دانلود مقاله بررسی تاثیر تیتانیم و کربن بر ریزساختار و خواص سایشی کامپوزیت Fe – TiC
چکیده :
هدف اصلی در این مقاله 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 | ۰٫۳-۲۰ | ۱-۲۰ | SiC |
Slurry casting, squeeze casting, powder metallurgy, laser melt-particle injection, casting | Al-Cu, Al-MG, Ti-Al-V, steel | ۸-۴۰ | <40-212 | Tic |
Slurry casting, squeeze casting, powder metallurgy | Al-Mg, Al-Cu, Al-Si, Cu-, steel, Mg | ۰٫۵-۱۰ ۱-۲۰ | ۰٫۰۱-۲۰۰ <50 | Al2O3 (bauxite), ۸۷٫۹% 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 | ۱-۴ | ۵-۸۰ | ZrO2/ZrSiO4 |
Slurry casting, bottom pouring, spary dispersion, powder metallurgy | Cu, Al, steel | ۱۰ | … | TiO2/MgO |
Slurry casting, bottom pouring, powder metallurgy | Al-Mg, Cu | ۲-۱۰ | ۳۰-۱۱۰ | Glass/SiO2 |
Slurry casting, compocasting, powder metallurgy | Al-Cu-Mg, Ag, Cu-Sn | ۳-۱۰ | ۴۰-۱۸۰ | Mica/talc |
Slurry casting, squeeze casting | al-Si-Mg | ۱۵ | ۱۲۵ | Shell char |
Slyrry casting, squeeze casting, powder metallurgy | Al, Cu, Ag, iron | ۱-۷۵۰ | ۱۵-۸۰۰ | Graphite |
Powder metallurgy | Cu, Ag, Cu-steel | ۲۰-۴۰ | … | PTFE |
Powder metallurgy | Cu, Cu-Ta | ۱-۸۰ | ۰٫۵/۵ | MoS2 |
Powder metallurgy | Fe-Pb, Ag-Cu, Ag | ۲۰-۸۰ | … | 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] و……….
فهرست مطالب
فصل اول : مقدمه
مقدمه ۱
فصل دوم : مروری بر منابع
۱-۲- عوامل مؤثر بر خواص کامپوزیتها ۶
۲-۲- تقسیم بندی کامپوزیتها ۷
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
۱-۲-۳-۲- سایش چسبان ۱۰
۲-۲-۳-۲- سایش خراشان ۱۱
۳-۲-۳-۲- سایش خستگی
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 فروتیک ۱۵
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 شوند ۱۶
۲-۴-۲- روشهای ساخت فروتیک ۱۷
۱-۲-۴-۲- ساخت کامپوزیت به صورت غیر همزمان ۱۸
الف) پراکنده کردن ذرات فاز دوم ۱۸
ب) روش پاششی ۱۹
ج) تزریق مذاب فلزی ۱۹
۲-۲-۴-۲- ساخت فروتیک به صورت همزمان ( insitu)
الف) سنتز خود احتراقی (SHS)
ب) XD
ج) دمش گاز واکنش دهنده ۲۶
د) اکسایش مستقیم فلز( DIMOX)
ه) primex
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- سختی
۲-۳-۴-۲- استحکام
۳-۳-۴-۲- مدول الاستیکی
۴-۳-۴-۲- مقاومت به سایش
پارامترهای موثر روی سایش ۳۸
الف) کسر حجمی کاربید تیتانیم ۳۸
ب) اندازه ذرات و شکل آنها ۳۸
ج) نوع زمینه ۳۹
د) کاربید های ریخته گری ۴۰
ه) عملیات حرارتی و سرعت سرد کردن زمینه ۴۰
و) نیرو در دستگاه pin on Disk
ز) عیوب در قطعات ۴۱
ح) اثر ذوب مجدد ۴۱
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- دانسیته ۴۲
۹-۳-۴-۲- فرسایش ۴۲
فصل سوم : مطالعه موردی
۱ -۳- روش تحقیق ۴۳
۱-۱-۳ – مواد اولیه
۲-۱-۳- عملیات ذوب و ریخته‌گری
