چکیده

در پژوهش حاضر، اثر فیلم های اکسیدی قدیمی و جدید بر خواص مکانیکی و قابلیت اعتماد قطعات تهیه شده از آلیاژ A1-A356.2 بررسی شده است.نتایج به دست آمده نشان می دهد که حضور عیوب اکسیدی در ریزساختار، خواص مکانیکی آلیاژ را کاهش و پراکندگی استحکام کششی و درصد ازدیاد طول را افزایش می دهد.همچنین حضور این عیوب در ریزساختار، منجر به کاهش قابلیت اعتماد به قطعات تهیه شده از این آلیاژ نیز شده است. بر اساس این نتایج، حضور فیلم های اکسیدی دو لایه (به ویژه اکسید های قدیمی)، علاوه بر کاهش مدول ویبل استحکام کششی و درصد ازدیاد طول، منجر به ایجاد توزیع ویبل دوگانه در خواص کششی آلیاژ نیز شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که استفاده از مذاب تمیز (با کیفیت زیاد) برای تولید قطعات با قابلیت اعتماد بالا ضروری است. همچنین نشان داده شد چنان چه مذاب حاوی فیلم های اکسیدی قدیمی باشد، استفاده از فیلتر سرامیکی 10ppi تنها بخشی از آسیب وارده به کیفیت مذاب را جبران می کند. در این حالت بازده فیلتر در به دام انداختن عیوب اکسیدی قدیمی 72% محاسبه شد.هنچنین، نتایج حاکی از آن است که علائخ بر کیفیت مذاب، طراحی سیستم راهگاهی نیز نقش بسزایی در تعیین قابلیت اعتماد به قطعات تهیه شده از آلیاژهای آلومینیوم دارد. بررسی اثر ارتفاع راهبار پس از فیلتر، در سیستم راهگاهی فشاری طبیعی، نشان داد که افزایش ارتفاع سقوط مذاب (ارتفاع راهبار پس از فیلتر) به بیش از یک ارتفاع بحرانی، منجر به حبس تعداد زیادی فیلم اکسیدی جوان درون مذاب می شود و کاهش قابل توجه قابلیت اعتماد به قطعات تهیه شده ازآلیاژ آلومینیوم را در پی خواهد داشت.همچنین، بر اساس ذوب مجدد، روشی برای کاهش هیدروژن محلول در مذاب و حذف فیلم های اکسیدی دولایه از مذاب آلیاژ A1-A356.2 ارائه شد.نتایج به دست آمده نشان داد که ذوب مجدد آلیاژ درون بوته، روشی کارآمد برای افزایش کیفیت مذاب آلیاژهای آلومینیوم است.علاوه بر این، نشان داده شد که ذوب مجدد آلیاژ درو بوته ریخته گری، استحکام کششی و درصد ازدیاد طول آلیاژ در حالت ریختگی را به ترتیب 19% و 97% افزایش داده است.الگوریتمی نیز برای پیش بینی حبس فیلم های اکسیدی جوان و موقعیت نهایی آنها در قطعالت ریختگی ارائه شد. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی و آزمون های تجربی نشان داد که الگوریتم ارائه شده قادر است فرایند حبس و نیز موقعیت نهایی فیلم های اکسیدی دولایه در قطعات ریختگی را به خوبی پیش بینی نماید.

کلمات کلیدی: فیلم های اکسیدی، آلیاژهای آلومینیوم-سیلیسیم-منیزیم، قابلیت اعتماد، شبیه سازی، آنالیز ویبل

فهرست

فصل اول مقدمه

مقدمه

آلیاژهای ریختگی All-Si-Mg به دلیل قابلیت ریختهگری عالی، مقاومت به خوردگی زیاد، انبساط حرارتی پایین و نسبت استحکام به وزن زیاد کاربرد فراوانی در صنایع خود ورسازی، هوافضا و کاربردهای عمومی مهندسی دارند. علاوه براین، این آلیاژها در حالت بهسازی نشده قابلیت ماشینکاری بسیار خوبی دارند. حضور سیسلیسم در ترکیب شیمیایی این آلیاژها سیالیت آلیاژ را افزایش داده و حساسیت به ترک گرم و تشکیل عیوب انقباضی (به دلیل انقباض حین انجماد) را کاهش میدهد. مجموعه این خواصی، آلیاژهای آلومینیوم حاوی سیلیسیم را به عنوان گزینه ایدهآل در تولید انبوه قطعات ریختگی آلومینیومی مطرح کرده است. منیزیم موجود در ترکیب شیمیایی این آلیاژ (در مقادیر کمتر از ۰/۷ درصد وزنی) سبب استحکام بخشی و افزایش سختی و در نتیجه بهبود خواص آلیاژ میشود. افزایش مقدار منیزیم سبب کاهش سیالیت و مذاب رسانی بین دندریتی در آلیاژ میشود ا۱-۸). با این حال، اثر قابل توجه عیوب ریزساختاری بر خواص مکانیکی آلیاژهای All-Si-Mg کاربرد آنها را محدود کرده است و علیرغم این که ریختهگری این آلیاژها از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است، حضور عیوب کاربرد آنها را در مقایسه با آلیاژهای کار شده آلومینیوم محدود نموده است .تحقیقات انجام گرفته نشان می دهد که عیوب متعددی در ریختهگری این آلیاژها بوجود می آیند که از میان آنها، فازهای بین فلزی غنی از آهن، حفرات و آخال های اکسیدی خواص مکانیکی این آلیاژها را به میزان زیادی کاهش می دهند .آهن، رایج ترین ناخالصی موجود در آلیاژهای آلومینیوم است که حذف آن از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست . حضور آهن سبب تشکیل فازهای بین فلزی غنی از آهن در ریزساختار این آلیاژها می شود.

