3-3-2-شرایط دمایی حاکم و محاسبه میزان کسر جامد45
3-3-3-روش انجام آهنگری و پارامترهای مورد بررسی47
3-3-3-1-شکلدهی نمونه‌های سربی48
3-3-3-2-شکلدهی نمونه‌های آلومینیمی49
3-3-3-3-آزمون فشار و آزمون حلقه50
3-4-چگونگی اندازهگیری پارامترهای خروجی51
3-4-1-مطالعه ریزساختار51
3-4-2-محاسبه اندازه متوسط دانه و میزان کرویت52
3-4-3-آزمون سختی سنجی53
3-4-4-آزمون کشش53
4-فصل چهارم – شبیه سازی اجزای محدود54
4-1-مقدمه55
4-2-شبیهسازی اجزای محدود تولید شمش نیمه جامد55
4-2-1-معرفی نرمافزار55
4-2-2-معرفی مدل و چگونگی مشبندی57
4-2-3-تنظیم پارامترهای فیزیکی و مشخصات سیال58
4-2-4-اعمال شرایط مرزی و اولیه59
4-3-شبیهسازی اجزای محدود فرآیند آهنگری با شمش نیمهجامد60
4-3-1-معرفی نرمافزار60
4-3-2-مراحل شبیه سازی60
4-3-3-تنظیم پارامترهای فیزیکی و مشخصات قطعه و قالب61
4-3-4-نحوه مشبندی62
4-3-5-شرایط مرزی و بارگذاری63
5-فصل پنجم – نتایج و بحث65
5-1-مقدمه66
5-2-بررسی نتایج تولید شمش نیمهجامد66
5-2-1-بررسی مستقل پارامترها و مقایسه با نتایج شبیهسازی66
5-2-1-1-اعتبارسنجی شبیهسازیها66
5-2-1-2-اثر خنککنندگی سطح شیبدار68
5-2-1-3-اثر دمای بارریزی69
5-2-1-4-اثر زاویه سطح شیبدار74
5-2-1-5-اثر طول سطح شیبدار79
5-2-1-6-تاثیر نرخ بارریزی82
5-2-2-بررسی مشخصات ساختاری نمونهها با استفاده از روش طراحی فاکتوریل85
5-2-2-1-بررسی پارامترهای موثر روی درصد کرویت87
5-2-2-2-بررسی کمترین قطر میانگین اندازه دانه93
5-2-2-3-بررسی میزان سختی97
5-2-3-مقایسه حالت بهینه ریختهگری در محیط خنثی و اتمسفر102
5-2-3-1-بررسی میزان تخلخل102
5-2-3-2-بررسی نمونهها با پراش تفرق اشعه ایکس (XRD)106
5-2-3-3-بررسی نمونهها با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)107
5-2-3-4-بررسی خواص کششی108
5-3-بررسی نتایج آهنگری شمش نیمهجامد قطعه درپوش گیربکس حلزونی مدل 62108
5-3-1-اعتبارسنجی شبیهسازیها108
5-3-2-بررسی تاثیر گرمایش مجدد روی نمونههای ریختهگری109
5-3-3-بررسی تاثیر اصطکاک111
5-3-4-تاثیر سرعت حرکت پرس (نرخ کرنش)114
5-3-5-تاثیر دمای قالب و فشار پرس116
5-3-6-اثر دمای قطعه و مدت زمان نگهداری122
6-فصل ششم – نتیجه گیری و پیشنهادات128
6-1-نتیجه گیری129
6-2-پیشنهادات131
فهرست اشکال
شکل ‏1-1- مقایسهای بین آهنگری، ریختهگری و فرآیند نیمهجامد از نظر محدوده دمای کاری [2]2
شکل ‏1-2- تصویر طرحوار روش سطح شیب دار خنک کننده [6].4
شکل ‏1-3- تصویر طرحوار فرآیندهای ریختهگری و آهنگری با شمش نیمهجامد [7].6

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل ‏1-4- الف) حرارتدهی موفق ب) حرارتدهی ناموفق، ریزش مذاب و ایجاد پدیده پافیلیشدن [7].7
شکل ‏1-5- مقایسه انواع روشهای شکل دادن [8]8
شکل ‏1-6- طرح سازوکار پیشنهادی ووگل در جدا شدن بازوهای دندریتی (الف) اعمال تنش برشی به دندریت‌های فاز جامد (ب) خم شدن دندریت‌ها (ج) ایجاد شکست در ریشه دندریت‌ها (د) جدا شدن دندریت‌ها [4].8
شکل ‏1-7- بیان تغییرات ساختاری در طول انجماد همراه با اغتشاش شدید: الف) دندریت اولیه، ب) رشد دندریت، ج) گل برگ، د) گل برگ تکامل یافته و ه) ذره کروی [8].10
شکل ‏1-8- نمای توصیف فرایندهای آرام و سریع در ریزساختار نیمه جامد پس از افزایش و کاهش نرخ برش [4].10
شکل ‏2-1- اثر زاویه بر (الف) قطر متوسط (ب) فاکتور شکل ذرات قبل و بعد از گرمایش مجدد[24].16
شکل ‏2-2- سطح شیبدار ابداعی توسط بیرول[5]17
شکل ‏2-3- تغییرات اندازه دانه بر اثر مدت زمان نگهداری، دمای بارریزی C?640، طول سطح شیب دار MM400 [5]17
شکل ‏2-4- تغییر ریزساختار در آلیاژ آلومینیم 6061AL در حالت الف) ریختگی و ب) نیمه جامد [27].18
شکل ‏2-5- ریزساختار شمشهای ریختهگری شده در دماهای بارریزی و طولهای متفاوت در قالب سرامیکی[28]19
شکل ‏2-6- ذرات فاز سیلیسیم یوتکتیک در ریزساختار آلیاژ 319A بعد از انجام عملیات حرارتی[34].21
شکل ‏2-7- ریز ساختار قطعه تولید شده از طریق همزن الکترومغناطیسی بعد از گرمایش مجدد[35]22
