پدیده سایش به عنوان یکی از مکانیزم های مخرب در کارکرد بسیاری از سیستم های صنعتی اختلال ایجاد می کند و باعث محدود شدن عمر سازه می شود. در مواد نانوساختار به علت بالا بودن نسبت سطح به حجم و اثر زیاد پارامترهایی مثل اندازه دانه، مرز دانه، نابه جایی ها و ... سایش و خسارت ناشی از آن از اهمیت بیشتری برخوردار است. ترکیبات بین فلزی نیکل- آلومینیم (ni-al)به دلیل خواص منحصر به فرد خود، در سال های اخیر مورد توجه مهندسین و طراحان صنعتی قرارگرفته اند. از کاربرد مهم این ترکیبات می توان به استفاده از آنها برای پوشش دادن قطعات و اجزای ماشین آلات برای افزایش مقاومت سایشی، خوردگی و اکسیداسیون اشاره کرد. این پوشش ها در کنار خواص منحصر به فرد خود، در دماهای پایین ترد و شکننده هستند. در این راستا سعی بر آن بوده که با ریز کردن اندازه دانه ها تا حد نانومتری، انعطاف پذیری این آلیاژها بهبود بخشیده شود. چنانچه این پوشش ها نانوساختار باشند، می توان انتظار داشت که خواص مکانیکی آنها به طور قابل ملاحظه ای افزایش یابد که سبب بهبود کارایی، کاهش وزن و افزایش عمر قطعات می شود. در پژوهش حاضر، ابتدا پودر نانو ساختار nial با استفاده از روش آسیاب کاری مکانیکی تولید، مورد بررسی و مشخصه یابی قرار گرفت. سپس پودر نانو ساختار تولیدی بر روی زیر لایه فولادی با روش پاشش حرارتی سوخت اکسیژن با سرعت بالا پاشیده شد. در ادامه هم راستا با هدف پروژه، آزمون های نانوفروبرش و سایش بر روی پوشش حاصل صورت گرفت. با استفاده از نتایج آزمون ها می توان به میزان سختی، ضریب الاستیک، عمق سایش و ضریب اصطکاک ماده دست پیداکرد. گرچه آزمون های آزمایشگاهی به نحو مطلوبی می تواند برای بررسی پدیده سایش و تعیین مکانیزم آن بر روی پوشش نانو ساختار مورد نظر به کار رود، اما از آنجایی که ساخت قطعه کاری با هندسه اصلی و انجام آزمایش تحت بارگذاری واقعی کاری زمان بر و گران است، بین آنچه در واقعیت رخ می دهد و آنچه در آزمایشگاه بررسی می شود، اختلاف زیادی وجود دارد. به همین منظور، استفاده از روش های محاسباتی و مدل سازی برای محاسبه سایش نانوساختارها می تواند بسیار موثر باشد. در این پژوهش برای دست یابی به ابزار مدل سازی در کنار روش های آزمایشگاهی، به شبیه سازی آزمون سایش در پوشش نانوساختار تولیدی با دو روش مدل سازی گام به گام عمومی سایش و روش اجزای محدود به همراه پردازشگر سایش در نرم افزار abaqus پرداخته شده است. در روش مدل سازی عمومی سایش از فشار میانگین در هر مرحله استفاده شده است که روشی تقریبی بوده و در مورد ماده نانوساختار با ضریب سایش اندک اعتبار مناسبی دارد. شبیه سازی به همراه پردازشگر سایش به دو صورت دو بعدی و سه بعدی صورت گرفته است. این روش دقت مناسبی در شبیه سازی از خود نشان می دهد. مقایسه نتایج شبیه سازی با نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد که شبیه سازی می تواند ابزاری مناسب برای بررسی میزان عمق سایش ماده نانوساختار در اختیار ما قرار دهد.