و خواص مکانیکی آنها را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. مضرترین ترکیب بینفلزی غنی از آهن، فازبنا(FeSiAls) است که دارای موفولوژی ورقهای و سوزنی شکل است. این قاز، به دلیل اقزایش تمرکز تنش در گوشه های تیز، خواص مکانیکی این آلیاژها را به میزان زیادی کاهش میدهد. اکسیدها نیز یکی از عیوب رایج در ریزساختار آلیاژهای All-Si-Mg هستند. تحقیقات انجام گرفته  نشان می دهند که اکسیدها نقش مهمی در کاهش کیفیت و قابلیت اطمینان آلیاژهای آلومینیوم دارند. اکسیدهایی که درون قطعات ریختگی باقی می مانند، سبب کاهش خواص مکانیکی و نشتی در دیواره قطعات تولید شده می شوند . به نظر می رسد که اکسیدها منشاء بسیاری از عیوب موجود در قطعات ریختگی هستند و در هنگام اعمال نیرو به عنوان ترک عمل کرده و سبب شکست قطعات می شوند. همچنین گزارش شده است که اکسیدها کنترل کننده بسیاری از جنبههای ریزساختاری آلیاژهای All-Si مانند اندازه دانه، فاصله بین بازوهای دندریتی ثانویه و بهسازی سیسلیسیم یوتکتیک هستند .احفرات یکی دیگر از عیوب رایج در آلیاژهای آلومینیوم هستند. هیدروژن تنها گازی است که حلالیت قابل توجهی در مذاب آلیاژهای آلومینیوم دارد. حد حلالیت هیدروژن، دقیقا در بالا و پایین نقطه ذوب آلومینیوم خالص به ترتیب ۶۹/ ۰ و ۰/۰۴ ppm است با ۲۳ ا. این مقادیر برای سایر آلیاژهای آلومینیوم به میزان جزئی تغییر می کنند. در حین انجماد، هیدروژن مازاد بر حد حلالیت حالت جامد، بصورت مولکولی رسوب می کند. و سبب تشکیل حفرات میگردد. تحقیقات انجام گرفته نشان می دهند که حفرات یکی از عوامل اصلی کاهش خواص مکانیکی، به ویژه درصد ازدیاد طول و عمر خستگی، در آلیاژهای آلومینیوم هستند. همچنین حفرات کیفیت سطحی قطعات تولید شده از این آلیاژها را نیز کاهش می دهند .علاوه بر اثر هر کدام از عیوب یاد شده بر خواص مکانیکی آلیاژهای Al-Si، اثر متقابل بین این عیوب نیز موضوع بسیاری از تحقیقات بوده است. به عنوان مثال، گزارش شده است که حضور فازهای غنی از آهن و اکسیدها یر تشکیل حفرات اثر دارد. همچنین، گزارش شده است که نفوذ هیدروژن به درون فیلمهای اکسیدی دولایه سبب انبساط و تغییر موفولوژی این عیوب و در نتیجه خواص مکانیکی آلیاژ می شود. علاوه بر کنترل کیفی مذاب (کنترلی هیدروژن، آهن و آخال های اکسیدی)، سیستم راهگاهی نیز نقش مهمی در تعیین خواص مکانیکی قطعات ریختگی آلومینیومی ایفا می کند. از این رو، در پژوهش حاضر، ابتدا اثر هر سه نوع عیب یاد شده بر خواص کششی و ریزساختار آلیاژ -Al 350.2 A بررسی شدهاست. در ادامه، به بررسی دقیق تر اثر عیوب اکسیدی و نیز نقش سیستم راهگاهی در تشکیل آن ها پرداخته شده و نیز روشی برای حذف این عیوب از مذاب آلیاژهای آلومینیوم پیشنهاد شده است. در پایان نیز، مدلی برای شبیه سازی حیسیں فیلمهای اکسیدی در ریختهگری آلیاژهای آلومینیوم یشنهاد شده است.

اثر افزایش ارتفاع برجریان مذاب درحال سقوط که نشان دهنده

اثر افزایش ارتفاع برجریان مذاب درحال سقوط که نشان دهنده

فصل دوم مروری بر منابع

قابلیت ریختهگری و خواص مکانیکی مناسب آلیاژهای Al-Si-Mg سبب شده است تا این آلیاژ کاربرد گسترده ای در صنایع خودروسازی و هوافضا داشته باشند ۲۹-۳۲]. با این حال نگرانی هایی که در خصوص پراکندگی خواص مکانیکی این آلیاژها (به ویژه درصد ازدیاد طول و عمر خستگی) وجود دارد، کاربرد آن ها در تولید قطعات حساسی و ایمنی را محدود کرده است . کاهش خواص مکانیکی این آلیاژها ناشی از وجود عیوبی همچون حفرات، اکسیدها و فازهای غنی از آهن در ریزساختار آنهاستعیوب یاد شده قابلیت تغییر شکل ا، عمر خستگی و استحکام کششی این آلیاژها را کاهش می دهند . از طرف دیگر، این عیوب سبب پراکندگی قابل توجه خواص این آلیاژها می شوند که با مدول ویبل پایین آنها نشان داده میشود