شکل ‏2-8- ریزساختار مربوط به عملیات حرارتی (الف) T5 و (ب) T6 [41]23
شکل ‏2-9- جدایش در مقیاس ماکرو با زاویه سطح °30 (الف) و °60 (ب)26
شکل ‏2-10- توزیع دمای دوغاب روی سطح با دو دمای بارریزی (الف) K 925 و (ب) K 95527
شکل ‏2-11- جدایش در مقیاس ماکرو با دو دمای بارریزی (الف) K 925 و (ب) K 95527
شکل ‏2-12- ریزساختار بعد از فرآیند حرارتدهی[52]28
شکل ‏2-13- تغییر ریزساختار با تغییر در میزان جابجایی پانچ (A، B و C مکانهای مختلف برای تصویر برداری در نمونه میباشد)[52]28
شکل ‏2-14- درصد نمونه‌های آهنگری شده آلیاژ آلومینیم 356A با ازدیاد طول کمتر از 2 درصد (الف) آهنگری (ب) آهنگری با شمش نیمهجامد (ج) آهنگری همراه با پمپ خلا (د) آهنگری با شمش نیمهجامد همراه با پمپ خلا [57]30
شکل ‏3-1- مراحل مختلف پژوهش38
شکل ‏3-2- دیاگرام تعادلی دوتایی آلومینیم سیلیسیم [69].39
شکل ‏3-3- نمودار تغییرات دما بر حسب زمان (انجماد آلیاژ آلومینیم مورد مطالعه)40
شکل ‏3-4- نمودار دما-گرمای آلیاژ آلومینیم A356.40
شکل ‏3-5- نمایی از(الف) بوته و (ب) نگهدارنده طراحی و ساخته شده در این تحقیق.41
شکل ‏3-6- دستگاه سطح شیبدار با قابلیت کنترل اتمسفر (الف) نمای جانبی، محفظه محافظ سطح شیبدار (ب) نمای روبرو، محفظه محافظ قالب.41
شکل ‏3-7- صفحات سطح شیبدار مورد استفاده در این تحقیق (الف) دو صفحه مسی ، مسیر مارپیچی تعبیه شده بین دو صفحه و واشر فلزی مورد استفاده (ب) بزرگنمایی از محل خروج مایع خنک کننده42
شکل ‏3-8- (الف) قالبهای فولادی مورد استفاده در این تحقیق، (ب) نقشه و ابعاد قالب فلزی43
شکل ‏3-9- قطعه درپوش گیربکس حلزونی مدل 6245
شکل ‏3-10- نقشه ساده شده قطعه، ابعاد به میلیمتر45
شکل ‏3-11- نمودار تغییرات کسر جامد با کاهش دما برای آلیاژ آلومینیم 356A46
شکل ‏3-12- قرارگیری اجزای قالب و پرس، (الف) دستگاه پرس، (ب) ترموکوپل و المنت حرارتی، (ج) سیستم کنترل دما، (د) قرارگیری شمشال درون قالب پایینی47
شکل ‏3-13- (الف) نمونه خام (ب) قطعات آهنگری شده48
شکل ‏3-14- قطعات آهنگری شده از نمونه سربی در دماهای مختلف49
شکل ‏3-15- قطعه‌های دایکست و آهنگری شده از نمونه آلیاژها با ریزساختار دندریتی49
شکل ‏3-16- قطعههای آهنگری شده از نمونههای تولید شده با ریختهگری در زمانهای نگهداری مختلف و دماهای (الف) C?580، (ب) C?590 و (ج) C?60050
شکل ‏3-17- قطعه‌های آهنگری شده از نمونههای تولید شده با ریختهگری تحت کنترل اتمسفر در دمای C?590 و مدت زمان 15 دقیقه50
شکل ‏3-18- منحنیهای کالیبراسیون آلیاژ 356A برای دمای C°400 بر حسب فاکتور اصطکاک مختلف [69, 76]51
شکل ‏3-19- شماتیک برش نمونهها (الف) قطعه ریختهگری شده (ب) قسمتهای مشخص شده برای مطالعه ریزساختاری52
شکل ‏3-20- شماتیک برش نمونهها، موقعیتهایی که مشخص شده برای مطالعه ریزساختاری در نظر گرفته شده است.52
شکل ‏4-1- نحوه شناسایی مدل هندسی توسط پیش‌پردازشگر نرم‌افزار FLOW-3D [80].56
شکل ‏4-2- تفاوت روش مش‌بندی در روش معمول اختلاف محدود (الف) و در روش چند بلوکی (ب) [80].57
شکل ‏4-3- مدل سطح شیب‌دار و قالب در CATIA (الف) و در FLOW-3D به همراه مش (ب)58
شکل ‏4-4- RENDER کردن با مش با اندازه شبکه نسبتاً درشت(الف) و با اندازه شبکه نسبتاً ریز (ب)58
شکل ‏4-5- شماتیک شرایط مرزی در نظر گرفته شده برای شبیهسازی60
شکل ‏4-6- (الف) مجموعه قالب و قطعه (ب) ابعاد و شکل بیلت61
شکل ‏4-7- مراحل انجام فرآیند شبیهسازی و آزمایشگاهی، مقادیر بر حسب درصد اتمام عملیات62
شکل ‏4-8- نحوه المان بندی قطعه در مراحل مختلف تولید بر حسب درصد اتمام کار63
شکل ‏5-1- شبیهسازی ریختهگری نیمهجامد (الف)کسر جامد دوغاب خروجی (ب) سرعت دوغاب خروجی، زاویه سطح °3067
شکل ‏5-2-شبیهسازی ریختهگری نیمهجامد (الف) کسر جامد دوغاب خروجی (ب) سرعت دوغاب خروجی، زاویه سطح °6067
شکل ‏5-3- مقایسه نتایج مقاله کاند و دوتا با نتایج حاصل از این پژوهش68
