2-3- مروری بر پژوهش­های مبتنی بر عملیات حرارتی و گرمایش مجدد……………… 20
2-4- مروری بر پژوهش­های مبتنی بر کدنویسی و شبیه­سازی……………………….. 24
2-5- مروری بر پژوهش­های مبتنی بر آهنگری شمش نیمه­ جامد……………………… 27
2-6- شرح مسئله و هدف از کار پژوهشی حاضر………………………………………… 33
3-   فصل سوم – آزمایشات تجربی ………………………………………………………..36
3-1- مقدمه…………………………………………………………………………………. 37
3-2- تولید شمش نیمه جامد به روش سطح شیب­دار…………………………………. 37
3-2-1-  ماده اولیه مورد استفاده…………………………………………………………. 37
3-2-2-  اندازه­گیری دماهای خطوط مذاب و جامد……………………………………… 39
3-2-3-  تجهیزات مورد استفاده…………………………………………………………… 40
3-2-4-  روش انجام آزمایش و پارامترهای مورد بررسی………………………………… 42
3-3- آهنگری شمش نیمه جامد………………………………………………………….. 44
3-3-1-  معرفی قطعه و طراحی قالب……………………………………………………… 44
3-3-2-  شرایط دمایی حاکم و محاسبه میزان کسر جامد……………………………… 45
3-3-3-  روش انجام آهنگری و پارامترهای مورد بررسی………………………………… 47
3-3-3-1- شکل­دهی نمونه‌های سربی……………………………………………………. 48
3-3-3-2- شکل­دهی نمونه‌های آلومینیمی………………………………………………. 49
3-3-3-3- آزمون فشار و آزمون حلقه………………………………………………………. 50
3-4- چگونگی اندازه­گیری پارامترهای خروجی………………………………………….. 51
3-4-1-  مطالعه ریزساختار…………………………………………………………………. 51
3-4-2-  محاسبه اندازه متوسط دانه و میزان کرویت……………………………………… 52
3-4-3-  آزمون سختی سنجی…………………………………………………………….. 53
3-4-4-  آزمون کشش………………………………………………………………………… 53
4-   فصل چهارم – شبیه سازی اجزای محدود…………………………………………… 54
4-1- مقدمه………………………………………………………………………………….. 55
4-2- شبیه­سازی اجزای محدود تولید شمش نیمه جامد………………………………. 55
4-2-1-  معرفی نرم­افزار……………………………………………………………………… 55
4-2-2-  معرفی مدل و چگونگی مش­بندی………………………………………………… 57
4-2-3-  تنظیم پارامترهای فیزیکی و مشخصات سیال…………………………………… 58
4-2-4-  اعمال شرایط مرزی و اولیه………………………………………………………….. 59
4-3- شبیه­سازی اجزای محدود فرآیند آهنگری با شمش نیمه ­جامد……………………. 60
4-3-1-  معرفی نرم­ افزار………………………………………………………………………. 60
4-3-2-  مراحل شبیه سازی…………………………………………………………………. 60
4-3-3-  تنظیم پارامترهای فیزیکی و مشخصات قطعه و قالب……………………………. 61
4-3-4-  نحوه مش­بندی………………………………………………………………………. 62
4-3-5-  شرایط مرزی و بارگذاری…………………………………………………………….. 63
5-   فصل پنجم – نتایج و بحث………………………………………………………………. 65
5-1- مقدمه……………………………………………………………………………………66
5-2- بررسی نتایج تولید شمش نیمه­ جامد……………………………………………… 66
5-2-1-  بررسی مستقل پارامترها و مقایسه با نتایج شبیه­سازی……………………. 66
5-2-1-1- اعتبارسنجی شبیه ­سازی­ها……………………………………………………… 66
5-2-1-2- اثر خنک­کنندگی سطح شیب­دار……………………………………………………. 68
5-2-1-3- اثر دمای بارریزی…………………………………………………………………… 69
5-2-1-4- اثر زاویه سطح شیب­دار…………………………………………………………….. 74
5-2-1-5- اثر طول سطح شیب­دار…………………………………………………………….. 79
5-2-1-6- تاثیر نرخ بارریزی…………………………………………………………………… 82
5-2-2-  بررسی مشخصات ساختاری نمونه­ها با استفاده از روش طراحی فاکتوریل…. 85
5-2-2-1- بررسی پارامترهای موثر روی درصد کرویت…………………………………….. 87