۳-۱-۳- آماده سازی نمونه‌ها
۴-۱-۳- آنالیز نمونه‌ها
۵-۱-۳- متالوگرافی
۶-۱-۳- آزمایش سختی
۷-۱-۳- تست سایش
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 نمونه‌ها
۴-۲-۳- تاثیر درصد تیتانیم بر خواص نمونه‌ها
۵-۲-۳- نتایج پراش اشعه ایکس
۶-۲-۳- تأثیر درصد کربن بر خواص سایشی نمونه‌ها
۷-۲-۳- تأثیر درصد تیتانیم بر خواص سایشی نمونه‌ها
۳-۳- بحث نتایج
۱-۳-۳- بررسی تشکیل فاز کاربید تیتانیم ۶۱
۲-۳-۳- مطالعه مسیر انجماد در کامپوزیت Fe-TiC 65
۳-۳-۳- 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
۶-۳-۳- تأثیر مقدار کربن بر سختی کامپوزیت Fe-TiC 78
۷-۳-۳- تأثیر مقدار کربن بر خواص سایشی کامپوزیت Fe-TiC 79
۸ -۳-۳- تأثیر مقدار تیتانیم بر چگالی نمونه‌ها ۸۰
۹-۳-۳- تأثیر مقدار تیتانیم بر سختی کامپوزیت Fe-TiC 81
۱۰-۳- ۳-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
فهرست اشکال
فصل اول :مقدمه
شکل (۱-۱) برخی کاربردهای فروتیک
فصل دوم : مروری بر منابع
شکل (۱-۲) دسته بندی کامپوزیتها ۸
شکل (۲-۲) خراش در وضعیتهای مختلف ۱۱
شکل (۳-۲) رابطه بین سختی و مقاومت به خراش ۱۳
شکل (۴-۲) خواص کامپوزیت فروتیک ۱۵
شکل (۵-۲) دسته بندی روشهای ساخت کامپوزیت فروتیک ۱۷
شکل (۶-۲) نحوه توزیع ذرات TiC در روش SHS
شکل (۷-۲) افزایش دما در SHS
شکل (۸-۲) تغییرات دمایی احتراق بر حسب زمان در SHS
شکل (۹-۲) اثر دمای پیش گرم روی سرعت و گرمای واکنش در SHS24
شکل (۱۰-۲) تغییرات دما بر حسب زمان به ازای مقادیر مختلف Al
شکل (۱۱-۲) اثر درصد Fe روی دمای احتراق در روش SHS
شکل (۱۲-۲) شماتیک تولید فروتیک به روش دمش ۲۷
شکل( ۱۳-۲) پروفیل نفوذی Ti و C در روش Insitu
شکل (۱۴-۲) اثر درصد Ti روی اندازه TiC
شکل(۱۵-۲) شماتیک روش In mold و رسم تغییرات دمایی آن ۳۱
شکل (۱۶-۲) آسیاب ماهواره ای
شکل (۱۷-۲) تاثیر عملیات حرارتی رو ی دما و سرعت واکنش SHS
شکل(۱۸-۲) شماتیکی از فرآیند و مراحل میانی و تکمیلی آن ۳۴
شکل(۱۹-۲) مقایسه کاهش سختی بر اثر دما در سه ماده مختلف ۳۶
شکل(۲۰-۲) تصویر میکروسکوپ نوری مقطع اچ نشده دو نمونه ۳۸
شکل (۲۱-۲) تصویر میکروسکوپ نوری دو نمونه دیگر ۳۹
شکل(۲۲-۲) تغییرات اندازه متوسط و تعداد ذرات TiC بر اثر سرعت سرد کردن ۴۰
فصل سوم : مطالعه موردی
شکل (۱-۳) مراحل عملی تهیه نمونه‌ها و انجام آزمایشها ۴۴
شکل (۲-۳) تصویر شماتیک نمونه‌های ریخته‌گری شده ۴۶
شکل (۳-۳) تصویر شماتیک از دستگاه سایش پین و دیسک ۴۸
شکل (۴-۳) تصاویر میکروسکوپ نوری از نمونه‌ها در حالت اچ نشده (تیتانیم ثابت) ۵۰
شکل (۵-۳) تصاویر میکروسکوپ نوری از نمونه‌ها در حالت اچ شده (تیتانیم ثابت) ۵۱
شکل (۶-۳) تصاویر میکروسکوپ نوری از نمونه‌ها در حالت اچ نشده (کربن ثابت) ۵۳
شکل (۷-۳) تصاویر میکروسکوپ نوری از نمونه‌ها در حالت اچ شده (کربن ثابت) ۵۴
شکل (۸-۳) الگوی پراش اشعه ایکس در نمونه‌های با کربن مختلف ۵۷