شکل ‏5-4- ریزساختار نمونههای حاصل از ریختهگری بر روی سطح شیبدار در مرکز و در دماهای بارریزی (الف) C?680 – بدون خنککاری، (ب) C?650 – بدون خنککاری، (ج) C?625 – بدون خنککاری، (د)C ?680 – با سیستم آبگرد، (ه) C?650 – با سیستم آبگرد، (و) C?625 – با سیستم آبگرد69
شکل ‏5-5- تاثیر وضعیت خنککاری بر قطرمتوسط ذرات فاز اولیه و فاکتور شکل در دماهای مختلف بارریزی، طول سطح MM 500، زاویه ?50 و نرخ ریختهگری ML/S 869
شکل ‏5-6- ریزساختار نمونه ریختهگری روی سطح شیبدار با سیستم آبگرد و زاویه ثابت ?50، طول ثابت MM500 و دماهای بارریزی (الف) C?650 (ب) C?625 (ج) C?61570
شکل ‏5-7- تاثیر دمای بارریزی بر قطرمتوسط ذرات فاز اولیه و فاکتور شکل، طول سطح MM 500، زاویه ?50 و نرخ ریختهگری ML/S 870
شکل ‏5-8- مقایسه کسرجامد ایجاد شده بر روی سطح شیبدار در دماهای مختلف بارریزی (1) C?680، (2) C?650 (3) C? 625، (4) C? 615 و (5) C?60071
شکل ‏5-9- نرخ برش در لحظات اولیه برخورد با سطح شیب‌دار (واحد نمودار بر ثانیه میباشد)72
شکل ‏5-10-کسر جامد دوغاب روی سطح شیب‌دار (الف) در زمان 2 ثانیه و (ب) در زمان 5 ثانیه، دمای بارریزی C°62572
شکل ‏5-11-کسر جامد دوغاب روی سطح شیب‌دار (الف) در زمان 2 ثانیه و (ب) در زمان 5 ثانیه، دمای بارریزی C°65073
شکل ‏5-12- کسر جامد دوغاب روی سطح شیب‌دار (الف) در زمان 2 ثانیه و (ب) در زمان 5 ثانیه، دمای بارریزی C°68073
شکل ‏5-13- کسر جامد دوغاب خروجی در زمان‌های 2 و 5 ثانیه برای دماهای بارریزی مختلف73
شکل ‏5-14- ریزساختار نمونههای حاصل از ریختهگری بر روی سطح شیبدار در دمای بارریزی C?650 ، طول MM400 و زاویههای (الف) ?30، (ب) ?40، (ج) ?50، (د) ?6074
شکل ‏5-15- تاثیر زاویه سطح شیبدار بر اندازه دانه و فاکتور شکل، دمای بارریزی C?650 ، طول MM40074
شکل ‏5-16- نرخ برش اعمالی اعمال شده به دوغاب در زاویه‌های مختلف سطح شیب‌دار (الف) °30، (ب) °40، (ج) °50 و (د) °60 (واحد نمودار بر ثانیه میباشد)75
شکل ‏5-17- نرخ برش در زاویه‌های مختلف سطح شیب‌دار، طول MM 40076
شکل ‏5-18- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در زاویه‌های مختلف، طول MM 40076
شکل ‏5-19- کسر جامد دوغاب در زاویه‌های مختلف و زمان‌های 2، 4 و 6 ثانیه در طول MM 40076
شکل ‏5-20- تاثیر زاویه سطح شیبدار بر انداه ذرات فاز اولیه و فاکتور شکل، دمای بارریزی C?650 ، طول MM60077
شکل ‏5-21- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در زاویه‌های مختلف، طول MM 60077
شکل ‏5-22- کسر جامد دوغاب در زاویه‌های مختلف و زمان‌های 2، 4 و 6 ثانیه در طول MM 60078
شکل ‏5-23- دوغاب منجمد شده روی سطح شیب‌دار با دمای بارریزی C°650 و طول MM 600 و زاویه °4078
شکل ‏5-24- انرژی اغتشاش در زاویه‌های (الف) °30، (ب) °40، (ج) °50 و (د) °60 (واحد نمودار 1-J.KG)79
شکل ‏5-25- ریزساختار نمونههای حاصل از ریختهگری بر روی سطح شیبدار در دمای بارریزی C?650، زاویه ?40 و طولهای بارریزی (الف) MM300، (ب) MM400، (ج) MM500 و (د) MM60080
شکل ‏5-26- تاثیر طول سطح شیبدار بر اندازه دانه و فاکتور شکل، دمای بارریزی C?650 ، زاویه ?4080
شکل ‏5-27- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در طولهای مختلف، زاویه ?4081
شکل ‏5-28- کسر جامد دوغاب در طولهای مختلف و زمان‌های 2، 4 و 6 ثانیه در زاویه ?4081
شکل ‏5-29- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح شیبدار در طولهای مختلف، زاویه ?5081
شکل ‏5-30- کسر جامد دوغاب در طولهای مختلف و زمان‌های 2، 4 و 6 ثانیه در زاویه ?5082
شکل ‏5-31-ریزساختار نمونه در نرخ بارریزی مختلف و در طول سطح 400 و 600 میلیمتر (زاویه: °50، دمای بارریزی: °C650)83
شکل ‏5-32- تاثیر نرخ بارریزی بر اندازه دانه و فاکتور شکل در طول سطح (الف) 400 و (ب) 600 میلیمتر تحت زاویه: °50، دمای بارریزی: °C650.83
شکل ‏5-33- تغییرات انرژی توربولانس در نرخهای مختلف بارریزی برای طولهای 400 و MM 600 در زاویه ?5084
شکل ‏5-34- مدت زمان رسیدن دوغاب به انتهای سطح در نرخهای مختلف بارریزی برای طولهای 400 و MM 60084
