28402

شبيه‌سازي تغييرات ريزساختار آلياژ Zn-22Al در حين فرايند همزني- اصطكاكي

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مواد و متالورژي- مهندسي مواد

1395

1402/3/3

سيد حسين سيدين - عليرضا ايواني

حميدرضا جعفريان - مانوجيت قوش

دانشكده مهندسي مواد و متالورژي

در ميان آلياژهاي روي- آلومينيوم، آلياژ دوفازي Zn-22Al، از بهترين آلياژها براي دستيابي به تغييرشكل سوپرپلاستيك در دماي محيط و دماهاي بالاتر است. اخيراً روش‌هاي تغييرشكل پلاستيك شديد جهت افزايش خواص مكانيكي از قبيل استحكام كششي، انعطاف‌پذيري، مقاومت به سايش و ريزدانه كردن اين آلياژ بكار گرفته شده اند. فرايند همزني- اصطكاكي به عنوان يكي از فرايندهاي تغييرشكل پلاستيك شديد فلزات مطرح است. اين فرايند توانايي از بين رفتن موضعي عيوب ريخته‌گري، بازيابي و اصلاح ريزساختار را دارد. به منظور شبيه سازي تغييرات ريزساختار در حين فرايندهاي ترمومكانيكي، روش‌هايي از قبيل مدل مونت‌كارلو توسعه داده شده‌اند. هدف كلي از انجام اين پژوهش، بررسي و شبيه سازي تاثير پارامترهاي فرايند همزني- اصطكاكي روي ريزساختار آلياژ Zn-22Al با استفاده از مدل مونت كارلو است. در ابتدا به منظور تعيين رفتار دماي بالاي آلياژ جهت استفاده در شبيه سازي فرايند همزني- اصطكاكي با استفاده از نرم افزار المان محدود DEFORM-3D، آزمايش فشار داغ در نرخ كرنش و دماهاي مختلف انجام گرفت. پارامتر زنر- هولمان و معادلات بنيادي سينوس هايپربوليك كه بيان كننده رفتار آلياژ مورد مطالعه در دماي بالا هستند، استخراج شدند. همچنين پارامترهاي مربوط به بازيابي ديناميكي و تبلورمجدد ديناميكي از قبيل كرنش بحراني، ضريب كارسختي و ضريب بازيابي ديناميكي محاسبه شدند. فرايند همزني- اصطكاكي در سرعت-هاي دوراني و پيشروي مختلف انجام شد و ريزساختار آلياژ در ناحيه همزني مورد بررسي قرار گرفت. در ادامه، شبيه سازي ريزساختار در حين فرايند همزني- اصطكاكي در سرعت هاي دوراني و پيشروي مختلف با استفاده از مدل مونت كارلو مورد بررسي قرار گرفت و با نتايج تجربي مقايسه شد. همچنين بازگرمايش نمونه ها جهت بررسي رشد دانه در دماها و زمان هاي مختلف انجام گرفت. شبيه سازي فرايند رشد دانه با استفاده از مدل مونت كارلو انجام شد و با نتايج تجربي بدست آمده از بازگرمايش نمونه ها مقايسه شدند. همچنين، مدل هاي مختلف تبديل زمان مونت كارلو به زمان حقيقي مورد بررسي قرار گرفتند و مدل مناسب انتخاب شد. نتايج نشان داد كه ريزساختار آلياژ دو فازي Zn-22Al شامل دانه‌هاي هم محور از دو فاز α و η با توزيع تقريباً يكنواخت است. اصلي‌ترين مكانيزم كنترل كننده رشد دانه، نفوذ مرزدانه‌اي است. همچنين شبيه سازي مونت كارلو با استفاده از مدل ارائه شده در اين پژوهش، توانايي پيش‌بيني مناسب رشد دانه را دارد و سازگار با نتايج تجربي است. همچنين هر دو مدل مهاجرت مرزدانه و مدل بر پايه نتايج تجربي توانايي پيش‌بيني مناسب زمان شبيه سازي را دارا هستند. انرژي اكتيواسيون براي تغييرشكل در حدود 722/63 كيلوژول بر مول محاسبه شد. تنش سيلان محاسبه شده با استفاده از مدل سينتيكي كسر تبلور مجدد ديناميكي، همبستگي 99 درصد با نتايج تجربي را دارد. بدليل ايجاد نرخ كرنش بالا در سرعت هاي دوراني بالا در حين فرايند همزني- اصطكاكي، چگالي نابجايي زودتر به چگالي بحراني براي جوانه زني تبلور مجدد رسيده، بنابراين منجر به جوانه زني بيشتري شده و در نتيجه ميانگين اندازه دانه كاهش يافته است. نتايج نشان مي‌دهد كه شبيه سازي مونت كارلو با استفاده از الگوريتم ارائه شده در اين پژوهش، توانايي پيش‌بيني مناسب تغييرات ريزساختار را در حين تغييرشكل پلاستيك شديد دارد و بيشترين اختلاف با نتايج تجربي در حدود 8 درصد است.