2-1- آخال ها و اکسید ها در آلیاژهای Al-Si-Mg  4

2-1-1- تشکیل فیلم های اکسیدی 6

2-1-2- موفولوژی آخال های اکسیدی 7

2-1-3- حبس فیلم های اکسیدی 8

2-1-3-1- اغتشاش سطحی 10

2-1-3-2- بارریزی 11

2-1-3-3- جاری شده سطحی 12

2-1-3-4- رد حباب 13

2-1-3-5- ممانعت از پیشروی عمودی جبهه مذاب 14

2-1-4- اثر عیوب اکسیدی بر خواص آلیاژهای Al-Si-Mg  16

2-2- حفرات در آلیاژهای Al-Si-Mg 17

2-2-1- حفرات گازی 18

2-2-1-1- جوانه زنی حفرات گازی 19

2-1-2- عوامل مؤثر در تشکیل حفرات گازی 25

2-2-2- حفرات انقباضی 27

2-2-2-1- جوانه زنی حفرات انقباضی 28

2-2-2-2- رشد حفرات انقباضی 30

2-2-3- اثر حفرات بر خواص مکانیکی 31

2-3- آهن در آلیاژ های Al-Si-Mg 33

2-3-1- فاز غنی از آهن β  34

2-3-2- فاز غنی از آهن α  36

2-3-3- اثر آهن بر خواص آلیاژ Al A356 37

2-4- اندرکنش عیوب موجود در ریزساختار 42

2-4-1- اندرکنش فازهای غنی از آهن و اکسیدها 42

2-4-2- اندرکنش فازهای غنی از آهن و حفرات 43

2-4-3- اندر کنش اکسید ها و حفرات 43

ترک طولی ایجاد شده درون فاز غنی از آهن که برروی فیلم اکسیدی دولایه تشکیل شده است

ترک طولی ایجاد شده درون فاز غنی از آهن که برروی فیلم اکسیدی دولایه تشکیل شده است

فصل سوم شبیه سازی حبس فیلم های اکسیدی

بسیاری از عیوب موجود در ساختار قطعات ریختگی از قبیل جوش سردا، اغتشاش سطحی . خوردن حبس فیلم های اکسیدی در حین پر شدن محفظه قالب تشکیل می شوند. سطح فلزات مذاب به دلیل تمایل شدید آنها به اکسایش، همواره توسط لایه ای از اکسید پوشیده شده است. حال اگر مطابق شکل ۳-۱، سطح مذاب در اثر حرکت ناپیوسته جبهه مذاب و یا بازگشت قطرات مذابی که در اثر اغتشاش مذاب ایجاد شدهاند تا بخورد، دو سطح خشک اکسیدها بر روی هم قرار می گیرند و اکسیدها وارد توده مذاب می شوند . از این رو تشخیص حبس فیلم های اکسیدی در حین پر شدن محفظه قالب از اهمیت بسزایی برخوردار است.

شبیه سازی حبس فیلم های اکسید سطحی 45

3-1- شبیه سازی جریال سیال 47

3-2- مدل پیش بینی حبس فیلم های اکسیدی 48

3-3- ردیابی اکسیدهای حبس شده 48

تصویر SEM از دوسطح شکست آلیاژ Al-Si که نشان دهنده طبیعت متقارن فیلم اکسیدی است

تصویر SEM از دوسطح شکست آلیاژ Al-Si که نشان دهنده طبیعت متقارن فیلم اکسیدی است

فصل چهارم آزمایش های انجام شده

۱-۴- سواد و تجهیزات

در پژوهش حاضر، آلیاژ Al-A356.2 (محصول شرکت MIN JUNG کره جنوبی) با دو مقدار متفاوت آهن در ترکیب شیمایی مورد استفاده قرار گرفت. ترکیب شیمیایی این دو آلیاژ در جدول ۴-۱ آورده شدهاست. مقدار آهن موجود در ترکیب شیمیایی، با در نظر گرفتن شرایط مورد استفاده در حالت صنعتی انتخاب شد. مطابق استاندارد، مقدار حداکثر آهن مجاز در ترکیب شیمیایی آلیاژ Al-A356.2 کمتر از ۰/۱ درصد وزنی است. بنابراین، مقدار آهن موجود در ترکیب شیمیایی نمونه های با آهن کم، ۰/۱ درصد وزنی در نظر گرفته شد. از طرف دیگر و بر اساس دیاگرام فاز سه تایی Al-Si-Fe، مقدار بحرانی آهن که در بیش از آن فاز غنی از آهن B با مورفولوژی تیغهای تشکیل می شود، ۰/۵ درصد وزنی است. بنابراین، مقدار آهن در آزمایشهای با آهن زیاد، ۰/۸۵ درصد وزنی در نظر گرفته شد تا شرایط تشکیل این فاز فراهم شود.

4-1- مواد و تجهیزات 50

4-2- شرح آزمون ها 51

4-2-1- اثر حفرات، عیوب اکسیدی و فازهای غنی از آهن بر خواص آلیاژ 51

4-2-2- بررسی اثر آخال ها و فیلم های اکسیدی دولایه بر خواص کششی و قابلیت اعتماد آلیاژAl-A356.2  55

4-2-3-بررسی اثر فیلم های اکسیدی جوان بر خواص کششی و قابلیت اعتماد آلیاژ Al-A356.2 و نقش سیستم راهگاهی در تشکیل آنها 56

4-2-4- اثر ذوب مجدد بر گاززدایی و کیفیت مذاب و خواص مکانیکی آلیاژ 58

4-2-5- شبیه سازی حبس فیلم های اکسیدی در حین پر شدن محفظه قالب 62

تصویر سه بعدی بازسازی شده گروهی از ورقه ها

تصویر سه بعدی بازسازی شده گروهی از ورقه ها

فصل پنجم نتایج و بحث

۵- ۲- بررسی اثر آخال ها و فیلمهای اکسیدی دو لایه بر خواص کششی و قابلیت اعتماد آلیاژ -Al A356.2

با توجه به نتایج آزمونهایی که تاکنون شرح داده شد، به نظر میرسد که اکسیدها عامل اصلی پراکندگی خواص کششی و در نتیجه کاهش قابلیت اعتماد به قطعات تهیه شده از آلیاژ مورد بررسی هستند. همان گونه که پیش از این نیز اشاره شد، اکسیدهای موجود در ریزساختار آلیاژهای آلومینیوم به دو گروه اکسیدهای جوان تشکیل شده در حین پرشدن محفظه قالب و آخال های اکسیدی (اکسیدهای قدیمی) تشکیل شده در حین آماده سازی مذاب و انجام عملیات کیفی تقسیمبندی میشوند. با این حال، در آزمون هایی که تا کنون انجام شرح داده شد، اثر اکسیدهای قدیمی و جدید از یکدیگر متمایز نشده اند. از این رو، ثر ادامه به بررسی و مقایسه اثر هر یک دو نوع اکسيد قدیمی و جدید پرداخته شده است.

