ نوری
۴-۶- بررسی نتایج آزمایش پراش اشعه X
۴-۶-۱- پودر زیرکن
۴-۶-۲- کامپوزیت آلومینیم - زیرکن
فصل پنجم (نتیجه گیری)
۵- نتیجه گیری
پیشنهادها برای ادامه کار
مراجع
فهرست جداول
جدول۲-۱: خواص دیرگداز زیرکن[۱۵].
جدول ۲-۲ . مقایسه خواص روشهای مختلف تولید کامپوزیت زمینه Al [۱۸] .
جدول ۲-۳. تغییرات چگالی با تغییرات مقدار تقویت کننده [۸].
جدول۲-۴.تغییرات چگالی و سایر خواص با تغییر درصد حجمی و اندازه تقویت کننده [۲۲].
جدول۲-۵ . مقادیراستحکام فشاری نهایی کامپوزیت با تغییر مقدار تقویت کننده [۸].
جدول ۳-۱: ترکیب شیمیایی پودر ZrSiO4مورد استفاده.
جدول ۳-۲ . نسبت پودرهای مورد استفاده برای تولید کامپوزیت.
جدول ۳-۳ . مشخصات نمونه های مورد استفاده در این پژوهش.
جدول ۳-۴ . ترکیب شیمیایی محلول اچ کلر [۶۴].
جدول ۴-۱ : تغییرات چگالی و چگالی نسبی با تغییر مقدار تقویت کننده و دمای تف جوشی.
جدول ۴-۲ : تغییرات مقدار سختی کامپوزیت ها با تغییر مقدار ذرات زیرکن و دمای تف جوشی.
فهرست تصاویر
شکل ۲-۱ . طبقه بندی مواد کامپوزیت]۱۲[.
شکل ۲-۲: نمایش یک کریستال طبیعی zircon تک بلور [۱۵].
شکل ۲-۳: نمایش صفحات کریستالی zircon تک بلور [۱۵].
شکل ۲-۴: نمایی از شبکه کریستالی پیچیده zircon [۱۶].
شکل۲-۵. روشهای ساخت کامپوزیت های زمینه فلزی [۱۲].
شکل ۲-۶ . سهم روشهای مختلف تولید کامپوزیت های زمینه فلزی در صنعت [۱۳].
شکل ۲- ۷ . شمایی ازتولید کامپوزیت زمینه فلزی به روش گردابی [۱۷].
شکل ۲-۸ . شمایی از روش شکل دهی توسط اسپری فلز مذاب [۳۱].
شکل۲-۸ . نمایی از فرآیند پرس سرد ایزواستاتیک [۱۸].
شکل۲-۹ . نمایی از فرآیند پرس بوسیله سمبه و ماتریس [۱۸].
شکل۲-۱۰ . تعدادی از فرآیندهای رایج اکستروژن در متالورژی پودر [۱۹].
شکل ۲-۱۱ . فرآیند های متداول متالورژی پودر [۱۹].
شکل ۲-۱۲ . شماتیکی از فرایند اتصال از طریق انتقال اتمها به نقاط گردنی در هنگام تف جوشی [۲۰].
شکل ۲-۱۳ . شماتیکی از تغییرات میکروسکوپی در هنگام تف جوشی [۲۰].
شکل۲-۱۴: کامپوزیت های زمینه آلومینیومی، (a حاوی ذرات آلومینا ۴۴-۷۴µm ، b) حاوی ذرات آلومینا ۷۴- ۱۰۵ µm
، c) حاوی ذرات زیرکن۴۴-۷۴µm و d)حاوی ذرات زیرکن۷۴- ۱۰۵ µm [۲۸].
شکل۲-۱۵. دیاگرام دوتایی 2SiO-2ZrO.
شکل ۲-۱۶: تغییرات سختی نمونه های کامپوزیتی تقویت شده با آلومینا و زیرکن با اندازه ذرات مختلف [۲۸].
شکل۲- ۱۷: نرخ سایش کامپوزیت های مختلف زمینه آلومینیمی و آلومینیم خالص [۲۸].
شکل۲- ۱۸: کاهش حجم در طی سایش کامپوزیت های مختلف زمینه آلومینیمی و آلومینیم خالص [۲۸].
شکل ۲- ۱۹ : شکل الکترونی سطح سایشی a)نمونه حاویSiC b) حاوی زیرکن(۴۴-۷۴µm) و c)حاوی زیرکن (۷۴-۱۰۵µm)[۲۸].
شکل۲- ۲۰: شکل میکروسکوپی سطح سایشی نمونه های a) آلومینیوم خالص b)حاوی ذرات آلومینا ۴۴-۷۴µm
c) حاوی آلومینا ۷۴-۱۰۵µm d)حاوی زیرکن۴۴-۷۴µm و e)حاوی زیرکن۷۴- µm ۱۰۵[۲۸].
شکل ۲-۲۱ . کاهش چگالی کامپوزیت با افزایش درصد حجمی تقویت کننده [۲۲].
شکل ۲-۲۲. افزایش تخلخل با افزایش تقویت کننده [۲۲].
شکل ۲-۲۲ . افزایش چگالی با افزایش مقدار و اندازه ذرات تقویت کننده [۱۸].
شکل ۲-۲۳ . افزایش تخلخل با افزایش درصد وزنی تقویت کننده [۱۸].
شکل ۲-۲۴ . تغییرات سختی با تغییر مقدار و اندازه ذارت [۱].
شکل ۲-۲۵ . تغییرات سختی با تغییر مقدار ذارت آلومینا [۵].