1402/03/27

Simulation of Microstructural Evolution of Zn-22Al Alloy during Friction Stirr Processing

5/23/2024 12:00:00 AM

Among zinc-aluminum alloys, Zn-22Al two-phase alloy is one of the best alloys to achieve superplastic deformation at ambient and higher temperatures. Recently, severe plastic deformation methods have been used to increase mechanical properties such as tensile strength, elongation, wear resistance and to reduce grain size of this alloy. Friction stir processing (FSP) is considered as one of the processes of severe plastic deformation of metals. Using of this process can cause the local elimination of casting defects, recovery and modification of the microstructure. In order to simulate the microstructure evolution during thermomechanical processes, methods such as the Monte Carlo model have been developed. The general purpose of this research is to investigate and simulate the effect of FSP parameters on the microstructure of Zn-22Al alloy using the Monte Carlo model. At first, in order to determine the high temperature behavior of the alloy to be used in the simulation of FSP using DEFORM-3D finite element software, hot compression tests were performed at different strain rates and temperatures. The Zener-Holman parameter and the hyperbolic sine equations expressing the hot deformation behavior of the alloy were extracted. Parameters related to dynamic recovery and dynamic recrystallization such as critical strain, work hardening coefficient and recovery coefficient were also extracted for using in microstructure simulation. The FSP was carried out at different rotational and advancing speeds, and the microstructure of the alloy in the stirring area was investigated. In the following, the simulation of the microstructure during the FSP at different rotational and advancing speeds was investigated using the Monte Carlo model and compared with the experimental results. The samples were annealed to investigate grain growth at different temperatures and times. The simulation of the grain growth process was carried out using the Monte Carlo model and compared with the experimental results obtained from annealed samples. In order to, different models of converting Monte Carlo time to real time were examined and the appropriate model was selected. It was found that the microstructure of the two-phase Zn-22Al alloy consists of homogeneous grains of both α and η phases with uniform distribution. The main grain growth controlling mechanism in the Zn-22Al two-phase alloy is grain boundary diffusion. The results show that, Monte Carlo simulation using the model presented in this research has the ability to properly predict the grain growth and is consistent with experimental results. In addition, both the grain-boundary migration (GBM) and the experimental data-based (EDB) models have the ability to properly predict the simulation time. The deformation activation energy was calculated about 63.722 KJ/mol. The calculated flow stress is in good agreement with the experimental results using the dynamic recrystallization kinetics model. At high rotational speeds in the FSP, due to the high strain rate, the dislocation density reached the critical density for recrystallization earlier, thus leading to more nucleation. Consequently the average grain size decreased. The results show that Monte Carlo simulation using the model presented in this research has the ability to predict microstructure evolution during severe plastic deformation and are compatible with experimental results.

آلياژ روي - آلومينيوم , مونت كارلو , تبلورمجدد ديناميكي , رشد دانه , نرم افزار المان محدود

Zinc-Aluminum alloy , Monte Carlo , Dynamic recrystallization , Grain growth , finite element software

Hossein Mohammadi

Dr. Hossein Seyedein - Dr. Alireza Ivani