5-1- اثر حفرات، عیوب اکسیدی و فازهای غنی از آهن بر خواص آلیاژ  64

5-1-2- خوص کششی 64

5-1-3- ریزساختار 68

5-1-4- سطوح شکست 74

5-1-5- آنالیز ویبل 85

5-1-6- تحلیل تصاویر ریزساختار 91

5-1-7- ارتباط بین عیوب، خواص کششی و قابلیت اعتماد به آلیاژ 93

5-2- بررسی آخال ها و فیلم های اکسیدی دولایه بر خواص کششی و قابلیت اعتماد آلیاژ Al-A326.2  94

5-2-1- متالوگرافی 94

5-2-2- خواص کششی 95

5-2-3- سطح شکست 96

5-2-4- آنالیز آماری ویبل 99

5-3- بررسی اثر فیلم های اکسیدی جوان بر خواص کششی و قابلیت اعتماد آلیاژ Al-A326.2 و نقش سیستم راهگاهی در تشکیل آنها 102

5-3-1- خواص کششی 102

5-3-2- آنالیز ویبل 105

5-3-3- سطح شکست 106

5-3-4- بحث و بررسی 109

5-4- اثر ذوب مجدد بر گاززدایی و کیفیت مذاب و خواص مکانیکی آلیاژ 109

5-4-1- آزمون فشار کاهش یافته 110

5-4-2- چگالی سنجی 111

5-4-3- متالوگرافی و تحلیل تصاویر ریزساختار 113

5-4-4- خواص مکانیکی 116

5-4-5- بحث و بررسی 117

5-5- شبیه سازی و حبس فیلم های اکسیدی در حین پرشده محفظه قالب 119

تعیین احتمال برخورد دو المان سطحی وتاخوردن جبهه مذاب با استفاده از بردارهای عمود بر المان های سطحی مذاب

تعیین احتمال برخورد دو المان سطحی وتاخوردن جبهه مذاب با استفاده از بردارهای عمود بر المان های سطحی مذاب

فصل ششم نتیجه گیری و پیشنهاد

ضمیمه1  128

آنالیز آماری ویبل 128

فهرست منابع 135

شرایط مختلف جوانه زنی غیرهمگن حفرات در فاز مایع که توسط ویلت مورد مطالعه قرار گرفت

شرایط مختلف جوانه زنی غیرهمگن حفرات در فاز مایع که توسط ویلت مورد مطالعه قرار گرفت

فهرست تصاویر

شکل 2-1- (الف) شکل شماتیک نشان دهنده اغتشاش سطحی که منجر به حبس فیلم اکسیدی تشکیل شده در سطح مذاب شده است و (ب) حبس فیلم اکسیدی سطحی و قرار گرفتن یک ذره ناخالصی خارجی سبب فرو رفتن آن درون مذاب شده است  9

شکل 2-2- فیلم اکسیدی دو لایه با ضخامت 20 نانومتر در سطح شکست یک ممونه آلومینیومی  9

شکل 2-3- تصویر SEM از دو سطح شکست آلیاژ Al-Si که نشان دهنده طبیعت متقارن فیلم اکسیدی است. 10

شکل 2-4- فیلم اکسیدی دولایه قدیمی بر روی سطح پولیش شده. نقاطی که در قسمت بالایی فیلم اکسیدی در اثر پولیش از سطح پایین جدا شده اند نشان دهنده طبیعت دولایه این عیوب است. 10

شکل 2-5- شکل شماتیک اغتشاش سطحی که نشان دهنده یک فیلم اکسیدی تا خورده است 11

شکل 2-6- اثر افزایش ارتفاع بر جریان مذاب در حال سقوط که نشان دهنده؛ (الف) عدم تغییر در فیلم اکسیدی، (ب) جدایش فیلم اکسیدی و تشکیل تیوب سرباره و (ج) حبس فیلم اکسیدی و هوا در توده مذاب است 12

شکل 2-7- پیشروی ناپایدار جبهه مذاب در یک آلیاژ حساس به اکسایش 13

شکل 2-8- پر شدن پایدار راهباره کف ریز، به علت سرریز مذاب مقطع ضخیمA با اختلال مواجه شده است. همچنین پرشده سطوح پهناور افقی B و C که می تواند خطر بروز عیوب روی هم افتادگی در مناطق ظاهراً بی ارتباط همچون a، b، c1 و c2 در قطعه ریختگی را در پی داشته باشد 15

شکل 2-9- هندسه یک حفره در تماس با فاز جامد که نشان دهنده: (الف) ترشوندگی ضعیف و جداشدن آسان مذاب از فاز جامد، (ب) ترشوندگی متوسط و (ج) ترشوندگی خوب که در آن چسبندگی بالای بین مذاب و جامد سبب جابجایی حفره درون توده مذاب که از نظر انرژی مطلوب تر ایت می شود 22

شکل 2-10- تغییرات Phet/Phomبا زاویه ترشوندگی، ملاحظه می شود که تنها در زوایای تماس بالاتر از ˙60 حضور فاز جامد سبب کاهش قابل توجه در نسبت Phet/Phom می شود.خط چین افقی نشان دهنده نسبت Phet/Phom در =160˙ϴ است 22

شکل2-11- شرایط مختلف جوانه زنی غیر همگن حفرات در فاز مایع که توسط ویلت مورد مطالعه قرار گرفت 23

