پايان نامه بررسي تاثير تيتانيم و کربن بر ريزساختار و خواص سايشي کامپوزيت Fe - TiC

توضیحات

پايان نامه بررسي تاثير تيتانيم و کربن بر ريزساختار و خواص سايشي کامپوزيت Fe - TiC
فصل اول : مقدمه
مقدمه۱
فصل دوم : مروری بر منابع
۱-۲- عوامل مؤثر بر خواص کامپوزیتها ۶
۲-۲- تقسیم بندی کامپوزیتها۷
۳-۲- تریبولوژی و تریبوسیستم ۹
۱-۳-۲- تعریف سایش و عوامل اثر گذار روی آن ۱۰ ۲-۳-۲- انواع مکانیزم های سایش ۱۰
۱-۲-۳-۲- سایش چسبان ۱۰
۲-۲-۳-۲- سایش خراشان ۱۱
۳-۲-۳-۲- سایش خستگی۱۲
۴-۲-۳-۲- سایش ورقه ای ۱۲
۵ -۲-۳-۲- سایش اکسایش ۱۲
۳-۳-۲- پارامتر سایش ۱۳
۴-۳-۲- رابطه بین مقاومت به سایش و سختی ۱۳
۵ -۳-۲- منحنی سایش ۱۴
۴-۲- کامپوزیت فروتیک ۱۴
۱-۴-۲- انواع کامپوزیت های فروتیک۱۵
۱-۱-۴-۲- کامپوزیت هایی که با کوئینچ سخت می شوند ۱۵
۲-۱-۴-۲- کامپوزیت هایی که با پیر سختی سخت می شوند۱۶
۲-۴-۲- روشهای ساخت فروتیک ۱۷
۱-۲-۴-۲- ساخت کامپوزیت به صورت غیر همزمان۱۸
الف) پراکنده کردن ذرات فاز دوم۱۸
ب) روش پاششی ۱۹
ج) تزریق مذاب فلزی ۱۹
۲-۲-۴-۲- ساخت فروتیک به صورت همزمان ( insitu) 20
الف) سنتز خود احتراقی (SHS) 20
ب) XD26
ج) دمش گاز واکنش دهنده ۲۶
د) اکسایش مستقیم فلز( DIMOX) 27
ه) primex 28
و) واکنش حین تزریق ۲۸
ز) واکنش شیمیایی در داخل مذاب ۲۸
ح) روش آلیاژسازی مکانیکی ۳۱
ط) متالورژی پودر ۳۴
ی) احیای کربوترمال ۳۵
ک) احیای ترمیت ۳۵
ل) روش سطحی ۳۵
۳-۴-۲- خواص کامپوزیت های فروتیک ۳۶
۱-۳-۴-۲- سختی۳۶
۲-۳-۴-۲- استحکام ۳۷
۳-۳-۴-۲- مدول الاستیکی ۳۷
۴-۳-۴-۲- مقاومت به سایش ۳۷
پارامترهای موثر روی سایش ۳۸
الف) کسر حجمی کاربید تیتانیم ۳۸
ب) اندازه ذرات و شکل آنها۳۸
ج) نوع زمینه ۳۹
د) کاربید های ریخته گری ۴۰
ه) عملیات حرارتی و سرعت سرد کردن زمینه۴۰
و) نیرو در دستگاه pin on Disk 40
ز) عیوب در قطعات ۴۱
ح) اثر ذوب مجدد۴۱
۵-۳-۴-۲- ماشین کاری ۴۱
۶-۳-۴-۲- عملیات حرارتی ۴۱
۷-۳-۴-۲- جذب ارتعاش ۴۱
۸-۳-۴-۲- دانسیته۴۲
۹-۳-۴-۲- فرسایش ۴۲
فصل سوم : مطالعه موردی
۱ -۳- روش تحقیق ۴۳
۱-۱-۳ – مواد اولیه۴۴
۲-۱-۳- عملیات ذوب و ریخته‌گری ۴۵
۳-۱-۳- آماده سازی نمونه‌ها۴۵
۴-۱-۳- آنالیز نمونه‌ها ۴۶
۵-۱-۳- متالوگرافی ۴۷
۶-۱-۳- آزمایش سختی ۴۷
۷-۱-۳- تست سایش ۴۸
۲-۳-بیان نتایج
۱-۲-۳- ریزساختار نمونه‌های حاوی مقادیر مختلف کربن با تیتانیم ثابت ۴۹
۲-۲-۳- ریزساختار نمونه‌های حاوی مقادیر مختلف تیتانیم با کربن ثابت ۵۲