شکل ‏5-35- کسر جامد دوغاب برای نرخهای ریختهگری مختلف در زمان‌های 2، 4 و 6 ثانیه، طول MM 400، زاویه ?5085
شکل ‏5-36- کسر جامد دوغاب برای نرخهای ریختهگری مختلف در زمان‌های 2، 4 و 6 ثانیه، طول MM 600، زاویه ?5085
شکل ‏5-37- تصویر میکروسکوپ نوری ریزساختار نمونههای الف) 1، ب) 2، پ) 3، ت) 4، ث) 5، ج) 6، چ) 7، ح) 8، خ) 9، د) 10، ذ) 11، ر) 12، ز) 13، ژ) 14، س) 15، ش) 16، ص) 17، ض) 18 و ط) 19 (رجوع شود به جدول ‏3-3)86
شکل ‏5-38- نمودار نرمال عوامل موثر روی میزان درصد کرویت.88
شکل ‏5-39- تاثیر عامل واکنش همزمان V.L روی میزان درصد کرویت. (زاویه: °40، دمای بارریزی: °C625)89
شکل ‏5-40- منحنی رفتار میزان درصد کرویت تحت واکنش همزمان عوامل V و L. (زاویه: °40، دمای بارریزی: °C625)89
شکل ‏5-41- نمودار مکعبی تاثیر عامل واکنش همزمان T.V.L بر میزان درصد کرویت. (زاویه: °60)90
شکل ‏5-42-اثر تغییر عامل واکنش همزمان T.L بر حسب بیشترین درصد کرویت: الف) نمودار دو بعدی و ب) نمودار سه بعدی.91
شکل ‏5-43-نمودار میزان کرویت پیش بینی شده بر حسب کرویت واقعی.92

شکل ‏5-44-نمودار نرمال عوامل باقیمانده در مدل بیشینه کرویت.92
شکل ‏5-45-مقادیر نهایی جهت دستیابی به بیشترین درصد کرویت.92
شکل ‏5-46- نمودار نرمال عوامل موثر در کمترین قطر میانگین دانهها.93
شکل ‏5-47- اثر تغییر عامل واکنش همزمان V.L در مدل کمترین قطر میانگین دانهها الف) نمودار دو بعدی و ب) نمودار سه بعدی. (زاویه: °60، دمای بارریزی: °C625)94
شکل ‏5-48- نمودار مکعبی تاثیر عامل واکنش همزمان T.V.L بر اندازه دانهها. (زاویه: °60)95
شکل ‏5-49- اثر تغییر عامل واکنش همزمان T.L در رفتار کمترین مقدار اندازه دانهها الف) نمودار دوبعدی و ب) نمودار سه بعدی. (زاویه: °60، نرخ ریختهگری: 1 (ML/S 8))96
شکل ‏5-50- نمودار میزان قطر میانگین دانهها پیش بینی شده بر حسب قطر میانگین دانهها واقعی.97
شکل ‏5-51- مقادیر نهایی جهت دستیابی به کمترین مقدار قطر میانگین دانهها.97
شکل ‏5-52- نمودار نرمال عوامل موثر بر بیشترین مقدار سختی.98
شکل ‏5-53- اثر تغییر عامل واکنش همزمان V.L در رفتار مدل بیشینه سختی: الف) نمودار دوبعدی و ب) نمودار سه بعدی. (زاویه: °40، دمای بارریزی: °C625)99
شکل ‏5-54- نمودار مکعبی تاثیر عامل واکنش همزمان T.V.L روی مقدار سختی. (زاویه: °40)100
شکل ‏5-55- مقدار سختی پیشبینی شده بر حسب سختی واقعی.101
شکل ‏5-56- مقادیر نهایی جهت دستیابی به بیشترین سختی.101
شکل ‏5-57- مقادیر نهایی جهت رسیدن به بهترین حالت ممکن.101
شکل ‏5-58- مقایسه میزان تخلخل نمونه ریختهشده (الف) در هوا (ب) تحت گاز آرگون و نمونه آهنگریشده با قطعه ریختهشده (ج) در هوا (د) تحت گاز آرگون.104
شکل ‏5-59- نحوه اندازهگیری بخشهای مختلف قطعه در روش آلتراسونیک.105
شکل ‏5-60- شکل موج برگشتی در تست آلتراسونیک در محدوده 4 از نمونه ها (الف) نمونه ریخته شده در اتمسفر (ب) نمونه ریخته شده تحت محیط گاز آرگون.105
شکل ‏5-61- میانگین مقادیر بدست آمده در تست آلتراسونیک.105
شکل ‏5-62- نمودار XRD در الف) نمونه ریختهشده در هوا ، ب) نمونه ریختهشده تحت گاز آرگون و ج) نمونه آهنگری شده از نمونه ریختهشده تحت گاز آرگون.106
شکل ‏5-63- آنالیز سطح نمونهها با میکروسکوپ الکترونی روبشی به همراه نتیجه آنالیز EDX107
شکل ‏5-64- نمودار تغییرات تنش بر حسب کرنش در الف) نمونه ریختهشده در هوا، ب) نمونه ریختهشده تحت گاز آرگون و ج) نمونه آهنگری شده از نمونه ریختهشده تحت گاز آرگون.108
شکل ‏5-65- نمونه مورد بررسی در کار کنگ و همکاران [87]109
شکل ‏5-66- مقایسه نتایج حاصل از کار کنگ با این پژوهش109
شکل ‏5-67- ریزساختار آلیاژ حاصل از سطح شیبدار با دمای °C625، طول MM 400، زاویه °40 و نرخ ریختهگری ML/S 8111
شکل ‏5-68- تغییرات ریزساختار آلیاژ بر اثر گرمایش مجدد در دمای °C580 و زمان نگهداری (الف) 5 (ب) 10 (ج) 15 (د) 20 دقیقه111
شکل ‏5-69- تغییرات مقدار اندازه دانه و فاکتور شکل بر اثر اعمال فرآیند گرمایش مجدد111