شکل2-12- نمایش شماتیک اغتشاش سطحی که منجر به حبس فیلم اکسید دوتایی شده است. حباب های کوچک حبس شده حفراتی را تشکیل داده اند که سبب ایجاد فیلم اکسید دوتایی با هندسه نامنظم (شامل ترک AB، حباب های بزرگ C و D) شده اند 25

شکل 2-13- نمایش شماتیک پنج مکانیزم مذاب رسانی در حین انجماد 27

شکل 2-14- اثر حفرات بر تنش تسلیم و استحکام کششی آلیاژ Al-A356 پس از عملیات حرارتی T6   32

شکل 2-15- فازهای غنی از آهن موجود در ریزساختار آلیاژ Al-5%Si-1%Cu-0.5%Mg شامل: الف) فاز ورقه ای β-Al5FeSi، ب) فاز α-Al8Fe2Si، ج) فازπ-Al8FeMg3Si6 متصل به فاز β-Al5FeSi و د) فاز π-Al8FeMg3Si6 34

شکل2-16- تصویر سه بعدی بازسازی شده گروهی از ورقه های β-Al5FeSi از زوایای مختلف. مقیاس و زاویه چرخش تصاویر یکسان نیستند 36

شکل2-17- دیاگرام سه تایی Al-Si-Fe که نشان دهنده مسیر انجماد فاز آلومینیوم اولیه، مقدار بحرانی آهن و مسیر انجماد آلیاژهایی با 80% وزنی آهن و سیلیسیم 5(x-x,)، 7(y-y,) و 9(z-z,) درصد وزنی. محل تقاطع خطوط x-x,، y-y, و z-z, نشان دهنده نقطه شروع تشکیل ورقه های بزرگ فاز اولیه می باشد36

شکل2-18- ساختار سه بعدی بازسازی شده فاز Al15(Fe,Mn)3Si2 از سه زاویه دید مختلف. شکل نشان می دهد که این فاز دارای بازوهای در هم پیچیده است و به نظر می رسد که از یک کریستال پلی هدرال در مرکز به سمت بیرون رشد نموده است. 37

شکل 2-19- نمودار تغییرات استحکام کششی برحسب درصد ازدیاد طول آلیاژAl-7Si-0.4Mg (در مقادیر آهن و فاصله بین بازوهای دنریتی ثانویه مختلف) 39

شکل2-20- اثر آهن بر تغییرات درصد ازدیاد طول با فاصله بین بازوهای دندریتی ثانویه آلیاژAl-7Si-0.4Mg  39

شکل2-21- تصویر متالوگرافی نشان دهنده شکست و رشد ترک در فاز: (الف) β-Al5FeSi و (ب) α- Al15(Fe,Mn)3Si2 به دست آمده از نمونه های آزمون کشش آلیاژ Al-5Si-1Cu   40

شکل2-22- اثر اندازه فاز سوزنی شکل بر (الف) درصد ازدیاد طول،(ب) تنش تسلیم و (ج) استحکام کششی آلیاژ Al-A356   41

شکل 2-23- ترک طولانی ایجاد شده درون فاز غنی از آهن که بر روی فیلم اکسیدی دولایه تشکیل شده است 42

شکل 3-1- شماتیک تا خوردن جبهه مذاب در اثر حرکت ناپیوسته جبهه مذاب و تشکیل قطرات مذاب در اثر اغتشاش که منجر به حبس فیلم های اکسیدی سطحی می شود. 45

شکل 3-2- تعیین اختمال برخورد دو المان سطحی و تا خوردن جبهه مذاب با استفاده از بردارهای عمود بر المان سطحی مذاب 48

شکل4-1- هندسه قالب فلزی استفاده شده برای تهیه نمونه های آزمون کشش 53

شکل4-2- شکل سه بعدی و ابعاد داخلی قالب فلزی برای بررسی اثر ذوب مجدد بر خواص آلیاژ 60

شکل 4-3- خلاصه آزمون های انجام گرفته برای بررسی اثر ذوب مجدد بر خواص آلیاژ 61

شکل4-4- (الف) شکل سه بعدی و (ب) ابعاد قالب مورد نظر استفاده صفحه گذاری مدل پیشنهاد شده برای پیش بینی حبس فیلم های اکسیدی و (ج) قطعه ریخته گری شده 63

شکل 4-5- چگونگی برخورد دو جبهه مذاب و حبس فیلم اکسیدی در محل برخورد دو جبهه 63

شکل 5-1- توزیع نتایج (الف) استحکام کششی و (ب) درصد ازدیاد طول آلیاژ در شرایط مورد بررسی 65

شکل 5-2- اثر افزایش مقدار عیوب موجود در ریزساختار بر(الف) استحکام کششی و (ب) درصد ازدیاد طول آلیاژ و اثر کاهش مقدار عیوب موجود در ریزساختار و (ج) استحکام کششی و (د) درصد ازدیاد طول آلیاژ 66

شکل5-3- تغییرات (الف) استحکام کششی و (ب) درصد ازدیاد طول آلیاژ با تغییر مقدار هیدروژن، اکسید ها و آهن 67

شکل 5-4- اثر مقدار عیوب بر پراکندگی نتایج (الف) استحکام کششی و (ب) درصد ازدیاد طول در شکست آلیاژ 68

شکل 5-5- ریزساختار ریختگی (الف) و(ب) نمونه هایی با آهن کم و (ج) نمونه ای با آهن زیاد و آنالیز EDS نقاط مشخص شده 69

شکل5-6- تصویر میکروسکوپ نوری نمونه های (الف) LLL، (ب) HLL، (ج) LLH، (د) HLH، (ه) LHL، (و) HHL، (ز) LHH و (ح) HHH پس  از عملیات حرارتی 70

