Skip to main content
SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Fatallah Karimzadeh
سعید ضیائی راد (استاد راهنما) فتح اله کریم زاده (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hamideh Tavousi
حمیده طاووسی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Experimental and Numerical Investigation of Wear in Nanostructured NiAl Material
Wear is one of the destructive mechanisms which can deteriorate performance of many systems such as sliding components and gears in automobiles, airplanes and pumps. It causes the reduction of component life and reliability. The study of wear in nano materials is more important than other conventional materials, due to high surface to volume ratio and effect of parameters such as grain size, grain boundary, dislocation density and porosity on mechanical properties in nano scale. NiAl intermetallic is being recognized as a high temperature structural material because of its excellent oxidation resistance, high thermal conductivity, low density and high melting point. These properties have made NiAl a suitable material for coating different industrial components such as gas turbin engine, rotor blade and stator vanes to improve their wearing, corrosion and oxidation resistance. A number of attempts have been made to overcome this draw back. One of the possible routes is nanocrystallization of NiAl which may transform nominally brittle compound into a ductile material. In this work, Nanocrystalline NiAl powder was prepared by mechanical alloying and deposited on low carbon steel substrates by using high-velocity oxygen fuel (HVOF) technique. Then, nanoindentation test was carried out using diamond Berkovich indenter to find out the mechanical and surface properties of the coating such as hardness, Young?s module and Poisson ratio. Next, the wear tests were performed with a pin on block machine without lubrication under different load conditions in order to find out friction and wear behavior. Moreover, Global Incremental wear model (GIWM) and finite element technique were used to model the wear characteristics of the nanostructured material. GIWM was an incremental implementation of Archard’s wear model on the global scale for pin wear and block wear in a pin-on-block tribometer. Also, this work presented a computational study based on the linear Archard’s wear law and finite element modeling (FEM), in order to analyze unlubricated sliding wear. Such modeling was developed using finite element software Abaqus with 2-D and 3-D deformable geometries and elastic material behavior for the contact surfaces in pin on block experiments. Archard’s wear model was implemented into a FORTRAN user subroutine (UMESHMOTION) in order to describe sliding wear. Such implementation considered an incremental computation for surface wear based on the nodal displacements by means of adaptive mesh tools that rearrange local nodal positions. In this way, the worn track was obtained and new surface profile was integrated for mass loss assessments. The results indicated that GIWM was an approximate method and predicted pin-on-disc experiments to a limited extent, but it was a valid method for nanostructured materials with low wear coefficient. The results of FEM show that the volume losses obtained with the numerical analysis seem to be in good agreement with the experimental ones. Keywords: Wear, Nanostructured NiAl coating, Pin on block test, Wear simulation
پدیده سایش به عنوان یکی از مکانیزم های مخرب در کارکرد بسیاری از سیستم های صنعتی اختلال ایجاد می کند و باعث محدود شدن عمر سازه می‌شود. در مواد نانوساختار به علت بالا بودن نسبت سطح به حجم و اثر زیاد پارامترهایی مثل اندازه دانه، مرز دانه، نابه‌جایی‌ها و ... سایش و خسارت ناشی از آن از اهمیت بیشتری برخوردار است. ترکیبات بین فلزی نیکل- آلومینیم (Ni-Al)به‌دلیل خواص منحصر به‌فرد خود، در سال‌های اخیر مورد توجه مهندسین و طراحان صنعتی قرارگرفته‌اند. از کاربرد مهم این ترکیبات می توان به استفاده از آنها برای پوشش دادن قطعات و اجزای ماشین‌آلات برای افزایش مقاومت سایشی، خوردگی و اکسیداسیون اشاره کرد. این پوشش‌ها در کنار خواص منحصر به‌فرد خود، در دماهای پایین ترد و شکننده هستند. در این راستا سعی بر آن بوده که با ریز کردن اندازه دانه‌ها تا حد نانومتری، انعطاف‌پذیری این آلیاژها بهبود بخشیده شود. چنانچه این پوشش ها نانوساختار باشند، می‌توان انتظار داشت که خواص مکانیکی آنها به‌طور قابل ملاحظه ای افزایش یابد که سبب بهبود کارایی، کاهش وزن و افزایش عمر قطعات می‌شود. در پژوهش حاضر، ابتدا پودر نانو ساختار NiAl با استفاده از روش آسیاب‌کاری مکانیکی تولید، مورد بررسی و مشخصه یابی قرار گرفت. سپس پودر نانو ساختار تولیدی بر روی زیر لایه فولادی با روش پاشش حرارتی سوخت اکسیژن با سرعت بالا پاشیده شد. در ادامه هم‌راستا با هدف پروژه، آزمون های نانوفروبرش و سایش بر روی پوشش حاصل صورت گرفت. با استفاده از نتایج آزمون ها می‌توان به میزان سختی، ضریب الاستیک، عمق سایش و ضریب اصطکاک ماده دست پیداکرد. گرچه ‌آزمون‌های آزمایشگاهی به نحو مطلوبی می‌تواند برای بررسی پدیده سایش و تعیین مکانیزم آن بر روی پوشش نانو‌ساختار مورد نظر به کار رود، اما از آنجایی که ساخت قطعه کاری با هندسه اصلی و انجام آزمایش تحت بارگذاری واقعی کاری زمان بر و گران است، بین آنچه در واقعیت رخ می‌دهد و آنچه در آزمایشگاه بررسی می‌شود، اختلاف زیادی وجود دارد. به همین منظور، استفاده از روش های محاسباتی و مدل سازی برای محاسبه سایش نانوساختارها می تواند بسیار مؤثر باشد. در این پژوهش برای دست‌یابی به ابزار مدل‌سازی در کنار روش های آزمایشگاهی، به شبیه سازی آزمون سایش در پوشش نانوساختار تولیدی با دو روش مدل سازی گام‌به‌گام عمومی سایش و روش اجزای محدود به همراه پردازشگر سایش در نرم‌افزار ABAQUS پرداخته شده است. در روش مدل سازی عمومی سایش از فشار میانگین در هر مرحله استفاده شده‌است که روشی تقریبی بوده و در مورد ماده نانوساختار با ضریب سایش اندک اعتبار مناسبی دارد. شبیه سازی به همراه پردازشگر سایش به دو صورت دو بعدی و سه بعدی صورت گرفته است. این روش دقت مناسبی در شبیه سازی از خود نشان می دهد. مقایسه نتایج شبیه‌سازی با نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که شبیه‌سازی می‌تواند ابزاری مناسب برای بررسی میزان عمق سایش ماده نانوساختار در اختیار ما قرار دهد. کلمات کلیدی: 1-سایش 2-پوشش نانوساختار نیکل آلومینیوم 3-آزمایش پین روی دیسک 4-شبیه سازی سایش

ارتقاء امنیت وب با وف بومی