تأثیر فرآیند تغییر شکل پلاستیک شدید بر روی خواص مکانیکی فولاد 1.7225

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

بهروز مهدیخانی ¹ , مهرداد جوادی ²

1 - گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی ، تهران، ایران
2 - North Iranshahr st

تاریخ دریافت : 1398/12/16 تاریخ پذیرش : 1399/10/22 تاریخ انتشار : 1399/09/01

کلید واژه: خواص مکانیکی, تغییر شکل پلاستیک شدید, فولاد 1.7225, خواص ارتعاشی,

چکیده مقاله :

فولاد 1.7225 یکی از فولاد هایی است که در فرایند ماشینکاری کاربرد زیادی دارد. یکی از استفاده های ان نگهدارنده تیغچه برش در تراشکاری است. خواص مکانیکی و ارتعاشی آن تاثیر زیادی بر کیفیت سطح قطعه کار دارد. از این رو بهبود خواص مکانیکی آن باید مورد توجه قرار گیرد. در پژوهش حاضر فولاد 1.7225، با استفاده از فورج چند جهته تحت تغییر شکل پلاستیک شدید (SPD) قرار گرفت و خواص مکانیکی از قبیل استحکام نهایی ، استحکام تسلیم ، سختی و مشخصه ارتعاشی مورد بررسی قرار گرفت. استفاده از تغییر شکل شدید پلاستیک باعث ریز شده دانه بندی شده و هدف از آن بهبود خواص مکانیکی و ارتعاشی این فولاد است. فولاد 1.7225 در ماشینکاری بعنوان نگهدارنده ابزار برش استفاده میشود. در ابتدا با استفاده از روش المان محدود نیروی لازم برای پاس اول، جابه‌جایی و کرنش المان‌ها بعد از پاس اول و تاثیر نیروها بر قالب (برای انتخاب جنس قالب) مورد بررسی قرار گرفتند. با اعمال تغییر شکل پلاستیک شدید روی فولاد مورد نظر و بررسی خواص مکانیکی و ارتعاشی قطعه مشخص شد استحکام تسلیم و نهایی و سختی به ترتیب MPa441 ، MPa540 و HRC18 افزایش پیدا کرده‌‌اند، اما فرآیند SPD نتوانسته بر خواص ارتعاشی مانند میرایی تاثیر چندانی داشته باشد.

چکیده انگلیسی:

In this paper, 1.7225 steel subjected to severe plastic deformation by using a multi-directional forging method, and mechanical properties such as ultimate tensile strength, yield strength, hardness and, vibration properties were investigated. The use of SPD ( severe plastic deformation ) for changing the size of metals grain to enhance the mechanical properties of the metals were examined. The 1.7225 steel is used for machine tools with appropriate mechanical properties as a tool holder. First Evaluation of load needed for plastic deformation was conducted by using finite elements computer software. By using the results of the software first guess for applied load and stresses on the die for successful results were known. The results of this study showed that the yield and ultimate tensile strength increased 441Mpa and 540Mpa and hardness increased 18HRC. After 2 passes of severe plastic deformation, mechanical vibrations characteristics result no significance change in damping properties.

منابع و مأخذ:

 [1] A. Rosochowski, Severe plastic deformation technology, Whittles Publishing, 2017.

 

[2] Y. Iwahashi, Z. Horita, and M. Nemoto, T.G. Langdon, "The process of grain refinement in equal-channel angular pressing", Acta materialia, 46(9), pp.3317-3331, 1998.

 

[3] S. Ferrasse, K.T. Hartwig, R.E. Goforth, and V.M. Segal, "Microstructure and properties of copper and aluminum alloy 3003 heavily worked by equal channel angular extrusion", Metallurgical and Materials Transactions A, 28(4), pp.1047-1057, 1997.

 

[4] V.M. Segal, "Materials processing by simple shear", Materials Science and Engineering: A, 197(2), pp.157-164, 1995.

 

[5] T.,Hebesberger, H.P. Stüwe, A. Vorhauer, F. Wetscher, and R. Pippan, "Structure of Cu deformed by high pressure torsion", Acta Materialia, 53(2), pp.393-402, 2005.