شکل (۹-۳) الگوی پراش اشعه ایکس در نمونه‌های با مقادیر مختلف تیتانیم ۵۸
شکل (۱۰-۳) تصویر میکروسکوپ الکترونی از ریزساختار نمونه C 5/3-Ti 10-Fe 62
شکل (۱۱-۳) الگوی پراش اشعه ایکس از نمونه C 5/3-Ti 10-Fe 63
شکل (۱۲-۳) تصویر میکروسکوپ نوری از نمونه C 5/3-Ti 10-Fe در حالت اچ شده ۶۳
شکل (۱۳-۳) گوشه غنی از آهن دیاگرام سه‌تایی Fe-Ti-C 66
شکل (۱۴-۳) تصویر میکروسکوپ الکترونی از نمونه C 5/3-Ti 10-Fe در حالت اچ نشده ۶۸
شکل (۱۵-۳) ریزساختار نمونه‌ها در حالت اچ شده (تیتانیم ثابت) ۶۹
شکل (۱۶-۳) تغییرات میانگین اندازه ذرات با مقادیر مختلف کربن ۷۰
شکل (۱۷-۳) تأثیر درصد وزنی کربن بر روی چگالی ذرات در واحد سطح ۷۱
شکل (۱۸-۳) تأثیر درصد وزنی کربن بر روی درصد کسر حجمی کاربید تیتانیم ۷۲
شکل (۱۹-۳) تصویر میکروسکوپ الکترونی از نمونه C 5/2-Ti 4-Fe 74
شکل (۲۰-۳) ریزساختار نمونه‌ها در حالت اچ شده (کربن ثابت) ۷۵
شکل (۲۱-۳) تغییرات میانگین اندازه ذرات در اثر تغییر درصد وزنی تیتانیم ۷۶
شکل (۲۲-۳) تأثیر درصد وزنی تیتانیم بر روی چگالی ذرات در واحد سطح ۷۷
شکل (۲۳-۳) تأثیر درصد تیتانیم بر روی درصد کسر حجمی کاربید رسوب کرده ۷۷
شکل (۲۴-۳) تأثیر درصد وزنی کربن بر روی چگالی کامپوزیت فروتیک ۷۸
شکل (۲۵-۳) تأثیر مقدار کربن بر سختی کامپوزیت (تیتانیم ثابت) ۷۹
شکل (۲۶-۳) نمودار تغییرات کاهش وزن بر حسب مسافت لغزش (تیتانیم ثابت ) ۸۰
شکل (۲۷-۳) تأثیر مقدار تیتانیم بر چگالی کامپوزیت ۸۱
شکل (۲۸-۳) تأثیر مقدار تیتانیم بر سختی کامپوزیت ۸۲
شکل (۲۹-۳) تغییرات کاهش وزن نمونه‌ها بر حسب مسافت لغزش (کربن ثابت) ۸۳
شکل (۳۰-۳) تأثیر سختی به کاهش وزن کامپوزیت ۸۵
شکل (۳۱-۳) تأثیر درصد حجمی کاربید تیتانیم به کاهش وزن کامپوزیت ۸۵
شکل (۳۲-۳) تغییرات کاهش وزن دیسک بر حسب مسافت لغزش ۸۶
شکل (۳۳-۳) تصویر میکروسکوپ الکترونی از سطح سایش نمونه C 5/3-Ti 10-Fe 88
شکل (۳۴-۳) تصویر میکروسکوپ الکترونی از سطح مقطع عمود بر سطح سایش ۸۸
شکل (۳۵-۳) تصویر میکروسکوپ الکترونی از سطح سایش نمونه C 5/3-Ti 10-Fe 89
شکل (۳۶-۳) عیوب زیر سطحی در نمونه C 5/3-Ti 10-Fe پس از سایش ۹۰
فهرست جداول:
جدول (۱-۱) برخی کامپوزیتهای زمینه فلزی با استحکام دهنده غیر فلزی ۲
جدول (۲-۱) ترکیب خواص کامپوزیت فروتیک در مقایسه با فولاد و WC-Co 4
جدول(۱-۲) فرآیندهای سنتز تقویت کننده به روش درجا ۹
جدول(۲-۲) تقسیم بندی واکنشهای SHS برای سیستمهای دوجزیی ۲۳
جدول(۳-۲) مقایسه مقاومت سایشی فروتیک با چدن سفید ۳۷
جدول(۱-۳) ترکیب شیمیایی مواد اولیه مصرف شده ۴۵
جدول (۲-۳) ترکیب شیمیایی نمونه‌های ریخته‌گری شده ۴۶
جدول (۳-۳) تأثیر درصد کربن بر خواص نمونه‌ها ۵۵
جدول (۴-۳) تأثیر درصد تیتانیم بر خواص کامپوزیت ۵۶
جدول (۵-۳) تأثیر درصد کربن بر خواص سایشی نمونه‌ها و دیسک فولادی ۵۹
جدول (۶-۳) تأثیر درصد تیتانیم بر خواص سایشی نمونه‌ها و دیسک فولادی ۶۰
فرمت فایل: WORD
تعداد صفحات: 100
مطالب مرتبط