SUPERVISOR
Mohsen Esfahanian,Mahmoud Kadkhodaei,Saleh Akbarzadeh
محسن اصفهانیان (استاد مشاور) محمود کدخدایی الیادرانی (استاد راهنما) صالح اکبرزاده (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Sattari
محمد ستاری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
Shape memory alloys are known as intrinsic wear resistant materials. This research was devided in three main groups of subjects related to study of wear behaviour of these alloys. Thus, the wear behavior of superelastic nickel titanium (Nitinol) shape memory alloy was evaluated in different conditions such as normal loads, ambient temperatures, sliding distances, initial surface roughness, surface preheating and history of wearing process against a steel disk with the aim of extracting a thermomechanical wear model for shape memory alloys based on experimental results using pin-on-disk wear testing device. In the second group of studies, two mechanisms of two-body and three-body abrasive wear on the Nitinol shape memory alloy were examined. For the first time, this attempt focuses on this phenomenon in these alloys. In the third group, the first attempt of research was done to get acquainted with the relation of acoustic and wear in shape memory alloys. In the study of the wear behavior of Nitinol shape memory alloy, for the evaluation of indentation behaviour, micro and macro hardness devices using Vickers indetor, and nanoindentation device using Barkovich dentator were used. Oliver and Pharr method was used to evaluate the results of the indentation method. The tensile test device was also used to extract the required parameters of this alloy. A Stylus Profilometer and Atomic Force Microscopy were used to detect surface roughness of Nitinol wires. DIN 1.2080 cold work steel was used after thermal treatment to achieve the desired hardness for making the disc. To test the acoustic emission, a B K sound meter and Samsung cellphone were used. While investigating of Nitinol wear, it was observed that the hardness was roughly independent of indentation load. Hardness increased with increasing temperature. The friction coefficient of the stable state of wear was independent from the vertical wear load, initial roughness of the surface, history of wear, the preheating process, ambient temperature, and was approximately equal to 0.6. With increasing normal load, wear rate also increased, and as the temperature rised, the wear rate decreased. By transforming the three-body wear to the two-body wear which is available by removing the wear particles from wear path, the coefficient of friction, the wear rate and acoustic emmition dropped sharply, and the wear mechanism changed from severe to mild. The coefficient of friction in the two-body wear of Nitinol against the steel disk was between 0.1 and 0.3, while the coefficient of friction in the three-body wear related to the same materials was between 0.5 and 0.8. The visual effect of the two-body wear on the second body was much milder compared to the effect of the three-body wear on the second body. By the distance from the source of sound, the sound intensity and percentage of the predominant sound intensity increased. As the load increases, the intensity of the sound increases both in the two-body and the three-body wear. With increasing the load in two-body wear, percentage of the predominant sound intensity was declined. The three-body wear intensity had much more fluctuation. The frequency of the two-body wear was much higher than that of the three-body wear frequency and decreased by increasing in load. By providing presented thermomechanical wear model for shape memory alloys, it was possible to predict the wear behavior of these alloys at different temperatures and normal loads. On the other hand, the wear resistant behavior of these alloys can be doubled by changing the wearing conditions into two-body wear. Under these conditions, using the acoustic emission technique, it is possible to examine the wear conditions without stopping the system before reaching critical conditions. Keywords: Shape Memory Alloy, Nickel-Titanium, Nitinol, Tribology, Indentation, Wear, Friction, Acoustic emission
