سوپر پلاستیک

سوپر پلاستیک (انگلیسی: Superplasticity‎) در علم مواد، حالتی است که در آن یک ماده جامد کریستالی به خوبی فراتر از نقطه شکست معمول خود تغییر شکل می‌دهد، که معمولاً در این حالت تغییر شکل کششی بیش از ۲۰۰٪ می‌باشد. سوپر پلاستیسیته اولین بار در سال ۱۹۱۲ مشاهده شد و پس از آن به صورت گسترده در فلزات مورد مطالعه قرار گرفت. یکی از غیر معمول‌ترین ملاحظاتی که در زمینه سوپر پلاستیسیته مشاهده شده احتمالاً مشاهده تغیر شکل حدود ۲۰۰٪ در آلیاژ Bi-Sn بود که توسط فردی در سال ۱۹۳۴ در اعلام شد، همچنین او ادعا کرد کرد که لغزش مرز دانه اصلی‌ترین دلیلی است که باعث وقوع پدیده سوپر پلاستیسیته می‌شود. علاقه به مطالعه در زمینه سوپر پلاستیسته زمانی زیاد شد که مشاهده شد این پدیده در طیف گسترده‌ای از مواد از جمله نانو کریستال‌ها، سرامیک آلیاژ فلزات رخ می‌دهد. در فلزات و سرامیک، الزامات برای به وجود آمدن سوپر پلاستیک اندازه دانه‌های مناسب (کمتر از حدود ۲۰ میکرومتر) و پراکندگی ذراتی که از نظر گرمایی پایدار است که برای پین کردن مرزهای دانه و حفظ ساختار دانه‌های خوب در دماهای بالااست همچنین وجود دوفاز مورد نیاز برای تغییر شکل سوپر پلاستیکی ضروری است. علاوه بر همهٔ این خواص مواد باید نرخ کرنش بالایی نیز داشته باشند تا سوپر پلاستیک محسوب شوند. فرایند سوپر پلاستیسیته نه تنها از لحاظ علمی بلکه از لحاظ صنعتی نیز بسیار مورد توجه است که این امکان را برای تولید قطعاتی پیچیده که آهنگری آن‌ها در نرخهای کرنش حتی بالاتر نیز به سادگی صورت نمی‌پذیرد می‌دهد تا توسط این فرایند در دمای بالا تولید شوند. این فرایند مشابه تغییر شکل پوسته زمین در خزش در دما و تنش و نرخ کنشی بالا می‌باشد.[1]

خصوصیات ساختاری سوپر پلاستیک‌ها

ریز ساختار نیز نقش بسزائی در شکل‌گیری فرایند سوپر پلاستیسیته دارد بدین صورت که این فرایند بر روی فلزاتی با دانه‌های ریز و هم محور قابل انجام است. به علاوه زیرساختار باید دارای مقاومت بالایی در برابر رشد اندازه دانه‌ها باشد تا در دمای بالا این فرایند و هم‌زمان با آن ساختار ریزدانه مورد نظر از بین نرود. از این رو علاوه بر فلزات تک فاز ریزدانه عملیات سوپر پلاستیک بر روی فلزات و آلیاژهای دو فاز با مقاومت بالا در برابر رشد دانه نیز قابل انجام است. ساختار سوپر پلاستیک‌ها دارای حساسیت بالا نسبت به نرخ کرنش در حین تغییر شکل کششی هستند. سوپر پلاستیک‌ها معمولاً در مواد با نرخ تنش کم از ۰.۰۰۱ تا ۰.۰۰۰۰۱ رخ ی دهد، اما در تحقیقات اخیر گزارش شده که تغییر شکل‌های زیاد در موادی با نرخ تنش بزرگتر از ۰.۰۱ هم رخ داده که بیشتر این مواد آلیاژهای فلزی بودند. مکانیزم میکروسکوپی تغییر شکل در مواد سوپر پلاستیک هنوز به‌طور کامل درک نشده‌است. از زمان مشاهدات اولیه پیرسون تا امروز مدل‌های بسیاری برای سوپر پلاستیک‌ها ارائه شده‌است؛ که اصلی‌ترین آن‌ها لغزش مرز دانه و جریان‌های نفوذی است، از میان این دو نیز بیشترین مکانیزمی که مورد تأیید قرار گرفته‌است لغزش مرز دانه یا (GBS)است. GBS با فرض اینکه لغزش‌ها با حرکت نابجایی‌ها رخ می‌دهد مدلسازی شده‌است. این مدل‌ها می‌توانند اندازه دانه، دماو روند نرخ کرنشی را که منجر به شکل‌گیری سوپر پلاستیسیته می‌شوند تخمین بزنند که این موضوع در روش‌های مهندسی مورد اهمیت است. به راستی شکل‌دهی سوپر پلاستیک آلیاژهای آلومینیوم، تیتانیوم و آلیاژهای پایه نیکل دمای بالا به صورت یکنواخت در صنعت انجام می‌پذیرد. یک مشکل بزرگ این فرایند نرخهای کرنش پایین در تولید است که منجر به بالا رفتن هزینه‌ها می‌شود. در سوپر پلاستیسیته هزینه‌های مربوط به انرژی کاهش پیدا کرده ولی نرخ کرنش و تولید نیز کم می‌شود.[2]

