بررسی اثر ارتعاشات آلتراسونیک بر فرایند ecap و مواد ریز ساختار حاصل از آن

طی دو دهه گذشته تلاش های بسیاری جهت ابداع و توسعه روش های تغییرشکل شدید برای تولید نمونه های فلزی بسیار ریزدانه ویا نانوساختار انجام شده است. مهمترین ویژگی فرایندهای تغییر شکل شدید، اعمال کرنش بسیار زیاد به قطعه بدون ایجاد تغییر در سطح مقطع آن می باشد. تغییر شکل شدید فلزات به روش های گوناگون اعمال می شود که در میان آنها فرایند اکستروژن زاویه ای (ecap) به دلیل قابلیت تولید قطعات حجیم و امکان تولید تجارتی و صنعتی، بیشتر از سایر روش ها مورد توجه قرار گرفته است. امروزه گستره استفاده از ارتعاشات آلتراسونیک در فرایندهای شکل دهی رو به افزایش است. علت های عمده این گسترش، قابلیت ها و ویژگی های ایجاد شده در فرایند و ماده ی در حین ارتعاشات آلتراسونیک می باشد که از آنها تحت عناوین اثرات سطحی و اثرات حجمی یاد می شود. در این پایان نامه ارتعاشات آلتراسونیک در حین فرایند ecap اعمال شده و اثرات آن بر روی خواص مکانیکی نمونه، اندازه ی دانه تولید شده، یکنواختی ساختار ایجاد شده و هم چنین نیروی مورد نیاز فرایند مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور یک سیستم شامل قالب ecap با زاویه قالب 120 درجه، تمرکزدهنده ی ارتعاشات آلتراسونیک با فرکانس تشدید khz20، روبند و دیگر تجهیزات لازم برای سوار کردن مجموعه بر روی پرس طراحی و ساخته شد. در دو حالت همراه با ارتعاشات آلتراسونیک و بدون حضور ارتعاشات آلتراسونیک، نمونه های آلومینیومی (آلومینیوم خالص 98/99) از قالب عبور داده شده و سپس در مقطع میانی نمونه پارامترهای ذکر شده مورد بررسی قرار گرفتند. مشخص شد که ارتعاشات آلتراسونیک باعث کاهش بیشتر اندازه دانه شده و به عبارت دیگر اعمال ارتعاشات آلتراسونیک راندمان فرایند ecap را افزایش می دهد. خواص مکانیکی نمونه از قبیل استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی بعد از حضور ارتعاشات آلتراسونیک نسبت به شرایط عادی افزایش پیدا کردند. با بررسی میکروسختی در سطح نمونه مشخص شد که یکنواختی اندازه دانه با حضور ارتعاشات آلتراسونیک بیشتر می شود. نشان داده شد که ارتعاشات آلتراسونیک نیروی مورد نیاز فرایند را کاهش داده و میزان کاهش در دامنه های ارتعاشی بالاتر، بیشتر خواهد بود. مسیر جدیدی برای فرایند ecap در طی عبورهای متوالی از قالب معرفی و سپس اثر این مسیر پیشنهادی در شرایط بدون حضور ارتعاشات آلتراسونیک و با حضور ارتعاشات مورد بررسی قرار گرفت. استفاده از مسیر پیشنهادی یکنواختی ساختار را در مقایسه با مسیرهای سنتی بهبود بخشید. مدل های المان محدود مطابق با شرایط عملی ذکر شده آماده و نتایج شبیه سازی با نتایج عملی موجود مورد مقایسه قرار گرفتند. به منظور اعمال ارتعاشات آلتراسونیک در شبیه سازی های المان محدود، تکنیک جدیدی تحت عنوان تکنیک سنبه الاستیک معرفی شد. استفاده از مدل معرفی شده کمک می کند تا شرایط شبیه سازی با شرایط واقعی بسیار به یکدیگر نزدیک باشند. کلیه شبیه سازی های انجام شده بر پایه مدل معرفی شده دارای انطباق بسیار خوبی با نتایج تجربی بودند. به منظور بررسی اثر ارتعاشات آلتراسونیک بر تنش شارش ماده، مجموعه ای طراحی و ساخته شد که با سوار کردن آن بر روی دستگاه تست کشش این قابلیت فراهم شد تا بتوان ارتعاشات آلتراسونیک را در حین تست کشش اعمال کرد. در این راستا نمونه هایی با اندازه دانه متفاوت تحت آزمایش تست کشش همراه با آلتراسونیک قرار گرفتند. در کلیه نمونه ها بعد از اعمال ارتعاشات تنش شارش افت کرده و به عبارتی در ماده نرم شدگی دیده شد. مشاهده شد که هرچقدر دانه ها ریزتر باشند نرم شدگی ماده کمتر است. این نرم شدگی کمتر در مواد ریزدانه تر به چگونگی حرکت نابجایی ها درماده نسبت داده شد.