 

[6] A.Vorhauer, T.Hebesberger, and R.Pippan, "Disorientations as a function of distance: a new procedure to analyze local orientation data", Acta materialia, 51(3), pp.677-686, 2003.

[7] N. Tsuji, Y. Saito, H. Utsunomiya, and S. Tanigawa, "Ultra-fine grained bulk steel produced by accumulative roll-bonding (ARB) process", Scripta materialia, 40(7), pp.795-800, 1999.

 

[8] M.T. Pérez-Prado, and O.A. Ruano, "Grain refinement of Mg–Al–Zn alloys via accumulative roll bonding", Scripta materialia, 51(11), pp.1093-1097, 2004.

 

[9] A. Belyakov, T. Sakai, and H. Miura, "Fine-grained structure formation in austenitic stainless steel under multiple deformation at 0.5 Tm", Materials Transactions, JIM, 41(4), pp.476-484, 2000.

 

[10] K.B. Nie, K. Wu, X.J. Wang, K.K. Deng, Y.W. Wu, and M.Y. Zheng, "Multidirectional forging of magnesium matrix composites: Effect on microstructures and tensile properties", Materials Science and Engineering: A, 527(27-28), pp.7364-7368, 2010.

 

[11] K.B. Nie, K. Wang, X.S. Hu, Y.W. Wu, K.K. Deng, K. Wu, and M.Y. Zheng, "Effect of multidirectional forging on microstructures and tensile properties of a particulate reinforced magnesium matrix composite", Materials Science and Engineering: A, 528(24), pp.7133-7139, 2011.

 

[12] Q. Chen, D. Shu, C. Hu, Z. Zhao, and B. Yuan, “Grain refinement in an as-cast AZ61 magnesium alloy processed by multi-axial forging under the multitemperature processing procedure", Materials Science and Engineering: A, 541, pp. 98-104, 2012.

 

[13] M.A Mostafaei, and M. Kazeminezhad, "The effect of temperature on microstructure during ultra-rapid annealing of severely deformed low-carbon steel", Journal of New Materials, 10(40), pp.1-12, 2020.

[14] X. Liu, L. Xiao, C. Wei, X. Xu, M. Luo, and W. Yan, "Effect of multi-directional forging and annealing on abrasive wear behavior in a medium carbon low alloy steel", Tribology International, 119, pp.608-613, 2018.

 

[15] Y. Nakao, and H. Miura, "Nano-grain evolution in austenitic stainless steel during multi-directional forging", Materials Science and Engineering: A, 528(3), pp.1310-1317, 2011.

 

[16] M. Hong, D. Wu, R.S. Chen, and X.H. Du, "Ductility enhancement of EW75 alloy by multi-directional forging", Journal of Magnesium and Alloys, 2(4), pp.317-32. 2014.

 

[17] V. Soleymani, and B. Eghbali , "Grain Refinement in a Low Carbon Steel Through Multidirectional Forging". Journal of Iron and Steel Research International. 19(10): 74-78 (2012).

 

[18] M. Hiromi, N. Wataru, and K. Masakazu, "Room-temperature Multi-Directional Forging of AZ80Mg Alloy to Induce Ultrafine Grained Structure and Specific Mechanical Properties",11th International Conference on Technology of Plasticity, ICTP 2014, 19-24 October 2014.

 

[19] G.A. Manjunath, S. Shivakumar, S.P. Avadhani, and P.C. Sharath, "Investigation of mechanical properties and microstructural behavior of 7050 aluminium alloy by multi directional forging technique". Materials Today: Proceedings. 27(2), pp. 1147-1151, 2020.

 

 

[20] R.W. Armstrong, 2014. "Engineering science aspects of the Hall–Petch relation". Acta Mechanica, 225(4-5), pp.1013-1028,2014.

[21] A. N. Levanov, "Improvement of metal forming processes by means of useful effects of plastic friction", Journal of Materials Processing Technology, 72(2), pp. 314–316, 1997.      

[22] S.S. Rao, and F.F. Yap, Mechanical vibrations, Prentice Hall, Singapore, 2011.