شکل ۲-۲۶ . افزایش استحکام فشاری با افزایش مقدار تقویت کننده [۳۱].
شکل ۲-۲۷ . نمودار فشار ماده کامپوزیتی حاوی ذرات BN [۸].
شکل۲-۲۸ . کاهش تغییر طول با افزایش مقدار تقویت کننده [۲۲].
شکل ۲-۲۹ . افزایش استحکام تسلیم با افزایش مقدار SiC برای آلیاژ Al-Cu--Mn [۲۲].
شکل ۲-۳۰ . افزایش استحکام کششی با افزایش مقدار SiC برای آلیاژ Al-Cu--Mn [۲۲].
شکل ۳-۱ . تصویر میکروسکوپ الکترونی از پودر آلومینیوم مورد استفاده.
شکل ۳-۲ . آسیاب گلوله ای- سیاره ای مورد استفاده دراین تحقیق.
شکل۳-۳.تصویر دستگاه پرس سرد ایزواستاتیک.
شکل ۳-۴ . تصویر کوره تف جوشی به همراه لوله آلومینایی و درپوش آن.
شکل ۳-۵ . تصویر دستگاه اندازه گیری چگالی در این پژوهش.
شکل ۳-۶ . تصویر تعدادی از نمونه های کامپوزیتی ساخته شده در این پژوهش.
شکل ۳-۱۲ . تصویر دو نمونه کامپوزیتی این پژوهش پس از آزمایش فشار.
شکل ۴-۱ : اثر درصد حجمی زیرکن بر چگالی کامپوزیت Al-Zircon.
شکل ۴-۲ : اثر درصد حجمی زیرکن بر چگالی نسبی کامپوزیت Al-Zircon.
شکل ۴-۳ : اثردمای تف جوشی بر چگالی و مقایسه چگالی های بدست آمده با چگالی تئوری.
شکل ۴-۴ : اثردمای تف جوشی بر چگالی نسبی.
شکل ۴-۵ : اثر درصد حجمی زیرکن بر سختی کامپوزیت Al-Zircon.
شکل ۴-۶ : اثر دمای تف جوشی بر سختی کامپوزیت ها.
شکل ۴-۷ : اثر درصد حجمی زیرکن بر تنش تسلیم کامپوزیت Al-Zircon.
شکل ۴-۸ : اثر درصد حجمی زیرکن بر استحکام فشاری کامپوزیت Al-Zircon.
شکل ۴-9: اثر درصد حجمی زیرکن بر تغییر طول تا شکست کامپوزیت Al-Zircon.
شکل۴-۱۰ : اثر دمای تف جوشی و مقدار ذرات زیرکن برتنش تسلیم کامپوزیت Al-Zircon.
شکل۴-۱۱ : اثر دمای تف جوشی و مقدار ذرات زیرکن بر استحکام فشاری کامپوزیت Al-Zircon.
شکل۴-۱۲ : اثر دمای تف جوشی و مقدار ذرات زیرکن برتغییر طول تا شکست کامپوزیت Al-Zircon.
شکل ۴-۱۳ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۵/۲ درصد حجمی زیرکن.
شکل ۴-۱۴ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۵/۳ درصد حجمی زیرکن.
شکل ۴-۱۵ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۵ درصد حجمی زیرکن.
شکل ۴-۱۶ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۱۰ درصد حجمی زیرکن.
شکل ۴-۱۷ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۱۵درصد حجمی زیرکن.
شکل ۴-۱۸ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۲۰ درصد حجمی زیرکن می باشد.
شکل ۴-۱۹ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۱۵ درصد حجمی زیرکن.
شکل۴-۲۰: تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی۲۰ درصد حجمی زیرکن.
شکل ۴-۲۱ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon تف‌جوشی شده در دمای ۶۰۰ به مدت۶۵ دقیقه.
شکل ۴-۲۲ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon تف‌جوشی شده در دمای ۶۵۰ به مدت۶۵ دقیقه.
شکل ۴-۲۳ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon تف‌جوشی شده در دماهای ۶۰۰ به مدت۶۵ دقیقه .
شکل ۴-۲۴ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon تف‌جوشی شده در دماهای ۶۳۰ به مدت۶۵ دقیقه .
شکل ۴-۲۵ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon تف‌جوشی شده در دماهای ۶۵۰ به مدت۶۵ دقیقه .
شکل ۴-۲۶ : تصویر میکروسکوپ نوری نمونه کامپوزیت Al-Zircon تف جوشی شده در دمای ۶۵۰ به مدت ۶۵ دقیقه.
شکل ۴-۲۷ : تصویر میکروسکوپ نوری نمونه کامپوزیت Al-Zircon محتوی ۵/۳درصد حجمی زیرکن.
شکل ۴-۲۸ : تصویر میکروسکوپ نوری نمونه کامپوزیت Al-Zircon محتوی ۵ درصد حجمی زیرکن.
شکل ۴-۲۹ : تصویر میکروسکوپ نوری نمونه کامپوزیت Al-Zircon محتوی ۱۰درصد حجمی زیرکن.
شکل ۴-۳۰ : تصویر میکروسکوپ نوری نمونه کامپوزیت Al-Zircon محتوی ۱۵درصد حجمی زیرکن.
شکل(۴-۳۱) : نمودار پراش اشعه X پودر زیرکن مورد استفاده در این تحقیق.
شکل(۴-۳۲) : نمودار پراش اشعه X کامپوزیت آلومینیم-زیرکن حاوی ۱۰% زیرکن تفت جوشی شده شده در دمای C °۶۵۰ .