5-2-2-2- بررسی کمترین قطر میانگین اندازه دانه……………………………………….. 93
5-2-2-3- بررسی میزان سختی……………………………………………………………. 97

5-2-3-  مقایسه حالت بهینه ریخته­گری در محیط خنثی و اتمسفر…………………… 102

5-2-3-1- بررسی میزان تخلخل……………………………………………………………. 102
5-2-3-2- بررسی نمونه­ها با پراش تفرق اشعه ایکس (XRD)…………………………… 106
5-2-3-3- بررسی نمونه­ها با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)…………………… 107
5-2-3-4- بررسی خواص کششی………………………………………………………….. 108
5-3- بررسی نتایج آهنگری شمش نیمه­جامد قطعه درپوش گیربکس حلزونی مدل 62…108
5-3-1-  اعتبارسنجی شبیه­ سازی­ها………………………………………………………… 108
5-3-2-  بررسی تاثیر گرمایش مجدد روی نمونه­ های ریخته­ گری……………………….. 109
5-3-3-  بررسی تاثیر اصطکاک…………………………………………………………….. 111
5-3-4-  تاثیر سرعت حرکت پرس (نرخ کرنش)……………………………………………. 114
5-3-5-  تاثیر دمای قالب و فشار پرس……………………………………………………… 116
5-3-6-  اثر دمای قطعه و مدت زمان نگهداری……………………………………………… 122
6-   فصل ششم – نتیجه گیری و پیشنهادات……………………………………………… 128
6-1- نتیجه گیری……………………………………………………………………………… 129
6-2- پیشنهادات……………………………………………………………………………. 131
چکیده:
مزایای استفاده از فرآیندهای نیمه­جامد کاهش میزان تخلخل­های گازی و انقباضی و اصلاح ریزساختار است که بهبود خواص مکانیکی قطعه را بدنبال دارد. در این تحقیق از روش سطح شیب­دار خنک­شونده به منظور تولید شمشال­های اولیه استفاده شده است. هدف اصلی این مرحله تولید شمشالی با ریزساختار مطلوب از نظر کوچکترین اندازه دانه و بالاترین فاکتور شکل بوده که این امر از طریق ایجاد شرایط بارریزی کنترل شده و یکنواخت با قابلیت کنترل اتمسفر محقق گردید. در مرحله بعد با استفاده از شمشال به دست آمده و از طریق فرآیند آهنگری با شمش نیمه­جامد، تولید قطعه درپوش گیربکس حلزونی مدل 62 بدلیل داشتن دیواره­های صاف و نازک صورت پذیرفت. هدف بخش دوم تولید قطعه­ای صنعتی نزدیک به شکل نهایی با استحکام مناسب بود. در این تحقیق تاثیر پارامترهای فرآیند سطح شیب­دار شامل دما، طول و زاویه سطح شیب­دار، دما و نرخ بارریزی به صورت جامع مورد بررسی قرار گرفت. برای اینکه بتوان اثر پارامترهای متقابل را مورد بررسی و تحلیل قرار داد از روش طراحی فاکتوریل استفاده شد. همچنین بررسی ارتباط بین پارامترهای فرآیند و عوامل موثر بر غیردندریتی شدن ریزساختار که شامل نرخ برش، مدت زمان اعمال آن و کسر جامد دوغاب می­باشند، با استفاده از شبیه­سازی اجزای محدود و از طریق نرم­افزار Flow-3D بررسی گردید. در ضمن بدلیل اینکه آلومینیم فلزی است که بخصوص در حالت مذاب قابلیت واکنش شیمیایی و حلالیت فیزیکی با اجزای هوای محیط بخصوص اکسیژن و هیدروژن را دارد که منجر به ایجاد ترکیبات اکسیدی و تخلخل در شمشال می­شود تاثیر کنترل اتمسفر توسط گاز آرگون مورد بررسی قرار گرفت. در مرحله دوم نیز بعد از تولید قطعه سالم، تاثیر عوامل موثر نظیر دمای قطعه و قالب، مدت زمان نگهداری قطعه در دمای نیمه­جامد، فشار اعمالی به قطعه و سرعت رام پرس بررسی گردید. برای داشتن تحلیل دقیق­تر و برقراری روابط حاکم در تاثیر عوامل موثر با استفاده از نرم­افزار Deform-3D، شبیه­سازی­هایی با شرایط حاکم انجام پذیرفت و با نتایج حاصل از آزمون­های آزمایشگاهی مقایسه گردید.