شکل 5-7- (الف) و (ب) تصویر SEM به دست آمده از سطح داخلی حفرات در نمونه هایی با اکسید زیاد و آنالیز EDS نواحی مشخص شده، که نشان دهنده حصور اکسیدها در سطوح داخلی حفرات است 71

شکل 5-8- تصویر SEM به دست آمده از یک نمونه LHL و آنالیز EDS نقاط مشخص شده 72

شکل5-9- عیب اکسیدی مشاهده شده در نمونه های (الف)LHL و (ب)HHL شکل های (الف) و (ب) به ترتیب از ترکیب 6 و 27 تصویر شده اند 73

شکل 5-10- (الف) تا (د) تصویر SEM که نشان دهنده فیلم اکسیدی دولایه در هم تنیده، درنمونه ای با هیدروژن کم و آهن و اکسید زیاد در بزرگنمایی های متفاوت است. 74

شکل 5-11- تصویر SEM به دست آمده از درون یک حفره در نمونه ای با هیدروژن و اکسید کم و آهن بالا و آنالیز EDS نقاط مشخص شده 74

شکل5-12- (الف) و (ب) تصاویر سطح شکست دو نمونه LLL  و آنالیز EDS نقاط مشخص شده 76

شکل 5-13- تصویر SEM نشان دهنده حفره بر روی سطح شکست نمونه هایی با (الف) هیدروژن زیاد، اکسید کم و آهن زیاد و (ب) هیدروژن زیاد، اکسید کم و آهن کم 76

شکل 5-14- تصویر SEM سطح شکست نمونه هایی با (الف) هیدروژن و اکسید کم و آهن زیاد و (ب) هیدروژن زیاد، اکسید کم و آهن زیاد که نشان دهنده فاز غنی از آهن ترک خورده بر روی سطح شکست نمونه ها است. 77

شکل 5-15- (الف) و (ب) تصاویر میکروسکوگ نوری از مقطع عمود بر سطح شکست نمونه ها است 78

شکل 5-16- تصویر دوربین دیجیتال سطح شکست دو نمونه با اکسید زیاد که نشان دهنده حضور فیلم های اکسیدی بزرگ در سطح شکست نمونه است.79

شکل 5-17-تصویر SEM نقاط (الف)a، (ب)b، و(ج)c در شکل 5-16 (ب) و آنالیز EDS نواحی مشخص شده 80

شکل 5-18- تصویر سطح شکست نمونه ای با اکسید زیاد و آنالیز EDS ناحیه مشخص شده 81

شکل 5-19- تصویر SEM سطح شکست نمونه ای با اکسید زیاد در بزرگنمایی های مختلف که نشان دهنده طبیعت چین خورده فیلم های اکسیدی جوان است. 81

شکل 5-20- (الف) و (ب) تصویر SEMسطوح شکست دو نمونه با اکسید کم که نشان دهنده عدم حضور اکسید ها در سطح شکست این نمونه ها است. 82

شکل 5-21- (الف) و (ب) تصاویر SEM به دست آمده از سطح شکست دو نمونه با اکسید کم و آنالیز EDS نقاط مشخص شده. 82

شکل 5-22- (الف) و(ب) تصویر SEM نشان دهنده فیلم اکسیدی دولایه در دوسطح شکست نمونه ای با هیدروژن زیاد، اکسید کم و آهن زیاد 83

شکل 5-23- (الف) و(ب) تصویر SEM نشان دهنده فیلم اکسیدی دولایه در سطح شکست نمونه هایی با هیدروژن زیاد، اکسید کم و آهن کم 84

شکل 5-24- نمودار توزیع ویبل استحکام کششی آلیاژ مورد بررسی در نمونه های (الف) با اکسید کم و (ب) با اکسید زیاد 85

شکل 5-25- نمودار توزیع به دست آمده از آنالیز ویبل ترکیبی استحکام کششی در آزمون های (الف) LHL، (ب) LHH، (ج) HHL و (د) HHH 87

شکل 5-26- نمودار توزیع ویبل درصد ازدیاد طول آلیاژ مورد بررسی در آزمایش های با اکسید (الف) کم و (ب) زیاد 88

شکل 5-27- نمودار توزیع به دست آمده از توزیع ویبل ترکیبی درصد ازدیاد طول در آزمایش HHL88

شکل5-28- اثر افزایش مقدار عیوب موجود در ریز ساختار در مدول ویبل (الف) استحکام کششی و (ب) درصد ازدیاد طول الیاژ 90

شکل5-29- مقایسه اثر مقدار هیدروژن محلول در مذاب در مدول ویبل (الف) استحکام کششی و (ب) درصد ازدیاد طول آلیاژ در نمونه های با مقدار کم و زیاد فیلم اکسیدی91

شکل 5-30- (الف) اثر مقدار هیدروژن بر کسر سطحی حفرات ، (ب) اثر مقدار آهن بر دانسیته تعداد حفرات و (ج) اثر مقدار فیلم های اکسیدی بر میزان کرویت حفرات92

شکل 5-31- تغییرات درصد ازدیاد طول آلیاژ با دانسیته تعداد حفرات در شرایط مورد بررسی 93ل

شکل 5-32- تغییرات مدول ویبل (الف) استحکام کششی و (ب) درصد ازدیاد طول آلیاژ با میزان کرویت حفرات 94

شکل 5-33- ریزساختار ریختگی آلیاژ در آزمایش های (الف)A بدون هم زدن مذاب و با استفاده از فیلتر، (ب) و (ج) B با هم زدن مذاب و بدون استفاده از فیلتر و (د) D با هم زدن مذاب و استفاده از فیلتر 95

شکل 5-34- نمودار توزیع، مقادیر متوسط، انحراف معیار استاندارد و درصد انحراف معیار استاندارد (الف) استحکام کششی و (ب) درصد ازدیاد طول آلیاژ در سه حالت مورد بررسی 96