شکل ‏5-70- تاثیر اصطکاک بر روی دمای قطعه و قالب – دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس MM/S250112
شکل ‏5-71- تاثیر اصطکاک بر روی تنشهای وارده بر قالب و قطعه در لحظه 80% – دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس MM/S20113
شکل ‏5-72- رابطه تناژ پرس با اصطکاک – دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس MM/S20113
شکل ‏5-73- تاثیر اصطکاک بر رویهم افتادگی لبهها – دمای قطعه 580 درجه و سرعت حرکت پرس MM/S20113
شکل ‏5-74- تاثیر نرخ کرنش روی تناژ پرس بر حسب درصد اتمام فرآیند، (واحد MM/S)115
شکل ‏5-75- تاثیر نرخ کرنش روی تناژ پرس، دمای قالب °C400115
شکل ‏5-76- تاثیر نرخ کرنش بر روی دمای قطعهکار (الف) MM/S 20 (ب) MM/S 300115
شکل ‏5-77- تاثیر نرخ کرنش بر روی تنش های وارده بر قطعهکار (الف) MM/S 20 (ب) MM/S 30116
شکل ‏5-78-تاثیر نرخ کرنش روی بیشینه و کمینه دمای قطعهکار، دمای اولیه قطعه کار °C590116
شکل ‏5-79- تاثیر دمای قالب بر روی دمای قطعه در حین فرایند (نتایج شبیهسازی)117
شکل ‏5-80- تاثیر دمای قالب بر روی دمای قطعه در لحظه 80% از اتمام فرآیند117
شکل ‏5-81- تاثیر دمای قالب بر روی نیروی شکلدهی در فرآیند آهنگری با شمش نیمهجامد117
شکل ‏5-82- تاثیر دمای قالب بر روی نیروی شکلدهی بر حسب درصد اتمام کار118
شکل ‏5-83- ریزساختار نواحی مختلف قطعه بر حسب دمای قالب، دمای قطعه °C590 ، فشار MPA100 و سرعت حرکت پرس MM/S20119
شکل ‏5-84- ریزساختار نواحی مختلف قطعه بر حسب فشار پرس، دمای قطعه °C590 ، دمای قالب °C25 و سرعت حرکت پرس MM/S20119
شکل ‏5-85- اثر تغییرات دمای قالب بر روی بیشینه چگالی المان120
شکل ‏5-86- تاثیر دمای قالب بر روی سختی در نواحی مختلف نمونهها121
شکل ‏5-87- تاثیر دمای قالب بر روی تنشهای وارده بر قطعه، دمای قطعه °C580121
شکل ‏5-88- تاثیر دمای قالب بر روی تنشهای وارده بر قطعه121
شکل ‏5-89- تاثیر دما بر روی تنش وارده بر قطعه، (الف) °C570 (ب) °C580 (ج) °C590123
شکل ‏5-90- تاثیر دما بر روی تناژ پرس، دمای قالب °C400123
شکل ‏5-91- تاثیر دما بر روی تناژ پرس، دمای قالب °C400124
شکل ‏5-92- تاثیر دمای قطعه و مدت زمان نگهداری بر ریزساختار125
شکل ‏5-93- تغییرات اندازه دانه با تغییرات دما و زمان نگهداری، دمای قالب °C400126
شکل ‏5-94- تاثیر دمای نمونه روی سختی در مناطق مختلف، زمان نگهداری قطعه: MIN10127
شکل ‏5-95- سطح نمونه آهنگری نیمهجامد شده در دمای قطعه °C590، دمای قالب °C25 و زمان نگهداری MIN10127
فهرست جداول
جدول ‏2-1- کسر جامد در زوایای مختلف سطح شیب‌دار26
جدول ‏2-2- خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیم 356A در فرآیندهای مختلف [67]33
جدول ‏3-1- درصد عناصر تشکیل دهنده آلیاژ A35637
جدول ‏3-2- پارامترهای مورد بررسی فرآیند ریختهگری بر روی سطح شیبدار42
جدول ‏3-3- عوامل موثر بر فرآیند سطح شیب دار خنک کننده و سطوح آنها.44
جدول ‏3-4-درصد کسر جامد نسبت به دما46
جدول ‏3-5- پارامترهای مورد مطالعه در این تحقیق48
جدول ‏3-6- ضریب اصطکاکی به دست آمده از آزمونها51
جدول ‏4-1- مشخصات ماده و دیگر پارامترها59
جدول ‏5-1- لیست عوامل موثر بر کرویت.87
جدول ‏5-2- لیست عوامل موثر بر مدل کمترین قطر میانگین دانهها.93
جدول ‏5-3- لیست عوامل موثر بر بیشترین مقدار سختی.98
جدول ‏5-4- واکنشهای منجر به تشکیل ترکیبات غیرفلزی آلومینیم و تخلخل در نمونه.102
جدول ‏5-5- ارتباط درجه حرارت آب با چگالی آن [86].103
جدول ‏5-6- اثر فشار اعمالی بر روی اندازه دانه و فاکتور شکل ذرات ? اولیه120
1- فصل اولاصول و کلیات
1-1- مقدمه
فرآوری نیمه جامد یک فرآیند تهیه فلزات و آلیاژها است که در چند سال اخیر توسعه سریعی داشته است. در این فرآیند آلیاژ مورد نظر ابتدا تحت شرایط کنترل شدهای ذوب شده، سپس در دامنه انجماد آن به مذاب تنش برشی وارد میشود. اعمال تنش برشی در منطقه دو فازی منجر به تخریب ساختار شاخهای(دندریتی1) میشود و در نتیجه میتوان یک مخلوط مایع-جامد2 را به قطعهای با ساختار غیر دندریتی تبدیل نمود [1].
