اثر ارتعاشات آلتراسونیک بر فرایند ECAP و مواد ریزساختار حاصل از آن

STUDENT

DEGREE

YEAR

Equal channel angular pressing (ECAP) is one of the most prominent procedures for fabrication of ultra?ne-grained structures among various severe plastic deformation techniques. The objective of this research is to investigate the in?uence of longitudinal ultrasonic vibrations on ECAP process. A robust experimental ECAP system was designed and manufactured, in which the punch can be excited by ultrasonic vibration. ECAP experiments were carried out under ultrasonic vibrations as well as conventional procedure on pure Al. The microstructure of the specimens processed with ultrasonic assisted ECAP and conventional ECAP were characterized. The results of this study shows that superimposing ultrasonic vibration on the ECAP process can improve the grain re?nement e?ciency. Homogeneity of the microstructure was also improved by using ultrasonic vibrations. Higher vibration amplitudes caused more homogenous structure. The yield strength and ultimate tensile strength of the specimens after one pass of ECAP were higher in comparison with the conventional ECAP. It was also observed that a reduction in the forming force was obtained while using ultrasonic vibration In order to reveal the main cause of volume effects of ultrasonic vibrations on the plastic behavior of pure aluminum specimens an experimental tensile test equipment was designed and made, in which the specimens could be excited by ultrasonic vibrations with a frequency of 20 kHz. Five specimens with different grain sizes were prepared by ECAP. Tensile tests of the specimens were performed at room temperature and at constant speed of 0.2 mm/min under static load and superimposed ultrasonic excitations. It was found that ultrasonic vibration had a remarkable influence on the plastic behavior of pure aluminum and after applying ultrasonic vibrations, flow stress of the all specimens reduced. Reduction of flow stress was dependent on grain size. Larger grain sizes had more flow stress reductions. This observation proved that softening due to ultrasonic vibrations is caused by movement of dislocations within the grains and grain boundary mechanisms are less effective. In other words, the volume softening caused by ultrasonic vibrations, known as Blaha effect, is attributed to absorption of ultrasonic energy by dislocations and consequently their easier movement within the grains. 2D and 3D Finite element analyses were performed to simulate a conventional and ultrasonic assisted ECAP. Two models were considered in the simulations. In the first model, the die and the punch were considered as rigid bodies while in the second model, the punch was considered as an elastic body. The proposed 3D model of the ultrasonic assisted ECAP based on the elastic punch was validated with experimental data. A new route for ECAP process was also proposed and was validated by FEM and experimental studies. The results showed that the strain homogeneity achieved by the proposed route was better than the other conventional routes. Keywords: ECAP, Ultrasonic vibrations, Grain size, Force, Homogeneity, ultrasonic softening, Route, FEM