۳-۲-۳- تاثیر درصد کربن بر خواص نمونه‌ها۵۵
۴-۲-۳- تاثیر درصد تیتانیم بر خواص نمونه‌ها ۵۵
۵-۲-۳- نتایج پراش اشعه ایکس ۵۶
۶-۲-۳- تأثیر درصد کربن بر خواص سایشی نمونه‌ها ۵۹
۷-۲-۳- تأثیر درصد تیتانیم بر خواص سایشی نمونه‌ها۶۰
۳-۳- بحث نتایج
۱-۳-۳- بررسی تشکیل فاز کاربید تیتانیم ۶۱
۲-۳-۳- مطالعه مسیر انجماد در کامپوزیت Fe-TiC 65
3-3-3- تأثیر درصد کربن بر ریزساختار کامپوزیت فروتیک ۶۶
۴-۳-۳- تأثیر درصد تیتانیم بر ریزساختار نمونه‌ها ۷۳
۵-۳-۳- تأثیر درصد کربن بر چگالی کامپوزیت Fe-TiC 78
6-3-3- تأثیر مقدار کربن بر سختی کامپوزیت Fe-TiC 78
7-3-3- تأثیر مقدار کربن بر خواص سایشی کامپوزیت Fe-TiC 79
8 -3-3- تأثیر مقدار تیتانیم بر چگالی نمونه‌ها ۸۰
۹-۳-۳- تأثیر مقدار تیتانیم بر سختی کامپوزیت Fe-TiC 81
10-3- 3-تاثیر مقدار تیتانیم بر خواص سایشی کامپوزیت ۸۲
۱۱-۳-۳- بررسی سطوح سایش ۸۶
فصل چهارم : نتیجه گیری و پیشنهادها
۱-۴ نتیجه گیری ۹۲
۲-۴پیشنهادها ۹۴
منابع و مراجع ۹۵
منابع
۱٫ محمد رضا رحیمی پور ” رساله دکتری PHD ” – پژوهشگاه مواد و انرژی
۲ . آرمین رجبی ” پایان نامه کارشناسی ارشد MSC ” – دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب
۳ . منصور رضوی ” پایان نامه کارشناسی ارشد MSC ” پژوهشگاه مواد و انرژی
۴ . ارجمند ” پایان نامه کارشناسی ارشد MSC ” پژوهشگاه مواد و انرژی
۵ . توحید لو ” پایان نامه کارشناسی ارشد MSC ” پژوهشگاه مواد و انرژی
۶ . E . Weck & E.Leistner ” Metallographic Instructions for colour Etching by Immersion . ” 1987
7. W.H.Jiang ,W.D.pan , G.H.Song , X.L.Han”Insitu Synthesis of a Fe-Ti composite in Liquid iron ” (1997)
چکیده :
هدف اصلی در این پروژه بررسی تغییر درصد تیتانیم و کربن بر روی ریز ساختار و خواص سایشی مکانیکی کامپوزیت فروتیک( Fe/TiC ) است.
نتایج حاصله نشان داده است که با کنترل ترکیب شیمیایی، نوع
عملیات حرارتی، اصلبح روش ساخت و سرعت انجمادی قطعه می توان ریز ساختار
زمینه، نحوه توزیع ذرات سرامیکی (TiC) و میانگین اندازه ذرات ( TiC) و
تعداد آنها در واحد سطح و شکل آنها و کسر حجمی آن و در نهایت چگالی
کامپوزیت که منجر به خواص سایشی و مکانیکی متفاوت می گردد را کنترل نمود.
افزایش مقدار کربن و تیتانیم باعث افزایش مقدار کاربید
تیتانیم، سختی، مقاومت به سایش و اندازه ذرات کاربیدی می شود در حالی که
چگالی کامپوزیت کاهش می یابد.