به عنوان یک تعریف ساده، ریزساختار نیمهجامد شامل فازهای جامد اولیهای است که دارای مورفولوژی غیردندریتی و تقریباً کروی بوده و توسط زمینه یوتکتیکی احاطه شده است [2]. از ویژگیهای مهم فرآیندهای شکل‌دهی فلزات در حالت نیمهجامد می‌توان به تخلخل کمتر و همچنین قابلیت تولید قطعات با اشکال پیچیده اشاره کرد. همانطور که در شکل ‏1-1 نشان داده شدهاست، این فرآیند از دیدگاه محدوده دمای کاری در حد میانی دو فرآیند ریختهگری و آهنگری قرار دارد. به بیان دیگر، دمای کاری در این فرآیند پایینتر از ریختهگری و بالاتر از آهنگری است.
شکل ‏1-1- مقایسهای بین آهنگری، ریختهگری و فرآیند نیمهجامد از نظر محدوده دمای کاری [2].
از معایب عمده ریخته‌گری میتوان به موارد زیر اشاره کرد[3]:
1- وجود حفرههای گازی بدلیل حلالیت بالای گاز در مذاب با دمای بالا
2- ایجاد حفرههای انقباضی، یعنی تشکیل شاخههایی از فلز جامد در زمینهای از فلز مذاب موسوم به دندریت. این شاخهها باعث بالا رفتن گرانروی مذاب شده و مانع تغذیه و پر شدن حفرهها میشود.
هر دو عامل فوق باعث پایین آمدن کیفیت قطعه تولیدی میشود.
آهنگری هم دارای محدودیتهایی به شرح زیر است [3]:
1-عدم توانایی تولید قطعات پیچیده
2-رویهم افتادگی3 دیواره قطعات
3-نیاز به پرسهایی با تناژ بالا و در نتیجه افزایش هزینه تولید
فرآیندهای شکلدهی در حالت نیمهجامد در واقع به منظور برطرفکردن محدودیتهای دو روش اشاره شده میباشد. تولید قطعات با این فرآیند بخاطر خواص مفیدی که از خود نشان دادهاند از حدود 30 سال پیش مورد توجه قرار گرفته است [4].
1-1-1- روشهای تولید مخلوط مذاب و جامد
ماده اولیه ورودی فرآیند و روش تهیه آن و نیز چگونگی شکلدهی این مواد، مهمترین مشخصههای کلیدی به منظور شناخت روشهای نیمهجامد هستند. در این فرآیندها، مخلوطی متشکل از ذرات جامد غیردندریتی پخش شده در فاز مذاب فلزی به عنوان ماده شروع کننده فرآیند مورد استفاده قرار میگیرد.
به طور کلی روشهای تولید دوغاب نیمهجامد به دو دسته تلاطمی و غیر تلاطمی (حرارتی) تقسیمبندی میشوند. روشهای همزدن مکانیکی4، همزدن مغناطیسی5، سطح شیبدار6، عملیات فراصوتی7، غلتک سرد کننده و گلولههای نسوز را میتوان از انواع روشهای تلاطمی برشمرد. روشهای اسپری کردن8، رئوکست نیمهجامد9 و رئوکست جدید10 از انواع روشهای غیرتلاطمی میباشند.
با توجه به اینکه در پایان نامه حاضر از روش سطح شیبدار خنککننده استفاده شده است، از این رو، توضیح جامعتری از این روش در ادامه خواهد آمد. به کارگیری سطح شیب‌دار خنککننده یکی از ساده‌ترین و در عین حال جالبترین روش‌های ابداعی برای تولید مخلوط مذاب-جامد و در نهایت تولید ریزساختار کروی است. توضیح در مورد این روش به این دلیل که دقیقاً مفهوم سرعت تغییر شکل زاویه‌ای (نرخ برش) و نیز مفهوم قانون لزجت نیوتن را در خود جای داده است، لازم و جالب توجه است. این روش یکی از روشهای جدید تولید قطعات از طریق فرآیند نیمه جامد بوده و به منظور تولید شمشهای تیکسوکست شده و قطعات رئوکست شده کاربرد دارد [4].