نتایج نشان داد که مطلوب­ترین نتیجه از نظر بالاترین درصد کرویت بیشترین مقدار سختی و کوچکترین اندازه دانه در نرخ بارریزی ml/s8، طول سطح mm400، زاویه سطح º40 و دمای بارریزی Cº625 بدست می­آید. در این شرایط درصد کرویت و اندازه دانه­ها به ترتیب حدود 77% و µm76 و مقدار سختی حدود HB80 می­شود. همچنین اثر متقابل پارامترها، تاثیر بیشتری را بر مقادیر خروجی نسبت به تاثیر هر پارامتر به صورت مجزا داشته که در این میان اثر متقابل پارامتر طول سطح شیب­دار و نرخ بارریزی به میزان حدود 40% و اثر متقابل پارامترهای دمای بارریزی، طول سطح شیب­دار و نرخ بارریزی به میزان حدود 17% دارای بیشترین تاثیر می­باشند. در ضمن با بکارگیری اتمسفر محافظ بدلیل کاهش میزان ناخالصی و تخلخل در ریزساختار، شکل­پذیری و استحکام آلیاژ به ترتیب 5/17% و 28% افزایش می­یابد. مقایسه نتایج حاصل از آزمایشات تجربی با نتایج شبیه‌سازی نیز نشان می‌دهد که برای داشتن ریزساختار مناسب، در صورتی که کسرجامد دوغاب خروجی بین 30 تا 35 درصد باشد، باید نرخ برش و انرژی تلاطم را تا حد امکان بالا برد. در ضمن شبیه­سازی انجام گرفته در بخش آهنگری نیمه­جامد و ارائه پارامترهای وابسته به نرم­افزار، به خوبی سیلان آلیاژ را در حالت نیمه­جامد تقریب زده و تطابق خوبی را با نتایج حاصل از آزمون­های آزمایشگاهی نشان می­دهد. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش دمای قالب از  °C25 به °C450، مقدار تناژ پرس 21% کاهش پیدا می­کند. همچنین دمای قالب بالاتر باعث بروز ریزساختاری درشت­تر و ناهمگن در آلیاژ می­شود که این امر باعث کاهش تقریبی 13% سختی در نمونه­ها شده است. با افزایش دمای قطعه و مدت زمان نگهداری در آن دما، رشد دانه­ها به دلیل پدیده رایپنینگ اتفاق افتاد. نتایج نشان می­دهد که اندازه دانه­ها برای مدت زمان نگهداری min 5، با افزایش دما از 570 به °C600 به میزان 5% و در دمای °C570 با افزایش زمان نگهداری از 5 به min 30 به میزان 74% افزایش می­یابد.