مفدمه
کامپوزیت مخلوطی از دو یا چند جز با خواص متفاوت است که خواص مجموعه از مجموع
خواص ذرات یا اجزاء تشکیل شده برتر است. اجزای کامپوزیت از
نظر شیمیایی، متفاوت و از نظر فیزیکی تفکیک پذیر است. فاز پیوسته را
زمینه(matrix) و فاز توزیع شده را تقویت کننده(reinforcement ) گویند.
‌‌‍‌‌‌‌‌‍‍‍‌‌‌‍‍‍‍‌‍‌[۲]
در دنیای امروز نیاز صنعت به مواد مهندسی نو ضروری است. در
این میان کامپوزیت های زمینه فلزی از جایگاه ویژه ای برخوردار هستند.
کامپوزیتهای پایه فلزی از مخلوط و یا ترکیب ذرات سخت سرامیکی و حتی الیاف
کربنی در زمینه فلزی با روشهای مختلف بدست می آیند. [۲] متداولترین تقویت
کننده ها SiC ، TiC , TiB , Al2O3 و … است. به طور مثال کامپوزیت
Al – SiC به جای آلیاژ آلومینیوم، سبب کاهش وزن و افزایش مدول الاستیسیته در پیستونهای دیزلی خواهد شد. [۳]
جدول (۱-۱) برخی از کامپوزیتهای زمینه فلزی با ذرات استحکام دهنده غیر فلزی را نشان می دهد.
جدول ۱-۱ : تعدادی از کامپوزیتهای ذره ای زمینه فلزی با ذرات غیر فلزی و روش های مورد استفاده برای ساخت آنها [۴]
روش ساخت
آلیاژ زمینه
درصد حجمی
اندازه ذرات پخش
نوع ذره
Vacuum slurry casting, squeeze casting, powder metallurgy
Al-Si, Al-Cu, Al-Cu-Mg
0.3-20
1-20
SiC
Slurry casting, squeeze casting, powder metallurgy, laser melt-particle injection, casting
Al-Cu, Al-MG, Ti-Al-V, steel
8-40
<40-212
Tic
Slurry casting, squeeze casting, powder metallurgy
Al-Mg, Al-Cu, Al-Si, Cu-, steel, Mg
0.5-10
1-20
0.01-200
<50
Al2O3 (bauxite),
87.9% Al2O3
laser melt-particle injection, powder sintering
Ti-Al-V, Co-base
…
۱۰۶-۱۰۵-
WC
Powder metallurgy
Co-Cr
…
۱۸-۳۸
M7C3 (Cr-rich)
Slurry casting, bottom pouring, spray dispersion, powder metallurgy
Cu, Al, steel
1-4
5-80
ZrO2/ZrSiO4
Slurry casting, bottom pouring, spary dispersion, powder metallurgy
Cu, Al, steel
10
…
TiO2/MgO
Slurry casting, bottom pouring, powder metallurgy
Al-Mg, Cu
2-10
30-110
Glass/SiO2
Slurry casting, compocasting, powder metallurgy
Al-Cu-Mg, Ag, Cu-Sn
3-10
40-180
Mica/talc
Slurry casting, squeeze casting
al-Si-Mg
15
125
Shell char
Slyrry casting, squeeze casting, powder metallurgy
Al, Cu, Ag, iron
1-750
15-800
Graphite
Powder metallurgy
Cu, Ag, Cu-steel
20-40
…
PTFE
Powder metallurgy
Cu, Cu-Ta
1-80
0.5/5
MoS2
Powder metallurgy
Fe-Pb, Ag-Cu, Ag
20-80
…
MoSe2
برتری هایی که کامپوزیت های زمینه فلزی نسبت به بقیه دارند عبارتند از :
۱) استحکام و چقرمگی بهتر
۲) هدایت حرارتی و الکتریکی عالی
۳) پایداری حرارتی بهتر نسبت به کامپوزیتهای زمینه پلیمری
۴) جوش پذیری و کار پذیری بهتر از بقیه کامپوزیتها [۳]
در میان کامپوزیتهای زمینه فلزی Fe/TiC ، کامپوزیتی منحصر به
فرد است. اولین مطالعات در مورد این کامپوزیت در سال ۱۹۵۰ میلادی آغاز شد.