فرم دهی سوپر پلاستیک

فرم دهی سوپر پلاستیک یک روش صنعتی برای تولید مواد پیچیده و گرانبها از بعضی از مواد مخصوصی است. فرایند شکل‌دهی سوپر پلاستیک یکی از فرآیندهای مهم برای شکل‌دهی اجزای ورقی نازک و سبک بوده که به کمک آن می‌توان اشکال پیچیده با کمترین دور ریز تولید کرد. در این فرایند، شکل‌دهی با بهره‌گیری از خصوصیت شکل‌پذیری بالای آلیاژهای سوپر پلاستیک، به کمک فشار گاز و دمای بالا انجام می‌گیرد. از بین روش‌های متعدد شکل‌دهی سوپر پلاستیک فرایند شکل‌دهی توسط دمیدن معمول‌ترین زوش شناخته شده‌است. در این فرایند قالب‌ها و ورق معمولاً در دمای شکل‌دهی نگه داشته می‌شوند و فشار گازی که به ورق اعمال می‌شود سبب شکل گرفتن ورق به داخل قالب پایینی می‌شود.[3] اطلاع از خصوصیات ماده، شرایط شکل دهی، شرایط اصطکاکی و دیگر پارامترهای فرایند برای ساخت و تولید بهینه قطعات ضروری است. بدون چنین اطلاعاتی نمی‌توان ابزارهای شکل‌دهی را به درستی طراحی کرد و نتیجه فرایند را پیش‌بینی نمود. فرایندهای طراحی بهینه شامل تعیین متغیرهای طراحی مورد نیاز از طریق آنالیز فرایند و بهینه‌سازی با قیدها و ورودی‌های معین می‌باشد. برای مثال، برای بهینه کردن توان حساسیت به نرخ کرنش باید سیکل فشار مناسبی برای کنترل نرخ کرنش در طی شکل‌دهی انتخاب نمود. برای ای کار از نرم‌افزارهای المان محدود به‌طور گسترده استفاده می‌شود. در شکل‌دهی سوپر پلاستیک، کنترل توزیع ضخامت مسئله بسیار مهمی است. در فرایند شکل‌دهی سوپر پلاستیک معمول، غیر یکنواختی در توزیع مشاهده می‌شود. از سال۱۹۸۲، روش‌های کنترل توزیع ضخامت در شکل‌دهی سوپر پلاستیک توسعه پیدا کرده‌اند. به دلیل خصوصیات فرایند شکل‌دهی سوپر پلاستیک، توزیع ضخامت محصول غیر یکنواخت می‌باشد و اثر توزیع ضخامت نهایی در فرایند شکل‌دهی سوپر پلاستیک بر روی خصوصیات مکانیکی محصول بسیار مهم است؛ بنابراین مطلوب است فرایندی طراحی کنیم که توزع ضخامت نهایی یکنواختی داشته باشد. هر چند که مقداری انحراف با توجه به تماس بین ابزار و ورق، اجتناب ناپذیر است. محققین بسیاری اثر پارامترهای مختلف از جمله ضریب اصطکاک، حساسیت به نرخ کرنش را بر روی توزیع ضخامت مطالعه کردند[4]

تغییر شکل سوپرپلاستیک


فرایند فرم دهی سوپر پلاستیک

برای شروع دمای ماده بالا را بالا می‌بریم تا خاصیت سوپر پلاستیسیته را افزایش بدهیم، برای آلیاژهای تیتانیمی و بعضی از فولادهای ضدزنگ ای افزایش دما در حدود ۹۰۰ درجه می‌باشد و برای بعضی از آلیاژهای آلومینیومی این دما بین۴۵۰ تا ۵۳۰ است. در این شرایط مواد بسیار نرم می‌شوند در نتیجه فرایندها که معمولاً براساس خواص پلاستیک‌ها می‌باشند اجرا می‌کنیم. این فرایندها اکثراً شکل‌دهی حرارتی، قالب‌گیری بادی و شکل‌دهی حرارتی خلاء است. اکنون فشار گاز بی‌اثر در ورقه سوپر پلاستیکی اعمال می‌شود و باعث می‌شود که آن را به یک ماده خرد تبدیل کند.[5]

مزایا و معایب فرم دهی سوپر پلاستیک

اصلی‌ترین مزیت این روش اینست که می‌توانیم قطعات کاری بزرگ و پیچیده را در یک فرایند فرم داد. همچنین دیگر در آن تورفتگی و برآمدگی یا تنش‌های پسماند نیست. در این روش می‌توانیم قطعات بزرگتر با وزن کمتر ساخت که در صنایع هوافضا بسیار پراهمیت است، همان‌طور که مک دونالد داگلاس از طراحی به روش فرم دهی پلاستیک در تولید F-15در دهه ۸۰ میلادی استفاده کرد، آن‌ها از تکنولوژی تولید تجهیزات و ابزارها در سنت لوئیس کردند؛ و با استفاده از هر دو تکنولوژی صفحه گرم و تکنولوژی لامپ کوارتز با رهبری ری کیتلسون، ون مولر و دیوید رائه محصول خود را توسعه دادند. بزرگترین عیب این روش فرم دهی سرعت پایین انجام این پروسه است. مدت زمان هر سیکل از دو دقیقه تا دو ساعت متفاوت است و به همین دلیل اسیت که برای تولید محصولات با حجم کم استفاده نمی‌شود. یکی دیگر از معایب آن غیر یکنواختی ضخامت محصول تولید شده‌است. هرچند امروزه چند روش جدید هستند که یکنواختی ضخامت در محصولات بسیار بهبود بخشیده‌است که یکی از این روش‌ها استفاده از گاز با فشار متغیر به جای گاز با فشار ثابت است.[6]