فصل اول: اصول و کلیات
1-1- مقدمه
فرآوری نیمه جامد یک فرآیند تهیه فلزات و آلیاژها است که در چند سال اخیر توسعه سریعی داشته است. در این فرآیند آلیاژ مورد نظر ابتدا تحت شرایط کنترل شده­ای ذوب شده، سپس در دامنه انجماد آن به مذاب تنش برشی وارد می­شود. اعمال تنش برشی در منطقه دو فازی منجر به تخریب ساختار شاخه­ای(دندریتی[1]) می­شود و در نتیجه می­توان یک مخلوط مایع-جامد[2] را به قطعه­ای با ساختار غیر دندریتی تبدیل نمود [1].
به عنوان یک تعریف ساده، ریزساختار نیمه­جامد شامل فازهای جامد اولیه­ای است که دارای مورفولوژی غیردندریتی و تقریباً کروی بوده و توسط زمینه یوتکتیکی احاطه شده است [2]. از ویژگی­های مهم فرآیندهای شكل‌دهی فلزات در حالت نیمه­جامد می‌توان به تخلخل كمتر و همچنین قابلیت تولید قطعات با اشکال پیچیده اشاره کرد. همانطور که در شکل ‏1‑1 نشان داده شده­است، این فرآیند از دیدگاه محدوده دمای کاری در حد میانی دو فرآیند ریخته­گری و آهنگری قرار دارد. به بیان دیگر، دمای کاری در این فرآیند پایین­تر از ریخته­گری و بالاتر از آهنگری است.
از معایب عمده ریخته‌گری می­توان به موارد زیر اشاره کرد[3]:
1- وجود حفره­های گازی بدلیل حلالیت بالای گاز در مذاب با دمای بالا

2- ایجاد حفره­های انقباضی، یعنی تشکیل شاخه­هایی از فلز جامد در زمینه­ای از فلز مذاب موسوم به دندریت. این شاخه­ ها باعث بالا رفتن گرانروی مذاب شده و مانع تغذیه و پر شدن حفره­ ها می­شود.

این مطلب را هم بخوانید :

هر دو عامل فوق باعث پایین آمدن كیفیت قطعه تولیدی می­شود.
آهنگری هم دارای محدودیت­هایی به شرح زیر است [3]:
1-عدم توانایی تولید قطعات پیچیده
2-روی­هم افتادگی[1] دیواره قطعات
3-نیاز به پرسهایی با تناژ بالا و در نتیجه افزایش هزینه تولید
فرآیندهای شکل­دهی در حالت نیمه­جامد در واقع به منظور برطرف­کردن محدودیت­های دو روش اشاره شده می­باشد. تولید قطعات با این فرآیند بخاطر خواص مفیدی که از خود نشان داده­اند از حدود 30 سال پیش مورد توجه قرار گرفته است [4].
1-1-1- روشهای تولید مخلوط مذاب و جامد
ماده اولیه ورودی فرآیند و روش تهیه آن و نیز چگونگی شکل­دهی این مواد، مهمترین مشخصه­های کلیدی به منظور شناخت روش­های نیمه­جامد هستند. در این فرآیندها، مخلوطی متشکل از ذرات جامد غیردندریتی پخش شده در فاز مذاب فلزی به عنوان ماده شروع کننده فرآیند مورد استفاده قرار می­گیرد.
به طور کلی روش­های تولید دوغاب نیمه­جامد به دو دسته تلاطمی و غیر تلاطمی (حرارتی) تقسیم­بندی می­شوند. روش­های هم­زدن مکانیکی[1]، هم­زدن مغناطیسی[2]، سطح شیب­دار[3]، عملیات فراصوتی[4]، غلتک سرد کننده و گلوله­های نسوز را می­توان از انواع روش­های تلاطمی برشمرد. روش­های اسپری کردن[5]، رئوکست نیمه­جامد[6] و رئوکست جدید[7] از انواع روش­های غیرتلاطمی می­باشند.