حفظ استحکام در دمای بالا ، امکان ماشینکاری راحت در حالت آنیل با سختی ۴۵
راکول C ، مقاومت سایشی بالا و مقاومت به خوردگی عالی از خواص برجسته این
کامپوزیت است. [۳]
در این کامپوزیت، ذرات کاربید تیتانیم در داخل زمینه ای از
آلیاژ آهن پراکنده شده است و دارای سختی حدودا V3200(ویکرز) می باشند. این
نوع کامپوزیت در صنایع سیمان، خودرو و پلاستیک سازی ، هواپیما سازی و
شیمیایی کاربرد دارد. [۵] همچنین از آن می توان به عنوان ابزار قالب، قالب
های سرب ، سنبه و روتور و شفت موتور و هواپیما و قالبهای شکل دهی گرم و
پیستون تزریق فشار بالا و غلطک های نورد استفاده کرد. [۳]
۱-۲- عوامل موثر بر خواص کامپوزیتها :
خواص کامپوزیت ها به مقدار نسبی فازها و خواص اجزاء تشکیل
دهنده آن بستگی دارد. قانون مخلوط کردن(در زیر) این خواص را پیشگویی می
کند: [۳]
(۱-۲) Pcom = Pmat . f + Prein(1-f)
Pcom : خواص کامپوزیت
Pmat : خواص زمینه
Prein : کسر حجمی فاز تقویت کننده
عواملی که روی خواص هر کامپوزیت اثر گذار است عبارتند از: [۴]
۱) مقدار، اندازه، توزیع ، شکل، نوع و فاصله بین ذرات تقویت کننده
۲) سختی ، استحکام و چقرمگی ذرات تقویت کننده
۳) ریز ساختار، سختی ، چقرمگی و استحکام زمینه
۴) استحکام فصل مشترک بین زمینه و تقویت کننده
۵) تنشهای باقی مانده در قطعه
۲-۲- تقسیم بندی کامپوزیتها
تقسیم بندی بر اساس موارد گوناگونی انجام می شود که عبارتند از :
الف) بر اساس نوع زمینه : ۱- پلیمری ۲- سرامیکی ۳- فلزی ۴- بین فلزی
ب) بر اساس فاز تقویت کننده :
۱) فاز تقویت کننده پیوسته : ۱- لایه ای (Laminar) ۲- رشته ای (Filament)
2) فاز تقویت کننده ناپیوسته :
۱- ذره ای ( Particulate) ۲- الیافی جهت دار(Fiber) ۳ – ویسکر
ج) بر اساس اندازه فاز دوم]۱[ : ۱) ریز ۲) درشت
د) بر اساس روش ساخت ]۳[ :
۱) ریخته گری ۲) متالورژی پودر ۳) روشهای حالت جامد مثل SHS
ه) بر اساس نحوه ساخت فاز تقویت کننده :
۱) ساخت همزمان : فاز تقویت کننده همزمان با زمینه تشکیل می شود.
۲) ساخت غیر همزمان : فاز تقویت کننده با روشهای مخصوص ساخته شده و بعدا در زمینه جای داده می شود [۵]
شکل (۱-۲) دسته بندی کامپوزیت ها را نشان می دهد:
شکل (۱-۲) دسته بندی کامپوزیتها ]۳[
در جدول (۱-۲) ، انواع کامپوزیتهای زمینه آهنی که با روش درجا ساخته شده اند آمده است.
جدول ۱-۲ : فرآیندهای سنتز فاز تقویت کننده بصورت در جا در ماتریس هایی از جنس پایه آهن [۴]
کسر حجمی ذرات پخش شده
ذره تقویت کننده ساخته شده در جا
واکنش کننده ها
محقق
۰٫۱۴ NbC and VC
NbC and VC
Nb یا V در آلیاژ و گرافیت .
Beeley et al .(1977-83)
0.2 – ۰٫۴ TiC
TiC
کربن در آلیاژ پایه آهن و Ti .
Chen et al . (1989)
N/A
Fe2AlZr,Fe2Al
افزودن الیاف آلومینایی نرم شده با Zr .
Nourbakhsh, Margolin, Liang (1990)
>0.4TiC
TiC
1- گرافیت به مذاب آهن حاوی ۲/۵ درصد تیتانیم اضافه گردید .
۲- افزودن ۴/۲ گرافیت به ۳۳ گرم آهن مذاب حاوی ۲۴ wt % Ti .
