توسعه فرآیند تنش زدایی اولتراسونیک و تحلیل آن

چکیده وجود تنش های پسماند در قطعات و محصولات تولیدی منجر به افت کیفیت و کاهش عمر مفید آن ها می شود و می تواند در دراز مدت و یا در زمان اندک به شکست قطعات منجر شود. از آنجا که تشکیل تنش های پسماند در فرآیندهای تولیدی امری اجتناب ناپذیر است، بنابراین یکی از راه حل های لازم برای کاهش اثرات منفی این تنش ها، استفاده از روش های کاهش تنش پسماند است. روش حرارتی یکی از روش های عمده برای کاهش تنش پسماند است که در موارد زیادی کاربرد داشته و دارای مزایایی است. روش ارتعاشی (اعمال ارتعاشات فرکانس پایین) نیز یکی دیگر از روش های کاهش مقدار تنش پسماند است که در مورد قطعات و سازه های حجیم، بیشتر استفاده می شود. هر دو روش فوق دارای معایبی هستند که نمی توان از آن ها برای تنش گیری سازه های خیلی بزرگ استفاده کرد. در این رساله روش تنش گیری "جدیدی" مبتنی بر استفاده از امواج اولتراسونیک (ارتعاشاتی با فرکانس بالا و دامنه کم) ارایه شده است. از این روش می توان برای تنش گیری قطعاتی با اندازه کوچک و یا ورق های نازک نیز استفاده کرد. در این تحقیق برای اعمال تنش به نمونه های آزمون فرآیند ساچمه زنی انتخاب گردید و این فرآیند با استفاده از استاندارد آزمون المن بر روی نمونه ها انجام شد و پس از ایجاد تنش پسماند در نمونه ها، با استفاده از آزمون های تجربی، روشی موثر برای اعمال ارتعاشات به نمونه ها و تنش گیری اولتراسونیک آن ها یافت شد و این روش در همه آزمون ها برای تنش گیری استفاده شد. شبیه سازی اجزاء محدود در این رساله در دو مرحله انجام شد: شبیه سازی فرآیند ایجاد تنش (ساچمه زنی نمونه ها) و شبیه سازی زدودن تنش های پسماند. در شبیه سازی فرآیند ساچمه زنی، تعداد محدودی ساچمه در مدت زمان 10 ثانیه به نمونه برخورد کرده و خروجی تنش آن ها ذخیره شد و به عنوان ورودی، در تحلیل زدودن تنش ها استفاده شد. فرآیند زدودن تنش ها با تعریف کردن خواص مواد در حضور ارتعاشات اولتراسونیک، در نرم افزار آباکوس انجام شد. اثر ارتعاشات اولتراسونیک بر خواص مواد یکی از پدیده هایی است که توجیه و دلیل تنش گیری اولتراسونیک می باشد و سایر عوامل ذکر شده در رساله، ثابت در نظر گرفته شدند. برای به دست آوردن خواص مکانیکی مواد در حضور ارتعاشات اولتراسونیک، آزمون های تجربی انجام شد و پارامترهای نرم شوندگی فولاد ضد زنگ و فولاد کربنی با اعمال ارتعاشات اولتراسونیک به این نمونه ها در فرآیند آزمون کشش به دست آمد. نشان داده شد که با افزایش شدت ارتعاشات اعمالی، استحکام کششی و تسلیم فلزات به مقدار 44-28 درصد کاهش می یابد. از نتایج به دست آمده در این بخش، در شبیه سازی فرآیند زدودن تنش ها استفاده شد. پس از برنامه نویسی در محیط آباکوس و تعریف پارامترهای نرم شوندگی آکوستیکی برای فولاد ضد زنگ و فولاد کربنی ساده، هورن تنش گیری به صورت یک صفحه صلب غیر قابل تغییر شکل تعریف شد و در مدت زمان معینی ارتعاشات از طرف صفحه مذکور به نمونه المن مدل شده، وارد شد. نتایج استخراج حداکثر مقدار تنش پسماند در نمونه المن قبل و بعد از تنش گیری با هم مقایسه شد و مقدار درصد تنش گیری در شبیه سازی انجام شده محاسبه گردید. در آزمون های تجربی انجام شده، فرآیند تنش گیری اولتراسونیک بر روی دو گروه از مواد انجام گردید که عبارتند از: نمونه های فلزی ساچمه زنی شده آزمون المن و نمونه های اپتیکی. تنش گیری مواد فلز نیز برای روی فولاد کربنی ساده و فولاد ضد زنگ انجام شد و نتایج تنش گیری این دو گروه از مواد با هم مقایسه گردید. در این رساله، پارامترهای موثر در فرآیند تنش گیری اولتراسونیک معرفی و بررسی می شوند؛ این پارامترها عبارتند از: اندازه دانه ماده، دامنه ارتعاشات، زمان تنش گیری و نیروی پیش بار. بررسی تجربی اثر پارامترهای فوق نشان داد که اندازه دانه ها در بازه 90 – 9 میکرون، اثر مستقیمی بر روی مقدار درصد تنش گیری دارد. همچنین افزایش دامنه ارتعاشات اعمالی در بازه 8-4 میکرون، به افزایش درصد تنش گیری منجر می شود و زمان تنش گیری نیز در بازه 8-2 دقیقه نیز اثر مشابهی از خود نشان می دهد. اما نیروی پیش بار در بازه بررسی شده کمترین اثر را نشان داد. نتایج به دست آمده نشان می دهد نمونه های با اندازه دانه 9 میکرون، به طور میانگین به مقدار حداکثر 27 درصد با پراکندگی 6± درصد تنش گیری شدند در حالی که نمونه هایی با اندازه دانه 25 میکرون به طور میانگین حداکثر تا 32 درصد تنش گیری شدند (با پراکندگی 6± درصد) و بیشترین مقدار میانگین تنش گیری در نمونه هایی با اندازه دانه 90 میکرون دیده شد که حداکثر برابر با 47 درصد (با پراکندگی 7± درصد) بود. در تفسیر نتایج فوق افزایش اندازه دانه ها به کاهش طول مرز دانه ها نسبت داده شده و نتیجه گرفته شد که شدت انرژی ارتعاشی در مرز دانه ها بالا می رود و این امر منجر به فعال سازی بیشتر نابجایی ها در مرز دانه ها می شود و تنش گیری بیشتری رخ می دهد. برای مقایسه مقدار درصد تنش گیری اولتراسونیک با تنش گیری حرارتی، سه نمونه از هر کدام از گروه های آزمون، عملیات حرارتی شدند. بر اساس نتایج به دست آمده، می توان گفت مقدار میانگین تنش گیری حرارتی حداکثر برابر با 40 درصد است و این مقدار بیشتر از میانگین تنش گیری اولتراسونیک (حداکثر 26 درصد) است اما در مواردی با انتخاب بهینه پارامترهای موثر درصد تنش گیری اولتراسونیک از مقدار 26 درصد بیشتر می شود. با بررسی تئوری مسئله مشخص شد که اندازه دانه ها تأثیر مستقیم در اثر ارتعاشات اولتراسونیک بر خواص مواد دارد و با افزایش اندازه دانه ها مقدار بیشتری از تنش های پسماند کاسته می شود و همچنین نتیجه گرفته شد که دامنه ارتعاشات و زمان تنش گیری، پارامترهایی هستند که با افزایش آن ها، مقدار تنش گیری افزایش می یابد.