متن کامل:



 

 تأثیر فرایند تغییر شکل پلاستیک شدید بر روی خواص مکانیکی فولاد 1.7225

بهروز مهدیخانی1 ، مهرداد جوادی2*

 1- گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی ، تهران، ایران

2- دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی ، تهران، ایران

* تهران، پست الکترونیکی سازمانی نویسنده عهده دار مکاتبات [e-mail]

 

 

چکیده 

در پژوهش حاضر فولاد 1.7225، با استفاده از فورج چند جهته تحت تغییر شکل پلاستیک شدید (SPD) قرار گرفت و خواص مکانیکی از قبیل استحکام نهایی ، استحکام تسلیم ، سختی و مشخصه ارتعاشی مورد بررسی قرار گرفت. استفاده از تغییر شکل شدید پلاستیک باعث ریز شده دانه بندی شده و هدف از آن بهبود خواص مکانیکی و ارتعاشی این فولاد است. فولاد 1.7225 در ماشینکاری بعنوان نگهدارنده ابزار برش استفاده میشود. در ابتدا با استفاده از روش المان محدود نیروی لازم برای پاس اول، جابه‌جایی و کرنش المان‌ها بعد از پاس اول و تاثیر نیروها بر قالب (برای انتخاب جنس قالب) مورد بررسی قرار گرفتند. با اعمال تغییر شکل پلاستیک شدید روی فولاد مورد نظر و بررسی خواص مکانیکی و ارتعاشی قطعه مشخص شد استحکام تسلیم و نهایی و سختی به ترتیب به اندازه MPa441 ، MPa540 و  HRC18 افزایش پیدا کرده­‌اند، اما فرآیند SPD نتوانسته بر خواص ارتعاشی مانند میرایی تاثیر چندانی داشته باشد.

کلید‌واژگان

تغییر شکل پلاستیک شدید، خواص مکانیکی، فولاد 1.7225، خواص ارتعاشی

 

Effect of severe plastic deformation process on mechanical properties of 1.7225 Steel

Behrouz Mahdikhani 1, Mehrdad Javadi 1*

1- Mech. Eng. Dept., Faculty of Eng., South Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

Corresponding author: [e-mail]

Abstract 

In this paper, 1.7225 steel subjected to severe plastic deformation by using a multi-directional forging method, and mechanical properties such as ultimate tensile strength, yield strength, hardness and, vibration properties were investigated. The use of SPD ( severe plastic deformation ) for changing the size of metals grain to enhance the mechanical properties of the metals were examined. The 1.7225 steel is used for machine tools with appropriate mechanical properties as a tool holder. First Evaluation of load needed for plastic deformation was conducted by using finite elements computer software. By using the results of the software first guess for applied load and stresses on the die for successful results were known. The results of this study showed that the yield and ultimate tensile strength increased by 441Mpa and 540Mpa and hardness increased by 18HRC. After 2 passes of severe plastic deformation, mechanical vibrations characteristics result no significance change in damping properties.

 

Keywords

Severe plastic deformation, mechanical properties, 1.7225 steel, vibrational properties 

 

 

مقدمه

مواد فوق ریزدانه¹ با افزایش خواص مکانیکی و فیزیکی شناخته می­شوند. یکی از خواص این مواد افزایش استحکام تسلیم است که امکان طراحی سازه‌های سبک را فراهم می­سازد. با ریزدانه کردن مواد استحکام کششی نهایی و عمر خستگی سیکل بالا نیز افزایش پیدا می­کند. در این مواد معمولاً شکل پذیری کاهش پیدا می­کند. در حالی که برای مثال شکل پذیری آلیاژهای منیزیم در دمای اتاق افزایش پیدا می­کنند.

مواد UFG انرژی شکست خوبی در دماهای پایین دارند که آنها را برای کاربردهای مادون تبرید و فضایی مساعد می­سازد]1[.

تغییر شکل پلاستیک شدید، به مجموعه روش‌هایی گفته می‌شود که طی آن می‌توان کار مکانیکی نسبتاً زیادی را بدون اینکه فلز دچار شکست و ترک خوردگی شود، به فلز اعمال نمود. از انجام این فرآیند فلزات و آلیاژهای فوق ریز دانه یا نانوساختار بدست می‌آیند.