آلومینیوم و آلیاژهای مبتنی بر آن

آلیاژهای آلومینیومی SPF قادر به کشش چند برابر اندازه اصلی خود و بدون خرابی در هنگام گرم شدن بین 470 تا 520 درجه سانتیگراد هستند. این آلیاژهای رقیق حاوی زیرکونیوم ، که بعداً با نام تجاری SUPRAL شناخته می شوند ، به سختی کار می کردند تا ورق بزنند و به صورت پویا به اندازه دانه ریز پایدار ، به طور معمول 4-5 میکرومتر ، در مراحل اولیه تغییر شکل داغ متبلور شدند. همچنین شکل گیری فوق العاده پلاستیکی یک فناوری پردازش خالص است که با کاهش تعداد قطعات و الزامات مونتاژ ، هزینه ساخت و مونتاژ را به طرز چشمگیری کاهش می دهد. پیش بینی می شد با استفاده از فن آوری SPF ، برای بسیاری از مجموعه های هواپیما مانند مخروط بینی و مجامع بشکه بینی 50 درصد کاهش هزینه تولید حاصل شود. از دیگر اسپین آف ها می توان به کاهش وزن ، از بین بردن هزاران اتصال دهنده ، از بین بردن ترکیب برجسته و کاهش قابل توجه در تعداد قطعات اشاره کرد. دستیابی به موفقیت برای آلیاژهای سوپرپلاستیک Al-Cu توسط Stowell ، Watts و Grimes در سال 1969 ساخته شد که اولین بار از چندین آلیاژ آلومینیوم رقیق (Al-6٪ Cu-0.5٪ Zr) با معرفی مقادیر نسبتاً زیاد زیرکونیوم به صورت سوپرپلاستیک ارائه شد. راه حل با استفاده از تکنیک های ریخته گری تخصصی و درمان الکتریکی متعاقب آن برای ایجاد رسوبات بسیار خوب ZrAl3.

آلیاژ های تجاری

برخی از آلیاژهای تجاری به منظور گرمای مکانیکی پردازش شده اند. تلاش اصلی روی آلیاژهای سری Al 7000 ، آلیاژهای Al-Li ، کامپوزیت های ماتریس فلزی مبتنی بر آل ، و مواد آلیاژی مکانیکی بوده است.

کامپوزیت های آلیاژ آلومینیوم

آلیاژ آلومینیوم و کامپوزیتهای آن کاربردهای گسترده ای در صنایع خودرو دارند. در دمای اتاق ، کامپوزیت ها معمولاً نسبت به آلیاژ اجزای آن مقاومت بالاتری دارند. در دمای بالا ، آلیاژ آلومینیوم تقویت شده توسط ذرات یا صدف مانند SiO2 ، Si3N4 و SiC می تواند طول کششی بیش از 700٪ داشته باشد. کامپوزیت ها غالباً توسط متالورژی پودر ساخته می شوند تا از اندازه های دانه ریز و پراکندگی مناسب از تقویت ها اطمینان حاصل کنند.[7] اندازه دانه که امکان تغییر شکل مطلوب پلاستیک را به وجود می آورد ، معمولاً 1 0.5 1/0 میکرومتر ، کمتر از نیاز به ابر پلاستیک معمولی است. درست مانند سایر مواد فوق پلاستیکی ، میزان حساسیت به کرنش m بزرگتر از 0.3 است ، که نشان دهنده مقاومت خوبی در برابر پدیده گردنبندهای محلی است. چند کامپوزیت از آلیاژ آلومینیوم مانند سری 6061 و سری 2024 ابرخوردگی سرعت بالا را نشان داده اند که در رژیم کرنش بسیار بالاتر از سایر مواد فوق پلاستیکی اتفاق می افتد.[8] این خاصیت باعث می شود کامپوزیت های آلیاژ آلومینیوم به طور بالقوه برای تشکیل پلاستیک فوق العاده مناسب باشند زیرا کل فرایند را می توان در مدت زمان کوتاهی انجام داد و در زمان و انرژی صرفه جویی می شود.