شکل ‏1-2 تصویر طرحوار این روش را نشان میدهد. ریختهگری سطح شیب‌دار شامل ذوب کردن آلیاژ در یک کوره مناسب نظیر کوره القایی و سپس سرد کردن آهسته آن تا دمای معین، کمی بالای خط مذاب آلیاژ، است. به منظور تامین کسر جامد مشخص در انتهای سطح شیبدار، دمای بارریزی تعیین میشود. مذاب با حداقل دمای فوق گداز روی سطح شیبداری که معمولاً از جنس همان فلز مذاب است، ریخته میشود. سطح شیبدار معمولاً نسبت به خط افق زاویهای بین 30 تا ?60 دارد. گاهی اوقات سطح شیبدار بوسیله گردش آب در قسمت زیرین آن، خنک می‌شود. توجه به این مورد ضروری است که جریان بارریزی باید آرام باشد تا موجب لغزش لایههای آلیاژی روی یکدیگر شود. مذابی که به انتهای سطح شیب‌دار می‌رسد به شکل مخلوطی از مذاب و جامد با ساختار غیردندریتی می‌باشد [5].
شکل ‏1-2- تصویر طرحوار روش سطح شیب دار خنک کننده [6].
در روش سطح شیبدار خنککننده، تنش برشی بر اثر شیب سطح و نیروی وزن سیال تامین می‌شود. با تداوم اعمال تنش برشی، شاخه‌های بوجود آمده در مذاب نیمهجامد شکسته میشود و به تدریج کروی شکل می‌گردد. زاویه و طول سطح شیبدار، دمای بارریزی، نرخ بارریزی، جنس و دمای قالب، ارتفاع نازل تا سطح و میزان زبری سطح از عوامل مهم در روش سطح شیبدار میباشند. با افزایش زاویه سطح خنککننده، میزان نرخ برش و در نتیجه تلاطم ایجاد شده در مخلوط نیمهجامد افزایش مییابد. در مقابل، هر چه زاویه کمتر باشد مدت زمان سیلان ماده نیمهجامد بر روی سطح بیشتر میشود و در نتیجه احتمال دستیابی به ساختاری با درصد کرویت بالاتر و توزیع یکنواختتر، بیشتر خواهد بود. بعلاوه، طول سطح شیبدار بر مدت زمان اعمال برش تاثیر گذار است. در نتیجه، برای تعیین شرایط بهینه سطح شیبدار از نظر میزان و مدت زمان اعمال برش، باید تاثیر متقابل زاویه و طول سطح شیبدار در نظر گرفته شود. دمای بارریزی نیز دارای یک حد بهینه است که با توجه به طول سطح شیبدار و نیز قدرت خنککنندگی سطح تغییر میکند [6].
1-1-2- فرآیندهای تولید قطعه از مخلوط مذاب و جامد
فرآیند تولید نیمهجامد از مجموع دو فرآیند ریختهگری و شکلدادن تشکیل شده است. در مرحله ریختهگری، آلیاژ مذاب با دامنه انجماد وسیع یا نسبتاً وسیع آماده میشود و طی سرد شدن درمحدوده دو فازی جامد-مذاب تحت تلاطم قرار میگیرد. در این حالت، مخلوط یکنواختی از مذاب و جامد حاصل می شود. سپس مخلوط فوق به کمک یکی از روشهای شکلدادن فلزات مانند اکستروژن یا دایکاست به شکل مورد نظر تبدیل میشود. از آنجا که این مخلوط در مقایسه با روشهای شکلدادن فلزات جامد از مقاومت کمتری برخوردار است، از این رو، نیاز به نیروی شکلدهی کمتری دارد. فرآیند تولید در حالت نیمهجامد به دو روش مستقیم یا رئوکستینگ11 یعنی ریختهگری با مخلوط مذاب و جامد و روش غیرمستقیم یا تیکسوفورمینگ12 یعنی شکلدهی با شمش نیمهجامد تقسیمبندی میکنند. فرآیند شکلدهی با شمش نیمهجامد نیز خود به دو دسته آهنگری با شمش نیمهجامد13 و ریختهگری با شمش نیمهجامد14 تقسیم می‌شود.
تیکسوفورمینگ اصطلاحی است که به فرآیند تولید یک قطعه از شمشی که به صورت جزئی ذوب گردیده و به داخل قالب تزریق می‌شود، اطلاق میگردد. از این فرآیند برای تولید قطعات نزدیک به شکل نهایی15 استفاده می‌شود. شمش مخصوص که به صورت نیمهجامد است (به صورت جزئی ذوب گردیده)، دارای ذرات جامد با ساختار کروی شکل می‌باشد. در این روش پس از تهیه مذاب و اعمال تنش برشی در ناحیه دو فازی، مخلوط جامد- مذاب را به صورت شمش ریختهگری میکنند. سپس این شمشها تا دمای محیط سرد و به اندازههای دلخواه بریده میشوند. در عین حال، در این روش قبل از شکلدهی، شمشها را دوباره تا دمای نیمهجامد گرم و با اعمال فشار (از طریق تزریق در قالب یا آهنگری) شکل میدهند. اگر فرآیند تولید، شامل تزریق شمش مخصوص نیمه جامدی با کسر جامد پایین باشد به این فرآیند ریختهگری با شمش نیمهجامد می‌گویند. در مقابل، اگر در فرآیند تولید قطعه از شمشی با کسر جامد بالا استفاده شود، به این فرآیند آهنگری با شمش نیمهجامد می‌گویند. تصویر طرحوار این تعاریف در شکل ‏1-3 آورده شده است.