شکل 5-35- سطوح شکست به دست آمده از نمونه های آزمون کشش در آزمایش های (الف) A بدون هم زدن مذاب و با استفاده از فیلتر،(ب) و (ج) B با هم زدن مذاب و بدون استفاده از فیلتر و (د) D با هم زدن مذاب و استفاده از فیلتر و آنالیز EDS نقاط مشخص شده 98

شکل5-36- تابع توزیع ویبل (الف) استحکام کششی و (ب) درصد ازدیاد طول آلیاژ در سه حالت مورد بررسی 100

شکل 5-37- تابع چگالی احتمال (الف) استحکام کششی و (ب) درصد ازدیاد طول آلیاژ در سه حالت مورد بررسی 102

شکل 5-38- توزیع (الف) استحکام کششی و (ب) درصد ازدیاد طول به دست آمده از آزمون کشش تک محوری در دو ارتفاع راهبار پس از فیلتر 104

شکل 5-39- اندیس کیفیت متوسط و دامنه تغییرات آلیاژ در شرایط مورد بررسی 104

شکل 5-40- نمودار توزیع ویبل (الف) استحکام کششی، (ب) درصد ازدیاد طول و (ج) اندیس کیفیت آلیاژ در شرایط مورد بررسی 105

شکل 5-41- تصویر SEM سطح شکست نمونه شماره 13 از آزمایش H و آنالیز EDS نقطه مشخص شده 107

شکل 5-42- تصویر SEM سطح شکست نمونه شماره 21 از آزمایش H و آنالیز EDS نقطه مشخص شده 107

شکل 5-43- تصویر SEM سطح شکست نمونه شماره 22 از آزمایش H و آنالیز EDS نقطه مشخص شده 107

شکل 5-44-تصویر SEM سطح شکست نمونه شماره 18 از آزمایش L و آنالیز EDS نقطه مشخص شده 108

شکل 5-45- تصویر SEM سطح شکست نمونه شماره 7 از آزمایش L و آنالیز EDS نقطه مشخص شده 108

شکل 5-46- اثر ذوب مجدد بر مقدار حفرات در سطح مقطع نمونه های RPT  110

شکل 5-47- نمای بالا، جانبی و سه بعدی نمونه های آزمون RPT به دست آمده از آنالیز X-ray و بازسازی تصویر سه یعدی در آزمایش های (الف) A (بدون ذوب مجدد)، (ب)B (پس از یک بار دوب مجدد)، (ج) C (پس از دوبار ذوب مجدد) و(د) موقعیت مقطع برش زده شده برای نماهای بالا و جانبی. حفرات مشاهده شده در نمای سه بعدی (ب) و (ج) بر روی سطح نمونه قرار دارند و درن آنها نمی باشند.حجم های رنگی نشان داده شده در تصاویر سه بعدی حفراتی هستند که حجم آنها بیش از 5 میلی متر مکعب بوده است. 111

شکل 5-48- اثر ذوب مجدد بر چگالی ظاهری نمونه های RPT و مقایسه آن با مقادیر چگالی ظاهری گزارش شده توسط ژو و همکارانش 112

شکل 5-49- اثر ذوب مجدد بر چگالی آلیاژ در نمونه های ریخته شده در قالب فلزی 113

شکل 5-50- اثر ذوب مجدد بر حفرات موجود در ریزساختار ریختگی آلیاژ  113

شکل 5-51- اثر ذوب مجدد بر کسرحجمی و سطحی حفرات موجود در ریزساختار آلیاژ. کسر سطحی حفرات از تقسیم مساحت کل حفرات مشاهده شده در ریزساختار بر کل مساحت مشاهده شده در تصاویر متالوگرافی محاسبه شد.کسر حجمی حفرات نیز از تقسیم حجم کل حفرات بر حجم کل قطعه تعیین شده است. 115

شکل 5-52- تغییرات دانسیته تعداد حفرات (تعداد حفرات موجود در ریز ساختار بر ساتیمتر مربع) که از تحلیل تصاویر ریز ساختار به دست آمده توسط میکروسکوپ نوری محاسبه شده است و تعداد کل حفرات موجود در ریزساختار که از بازسازی سه بعدی تصاویر رادیو گرافی محاسبه شده است. 115

شکل 5-53- اثر ذوب مجدد بر اندیس فیلم دوتایی آلیاژ 116

شکل 5-54- اثر ذوب مجدد بر خواص کششی آلیاژ 117

شکل 5-55- (الف) تا (ز): مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی پر شدن قالب توسط نرم افزار SUTCAST و نتایج تجربی پر شدن قالب با مذاب آلیاژ Al-A356.2   121

شکل 5-56- نتایج حاصل از شبیه سازی پر شدن قالب توسط نرم افزار SUTCAST که نشان دهنده سرعت توزیع مذاب در آستانه ورود به محفظه قالب است. 122

شکل 5-57- مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی حبس فیلم های اکسیدی و پر شدن قالب توسط مذاب آلیاژ Al-A356.2  124

شکل 5-58- (الف) موقعیت سطوح شکست نمونه های آزمون کشش و (ب) موقعیت پیش بینی شده با استفاده از مدل ارائه شده برای شبه سازی حبس فیلم های اکسیدی 125

شکل A-1- مقایسه (الف) نمودار توزیع استحکام کششی آلیاژ Al-Si و (ب) نمودار توزیع گوسی 129

شکل A-2- (الف) نمودار کسر جمع شونده داده های استفاده شده در شکل A-3 (الف) و (ب) نمودار ویبل داده های (الف) که نشان دهنده خطی مستقیم با مدول ویبل 30 است 130

شکل A-3- نمودار توزیع احتمال ویبل عمر خستگی آلیاژ A206-T71 پس از فشار همه جانبه گرم 133