3- افزودن براده های تیتانیم مذاب Fe-C
Terryet al . (1991)
N/A
TiC
افزودن پودر TiC به مذاب آهن خالص و آهن پر کربن .
Terry, Chinyamakobvu (1992)
Uo to 0.30 TiC
TiC
افزودن FeTi به مذاب چدن داکتیل
Raghunath, Bhat, Rohatgi (1994)
0.23 – ۰٫۳۱ TiC
TiC, Fe2Ti, (Cr,Fe)7C3
Ti در آلیاژ پایه Fe-C و Fe-Cr-C
Dogan and Hawk (1995)
0.07 TiC
TiC
افزودن Ti در قالب به مذاب Fe-C
Dogan and Hawk (1996)
1) 0.52 NbC, .48 TaC
2) 0.05 TiC
(Nb,Ta) C
1- افزودن پودر تانتالیت تغلیظ شه به Fe&C ، احیاء کربوترمیک .
۲- افزودن اسفنج Ti به مذاب چدن .
Chrysanthou, Davies, Tsakiropoulos, Chinyamakobvu (1995)
0.15 FeB, Fe2B
Fe3Al, FeB, Fe2B
افزودن گرانول B به پوسته های آهن و آلومینیم به شکل مذاب .
Suwas, Bhargava, Sangal (1995)
۳-۲- تریبو لوژی و تریبوسیستم :
تریبولوژی به معنی مالش و لغزش است و به مطالعه بر روی سایش، اصطکاک و روان کاری سطوح در گیر در حرکت نسبی و موضوعات مربوط به آن
می پردازد.
تریبوسیستم : به بررسی سیستم مهندسی با پارمترهای
ورودی نیرو، زمان ، سرعت و… و پارامترهای درونی انتقال حرارت و زبری سطوح و
تغییر خواص مکانیکی در حین آزمایش و در نهایت پارامترهای خروجی سایش،
اصطکاک و صدا می پردازد. [۲]
۱-۳-۲- تعریف سایش و عوامل اثر گذار روی آن :
سایش فرآیندی است که در آن، تلفات مکانیکی مواد، در اثر حرکت
دو سطح بر روی هم و جدا شدن ذرات از سطح در اثر اصطکاک صورت می گیرد. عوامل
موثر بر سایش عبارتند از : شرایط سطوح ، ریز ساختار زمینه ، اصطکاک ،
نیرو، سرعت ، زمان ، محیط ، درجه حرارت ، استحکام ، چقرمگی ، شکل ، اندازه ،
نحوه توزیع و نوع ذرات تقویت کننده.
۲-۳-۲- انواع مکانیزم های سایش :
به طور کلی مکانیزم سایش به پنج دسته تقسیم می شود: سایش چسبان ، سایش خراشان، سایش خستگی ، سایش ورقه ای و سایش اکسایشی. [۲]
۱-۲-۳-۲- سایش چسبان :
تئوری سایش چسبنده از سال ۱۹۵۹ توسط Archard و برخی محققین
برای تشریح مکانیزم سایش شدید فلزات توسعه یافته است. این تئوری بر اساس
اتصال چسبنده سطح در مقیاس کوچک استوار است. با اعمال نیروهای عمودی، تنش
های ایجادی در نوک برآمدگی های سطح افزایش یافته تا به حد تسلیم برسد و
تغییر شکل پلاستیک رخ دهد و سطح واقعی تماس با ادامه اعمال نیرو بیشتر می
شود تا بتواند تنشهای اعمالی را تحمل کند. فیلم های اکسیدی سطحی، چسبندگی
را شدیدا کاهش می دهند و ازطرفی نیروهای مماسی می توانند سب حذف این فیلم
ها شده و جوش سرد در محل اتصال ایجاد کند. با ادامه لغزش در ماده نرم یا
فصل مشترک نرم و سخت، شکست اتفاق می افتد و یک تکه از فلز نرم به سطح سخت
می چسبد یا اینکه شکست در فصل مشترک ایجاد ذره سایشی در سطح نرم می کند که
در نهایت، سایش ( تلفات سطوح ) را در پی دارد. نرخ سایش چسبنده به عوامل
مختلفی مثل شرایط محیطی، نیروی اعمالی، سرعت، شرایط عملی و خواص فیزیکی
سطوح بستگی دارد.