با توجه به اینکه در پایان نامه حاضر از روش سطح شیب­دار خنک­کننده استفاده شده است، از این رو، توضیح جامع­تری از این روش در ادامه خواهد آمد. به کارگیری سطح شیب‌دار خنك­كننده یكی از ساده‌ترین و در عین حال جالب­ترین روش‌های ابداعی برای تولید مخلوط مذاب-جامد و در نهایت تولید ریزساختار کروی است. توضیح در مورد این روش به این دلیل كه دقیقاً مفهوم سرعت تغییر شكل زاویه‌ای (نرخ برش) و نیز مفهوم قانون لزجت نیوتن را در خود جای داده است، لازم و جالب توجه است. این روش یکی از روش­های جدید تولید قطعات از طریق فرآیند نیمه جامد بوده و به منظور تولید شمش­های تیکسوکست شده و قطعات رئوکست شده کاربرد دارد [4].
شکل ‏1‑2 تصویر طرح­وار این روش را نشان می­دهد. ریخته­گری سطح شیب‌دار شامل ذوب کردن آلیاژ در یك كوره مناسب نظیر کوره القایی و سپس سرد کردن آهسته آن تا دمای معین، کمی بالای خط مذاب آلیاژ، است. به منظور تامین کسر جامد مشخص در انتهای سطح شیب­دار، دمای بارریزی تعیین می­شود. مذاب با حداقل دمای فوق گداز روی سطح شیب­داری که معمولاً از جنس همان فلز مذاب است، ریخته می­شود. سطح شیب­دار معمولاً نسبت به خط افق زاویه­ای بین 30 تا º60 دارد. گاهی اوقات سطح شیب­دار بوسیله گردش آب در قسمت زیرین آن، خنك می‌شود. توجه به این مورد ضروری است كه جریان بارریزی باید آرام باشد تا موجب لغزش لایه­های آلیاژی روی یکدیگر شود. مذابی كه به انتهای سطح شیب‌دار می‌رسد به شکل مخلوطی از مذاب و جامد با ساختار غیردندریتی می‌باشد [5].
در روش سطح شیب­دار خنك­كننده، تنش برشی بر اثر شیب سطح و نیروی وزن سیال تامین می‌شود. با تداوم اعمال تنش برشی، شاخه‌های بوجود آمده در مذاب نیمه­جامد شكسته می­شود و به تدریج كروی شكل می‌گردد. زاویه و طول سطح شیب­دار، دمای بارریزی، نرخ بارریزی، جنس و دمای قالب، ارتفاع نازل تا سطح و میزان زبری سطح از عوامل مهم در روش سطح شیب­دار می­باشند. با افزایش زاویه سطح خنک­کننده، میزان نرخ برش و در نتیجه تلاطم ایجاد شده در مخلوط نیمه­جامد افزایش می­یابد. در مقابل، هر چه زاویه کمتر باشد مدت زمان سیلان ماده نیمه­جامد بر روی سطح بیشتر می­شود و در نتیجه احتمال دستیابی به ساختاری با درصد کرویت بالاتر و توزیع یکنواخت­تر، بیشتر خواهد بود. بعلاوه، طول سطح شیب­دار بر مدت زمان اعمال برش تاثیر گذار است. در نتیجه، برای تعیین شرایط بهینه سطح شیب­دار از نظر میزان و مدت زمان اعمال برش، باید تاثیر متقابل زاویه و طول سطح شیب­دار در نظر گرفته شود. دمای بارریزی نیز دارای یک حد بهینه است که با توجه به طول سطح شیب­دار و نیز قدرت خنک­کنندگی سطح تغییر می­کند [6].
2-1-1- فرآیندهای تولید قطعه از مخلوط مذاب و جامد
فرآیند تولید نیمه­جامد از مجموع دو فرآیند ریخته­گری و شکل­دادن تشکیل شده است. در مرحله ریخته­گری، آلیاژ مذاب با دامنه انجماد وسیع یا نسبتاً وسیع آماده می­شود و طی سرد شدن درمحدوده دو فازی جامد-