شکل شماتیک اغتشاش سطحی که نشان دهنده یک فیلم اکسیدی ناخورده است

شکل شماتیک اغتشاش سطحی که نشان دهنده یک فیلم اکسیدی ناخورده است

فهرست جدول ها

جدول 2-1- آخال های موجود در آلیاژ آلومینیوم  5

جدول2-2- مشخصات آخال های موجود در آلومینیوم مذاب و الیاژ های آن 6

جدول2-3- مشخصات اکسید های قدیمی و جدید در آلیاژ های آلومینیوم 8

جدول2-4- پنج مکانیزم تغذیه در حال انجماد 27

جدول3-1- خلاصه و مقایسه تکنیک های توسعه یافته برای ارزیابی آلودگی سطحی و حبس فیلم های اکسیدی 47

جدول3-2- مشخصات ذره اکسید قرار داده شده در محل برخورد دو المان سطحی 48

جدول4-1- ترکیب شیمیایی آلیاژ های مورد استفاده در پژوهش حاضر 50

جدول4-2- آزمون های انجام شده برای تعیین اثر عیوب بر خواص آلیاژ مورد بررسی 52

جدول4-3- ابعاد سیستم راهگاهی قالب نشان داده شده در شکل 4-1  53

جدول4-4- شرایط آماده سازی و کیفیت مذاب در سه حالت مورد بررسی 56

جدول4-5- جزئیات شرایط ریخته گری های انجام شده در دو نوع ارتفاع راهبار پس از فیلتر 12 و 24 میلی متر 58

جدول4-6- خلاصه شرایط ریخته گری های انجام شده برای تعیین اثر ذوب مجدد بر خواص آلیاژ 61

جدول5-1- خواص کششی میانگین اندازه گیری شده در آزمایش های جدول4-2  65

جدول5-2- دسته بندی حالتهای مورد بررسی بر اساس میزان هر یک عیوب و خواص کششی آلیاژ  67

جدول5-3- مقایسه  بحرانی به دست آمده از معادله A-4 (برای تعیین 30 نمونه) و R2 به دست آمده بر برازش خطی نمودار توزیع ویبل استحکام کششی آلیاژ در شکل 5-24  86

جدول5-4- نتایج آنالیز ویبل استحکام کششی حالت های مورد بررسی 89

جدول5-5- نتایج آنالیز ویبل درصد ازدیاد طول حالتهای مورد بررسی 89

جدول5-6- نتایج به دست آمده از آنالیز تصویرهای به دست آمده از تحلیل تصاویر ریزساختار در آزمایش های

 جدول4-2   92

جدول5-7- نتایج آنالیز تصاویر ریزساختار 95

جدول5-8- نتایج آنالیز ویبل مقادیر استحکام کششی و درصد ازدیاد طول آلیاژ در شرایط مورد بررسی 99

جدول5-9- نتایج آنالیز ویبل مقادیر استحکام کششی و درصد ازدیاد طول آلیاژ در شرایط مورد بررسی 100

جدول5-10- استحکام کششی (مگا پاسکال) به دست آمده از آزمون کشش تک محوری در حالتهای مورد بررسی 103

جدول5-11- درصد ازدیاد طول (%) به دست آمده از آزمون کشش تک محوری در حالت های مورد بررسی  103

جدول5-12- نتایج آنالیز ویبل استحکام کششی، درصد ازدیاد طول و اندیس کیفیت آلیاژ در شرایط مورد بررسی 106

جدول16-1- تابع ویبل ترکیبی برای توزیع عیوب در حالتهای مختلف 134

هندسه قالب فلزی استفاده شده برای تهیه نمونه های آزمون کشش

هندسه قالب فلزی استفاده شده برای تهیه نمونه های آزمون کشش


Abstract

The present study aimed to investigate the effects of old and young oxide films on the mechanical properties and reliability of Cast Al A356.2 alloy. The results indicate that the presence of oxides within the microstructure of the alloy decreased the tensile properties of the alloy and increased their scattering. Beside this, the presence of the oxides decreased the reliability of the alloy. The results showed that the presence of double oxide films (especially old oxides) decreased the Weibull modulus of tensile properties and resulted in bi-Weibull distribution in tensile properties of the alloy. The results also indicate that using of a clean melt (with high quality), is wital for production of castings with high reliability. Also, it was shown that the damage done to the liquid metal is at best only partially mitigated by the filter, and at worst, remains permanent despite the use of a filter. From the results of Weibull analysis, it was found that the use of a 10 ppi filter to be 72% effective in catching the coarse old bifilms. Also, the results clearly showed that besides the high quality of the melt, the design of the gating system, plays an important role in determination of the reliability of the castings. The investigation of the effects of runner height after filter in naturally pressurized running system showed that with increasing the falling height of the melt (runner height after filter) beyond a critical height, a large number of double oxide films will be entrapped within the bulk of the liquid metal, which in turn, results in degradation of the reliability of the castings, A noble method has been proposed for removal of dissolved hydrogen and double oxide film from All melt, based on the re-melting of the alloy. The results showed that remelting of the alloy inside the crucible is an effective method for increasing the melt quality. Forthermore, it was shown that remelting inside the crucible increased the UTS and E1% of the alloy by 19 and 97%, respectively. A simple algorithm has been proposed for simulation of the entrapment of double oxide films during the mold filling of the Alcastings. Comparison of the results obtained from simulation and the experiment showed that the proposed model could predict the entrapment odouble oxide films and their final position in castings with acceptable accuracy.

Keywords: Oxide film, Al-Si-Mg alloys, Reliability, Weibull anaysis, Simulation.


تعداد صفحات فایل : 142

مقطع : کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

خرید فایل pdf و word

قبل از خرید فایل می توانید با پشتبانی سایت مشورت کنید