محمد رضا دهنوی-Mohammad Reza Dehnavi

عنوان رساله دکتری: بررسي تاثير عمليات اولتراسونيك غير پيوسته بر خصوصيات ساختاري و مكانيكي نانوكامپوزيت ريختگي Al413/SiC_np

Ph.D. project title: Effects of Sequential Ultrasonic Treatment on Mechanical Properties and Microstructural Characteristics of CastAl413-SiC_np Nanocomposite

چکيده فارسي : 

خواص كامپوزيت‌هاي زمينه آلومينيومي به مقدار زيادي از اندازه، كسر حجمي و توزيع ذرات تقويت كننده و هم‌چنين ماهيت فصل مشترك زمينه و تقويت كننده تبعيت مي‌كند. تحقيقات قبلي نشان داده است كه خواص مكانيكي اين كامپوزيت‌ها باكاهش اندازه‌ ذرات سراميكي وكاهش اندازه دانه‌هاي زمينه از ميكرومتر به مقياس نانومتر بهبود مي‌يابد. به دليل ترشوندگي ضعيف بين نانوذرات و فلزات مذاب، وارد كردن و پراكندن ذرات تقويت كننده نانومتري در روش‌هاي ذوبي دشوار است، ولي تحقيقات نشان داده كه استفاده از فراوري اولتراسونيك مي‌تواند كمك قابل ملاحظه‌اي در اين زمينه بنمايد.

هدف از اين تحقيق، ساخت نانوكامپوزيت ريختگي A413/SiC_np به روش ذوبي با استفاده از عمليات اولتراسونيك و مطالعه تاثير پارامترهاي فرايندي و مكانيزم‌هاي موثر بر خصوصيات ريزساختاري و مكانيكي كامپوزيت‌هاي حاصله مي‌باشد. متغيرهاي اصلي فرايند شامل زمان و دماي همزدن مذاب، زمان اِعمال امواج اولتراسونيك، روش اِعمال فرايند اولتراسونيك (پيوسته يا منقطع) و درصد ماده تقويت كننده مي‌باشد. به اين منظور آلياژ آلومينيومA413   به‌عنوان زمينه و نانوذرات كاربيد سيليسيم با اندازه متوسط 70 نانومتر به‌عنوان تقويت كننده مورد استفاده قرار گرفت. پس از ذوب آلياژ زمينه، مواد تقويت كننده به‌وسيله همزدن مكانيكي وارد مذاب گرديد. سپس با استفاده از امواج پرانرژي اولتراسونيك، سعي در توزيع اين مواد در درون مذاب شد. خصوصيات نمونه‌ها به‌صورت كيفي و كمي ارزيابي شد. بررسي‌هاي ريزساختاري به‌كمك ميكروسكوپ‌هاي نوري، الكتروني عبوري، الكتروني روبشي، الكتروني روبشي گسيل ميداني و آناليز فازي و عنصري به ترتيب توسط پراش‌سنج پرتوي اشعه ايكس و طيف نگاري انتشار انرژي انجام شد. خواص مكانيكي از طريق آزمايش‌هاي سختي سنجي، كشش و برش در دماي محيط و بالا ارزيابي گرديد. نتايج حاصل نشان داد كه با افزودن نانوذرات تقويت كننده به زمينه ضمن افزايش استحكام تسليم و كششي نهايي، درصد ازدياد طول نسبي كاهش مي‌يابد.هم‌چنين فراوري اولتراسونيك به جز بهبود قابل توجه توزيع ذرات تقويت كننده در مذاب، از طريق تاثير براندازه اجزا ساختار و ريز نمودن آن‌ها، باعث بهبود خواص مكانيكي زمينه نيز مي‌‌شود. بهينه زمان اعمال اولتراسونيك بازه زماني 20 الي 40 دقيقه و بهينه درصد تقويت كننده، 5/1 درصد تشخيص داده شد. هم‌چنين مشخص شد كه تاثير فراوري اولتراسونيك منقطع بيشتر از فراوري پيوسته است. سهم مكانيزم‌هاي مختلف درافزايش استحكام نمونه‌هاي كامپوزيتي بررسي شد و مشخص گرديد كه مكانيزم تفاوت ضريب انبساط حرارتي بيشترين سهم را در اين زمينه دارد. در اين راستا ضرايب رابطه هال- پچ اصلاح شده براي آلياژ A413 نيز بدست آمد. هم‌چنين حفظ خواص مكانيكي نمونه‌هاي كامپوزيتي در دماي بالا بهتر از نمونه‌هاي غير كامپوزيتي بود.

كلمات كليدي: نانوكامپوزيت، كاربيد سيليسيم، فراوري اولتراسونيك، توزيع ذرات، خواص مكانيكي، مكانيزم‌هاي استحكام بخشي، استحكام دماي بالا

Abstract

Effects of mechanical stirring as well as continuous and sequential (discontinuous) ultrasonic treatments on the microstructure, particles distribution and mechanical properties of cast Al413–SiC_npnanocomposites were studied. The results showed that both types of ultrasonic treatments greatly improved the mechanical properties and microstructural characteristics of the produced nanocomposites. Furthermore, the effects of discontinuous ultrasonic treatment were rather more pronounced than those of the continuous treatment. The improvement in the yield strength of Al413–1wt%SiCnp nanocomposites produced by mechanical stirring in comparison with that of the monolithic sample was about 7%. The improvement for the nanocomposites continuously ultrasonic treated for a single 40 min period, or discontinuously ultrasonic treated for two 20 min periods was about 74% and 94%, respectively. The improvement in the mechanical properties was associated with severe refinement of the microstructure, removal of the gas layers on the particles surfaces, effective fragmentation of the agglomerates as well as improved wettability and distribution of the reinforcing particles during solidification.

Keywords: Cast Al-SiC_np nanocomposite; Ultrasonic treatment; Grain refinement; Mechanical characterization; Nano structured material