شماره ركورد
34127
پديد آورنده
سينا قائمي خياوي
عنوان
بررسي عددي و تجربي خواص استحكامي و جذب انرژي ساختار مشبك فوق سبك آلياژ AlSi10Mg
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي مواد و متالورژي
سال تحصيل
1396
تاريخ دفاع
1404/7/30
استاد راهنما
دكتر مهدي ديواندري، دكتر باقر محمد صادقي
استاد مشاور
-
دانشكده
مهندسي مواد و متالورژي
چكيده
در اين پژوهش، قطعات پيچيده مشبك از آلياژ AlSi10Mg (A360) با توپولوژيهاي FBCC، FBCCz، FBCCxyz و OT از طريق روش ريختهگري دقيق ساخته شدند. هدف اصلي اين مطالعه، بررسي خواص استحكامي، جذب انرژي و همچنين نحوه شكست ماكروسكوپيك اين ساختارها تحت بارگذاري فشاري شبه استاتيك و تأثير توپولوژي بر اين ويژگيها بود. بهمنظور تحليل دقيقتر، شبيهسازي عددي اين ساختارها نيز با استفاده از روش المان محدود انجام شد. علاوه بر اين، تأثير پارامترهاي هندسي شامل قطر بازو و تعداد سلولهاي واحد، همچنين عمليات حرارتي T6 بر خواص مكانيكي ساختار مشبك با توپولوژي FBCCz توليد شده به روش ريختهگري دقيق مورد بررسي قرار گرفت. در بخش ديگري از پژوهش، خواص استحكامي و جذب انرژي اين ساختار مشبك BCCz از جنس AlSi10Mg كه به دو روش ساخت افزايشي (SLM) و ريختهگري دقيق توليد شده بودند، مورد مطالعه قرار گرفت تا اثر روش ساخت بر ويژگيهاي مكانيكي آنها تحليل گردد. بررسي خواص مكانيكي فشاري نشان داد كه توپولوژيهاي FBCCxyz و OT بهطور قابل توجهي مستحكم و همسانگردتر هستند، بهطوريكه استحكام نهايي مطلق بهترتيب برابر 92/4 و (MPa) 16/5 و استحكام نهايي ويژه برابر 84/11 و (MPa/(kg/m³)) 57/14 را نشان ميدهند. همچنين، مقدار جذب انرژي حجمي در كرنش 50% اين ساختارها به ترتيب 77/0 و (MJ/m³) 72/0 و مقدار انرژي جذب شده ويژه آنها به ترتيب 86/1 و(kJ/kg) 40/2 بود. همچنين نتايج نشان داد كه افزايش قطر بازو و تعداد سلولهاي واحد منجر به افزايش قابلتوجه استحكام نهايي مطلق و ويژه و انرژي جذب شده حجمي مطلق و ويژه ميشود. همچنين، اعمال عمليات حرارتي T6 بر روي نمونه ريختهگري شده FBCCz، منجر به بهبود چشمگير خواص مكانيكي فشاري شد، به طوري كه استحكام نهايي مطلق و ويژه حدود دو برابر افزايش يافتند. همچنين مقايسه خواص مكانيكي ساختار مشبك BCCz توليد شده به روش ريختهگري دقيق و SLM نشان داد كه نمونه SLM اگرچه خواص مكانيكي بهتري دارد، اما از نظر كيفيت ابعادي و زبري سطحي در سطح پايينتري نسبت به روش ريختهگري قرار دارد. همچنين، اعمال عمليات حرارتي آزادسازي تنش (SR) بر نمونه SLM سبب كاهش استحكام نهايي و افزايش جذب انرژي ساختار مشبك BCCz شد. نتايج بررسيهاي ريزساختاري نشان داد كه در آلياژ A360، فازهاي سوزني شكل Si و بينفلزي α-AlFeSiMn در حالت ريختگي وجود دارند كه پس از عمليات حرارتي T6 فازهاي سوزني شكل تا حدي به شكل شبهكروي تبديل ميشوند. ريزساختار AlSi10Mg توليد شده به روش SLM نيز شامل فازهاي αAl و يوتكتيك (αAl+βSi) است و به صورت بسيار ريزدانه نمايان ميشود. مطالعه مكانيزم شكست نشان داد كه در نمونههاي ريختگي، با يا بدون عمليات T6، شكست بهصورت ترد رخ ميدهد. اما در نمونههاي SLM، عمليات حرارتي SR، ماهيت شكست را از ترد به حالت نرمتر تغيير داد. از نظر ماكروسكوپي نيز، اعمال عمليات حرارتي مناسب، مكانيزم شكست ساختارهاي مشبك را از فروپاشي ناگهاني در اثر تشكيل نوار برشي به شكست تدريجي و لايهاي در اثر شكست رديف سلول واحدها تبديل كرد. در نهايت، مقايسه دادههاي تجربي با شبيهسازي المان محدود، شباهت رفتاري را تأييد كرد؛ اما به دليل وجود عيوب ريختهگري در نمونههاي واقعي كه در مدلسازي در نظر گرفته نشده بود، اختلافهاي مقداري بين نتايج مشاهده شد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/09/16
عنوان به انگليسي
Numerical and experimental investigation of strength properties and energy absorption of AlSi10Mg lightweight lattice structures
تاريخ بهره برداري
10/22/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
سينا قايمي خياوي
چكيده به لاتين