فرآیند شکلدهی با شمش نیمهجامد شامل دو مرحله می‌باشد. مرحله اول که مهمتر است، حرارت دادن یکنواخت و کنترل شده شمش مخصوص می‌باشد. هدف این مرحله ذوب نمودن یکنواخت شمش مخصوص و تشکیل مخلوط مذاب و جامد همگن با کسر جامد مطلوب می‌باشد [7]. مرحله دوم، انتقال شمش به دستگاه تزریق ریختهگری با شمش نیمهجامد یا به داخل قالب می‌باشد. بعد از مرحله انجماد کامل مخلوط مذاب-جامد در قالب و تولید قطعه نهایی، این قطعه از قالب بیرون می‌آید و راهی مراحل بعدی تولید مانند ماشینکاری می‌شود [7].
شکل ‏1-3- تصویر طرحوار فرآیندهای ریختهگری و آهنگری با شمش نیمهجامد [7].
برای این که بتوان به یک شمش مخصوص در حالت نیمه جامد با خصوصیات فوق دست پیدا کرد باید پارامترهایی مانند دمای نگهداری، یکنواختی و همگنی در حرارت دادن مجدد و زمان اعمال این عملیات به شمش مخصوص به دقت تحت کنترل قرار گیرند. دمای نگهداری شمش مخصوص یا مخلوط مذاب-جامد تعیینکننده مقدار کسر جامد آن است. حرارت دهی بیش از این دما، باعث بالا رفتن دمای شمش مخصوص و به دنبال آن، پایین آمدن مقدار کسر جامد در مخلوط مذاب و جامد می‌شود که نتیجه آن ناپایداری ساختار شکل جامد شمش مخصوص خواهد بود و باعث بروز مشکلات در حمل و نقل آن میشود. حرارت دادن در دمای کمتر از دمای مورد نظر باعث عدم ذوب شدن کامل شمش مخصوص و در نتیجه یکی شدن و به هم آمیختن و تشکیل فاز چند وجهی در استحاله یوتکتیکی میشود [7]. علاوه بر کنترل دما در مرحله حرارت دهی مجدد، یکنواختی و همگنی دما در سراسر شمش مخصوص نیز بسیار حائز اهمیت است، زیرا عدم یکنواختی و همگنی درجه حرارت باعث نوسان در مقدار کسر جامد و خصوصیات مخلوط مذاب-جامد میشود. همچنین این نوسانات علاوه بر داشتن تاثیر منفی بر روی خواص قطعه نهایی، باعث میشود که هنگام تزریق ماده به داخل قالب، دو فاز کاملاً مجزای جامد و مذاب به وجود آید که اثرات منفی آن کاملاً واضح است. این عدم یکنواختی همچنین میتواند باعث ناپایداری شکل ظاهری جامد آن شود و مشکلات حمل و نقل بعدی را بوجود آورد. نمونه‌ای از اثرات حرارت‌دهی ناهمگن که به مشکل پافیلی شدن16 معروف است، در شکل ‏1-4 مشاهده می‌شود [7]. زمان حرارتدهی نیز باید به دقت کنترل شود و بهینهسازی شود. زمان حرارتدهی بالا باعث بزرگشدن اندازه ذرات جامد موجود در مخلوط مذاب و جامد میشود. در مقابل، زمان حرارت دهی پایین باعث عدم کروی گردیدن کامل ذرات موجود در مخلوط مذاب و جامد می‌شود که این امر باعث بوجود آمدن اثرات منفی بر روی خواص مخلوط مذاب و جامد میشود و در نتیجه باعث بروز مشکلاتی در پر شدن قالب هنگام تزریق میشود [8].
شکل ‏1-4- الف) حرارتدهی موفق ب) حرارتدهی ناموفق، ریزش مذاب و ایجاد پدیده پافیلیشدن [7].
1-1-3- مقایسه فرآیندهای رئوکستینگ با تیگسوکستینگ
فرآیند ریختهگری با مخلوط مذاب و جامد (رئوکستینگ) نسبت به ریختهگری با شمش نیمهجامد (تیکسوکستینگ) مزیتهای زیر را داراست [9]:
1- پیچیدگی فرآیند کمتر است زیرا نه نیازی به سیستم گرم کننده تا دمای نیمه جامد است و نه به سیستم روباتیک انتقال دهنده (تیکسوکستینگ اتوماتیکتر است).
2- قابلیت تزریق نیمه جامد در ریختهگری با مخلوط مذاب و جامد بهتر است زیرا محدودیتی برای تزریق شمشال با طول و ضخامت خاص وجود ندارد. همچنین دورریز مواد بدلیل عدم برش در طولهای خاص کمتر میشود.
3- تعدیل، تغییر و تبدیل آلیاژ در همان جایگاه هم ممکن است.
4- در فرآیند رئوکستینگ از شمشهای ترک خورده هم میتوان استفاده کرد در حالیکه در فرآیند تیکسوکستینگ شمشالها باید عاری از ترک خوردگی باشند. همچنین در هنگام پیشگرم کردن شمشالها سطح آنها اکسید میشود و بایستی قالبهایی برای حذف این اکسیدها طراحی گردند.
یکی از مزیتهای فرآیند ریختهگری با شمش نیمهجامد نسبت به فرآیند ریختهگری با مخلوط مذاب و جامد را میتوان استفاده از سیستم اتوماتیک و بدون دخالت نیروی انسانی اشاره کرد. در شکل ‏1-5 انواع روشهای شکلدهی از نظر اقتصادی مورد مقایسه قرار گرفتهاند. در این مقایسه میتوان جایگاه فرآیند ریختهگری با شمش نیمهجامد را بر اساس کیفیت محصول نهایی و هزینه تولید آن با دیگر روشهای موجود مورد بررسی قرار داد [8].
شکل ‏1-5- مقایسه انواع روشهای شکل دادن [8].
1-1-4- سازوکارهای حاکم بر تغییرات ساختاری در فرآیند‌های شکل‌دهی نیمه‌جامد


پاسخ دهید