برای ساخت مواد ریزدانه روش­های مختلفی وجود دارد که شامل پرس کردن در کانال­های مساوی زاویه­دار² ]2-4[، پیچش در فشار بالا³ ]5،6 [، نورد اتصالی انباشتی ⁴ ]7،8[ و فورج محوری چند جهته⁵ استفاده می­شود که همگی از روش‌های تغییر شکل پلاستیک شدید⁶ هستند. در میان روش­های SPD استفاده از روش MAF امکان ساخت قطعات بزرگتر برای استفاده در صنعت را فراهم  می‌کند]9-11[.

 

---

[1]  Ultrafine grain (UFG)

[2]  Equal Channel Angular Pressing (ECAP)

[3]  High Pressure Torsion (HPT)

[4]  Accumulative Roll Bonding (ARB)

[5]  Multi-Axial Forging (MAF) or Multi-Directional Forging (MDF)

[6]  Severe plastic deformation (SPD)

 

 

جدول 1-آنالیز فولاد مورد بررسی

 

42CrMo4/1.7225	C	Mn	Si	P	S	Cr	Mo
	0.4	0.82	0.33	0.016	0.003	0.94	0.16

 

 

در این فرآیند می‌توان پس از هر پاس 90 درجه نمونه را حول محور مرکزی دوران داد تا اینکه باندهای برشی در سه بعد یکدیگر را قطع کرده و ساختار همگن تری نسبت به حالت بدون دوران به دست آید.

تاکنون تحقیقاتی در مورد فورج چند جهته انجام شده است. برای مثال تحقیقات نشان دادند آلیاژ منیزیم AZ61 بعد از فورج چند جهته در چند پاس ریز دانه می­شوند و در هر پاس سختی آنها بالا می­رود. علاوه بر آن استحکام نهایی و تسلیم و همچنین شکل پذیری در هر پاس افزایش پیدا می­کند]12[.

کاظمی نژاد و همکاران ]13[ بر روی تاثیر دمای فوق سریع بر ریزساختار فولاد کم کربن به شدت تغییر شکل یافته تحقیق کردند و متوجه شدند که به علت افزایش دمای شروع تبلور مجدد حین آنیل فوق سریع، ریزساختار کاملا تبلور مجدد یافته در محدوده‌ی زیر دمای بحرانی اتفاق نمی‌افتد.

لیو و همکاران ]14[ بر روی خواص فورج چند جهته‌ی فولادهای با کربن متوسط و با آلیاژ کم تحقیق کردند. بر اساس کار آنها بعد از ریز دانه شدن استحکام کششی و سختی افزایش پیدا کرد. درحالی که شکل پذیری کاهش پیدا کرد. همچنین این مواد مقاومت به سایش بیشتری پیدا کردند.

ناکائو و میورا ]15[ به بررسی خواص فولاد زنگ نزن آستنیتی 316 پس از انجام MDF پرداختند. عملیات MDF در دو دمای K77 و K300 انجام شد. آنها به این نتیجه رسیدند که قطعه‌ی MDF شده در دمای K77 سختی بیشتری نسبت به K300 دارد و دانه‌های نهایی آن ریزتر شده‌اند. همچنین نتیجه گرفتند بیشترین استحکام کششی نیز با فرآیند SPD در دمای K77 اتفاق می‌افتد.

هانگ و همکاران ]16[ تاثیر فورج چند جهته در دماهای °C410 الی °C500 را بر روی میکروساختار و خواص مکانیکی آلیاژ EW75 بررسی کردند. نتایج نشان داد در دمای فورج °C470 دانه‌ها تا mµ15 ریز شده‌اند و شکل پذیری پس از فورج در این دما 200% افزایش پیدا می‌کند.

سلیمانی و اقبالی]17[ به بررسی خواص فولاد کم کربن پس از انجام MDF  در دمای محیط و سپس فرآیند آنیل ، متوجه شدن که اندازه دانه از 38 میکرون به 1.2 میکرون کاهش پیدا کرد و همچنین استحکام به طور قابل ملاحظه ای افزایش پیدا کرد.