طی دو دهه گذشته تلاش های بسیاری جهت ابداع و توسعه روش های تغییرشکل شدید برای تولید نمونه های فلزی بسیار ریزدانه ویا نانوساختار انجام شده است. مهمترین ویژگی فرایندهای تغییر شکل شدید، اعمال کرنش بسیار زیاد به قطعه بدون ایجاد تغییر در سطح مقطع آن می باشد. تغییر شکل شدید فلزات به روش های گوناگون اعمال می شود که در میان آنها فرایند اکستروژن زاویه ای (ECAP) به دلیل قابلیت تولید قطعات حجیم و امکان تولید تجارتی و صنعتی، بیشتر از سایر روش ها مورد توجه قرار گرفته است. امروزه گستره استفاده از ارتعاشات آلتراسونیک در فرایندهای شکل دهی رو به افزایش است. علت های عمده این گسترش، قابلیت ها و ویژگی های ایجاد شده در فرایند و ماده‌ی در حین ارتعاشات آلتراسونیک می باشد که از آنها تحت عناوین اثرات سطحی و اثرات حجمی یاد می شود. در این پایان نامه ارتعاشات آلتراسونیک در حین فرایند ECA اعمال شده و اثرات آن بر روی خواص مکانیکی نمونه، اندازه‌ی دانه تولید شده، یکنواختی ساختار ایجاد شده و هم چنین نیروی مورد نیاز فرایند مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور یک سیستم شامل قالب ECAP با زاویه قالب 120 درجه، تمرکزدهنده‌ی ارتعاشات آلتراسونیک با فرکانس تشدید kHz20، روبند و دیگر تجهیزات لازم برای سوار کردن مجموعه بر روی پرس طراحی و ساخته شد. در دو حالت همراه با ارتعاشات آلتراسونیک و بدون حضور ارتعاشات آلتراسونیک، نمونه های آلومینیومی (آلومینیوم خالص 98/99) از قالب عبور داده شده و سپس در مقطع میانی نمونه پارامترهای ذکر شده مورد بررسی قرار گرفتند. مشخص شد که ارتعاشات آلتراسونیک باعث کاهش بیشتر اندازه دانه شده و به عبارت دیگر اعمال ارتعاشات آلتراسونیک راندمان فرایند ECAP را افزایش می دهد. خواص مکانیکی نمونه از قبیل استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی بعد از حضور ارتعاشات آلتراسونیک نسبت به شرایط عادی افزایش پیدا کردند. با بررسی میکروسختی در سطح نمونه مشخص شد که یکنواختی اندازه دانه با حضور ارتعاشات آلتراسونیک بیشتر می شود. نشان داده شد که ارتعاشات آلتراسونیک نیروی مورد نیاز فرایند را کاهش داده و میزان کاهش در دامنه های ارتعاشی بالاتر، بیشتر خواهد بود. مسیر جدیدی برای فرایند ECAP در طی عبورهای متوالی از قالب معرفی و سپس اثر این مسیر پیشنهادی در شرایط بدون حضور ارتعاشات آلتراسونیک و با حضور ارتعاشات مورد بررسی قرار گرفت. استفاده از مسیر پیشنهادی یکنواختی ساختار را در مقایسه با مسیرهای سنتی بهبود بخشید. مدل های المان محدود مطابق با شرایط عملی ذکر شده آماده و نتایج شبیه سازی با نتایج عملی موجود مورد مقایسه قرار گرفتند. به منظور اعمال ارتعاشات آلتراسونیک در شبیه سازی های المان محدود، تکنیک جدیدی تحت عنوان تکنیک سنبه الاستیک معرفی شد. استفاده از مدل معرفی شده کمک می کند تا شرایط شبیه سازی با شرایط واقعی بسیار به یکدیگر نزدیک باشند. کلیه شبیه سازی های انجام شده بر پایه مدل معرفی شده دارای انطباق بسیار خوبی با نتایج تجربی بودند. به منظور بررسی اثر ارتعاشات آلتراسونیک بر تنش شارش ماده، مجموعه ای طراحی و ساخته شد که با سوار کردن آن بر روی دستگاه تست کشش این قابلیت فراهم شد تا بتوان ارتعاشات آلتراسونیک را در حین تست کشش اعمال کرد. در این راستا نمونه هایی با اندازه دانه متفاوت تحت آزمایش تست کشش همراه با آلتراسونیک قرار گرفتند. در کلیه نمونه ها بعد از اعمال ارتعاشات تنش شارش افت کرده و به عبارتی در ماده نرم شدگی دیده شد. مشاهده شد که هرچقدر دانه ها ریزتر باشند نرم شدگی ماده کمتر است. این نرم شدگی کمتر در مواد ریزدانه تر به چگونگی حرکت نابجایی ها درماده نسبت داده شد. کلمات کلیدی : فرایند ECAP، نانو ساختار، ارتعاشات آلتراسونیک، اندازه دانه، نیرو، همگنی ساختار، نرم شدگی آکوستیکی، FEM