مکانیسم تغییر شکل کامپوزیت های آلیاژ آلومینیوم

رایج ترین مکانیسم تغییر شکل در کامپوزیت های آلیاژ آلومینیوم ، کشویی مرز دانه (GBS) است که اغلب با انتشار اتم / جابجایی همراه است تا تغییر شکل را در خود جای دهد. [5] مدل مکانیسم GBS حساسیت به میزان کرنش 0.3 را پیش بینی می کند ، که با بیشتر کامپوزیت های آلیاژ آلومینیوم فوق العاده پلاستیک موافق است. کشویی مرز دانه نیاز به چرخش یا مهاجرت دانه های بسیار ریز در دمای نسبتاً زیاد دارد. بنابراین ، پالایش اندازه دانه و جلوگیری از رشد دانه در دمای بالا از اهمیت برخوردار است.

همچنین گفته می شود که دمای بسیار بالا (نزدیک به نقطه ذوب) به مکانیسم دیگری ، کشویی بین سطحی مربوط می شود. زیرا در دماهای بالا مایعات جزئی در ماتریس ظاهر می شوند. ویسکوزیته مایع نقش اصلی را برای جابجایی کشویی مرزهای دانه مجاور ایفا می کند. کاویتاسیون و غلظت استرس ناشی از افزودن تقویت های فاز دوم توسط جریان فاز مایع مهار می شود. با این حال ، مایع بیش از حد منجر به حفره می شود و بدین ترتیب پایداری مواد بدتر می شود. بنابراین درجه حرارت نزدیک به اما بیش از حد بیش از نقطه ذوب اولیه اغلب دمای مطلوب نیست. ذوب جزئی می تواند به تشکیل رشته در سطح شکست منجر شود ، که می تواند تحت میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده شود.[9] مورفولوژی و شیمی آرماتورها نیز در فوق پلاستیک برخی کامپوزیتها تأثیر دارند. اما هنوز هیچ معیار واحدی برای پیش بینی تأثیرات آنها ارائه نشده است.[10]

روش هایی برای بهبود سوپرپلاستیک

چند روش برای بهینه سازی تغییر شکل فوق العاده کامپوزیت های آلیاژ آلومینیوم پیشنهاد شده است ، که برای سایر مواد نیز نشانگر آن است:

  1. پراکندگی خوب از تقویت کننده ها. این نیز برای عملکرد دمای اتاق اهمیت دارد.
  2. اندازه دانه ماتریس را اصلاح کنید. پالایش دانه های بیشتری ایجاد می کند که می توانند در دمای بالا بر روی یکدیگر بچرخند و مکانیسم کشویی مرز دانه را تسهیل می کنند. این همچنین حاکی از نرخ کرنش مطلوب بالاتر است. روند افزایش میزان کرنش در مواد با اندازه دانه ریز مشاهده شده است. تغییر شکل پلاستیک شدید مانند فشار دادن زاویه ای با کانال مساوی گزارش شده است که قادر به دستیابی به مواد دانه ای بسیار ریز هستند.[11]
  3. انتخاب مناسب دما و میزان کرنش. بعضی از کامپوزیت ها باید نزدیک به ذوب شوند ، که ممکن است اثرات متضادی بر روی سایر کامپوزیت ها داشته باشد.

تیتانیوم و آلیاژهای مبتنی بر آن

در صنعت هوافضا ، آلیاژهای تیتانیوم مانند Ti-6Al-4V استفاده های گسترده ای را در کاربردهای هوافضا مشاهده می کنند ، نه تنها به دلیل خاصیت خاص دما در دمای بالا ، بلکه به دلیل این واقعیت است که تعداد زیادی از این آلیاژها رفتارهای فوق پلاستیکی از خود نشان می دهند. ترموفورمینگ ورق فوق العاده پلاستیک به عنوان یک مسیر پردازش استاندارد برای تولید اشکال پیچیده شناخته شده است ، به ویژه و در شکل گیری فوق پلاستیک (SPF) قابل استفاده است. با این حال ، در این آلیاژهای اضافی وانادیوم آنها را به طور قابل توجهی گران می کند و بنابراین ، نیاز به تولید آلیاژهای تیتانیومی فوق پلاستیک با افزودنی های آلیاژ ارزان تر وجود دارد. آلیاژ Ti-Al-Mn می تواند چنین ماده کاندیدایی باشد. این آلیاژ تغییر شکل قابل توجهی پس از یکنواخت در دمای محیط و محیط اطراف را نشان می دهد.

Ti-Al-Mn OT4-1

آلیاژ Ti-Al-Mn OT4-1 در حال حاضر برای تشکیل قطعات موتور هوازی و سایر کاربردهای هوافضا با تشکیل یک مسیر معمولی که معمولاً پرهزینه ، کار و تجهیزات است مورد استفاده قرار می گیرد. آلیاژ Ti-Al-Mn یک ماده کاندیدا برای برنامه های هوافضا است. با این حال ، تقریباً اطلاعات کمی درباره رفتار شکل گیری فوق پلاستیکی آن موجود نیست. در این مطالعه ، شکل گیری برآمدگی فوق پلاستیک با درجه حرارت بالا از آلیاژ مورد بررسی قرار گرفته و قابلیت های شکل گیری فوق پلاستیک نشان داده شده است.

