18027

18027

شبيه سازي تغييرات ريزساختار آلياژ قلع - آنتيموان ناشي از تغيير شكل پلاستيكي شديد و آنيل پس از آن

دكتري

مهندسي مواد

مهر ماه 1396

دكتر سيد حسين سيدين - دكتر محمدرضا ابوطالبي

دكتر عليرضا ايواني

مواد و متالوژي

چكيده در اين تحقيق، سينتيك فرايند آنيل پس از تغيير شكل پلاستيك شديد آلياژ لحيم قلع - آنتيموان با استفاده از روش كوپل المان محدود – مونت كارلو شبيه سازي شد. فرايند تغيير شكل پلاستيك شديد با استفاده از فرايند پرس در كانال با مقاطع يكسان (ECAP) انجام گرفت. در اين روش تغييرشكل، نمونه درون قالب با دو كانال هم مقطع كه با هم در يك زاويه خاص تقاطع دارند قرار گرفته ، با حفظ سطح مقطع، كرنشي قابل ملاحظه¬اي به نمونه وارد شده و ساختار ريزدانه مي‌شود‌. نمونه‌هاي تغييرشكل يافته تحت فرايند آنيل قرار گرفتند و سريعا كوئنچ شدند تا ساختار براي مطالعات ميكروسكوپي حفظ گردد‌. در ابتدا، براي تعيين رفتار تغييرشكل آلياژ ، تست فشار گرم روي نمونه¬انجام گرديد و معادلات ساختاري استخراج و نقشه فرايند آلياژ ترسيم شد. در ادامه از يك مدل تداخل فازي– عصبي بهره برده شد تا بين پارامترهاي موثر بر رفتار كارگرم و تنش سيلان مدلي مبتني بر هوش مصنوعي ارائه شود. ضرايب معادله جانسون – كوك با استفاده از مدلسازي معكوس هوش مصنوعي و با كمك الگوريتم رقابت استعماري بدست آمد و نتايج حاصل با معادلات ساختاري و مدل تداخل فاري مقايسه شد. در ادامه فرايند تغيير شكل شديد به كمك تحليل المان محدود انجام و توزيع تنش و كرنش در ناحيه مورد نظر براي شبيهسازي محاسبه شد در مرحله بعد، با ريزساختار اوليه پيش از اعمال كرنش به منظور پيش¬بيني ساختار تبلورمجدد يافته نمونه تغييرشكل يافته يك مدل مونت كارلو بهره توسعه يافت تا روند پيشرفت تبلور مجدد حين حرارتدهي پس از تغييرشكل مورد بررسي قرار گيرد و ريزساختار نهايي در دماهاي مختلف معين شود‌. به منظور اعتبارسنجي مدل مونت-كارلو نمونه آلياژ تغييرشكل¬يافته قلع-آنتيموان تحت عمليات آنيلينگ قرار گرفت و ريزساختار و ريزساختار مورد بررسي قرار گرفت كه با ريزساختار پيش¬بيني شده توسط مدل مقايسه شد و نتايج خوبي را نشان داد. با استناد به نتايج عددي و با تكيه بر روش مدلسازي مبتني بر مكانيك آماري و بر پايه قوانين كاهش سطح انرژي داخلي، روند تحولات ريزساختاري حين آنيل پس از تغييرشكل، سينتيك جوانه زني و رشد دانه‌هاي جديد و همچنين ريزساختار نهايي حاصل از تغييرشكل پيش بيني گردد‌. نتايج مستخرج از الگوريتم¬هاي نوين هوش مصنوعي شامل سيستم عصبي– فازي و رقابت استعماري براي بررسي رفتار معادلات رفتاري ماده مورد تحقيق حين كارگرم و تغييرشكل پلاستيك شديد پتانسيل خوب اين روش را در پيش¬بيني و مدل¬سازي نشان داد. در ادامه نشان داده شد كه با بهره بردن از شبيه‌سازي المان محدود مي¬توان ميدان‌هاي تنش و كرنش حين تغييرشكل را استخراج نمود و در ادام با استفاده از معادلات حالت براي محاسبه پارامترهاي حالت ريزساختاري ماده از آنها بهره برد. در پايان با كوپل نمودن خروجي¬هاي شبيه¬سازي المان محدود و الگوريتم مونت كارلو شبيه¬-سازي ريزساختار صورت گرفت كه سينتيك آنيل و اندازه دانه بعد آنيل معين شدند كه در تطابق خوبي با مطالعات تجربي بودند. واژه‌هاي كليدي: آلياژ قلع – آنتيموان، ، پرسكاري در كانال¬هاي زاويه¬دار همسان، مونت كارلو، هوش مصنوعي، المان محدود

1396/08/14

11/5/2017 12:00:00 AM

Abstract: In this research, the kinetics of post severe plastic deformation (SPD) annealing of Sn-5Sb solder alloy was modeled using an integrated finite element – Monte Carlo (MC) simulation. The induction of large staining was performed by equal channel angular pressing technique known as ECAP. During Process, samples were extruded within two intercepted channel with identical cross-sectional area and due to pure shear, a considerable plastic strain stored in the fine-grained pressed metal sample. Deformed samples were then annealed in different temperatures and just after that, quenched for retaining achieved microstructure and further microstructural examinations. By means of proposed method of the current research, it is possible to estimate the fraction of annealed sample, its related kinetics and mechanism and finally energy transfer mode during post SPD heating. Primarily, the hot deformation behavior and processing map of studied alloy by performing hot compression test and deriving constitutive equations. Then flow behavior of alloy was modeled by adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) for linking the deformation factors to flow stress of the solder. The materials constant for Johnson-Cook (J-C) plasticity material model was identified by implementing a hybrid inverse modeling technique and imperialist competitive algorithm and consequently the performance of all three constitutive, J-C and ANFIS approaches were compared with each other. Next, the finite element analysis was used to obtain the stress and strain contour of as-ECAPed samples and again an intelligent approach was utilized for establishment of different affecting parameters and desired state variables of ECAP. Consequently, by taking the initial microstructure into account, MC modeling was implemented to depict the recrystallization trend of alloy during post SPD annealing and final microstructure get simulated in any temperature. The effect of various involved parameters such as heterogeneous distribution of deformation stored energy, initial grain size and second phase presence was taken into consideration in the research work. The Sn-5Sb material was annealed in different temperatures posterior to severe deformation and after that, studied with microstructural and metallographic approach to be used as a validation and comparison with graphical output of Mc model. In the study, the approach based on statistical mechanics and minimum energy tendency rules were used to investigate the nucleation and growth mechanism and also final achieved microstructure of the alloy after heating. In this regard, the significant purpose of the work was to link a proper connection with stress- strain distribution as output of finite element method with state variable that can be further utilized as inputs of MC for microstructural evolution simulation. Keywords: Sn-Sb alloy, Hot deformation, Equal channel anglar pressing, Monte Carlo, Artificial intelligence