در این پژوهش تأثیر عملیات ترمومکانیکی بر تحولات ریزساختاری، رفتار استحاله ای و خواص ابرکشسانی و حافظه داری آلیاژهای ti50ni50 و tinico مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نقایص روش های ذوب القایی در خلأ (از قبیل جذب کربن از بوته گرافیتی توسط مذاب و ایجاد رسوبات tic در ساختار) و ذوب قوسی در خلأ (از قبیل عدم تلاطم مذاب و در نتیجه ایجاد جدایش و نیاز به تکرار چندین باره عملیات ذوب)، در این پژوهش از روش ذوب القایی تحت خلأ در قایقک مسی برای ریخته گری شمش های اولیه آلیاژ ti50ni50 و آلیاژهای ti50ni50-xcox با مقادیر مختلف کسر اتمی کبالت (8 و4و2=x) استفاده شد. ویژگی این روش عدم واکنش مذاب با بوته، تلاطم مناسب مذاب و یکنواختی ترکیب شیمیایی شمش تولیدی می باشد. شمش های تولیدی بعد از مرحله همگن سازی، تحت عملیات نورد گرم، نورد سرد و آنیل قرار گرفتند. در هر مرحله تحولات فازی، ریزساختاری و خواص مکانیکی نمونه ها مورد ارزیابی قرار گرفت. با توجه به کاهش شدید دماهای استحاله در آلیاژهای سه تایی با بیش از 2% اتمی کبالت و تشکیل فاز مارتنزیت b19 در دماهای کمتر از ℃60- و ℃150- به ترتیب برای آلیاژهای حاوی 4% و 8% اتمی کبالت، لذا میزان بهینه کبالت در آلیاژ ti50ni50-xcox، 2% اتمی در نظر گرفته شد. نتایج آزمون آنالیز حرارتی dsc بر روی آلیاژ ti50ni48co2 نشان داد که این آلیاژ دارای استحاله b2→r→b19حین سردکردن می باشد و دماهای استحاله آن در مقایسه با آلیاژ ti50ni50 کمتر است. بررسی های ریزساختاری به کمک میکروسکوپ الکترونی عبوری (tem) نشان داد که در اثر نورد سرد، مخلوطی از فازهای آمورف و نانوساختار در هر دو آلیاژ ti50ni50 و ti50ni48co2 ایجاد می شود. مشخص شد که تغییرشکل پلاستیکی شدید حین نورد سرد منجر به ایجاد چگالی بالایی از نابجایی ها در ریزساختار آلیاژ شده و به دنبال انباشته شدن نابجایی ها در پشت مرزهای دوقلویی، ساختار نانوکریستال تشکیل می گردد. در ادامه با افزایش میزان کرنش اعمالی و در نتیجه زیاد شدن چگالی نابجایی ها، ساختار کریستالی ماده تخریب و فاز آمورف تشکیل می شود. با افزایش میزان نورد سرد در آلیاژهای ti50ni50 و ti50ni48co2 از 20 تا 70%، بر استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی آلیاژها افزوده و از انعطاف پذیری آن ها کاسته شد. در هر دو آلیاژ استحکام نهایی نمونه نورد سرد شده به میزان 70% کاهش ضخامت به بیش از mpa 1800 رسید. بررسی های انجام شده به کمک tem نشان داد که با انجام عملیات آنیل در دمای ℃400 بر روی نمونه های نورد سرد شده حاوی فاز آمورف، آلیاژهای نانوساختار ti50ni50 و ti50ni48co2 با اندازه دانه بین 10 تا 70 نانومتر تولید می شود. بررسی های انجام شده با استفاده از آنالیز حرارتی غیرهمدما نشان داد که مکانیزم کریستالیزاسیون فاز آمورف در نمونه های نورد سرد شده را می توان به صورت رشد فصل مشترک کنترل دانه های نانومتری هم محور در زمینه آمورف دانست که در این میان ذرات نانوکریستالی به جای مانده از مرحله نورد سرد درون فاز آمورف به صورت مکان های هسته گذاری ناهمگن عمل می نمایند. نتایج نشان داد که انجام عملیات نورد سرد-آنیل و ایجاد ساختار نانوکریستال در آلیاژ هایti50ni50 وti50ni48co2 منجر به بهبود قابل ملاحظه ای در رفتار مکانیکی آلیاژ چه از لحاظ وسیع تر شدن ناحیه مسطح تنش در نمودار تنش-کرنش و چه از لحاظ افزایش تنش لازم جهت استحاله آستنیت به مارتنزیت(δsim) می گردد. در آلیاژهایti50ni50 وti50ni48co2 نورد سرد شده به میزان 70% کاهش ضخامت و آنیل شده، مقدار δsim به