روند شکوفایی آلیاژ Ti-Al-Mn OT4-1

روند شکوفایی

افزایش فشار گاز ورقهای فلزی به یک روش مهم شکل گیری تبدیل شده است. با پیشرفت روند شکاف ، نازک شدن قابل توجهی در مواد ورق آشکار می شود. مطالعات زیادی برای بدست آوردن ارتفاع گنبد با توجه به زمان تشکیل مفید برای طراح فرآیند برای انتخاب ضخامت اولیه خالی و همچنین نازک شدن یکنواخت در گنبد پس از شکل گیری انجام شد.

مطالعه موردی

آلیاژ Ti-Al-Mn OT4-1 به شکل یک ورق نورد سرد ضخامت 1 میلی متر در دسترس بود. ترکیب شیمیایی آلیاژ. از پرس هیدرولیک 35 تنی برای شکل گیری برآمدگی فوق پلاستیک یک نیمکره استفاده شد. مجموعه ای از قالب ساخته شده و با سیستم لوله کشی ساخته شده بود که باعث می شود نه تنها گاز شفاف گاز بی اثر از مونتاژ پیش از تشکیل ، بلکه برای تشکیل اجزای تحت فشار معکوس ، در صورت لزوم. نمودار شماتیک مجموعه فوق العاده پلاستیکی که برای شکل گیری برآمدگی با کلیه ضمیمه های لازم مورد استفاده قرار می گیرد و عکس بالای (چپ) و پایین (راست) برای SPF می میرد.

یک ورق دایره ای (خالی) به قطر 118 میلی متر از ورق آلیاژ برش داده شد و سطوح بریده شده جلا داده شده برای جدا کردن همبرگر. جای خالی روی قالب قرار گرفت و اتاق بالا تماس گرفت. کوره به دمای تعیین شده روشن شده است. پس از رسیدن دمای تنظیم شده به محفظه فوقانی ، فشار بیشتری برای نگه داشتن فشار نگهدارنده خالی پایین آورده شد. حدود 10 دقیقه برای تعادل حرارتی مجاز بود. سیلندر گاز آرگون به تدریج به فشار تنظیم شده باز شد. به طور همزمان ، ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی (LVDT) ، که در قسمت انتهایی نصب شده است ، برای ضبط برآمدگی ورق تنظیم شده است. هنگامی که LVDT به 45 میلی متر رسید (شعاع کف پایین) ، فشار گاز متوقف شد و کوره خاموش شد. اجزای تشکیل شده هنگامی که درجه حرارت قالب به 600 درجه سانتیگراد کاهش یافته است خارج می شوند. حذف آسان مؤلفه در این مرحله امکان پذیر بود. شکل گیری برآمدگی فوق العاده پلاستیکی نیمکره ها در دمای 1098 ، 1123 ، 1148 ، 1173 ، 1198 و 1223 K (825 ، 850 ، 875 ، 900 ، 925 و 950 درجه سانتیگراد) در فشارهای 0.2 ، 0.4 ، 0.6 و 0.87 MPa انجام شد. . با پیشرفت روند تشکیل برآمدگی ، نازک شدن قابل توجهی در مواد ورق آشکار می شود. از روش اولتراسونیک برای اندازه گیری توزیع ضخامت در مشخصات اجزای تشکیل شده استفاده شد. اجزای آن از نظر توزیع ضخامت ، کرنش ضخامت و ضخامت عامل مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات میکروساختاری پس از تغییر شکل روی اجزای تشکیل یافته به منظور تجزیه و تحلیل ساختار از نظر رشد دانه ، کشیدگی دانه ، حفره ها و غیره انجام شد.

نتایج و بحث ها

ریزساختار ماده دریافتی با اندازه دانه دو بعدی 14 میکرومتر در شکل 8 نشان داده شده است. اندازه دانه با استفاده از روش رهگیری خطی در هر دو جهت طولی و عرضی ورق نورد اندازه گیری شد.

شکل گیری موفقیت آمیز فوق العاده پلاستیکی از نیمکره ها در دمای 1098 ، 1123 ، 1148 ، 1173 ، 1198 و 1223 K و فشارهای تشکیل گاز آرگون از 0.2 ، 0.4 ، 0.6 و 0.8 MPa انجام شد. حداکثر مدت زمان 250 دقیقه برای تشکیل کامل نیمکره داده شد. این زمان قطع 250 دقیقه به دلایل عملی داده شد. شکل 9 یک نمودار عکس از خالی (نمونه) و یک اجزای تشکیل دهنده برآمدگی (دمای 1123 K و فشار گاز تشکیل دهنده 0.6 MPa) را نشان می دهد.

زمان تشکیل اجزای سازنده با موفقیت در دماهای مختلف و فشارهای مختلف. از سفر LVDT متناسب با کف آن (که ارتفاع / عمق برآمدگی را اندازه گیری می کند) تخمین میزان شکل گیری بدست آمد. مشاهده شد که سرعت تشکیل در ابتدا سریع بوده و به تدریج برای کلیه محدوده دما و فشار کاهش می یابد ، همانطور که در جدول 2 گزارش شده است. در دمای خاص ، با افزایش فشار تشکیل ، زمان تشکیل کاهش می یابد. به طور مشابه در فشار تشکیل داده شده ، با افزایش دما ، زمان تشکیل کاهش می یابد.

