21889

21889

پيش بيني عمر خستگي در دماي مختلف نانوكامپوزيت پايه منيزيمي توليد شده با روش نوين همزني

دكتري

طراحي كاربردي - مكانيك جامدات

1392

1398/12/21

دكتر محمد صديقي

دكتر حميدرضا جاهدمطلق

مكانيك

امروزه منيزيم و آلياژهاي آن به عنوان سبك ترين فلز سازه اي به دليل خواص مكانيكي منحصربه فرد مورد استقبال گسترده پژوهشگران و صنعتگران قرار گرفته اند. با اين حال با توجه به كاهش چشمگير خواص مكانيكي اين دسته از فلزات در دماهاي بالا تحت بارگذاري هاي يكنواخت و متناوب، تقويت آلياژهاي منيزيمي و ساخت كامپوزيت هاي پايه منيزيمي مي تواند سبب بهبود خواص ريزساختاري و رفتار مكانيكي و در نتيجه افزايش كاربردهاي آن ها در صنايع مختلف نظير صنعت حمل و نقل شود. در اين رساله رفتار خستگي نانوكامپوزيت پايه منيزيمي AZ31B/1.5 vol% Al2O3 در دماي محيط، 100 درجه سانتيگراد و 200 درجه سانتيگراد در دو رژيم كم چرخه و پرچرخه تحت بارگذاري متناوب كشش-فشار مطالعه و نتايج با نمونه هاي آلياژي تقويت نشده مقايسه شده است. به اين منظور آلياژ كارپذير AZ31B با استفاده از 1/5 ٪ حجمي نانوذرات اكسيدآلومينيوم و بهره گيري از روش نوين ريخته گري به كمك هم زني مكانيكي-الكترومغناطيسي تقويت شده و سپس تحت عمليات اكستروژن داغ قرار گرفته است. مطالعات ريزساختاري نشان دهنده كاهش ميانگين اندازه دانه بندي در زمينه منيزيمي كامپوزيت و نيز همگني دانه ها بعد از عمليات اكستروژن به دليل گسترش پديده تبلور مجدد ديناميكي است. همچنين حضور نانوذرات تقويت كننده سبب كاهش شدت بافت پايه اي در نمونه هاي كامپوزيتي گرديده است. نمونه كامپوزيتي مقادير بالاتر سختي در دماي محيط و نيز خواص كششي و فشاري تك محوره بهبود يافته اي را در راستاي اكستروژن و دماهاي مختلف نشان مي دهد. در بارگذاري خستگي پرچرخه تنش-كنترل خمشي چرخشي در دماي محيط، 100 درجه سانتيگراد و 200 درجه سانتيگراد، ذرات تقويت كننده سبب بهبود حد خستگي نسبت به نمونه آلياژي به ترتيب به ميزان 26%، 87% و 50% مي شوند. عمر خستگي نمونه هاي كامپوزيتي تحت بارگذاري كم چرخه كرنش-كنترل كشش-فشار در راستاي اكستروژن با افزايش دما و نيز كاهش دامنه كرنش به نسبت نمونه هاي آلياژي افزايش مي يابد. اگرچه در دماي محيط هر دو نمونه آلياژي و كامپوزيتي به علت غالب بودن مكانيزيم تغيير شكل لغزش نابجايي در كشش و تشكيل دوقلويي در فشار، رفتار نامتقارني به نمايش مي گذارند، با افزايش دما تا 200 درجه سانتيگراد، در نمونه ها رفتار متقارن مشاهده مي شود. بعلاوه آنكه در دماهاي بالاتر رفتار سخت شوندگي چرخه اي به نرم شوندگي تبديل مي شود و مقدار تنش ميانگين كاهش مي يابد. در رژيم پرچرخه مدل باسكوئين توانايي پيش بيني مناسب عمر خستگي در دماي مختلف براي هر دو نمونه كامپوزيتي و آلياژي را دارد. در ميان مدل هاي مختلف ارائه شده براي پيش بيني عمر خستگي در رژيم كم چرخه، مدل پايه انرژي جاهد-ورواني از نظر آماري نسبت به مدل هاي كافين-مانسون-باسكوئين و اسميت-واتسون-تاپر قابليت پيش بيني عمر در دماي مختلف و به نحو مطلوب تري را دارد. همچنين روش مورد استفاده در تحليل رگرسيون تأثير فراواني بر ضرايب مدل هاي مذكور مي گذارد، به نحوي كه با استفاده از برخي از روش ها، امكان پيش بيني كامل نتايج در دماي 200 درجه سانتيگراد وجود ندارد.