هیرومی و همکاران ]18[ با انجام فرآیند فورج چند جهته بر روی آلیاژ AZ80Mg در دمای اتاق اندازه دانه از 20 میکرون به 0.3 میکرون بدون هیچ گونه ترک کاهش دادند و استحکام را هم نیز افزایش دادند.

مانژونات و همکارانش] 19[ با انجام MDF روی آلیاژ اآلومینیوم 7050 به این نتیجه رسیدند که با ریز شدن دانه ها از 60 میکرومتر به 10 میکرومتر ،استحکام فشاری اولیه از 505 مگاپاسکال به 586 مگاپاسکال افزایش یافت همچنین سختی از140 ویکرز به 182 ویکرز رسید.

 

 

جدول 2- آنالیز فولاد مورد بررسی

قطر (mm)	مساحت (mm^2)	طول گیج (mm)
6.00	28.26	30

 

 

شکل 1- شماتیک فورج چند جهته]12[  

 

 

 

به دلیل مزایای ذکر شده از MDF، در این تحقیق تأثیر فورج چند جهته بر روی فولاد 1.7225 بررسی می‌شود. مشخصات این فولاد در جدول شماره یک ارائه گردیده است. دلیل استفاده از این فولاد فراوانی این آلیاژ و کاربرد زیاد آن در صنعت می‌باشد. برای بررسی تأثیر فورج چند جهته در این فولاد، خواص قطعه‌ی حاصل شده از لحاظ تنش تسلیم و نهایی، میزان سختی و میزان جذب ارتعاشات اندازه‌گیری می‌شود. این نکته حائز اهمیت است که ارتعاشات مکانیکی قطعاتی که در معرض بارهای دینامیکی قرار دارند، یکی از عمده دلایل کارکرد نامناسب آن‌ها است. بنابراین بررسی تاثیر روش‌های مختلف استحکام‌دهی بر روی خواص ارتعاشی قطعات ضروری است. در تحقیقات قبلی انجام شده بر روی تغییر شکل پلاستیک فولادها تغییر خواص ارتعاشی به میزان کافی بررسی نشده است لذا در این پژوهش سعی شده این خواص نیز بررسی گردد.

شبیه سازی عددی

برای بررسی رفتار ماده در قالب و به دست آوردن نیروی مورد نیاز برای SPD،  پس از شبیه سازی قطعه و انجام تحلیل های داینامیک ¹روی قطعات مش شده، شبیه سازی با نرم افزار دفورم² و اَنسیس³ انجام شد. قطعه­ی مورد استفاده در تست تجربی مکعب مستطیلی به ابعاد mm 22x22x44 است. مطابق "شکل 1" برای اینکه قطعه بعد از هر پاس فورج ابعاد مناسبی جهت انجام پاس بعدی را داشته باشد، نمونه از طرف طول بزرگتر، در معرض فشار قرار گرفته و mm 22 کاهش طول می‌دهد تا ابعاد اولیه بازیابی شود.

 

---

[1]  dynamic

[2]  Deform

[3]  Ansys

 

شکل 2 - نیروی مورد نیاز برای پاس اول.

 

 

توجه گردد که اگر در جهت Z پرس صورت گیرد، افزایش طول در جهت Y اتفاق می‌افتد و در جهت X به وسیله دیواره های قالب از افزایش ابعاد جلوگیری شده است سپس قطعه حول محور X دوران 90 درجه یافته و دوباره قطعه پرس می‌شود و به شکل اولیه باز می‌گردد بنابراین یک جهت بدون پرس و با ابعاد اولیه باقی می‌ماند. و برای اینکه جواب مسئله مستقل از تعداد مش‌ها باشد، مسئله برای چند اندازه­ی مش حل شد و تعداد مناسب مش­ها به دست آمد.

 اگر تعداد مش­ها 40000 عدد انتخاب شود، میزان نیروی محاسبه شده برای سنبه به همگرایی می­رسد. نوع المانها هرمی انتخاب شد گرفته و خواص ماده 1.7225 به نرم افزار معرفی شد. ضریب اصطکاک نیز طبق مدل لوانداروف ]21[ برابر 0.3 محاسبه شده است.