ضخامت مشخصات برآمدگی در 7 نقطه شامل حاشیه (پایه) و قطب اندازه گیری شد. این نقاط با در نظر گرفتن خط بین مرکز نیمکره و نقطه پایه به عنوان مرجع و جبران 15 درجه تا رسیدن نقطه قطب انتخاب شدند. از این رو نقاط 1 ، 2 ، 3 ، 4 و 5 زاویه 15 درجه ، 30 درجه ، 45 درجه ، 60 درجه و 75 درجه را به ترتیب با پایه نیمکره همانطور که در شکل 10 نشان داده شده است پایین می آورند. این نقاط در پروفایل برآمدگی با استفاده از تکنیک اولتراسونیک - سایپرز ، باشگاه دانش مقادیر ضخامت برای هر یک از مؤلفه های نیم کره ای که با موفقیت شکل گرفته اند.

شکل 11 ضخامت قطب نیم کره های کاملاً شکل یافته را به عنوان تابعی از ایجاد فشار در دماهای مختلف نشان می دهد. در دمای خاص ضخامت قطب با افزایش فشار شکل گیری کاهش می یابد. برای کلیه موارد مورد بررسی ، ضخامت قطب در دامنه حدود 0.3 تا 0.4 میلی متر از ضخامت خالی اصلی 1 میلی متر قرار داشت.

فشار ضخامت ، ln (S / S0) ، که در آن S ضخامت موضعی و S0 ضخامت اولیه است ، در کلیه اجزای سازنده با موفقیت در مکانهای مختلف محاسبه شد. برای فشار خاص ، با افزایش دمای تشکیل ، فشار ضخامت کاهش می یابد. شکل 12 فشار ضخامت ، ln (S / S0) را به عنوان تابعی از موقعیت در امتداد سطح مقطع گنبد در صورت وجود یک جزء تشکیل شده در 1123 K با فشار تشکیل 0.6 MPa نشان می دهد.

ریزساختار پس از تشکیل نشان داد که هیچ تغییر معنی داری در اندازه دانه مشاهده نشده است. شکل 13 ساختار ساختار برآمدگی در پایه و قطب را برای یک جزء تشکیل شده در دمای 1148 K نشان می دهد و فشار 0.6 MPa را تشکیل می دهد. این ریزساختارها تغییر معنی داری در اندازه دانه نشان نمی دهند.

نتیجه

رفتار تغییر شکل درجه حرارت بالا و قابلیت شکل گیری فوق العاده پلاستیک آلیاژ Ti-Al-Mn مورد بررسی قرار گرفت. شکل گیری موفقیت آمیز نیمکره های قطر 90 میلی متر با استفاده از مسیر فوق پلاستیک در محدوده دمای 1098 تا 1223 K و با ایجاد فشار محدوده 0.2 تا 0.8 مگاپاسکال انجام شد. نتیجه گیری زیر می توان نتیجه گرفت:

  1. با افزایش فشار گاز یا دمای دما ، زمان تشکیل به شدت کاهش می یابد. سرعت تشکیل در ابتدا زیاد بود اما با گذشت زمان به تدریج کاهش می یابد.
  2. در دمای خاص ضخامت قطب با افزایش فشار شکل گیری کاهش می یابد. برای کلیه موارد مورد بررسی ، ضخامت قطب در حدود 0.3 تا 0.4 میلی متر از ضخامت خالی اصلی 1.0 میلی متر قرار داشت.
  3. عامل نازک شدن و کرنش ضخامت با افزایش حرکت از حاشیه به قطب افزایش یافت. ریزساختارهای پس از تشکیل هیچ تغییر معنی داری در اندازه دانه نشان نمی دهند.

آهن و فولاد

بیشتر بر روی مواد غیر واجد شرایط مانند فولاد آستنیتی آلیاژ Fe ‐ Mn ‐ Al است که برخی از پارامترهای خاص مواد را از نزدیک با مکانیسم های ریزساختاری مرتبط می کند. این پارامترها به عنوان شاخص پتانسیل فوق پلاستیک مواد استفاده می شوند. مواد برای تست کشش داغ ، در محدوده دما از 600 درجه سانتیگراد تا 1000 درجه سانتیگراد و نرخ کرنش vary متفاوت از 10-6 تا 1 S-1 − ارائه شد. پارامتر حساسیت میزان کرنش (m) و حداکثر کشیدگی مشاهده شده تا زمانی که پارگی (εr) قابل تعیین باشد و همچنین از آزمون کششی گرم بدست آمده است.

آهن با آلیاژهای منگنز و آلومینیوم

این آزمایش‌ها احتمال رفتار فوق پلاستیک را در آلیاژ Fe منگنز n Al در محدوده دما از 700 درجه سانتیگراد تا 900 درجه سانتیگراد با اندازه دانه در حدود 3 میکرومتر (اندازه دانه ASTM 12) و حساسیت متوسط ​​سرعت کرنش از 0.54 m m ، و همچنین حداکثر کشیدگی در هنگام پارگی حدود 600٪ است.