1399/02/14

Prediction of Fatigue Life of Magnesium Matrix Nanocomposite at Different Temperatures Fabricated by a Novel Stirring Method

3/11/2021 12:00:00 AM

Nowadays, magnesium and its alloys, as the lightest structural metal, have received widespread attentions from researchers and craftsmen due to their unique mechanical properties. However, considering the significant reduction in the mechanical properties of this type of metals at elevated temperatures under monotonic and cyclic loadings, reinforcing the magnesium alloys and fabrication of magnesium matrix composites can lead to improve their microstructural and mechanical properties and consequently increase their applications in different industries such as transportation. In this thesis, fatigue behavior of AZ31B/1.5 vol.% Al2O3 magnesium matrix nanocomposite is studied under cyclic tension-compression loading in high cycle and low cycle regimes at room temperature, 100 ºC, and 200 ºC, and the results are compared to those of the unreinforced AZ31B magnesium alloy samples. In this regard, the wrought AZ31B magnesium alloy is reinforced by 1.5 vol.% of nano-sized aluminum oxide particles using a novel mechanical-electromagnetic stir-casting method and then subjected to a hot extrusion process. Microstructural evaluation reveals grain refinement and more homogeneity of the grains in the magnesium matrix of the composite after the extrusion process due to the development of dynamic recrystallization phenomenon. Furthermore, the presence of the nano-sized reinforcing particles causes a decrease in the intensity of the basal texture in the composite specimens. AZ31B/1.5 vol% Al2O3 specimens offer a higher hardness at ambient temperature and improved uniaxial tensile and compressive properties along the extrusion axis at the different temperatures. In the case of the stress-controlled rotating bending loading in the high cycle regime at room temperature, 100 ºC, and 200ºC, the presence of the reinforcing particles leads to an improvement in the fatigue limit by 26%, 87%, and 50%, respectively, compared to those of the alloy specimens. The fatigue life of the composite samples increased under strain-controlled tension-compression (pull-push) loading along the extrusion axis in the low cycle regime with increasing the temperature or decreasing the strain amplitude, in comparison to those of the AZ31B extrusion. While both specimens exhibit an asymmetric behavior at room temperature due to the dominance of the dislocation slip deformation mechanism in the tension and the twinning in the compression, a symmetric behavior can be observed by increasing the temperature up to 200 ºC. Moreover, the cyclic hardening behavior changed to the cyclic softening at the higher temperatures and the mean stress decreases. In the high cycle regime, Basquin model is able to predict the fatigue life appropriately at the different temperatures for both samples. Among different presented models for prediction of fatigue life in low cycle fatigue regime, from statistical point of view, the Jahed-Varvani energy based approach exhibits the most promising ability at the different temperatures, compared to the Coffin-Manson-Basquin and Smith-Watson-Topper models. Besides, the employed regression method has a significant effect on the amount of the calculated models parameters, in a way that it is not possible to predict all the experimental results at 200ºC using some methods.

نانوكامپوزيت پايه منيزيمي , ريزساختار , خواص دما بالا , خستگي كم چرخه , خستگي پرچرخه , مدل تجربي

Magnesium matrix nanocomposite , Microstructure , High-temperature properties , Low cycle fatigue , High cycle fatigue , Experimental model