ترتیب به حدود mpa 615 و mpa 730 رسید. در آزمون ابرکشسانی، با افزایش میزان کاهش ضخامت حین عملیات نورد سرد، به طور پیوسته از میزان کرنش باقیمانده در نمونه های نورد سرد-آنیل شده کاسته شد به طوری که در نمونه های نورد سرد شده به میزان 70% و آنیل شده، پس از باربرداری کرنش نسبتاً بزرگی به میزان 12% بازیابی شد. بهبود مشاهده شده در خاصیت ابرکشسانی آلیاژهایti50ni50 وti50ni48co2 ناشی از افزایش مقاومت لغزشی فاز آستنیت در اثر انجام عملیات ترمومکانیکی و ایجاد ساختار نانوکریستال می باشد. همچنین آلیاژهای ti50ni50 و ti50ni48co2 نانوساختار دارای بازده ذخیره سازی انرژی و قابلیت جذب انرژی بیشتری در مقایسه با آلیاژ ti50ni50 درشت دانه بودند. با افزایش درصد کاهش ضخامت در نمونه های نورد سرد-آنیل شده، میزان بازیابی کرنش ناشی از اثر حافظه داری نیز بهبود یافت به طوری که در نمونه های ti50ni50 با کاهش ضخامت بیش از 40% و در نمونه های ti50ni48co2 با کاهش ضخامت بیش از 30%، تمامی تغییرشکل ایجاد شده در نمونه ها پس از گرم کردن بازیابی شد. مقایسه داده های مربوط به آزمون ابرکشسانی و حافظه داری آلیاژهای ti50ni50 و ti50ni48co2 نشان دهنده تأثیر قابل توجه کبالت در بهبود خواص آلیاژ نایتینول بود، به طوری که نمونه های ti50ni48co2 دارای میزان سطح تنش استحاله و کرنش قابل بازیابی بزرگتری نسبت به نمونه های ti50ni50 بودند. این موضوع ناشی از تأثیر کبالت در افزایش استحکام آلیاژ در برابر تغییرشکل از طریق مکانیزم لغزش است.

در این پژوهش سعی گردید از روش مایکروویو سینترینگ ترکیبی برای تولید مواد نانوساختار و نانوکامپوزیت¬ها استفاده شود. بدین¬منظور ابتدا طراحی و ساخت سامانه مایکروویو سینترینگ ترکیبی انجام گردید. هم¬چنین به¬منظور بررسی رفتار کوره در میدان مایکروویوی، شبیه¬سازی فرآیند پرس گرم با سامانه گرمایشی امواج مایکروویو به¬روش المان محدود صورت گرفت. سامانه مایکروویو سینترینگ ترکیبی با حداکثر توان kw 6 در فرکانس ghz 45/2 جزء سامانه¬های توان بالا محسوب می¬شود. سامانه مزبور قادر به تولید قطعات دیسکی¬شکل به قطر mm 50 می¬باشد. در ادامه، به¬منظور سنجش عملکرد سامانه، نمونه¬های بالک آلومینیوم نانوساختار و نانوکامپوزیت زمینه آلومینیوم حاوی 4 درصد وزنی آلومینای نانومتری (3o2wt%al4-al) توسط سامانه مزبور تولید گشتند. سپس نمونه¬ها در زمینه¬های مختلف بررسی ریزساختار، رشد دانه و ارزیابی پایداری حرارتی، تعیین چگالی، میکروسختی، آزمون نانوفروبرش و رفتار سایش مشخصه¬یابی گشتند. نتایج حاصل از مشخصه¬یابی نشان می¬دهد که نمونه¬ها با رشد دانه پایین در دمای سینترینگ °c 550 دارای پایداری حرارتی خوبی هستند. هم¬چنین چگالی نمونه سینتر شده نزدیک به چگالی تئوری می¬باشد که نقش مهمی در بهبود خواص کاربردی نمونه¬ها دارد. در ضمن نمونه نانوکامپوزیتی به¬دلیل حضور ذرات تقویت¬کننده سرامیکی آلومینا دارای سختی و مدول الاستیک بالاتر و ضریب اصطکاک و نرخ سایش کمتری می¬باشد. با توجه به مشاهدات میکروسکوپ الکترونی روبشی، مکانیزم سایش غالب برای نمونه آلومینیوم نانوساختار، ورقه¬ای شدن و برای نمونه نانوکامپوزیتی، خراشان و ورقه¬ای شدن مشاهده شده است. در انتها سعی گردید بررسی مقایسه¬ای روش مایکروویو سینترینگ ترکیبی با نتایج موجود مرتبط با روش پرس گرم مرسوم در تولید نانوکامپوزیت 3o2wt%al4-al صورت گیرد. نتایج نشان می¬دهد که محصول فرآیند مایکروویو سینترینگ ترکیبی نسبت به فرآیند پرس گرم مرسوم دارای چگالی و سختی بالاتر بوده و در ضمن مقاومت به سایش بهبود یافته است.