"شکل 2" نحوه­ی افزایش نیروی مورد نیاز برای پاس اول را نشان می­دهد. با توجه به اینکه در پاس بعدی فورج نیروی لازم برای تغییر شکل بیشتر می­شود، در تست تجربی برای تأمین نیروی مورد نیاز فورج از پرس ton 1000 استفاده شد.

 

 

 

 

شکل 3- جابه جایی المان ها بعد از 22 میلی‌متر کاهش ارتفاع

شکل 5- نحوه‌ی توزیع تنش برحسب MPa در قالب شبیه سازی شده

 

شکل 4-میزان کرنش المان ها بعد از mm22 کاهش ارتفاع

 

"شکل 3" میزان جابه جایی مواد در نقاط مختلف را بعد از پاس اول نشان می­دهد و "شکل 4" نحوه­ی توزیع کرنش بعد از پاس اول را نشان می­دهد.

در بررسی نمودار توزیع کرنش در "شکل 4" می توان گفت علی رغم این که جابجایی در لبه بالایی نمونه بیشینه است، به طور کلی کرنش پس از پاس دوم در مرکز قطعه بیشتر از بالای نمونه است. زیرا پس از پاس دوم کرنش همچنان در مرکز قطعه ایجاد شده ولی سطح بالایی در پاس دوم سطح جانبی خواهد شد که کرنش کمتری دارد.

قالب MDF به منظور انتخاب جنس آن در نرم افزار انسیس شبیه سازی شد. در شبیه سازی با نرم افزار انسیس از نیروهای حاصل شده در نرم افزار دفورم استفاده شد تا تأثیر آن بر روی قالب بررسی شود. بر اساس نیروهای وارد بر قالب برای جلوگیری از تغییر شکل پلاستیک، از فولاد قالب O1 که تا HRC62 سخت شده است برای ساخت سنبه و ماتریس استفاده شد. "شکل 5" نحوه­ی توزیع تنش در قالب را در اثر نیروهای حاصل از نرم افزار دفورم نشان می­دهد.

 

آزمون تجربی

ابعاد نمونه تست کشش در جدول دو نشان داده شده است. برای اینکه قطعه بعد از تغییر شکل از قالب خارج شود دیواره­های آن به اندازه­ی سه درجه زاویه پیدا کردند. قالب انجام آزمایش و شماتیک آن در "شکل 6" نشان داده شده است.

جنس استفاده شده قطعه خام، فولاد  1.7225  
می باشد که ،  روش تولید آنها فورج گرم است به گونه ای که ابتدا دمای قطعه خام تا 1000 درجه سانتی گراد بالا برده شده سپس به وسیله قالب و نیرو به شکل مورد نظر رسانده شده است. دلیل استفاده از این روش دستیابی به ساختار دانه ای یکسان می باشد. همچنین توجه گردد که قطعات اولیه مشابه با یکدیگر و سختی یکسان دارند. با تست MDF مشخص شد، نمونه بدون هیچگونه ترکی کرنش­های تغییر شکل در دو پاس در دمای محیط را تحمل می­کند و همچنین نیروی پاس اول محاسبه شده در شبیه سازی با فرآیند تجربی مطابقت دارد. شکل نمونه­ها قبل از فورج در "شکل 7" نشان داده شده است. ابعاد قطعه­ی اولیه mm 22x22x44 بود و در هر پاس ارتفاع آن از mm44 به mm22 رسیده است در نهایت بعد از دو پاس ابعاد آن بدون تغییر به mm 22x22x44 رسید. به دلیل اینکه ظرفیت پرس محدود بود، امکان انجام پرس مرحله سه به بعد وجود نداشت به همین دلیل ما به دو مرحله اکتفا شد.

 

 

شکل 6- سنبه و ماتریس قالب SPD و شماتیک آن.

                          

شکل 7 نمونه های مورد استفاده قبل از فورج چند جهته.           شکل 8  دستگاه شیکر و نمونه ی متصل به آن.                  

 

شکل 9- رفتار سختی قطعه در نمونه خام، بعد از اولین فورج و دومین فورج در چند نقطه که در امتداد یک خط قرار گرفته‌اند.