آهن با آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم

رفتار فوق العاده پلاستیک آلیاژهای Fe-28Al ، Fe-28Al-2Ti و Fe-28Al-4Ti با آزمایش کششی ، میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی انتقال بررسی شده است. تست های کششی در 700-900 درجه سانتیگراد تحت دامنه سرعت کرنش در حدود 10-5 تا 10-2 ثانیه در ثانیه انجام شد. حداکثر شاخص حساسیت نرخ کرنش m 5/0 و بیشترین طول کشش 620٪ مشاهده شد. در آلیاژهای Fe3Al و Fe Al با اندازه های دانه 100 تا 600μm تمامی خصوصیات تغییر شکل آلیاژهای فوق دانه ای با اندازه دانه ریز معمولی را نشان می دهد.

با این حال ، رفتار فوق پلاستیک در آلومینیدهای آهن دانه بزرگ و بدون نیازهای معمول برای فوق پلاستیک اندازه دانه ریز و کشویی مرز دانه پیدا شد. بررسیهای متالوگرافی نشان داده اند که متوسط ​​دانه آلومینیدهای آهن دانه بزرگ در طی تغییر شکل فوق پلاستیک کاهش یافته است.

سرامیک

اتمهای موجود در مواد سرامیکی توسط پیوند شیمیایی در کنار هم قرار می گیرند. دو پیوند شیمیایی متداول برای مواد سرامیکی کووالانسی و یونی هستند. برای فلزات ، پیوند شیمیایی پیوند فلزی نامیده می شود. پیوند اتمها با هم در پیوندهای کووالانسی و یونی بسیار قوی تر از فلز است. به همین دلیل است که به طور کلی فلزات قابل انعطاف هستند و سرامیک ها شکننده هستند. با توجه به طیف وسیعی از خواص مواد سرامیکی ، از آنها برای تعداد زیادی کاربرد استفاده می شود.

خواص سوپرپلاستیک

درخشندگی با فشار بالا در آلیاژهای آلومینیومی و مبتنی بر منیزیم مشاهده شده است. اما در مورد مواد سرامیکی ، تغییر شکل سوپرپلاستیک برای اکثر اکسیدها محدود به میزان کرنش کم بوده و نیتریدها با وجود حفره هایی که منجر به نارسایی زودرس می شوند. در اینجا ما نشان می دهیم که یک ماده سرامیکی کامپوزیتی متشکل از اکسید زیرکونیوم تتراگونال ، منیزیم آلومینات فاز نخاعی و آلفا آلومینا را نشان می دهد و در سطح کرنش تا 1.0 S-1 1 سطح پلاستیک را نشان می دهد. کامپوزیت همچنین کشش کششی بزرگی را نشان می دهد ، بیش از 1050 str یا نرخ کرنش 0.4 s-1. فلزات و سرامیک های فوق پلاستیک قابلیت تغییر شکل بیش از 100٪ بدون شکستگی را دارند و باعث می شوند شکل خالص در دماهای بالا شکل بگیرد. این مواد جذاب در درجه اول توسط کشویی مرز دانه تغییر شکل می دهند ، فرآیندی که با اندازه دانه ریز سرعت می یابد. با این حال ، بیشتر سرامیک ها که با اندازه دانه ریز شروع می شوند ، رشد سریع دانه را در طی تغییر شکل درجه حرارت بالا تجربه می کنند ، و آنها را برای شکل گیری فوق پلاستیک طولانی مناسب نمی کند. می توان رشد دانه را با استفاده از مرحله دوم جزئی (پین کردن زنر) یا با ساختن یک سرامیک با سه مرحله محدود کرد ، جایی که دانه تا تماس دانه در همان فاز به حداقل می رسد. یک تحقیق در مورد دانه ریز آلومینا-مولیت سه فاز (3Al2O3 • 2SiO2) - زیرکونیا ، با کسری با حجم تقریباً برابر از سه فاز ، نشان می دهد که نرخ کرنش فوق العاده پلاستیک به بزرگی 10/2 / ثانیه در 1500 درجه سانتیگراد می تواند برسد. این نرخ فشار بالا ، سرامیک فوق العاده پلاستیکی را در قلمرو امکان سنجی تجاری قرار می دهد.

حفره ها

شکل دهی فوق پلاستیکی تنها در صورتی کار می کند که حفره ها در طول کشش مرز دانه رخ ندهند ، آن حفره ها یا محل های انتشار یا تولید جابجایی را به عنوان مکانیسم هایی برای جا به جایی مرز کشویی ترک می کنند. تنشهای کاربردی در هنگام شکل گیری فوق العاده پلاستیکی سرامیکی متوسط ​​، معمولاً 20-20 MPa ، معمولاً به اندازه کافی زیاد برای تولید جابجایی در بلورهای منفرد نیستند ، بنابراین باید از اسکان جابجایی استفاده شود. برخی از ویژگی های غیر معمول و منحصر به فرد این سرامیک های فوق پلاستیکی سه فاز فاش خواهد شد ، با این حال ، این نشان می دهد که سرامیک های فوق پلاستیکی ممکن است تفاوت های بیشتری با فلزات نسبت به گذشته داشته باشند.