In this research, complex lattice structures made from the AlSi10Mg (A360) alloy with FBCC, FBCCz, FBCCxyz, and OT topologies were manufactured through precision casting. The main objective of this study was to investigate the mechanical properties, energy absorption, and the macroscopic failure behavior of these structures under quasi-static compressive loading, as well as the impact of topology on these properties. For a more detailed analysis, numerical simulations of these structures were also conducted using the finite element method. Additionally, the effects of geometric parameters, including strut diameter and the number of unit cells, as well as T6 heat treatment on the mechanical properties of the FBCCz lattice structure produced by precision casting, were examined. In another part of the study, the mechanical properties and energy absorption of the BCCz lattice structure made from AlSi10Mg, produced by both SLM and precision casting, were analyzed to evaluate the effect of the fabrication method on their mechanical characteristics. The investigation of compressive mechanical properties revealed that the FBCCxyz and OT topologies were significantly stronger and more isotropic, with absolute ultimate strengths of 4.92 MPa and 5.16 MPa, and specific ultimate strengths of 11.84 MPa/(kg/m³) and 14.57 MPa/(kg/m³), respectively. Furthermore, the volumetric energy absorption values at 50% strain for these structures were 0.77 MJ/m³ and 0.72 MJ/m³, with their specific absorbed energies being 1.86 kJ/kg and 2.40 kJ/kg, respectively. The results also indicated that increasing the strut diameter and the number of unit cells led to a significant increase in both absolute and specific ultimate strength and volumetric energy absorption. Additionally, applying T6 heat treatment to the cast FBCCz sample resulted in a remarkable improvement in compressive mechanical properties, doubling the absolute and specific ultimate strengths. A comparison of the mechanical properties of the BCCz lattice structure produced by precision casting and SLM revealed that while the SLM sample exhibited better mechanical properties, it was lower in dimensional quality and surface roughness compared to the casting method. Furthermore, applying stress relief (SR) heat treatment on the SLM sample resulted in decreased ultimate strength and increased energy absorption of the BCCz lattice structure. Microstructural investigations showed that in the A360 alloy, needle-like Si and intermetallic α-AlFeSiMn phases were present in the as-cast state, which partially transformed to a quasi-spherical shape after T6 heat treatment. The microstructure of AlSi10Mg produced by SLM also included αAl and eutectic (αAl + βSi) phases, appearing very fine-grained. The failure mechanism study indicated that in cast samples, regardless of T6 treatment, failure occurred in a brittle manner. However, in SLM samples, SR heat treatment changed the failure nature from brittle to a softer mode. Macroscopically, appropriate heat treatment transformed the failure mechanism of the lattice structures from sudden collapse due to shear band formation to gradual and layered failure due to the failure of unit cell rows. Finally, a comparison of experimental data with finite element simulation confirmed behavioral similarities; however, discrepancies in values were observed due to casting defects in the actual samples that were not considered in the modeling.
كليدواژه هاي فارسي
ساختار مشبك , آلياژ AlSi10Mg , ريختهگري دقيق , ذوب گزينشي ليزري (SLM) , خواص استحكامي فشاري , جذب انرژي , روش المان محدود
كليدواژه هاي لاتين
Lattice structure , AlSi10Mg alloy , Precision casting , selective Laser Melting (SLM) , Compressive strength , Energy absorption , Finite element method
Author
Sina Ghaemi Khiavi
SuperVisor
Mehdi Divandari, Bagher Mohammad Sadeghi