آلیاژهای حافظهدار بهعنوان مواد مقاوم در برابر سایش شناخته میشوند. این تحقیق در سه گروه اصلی از موضوعات مربوط به مطالعهی رفتار سایشی این آلیاژها تقسیمبندی شده است. بر این اساس، در گروه اول رفتار سایشی آلیاژ حافظهدار نیکل تیتانیوم (نایتینول) در شرایط مختلف از قبیل بارهای عمودی سایش، دمای محیط، مسافتهای لغزش، زبری اولیهی سطح، پیشگرم کردن آلیاژ و تاریخچهی سایش آلیاژ در برابر دیسک فولادی باهدف استخراج یک مدل سایش ترمومکانیکی برای آلیاژهای حافظهدار بر اساس نتایج تجربی با استفاده از دستگاه آزمون سایش پین روی دیسک مدنظر قرارگرفته است. در گروه دوم مطالعات، برای اولین بار دو سازوکار سایش خراشان دو-جسمی و سه-جسمی در آلیاژ حافظهدار نایتینول موردبررسی قرارگرفته است. در گروه سوم نیز، اولین تلاش برای تحقیق بهمنظور شناخت رابطهی سایش و انتشار آکوستیک حین آن مربوط به آلیاژهای حافظهدار انجامگرفته است. در بررسی رفتار سایشی آلیاژ حافظهدار نایتینول، برای ارزیابی رفتار دندانهگذاری آن، دستگاههای سختیسنجی میکرو و ماکرو با استفاده از دندانهی ویکرز و دستگاه نانودندانهگذاری با استفاده از دندانهی برکوویچ استفادهشده است. برای ارزیابی نتایج روش دندانهگذاری، از روش اولیور و فار استفادهشده است. دستگاه آزمون کشش نیز برای استخراج پارامترهای موردنیاز این آلیاژ استفادهشده است. همچنین برای تشخیص زبری سطح سیمهای نایتینول از یک پروفیلسنج و یک میکروسکوپ نیروی اتمی استفادهشده است. از فولاد ضدزنگ DIN 1.2080 بعد از عملیات حرارتی برای رسیدن به سختی مطلوب برای ساخت دیسک استفادهشده است. برای اندازهگیری شدت و بسامد صوت ناشی از سایش، از یک صوتسنج شرکت B K و گوشی موبایل سامسونگ استفادهشده است. با بررسی رفتار نایتینول تحت دندانهگذاری، مشاهده شد که سختی تقریباً مستقل از بار عمودی در دندانهگذاری است. سختی در محدودهی دمای استحاله، با افزایش دما، افزایش مییابد. همچنین با آزمونهای سایش روی نایتینول مشاهده شد که ضریب اصطکاک حالت پایدار سایش مستقل از بار عمودی سایش، زبری اولیه سطح، سابقه سایش، روند پیشگرم شدن و دمای محیط است و مقدار آن تقریباً برابر با 6/0 بود. با افزایش بار عمودی، سرعت سایش نیز افزایش مییابد اما با افزایش دما، میزان سایش کاهش مییابد. با تغییر سایش سه-جسمی به سایش دو-جسمی که با حذف ذرات سایش از مسیر سایش تحقق مییابد، ضریب اصطکاک، میزان سایش و انتشار آکوستیک بهشدت کاهش مییابد و سایش از حالت شدید به حالت ملایم تغییر میکند. ضریب اصطکاک در سایش دو-جسمی نایتینول در برابر دیسک فولادی بین 1/0 و 3/0 بود، درحالیکه ضریب اصطکاک در سایش سه-جسمی مربوط به همان آلیاژ بین 5/0 و 8/0 تغییر میکرد. اثر سطحی بجای مانده از سایش دو-جسمی نسبت به اثر سایش سه-جسمی بسیار ملایمتر بود. در تحلیل آکوستیک سایش نایتینول نیز ملاحظه گردید که با افزایش فاصله از منبع صدا، شدت صدا و درصد شدت صدای غالب افزایش مییابد. با افزایش بار، شدت صدا در هر دو نوع سایش دو-جسمی و سه-جسمی افزایش مییابد. با افزایش بار در سایش دو-جسمی، درصد شدت صدا غالب کاهش مییابد. شدت سایش سه-جسمی در مقایسه با حالت دو-جسمی نوسانات بسیار بیشتری دارد و فرکانس سایش دو-جسمی بسیار بالاتر از فرکانس سایش سه-جسمی است و مقدار آن با افزایش بار کاهش می یابد. مدل ارائهشدهی ترمومکانیکی سایش برای آلیاژهای حافظهدار، امکان پیشبینی رفتار سایش این آلیاژها در دماهای مختلف و بارهای عمودی مختلف سایشی را بوجود میآورد. این مدل بر اساس بهبود رابطه ی آرچارد و اقرودن پارامترهای مربوط به رفتار ابرکشسان در آن و همچنین صحت سنجی این رابطه در شرایط مختلف است. جهت استفاده از این مدل، صرفا نیاز به انجام دو آزمون کشش، دو آزمون دندانه گذاری و یک آزمون سایش اولیه است تا بتوان از آن برای پیشبینی سایش سیم آلیاژ حافظه دار استفاده کرد. از سوی دیگر، مقاومت این آلیاژها در برابر سایش را میتوان با تغییر سازوکار سایش از حالت سه-جسمی به دو-جسمی، دوچندان کرد. در این شرایط، با استفاده از تکنیک انتشار آکوستیک، این امکان فراهم می شود تا وضعیت سایش بدون توقف سیستم قبل از رسیدن به شرایط بحرانی موردبررسی قرار گیرد. کلمات کلیدی آلیاژ حافظهدار، نیکل-تیتانیوم، نایتینول، ترایبولوژی، دندانهگذاری، سایش، سایش دو-جسمی، سایش سه-جسمی، اصطکاک، آکوستیک