پلی کریستال زیرکونیا تتراگونال تثبیت شده با ایتریا

اکسید اتریم به عنوان تثبیت کننده استفاده می شود. این ماده از نظر ساختاری عمدتا چهار ضلعی است. Y-TZP دارای بالاترین مقاومت خمشی در تمام مواد بر پایه زیرکونیا است. اندازه دانه خوب Y-TZP باعث می شود در وسایل برش استفاده شود که به دلیل مقاومت در برابر سایش زیاد ، لبه بسیار تیز حاصل می شود و حفظ می شود. در نظر گرفته می شود که اولین سرامیک پلی کریستالی حقیقی واقعی با 3-mol٪ Y-TZP (3Y-TZP) فوق العاده باشد که اکنون به عنوان سیستم سرامیکی مدل در نظر گرفته می شود. اندازه درجه ریز منجر به یک سرامیک بسیار متراکم و غیر متخلخل با مقاومت مکانیکی عالی ، مقاومت در برابر خوردگی ، چقرمگی ضربه ، مقاومت در برابر شوک حرارتی و هدایت حرارتی بسیار کم می شود. با توجه به ویژگی های آن از Y-TZP در قطعات سایش ، ابزار برش و روکش های مانع حرارتی استفاده می شود.

اندازه دانه

خواص فوق پلاستیکی 3Y-TZP تا حد زیادی تحت تأثیر اندازه دانه قرار دارد، طول کشش تا شکست کاهش می یابد و با افزایش اندازه دانه مقاومت به جریان افزایش می یابد.

آلومینا (Al2O3)

آلومینا احتمالاً یکی از سرامیک های ساختاری است که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد ، اما در نتیجه رشد سریع دانه ناهمسانگرد در حین تغییر شکل درجه حرارت بالا ، جذب آلومینا دشوار است. صرف نظر از آن ، مطالعات متعددی در مورد پلاستیک پذیری در غلظت های ریز دانه Al2O3 انجام شده است. اندازه دانه در حدود 0.66 میکرومتر در یک Al2O3 با دوز 500 ppmm Y23 به دست آمد. به عنوان یک نتیجه از این اندازه دانه ریز ، Al2O3 دارای کشش پارگی 65٪ در دمای 1450 درجه سانتیگراد تحت استرس کاربردی 20 مگاپاسکال است.[12]

جستارهای وابسته

منابع
  1. S.N.Patankar, Tan Ming Jen, “Superplastic Forming of Commercial Purity Aluminium” (Scripta Materialia, Vol.38 (1) (1998) pp 145-148)
  2. J.J. Blandin, B. Hong, A. Varloteaux, M. Suvery, G.L. Esperance, Effect of the nature of grain boundary regions on cavitation of a superplastically deformed alloy, Acta mater 44
  3. B.Davis and J.Hryn,"Innovative Forming and Fabrication Technologies: New Opportunities",Final report, Argonne National Laboratory, (2007)
  4. G.Y. Li, M.J. Tan and K.M. Liew,"Three-dimensional modeling and simulation of superplastic forming", Journal of Materials Processing Technology, 150 (2004) 76–83
  5. E. Degarmo, J. Black, and R. Kohser, Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.), 2003, Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
  6. F. Jarrar, M. Liewald, P. Schmid, and A. Fortanier, Superplastic Forming of Triangular Channels with Sharp Radii, Journal of Materials Engineering and Performance, 2014, 23(4), p 1313-1320.
  7. Mishra, R.S.; Bieler, T.R.; Mukherjee, A.K. (March 1995). "Superplasticity in powder metallurgy aluminum alloys and composites". Acta Metallurgica et Materialia. 43 (3): 877–891. doi:10.1016/0956-7151(94)00323-a. ISSN 0956-7151.
  8. Horita, Z; Furukawa, M; Nemoto, M; Barnes, A.J; Langdon, T.G (September 2000). "Superplastic forming at high strain rates after severe plastic deformation". Acta Materialia. 48 (14): 3633–3640. doi:10.1016/s1359-6454(00)00182-8. ISSN 1359-6454.
  9. Ceschini, L; Morri, A; Orazi, L (2002-01). "High strain rate superplasticity in aluminium matrix composites". Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications. 216 (1): 43–48. doi:10.1177/146442070221600106. ISSN 1464-4207. Check date values in: |date= (help)
  10. Nieh, T.G.; Wadsworth, J. (November 1991). "High-strain-rate superplasticity in aluminum matrix composites". Materials Science and Engineering: A. 147 (2): 129–142. doi:10.1016/0921-5093(91)90839-f. ISSN 0921-5093.
  11. Xu, C.; Furukawa, M.; Horita, Z.; Langdon, T.G. (2003-05-16). "Achieving a Superplastic Forming Capability through Severe Plastic Deformation". Advanced Engineering Materials. 5 (5): 359–364. doi:10.1002/adem.200310075. ISSN 1438-1656.
  12. T. G. Nieh, J. Wadsworth and O. D. Sherby (1997). Superplasticity in metals and ceramics. Cambridge University Press. pp. 240–246. ISBN 978-0-521-56105-1.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.