 

 

در هر دو مرحله یعنی قبل از انجام SPD و بعد از پاس دوم، نمونه­هایی برای سختی سنجی، آزمون کشش و ارتعاش تهیه شده‌اند. توجه شود که قطعات تست کشش در جهت 44 میلی متر آماده شده‌اند و سختی نیز در جهت عمود بر دیواره قالب اندازه گیری شده است. آزمون سختی براساس استاندارد ASTM E384-99  انجام شد. در هر مرحله 10 نقطه اثر از نقاط و فاز های مختلف سختی سنجی شده­اند، به طوری که سختی از کناره­ها تا مرکز قطعه سنجیده شده است. برای اندازه­گیری تنش تسلیم و نهایی، مشخصات نمونه کشش مورد نیاز بر اساس استاندارد ASTM E8_E 8M_08 انتخاب شد و تست کشش بر روی آن انجام گرفت. دو قطعه­ قبل و بعد از 2 پاس تغییر شکل پلاستیک توسط شِیکر به ارتعاش در آمدند. در "شکل 8" شیکر مورد استفاده نشان داده شده است. از شِیکر مدل PM-20 محصول شرکت DynaLabs ترکیه برای تحریک قطعه و از سنسور شتاب‌سنج KS94B10 محصول شرکت MMF آلمان برای اندازه‌گیری ارتعاش و از دستگاه DEWE-43 و نرم‌افزار DEWESoft-X3 محصول شرکت DEWESoft اسلوونی برای داده‌برداری و پردازش سیگنال‌ها استفاده شده است.

  

 

 

شکل 10- مقایسه نمودار تنش کرنش نمونه خام، مرحله اول و دوم

 

                        

                         الف                                                                         ب

شکل 11- تصویر میکروسکوپی ریزساختار سطح مقطع نمونه‌ها قبل و بعد از دو پاس با مقیاس 50 میکرومتر :

الف) قبل از انجام SPD ب) بعد از مرحله دوم SPD

 

نتایج اندازه­گیری خواص مکانیکی و فیزیکی

با بررسی سختی­های اندازه­گیری شده در نقاط مختلف مشخص می­شود، در مرکز نمونه بیشترین سختی وجود دارد. این بدان معناست که بیشترین کرنش در مرکز قطعه رخ داده است. نمودار "شکل 9" توزیع سختی را در نمونه بعد از تغییر شکل پلاستیک شدید بر اساس فاصله از لبه­ی نمونه مشخص می­کند.  

برای بررسی بیشتر تأثیر فورج چند جهته بر روی سختی، میانگین سختی در نمونه­ی خام با نمونه­ی دو بار فورج شده مقایسه شد. نتایج این مقایسه در شکل 9 آورده شده است. بر اساس نتایج شکل 9 میانگین سختی بعد از دوبار فورج HRC18 افزایش پیدا کرده است.

نتایج حاصل از آزمون کشش، استحکام تسلیم و نهایی قبل از SPD در شکل 10 شده است. بر این اساس تنش تسلیم و نهایی بعد از دو پاس به ترتیب Mpa441 و Mpa540 افزایش پیدا کرده­اند.

این افزایش استحکام با توجه به تئوری هال-پچ ]20[ که با ایجاد کرنش سختی استحکام تسلیم آن افزایش می‌یابد، قابل توجیه است. این نکته قابل ذکر است که استحکام نمونه خام بعد از فورج گرم، آزمایش شده و بدیهی است مقدار آن از مقادیر ذکر شده در استاندارها بیشتر باشد و همچنین با توجه به اینکه روش SPD باعث تغییر اندازه دانه میشود، شکل(11) بیانگر تغییرات اندازه دانه میباشد.

مقایسه­ی ضریب میرایی

زمانی که مواد جامد تحت ارتعاش قرار می­گیرند مقداری از انرژی تلف شده و بعنوان خاصیت میرایی ماده شناخته میشود. در این تحقیق به تأثیر تغییر شکل پلاستیک در دو پاس بر روی میزان میرایی پرداخته شده است.

 

 

 

شکل12- آنالیز فرکانسی و شکل مود اول قطعه (همراه با سنسور).

 

 

شکل 13- پاسخ زمانی قطعه به تحریک جاروب سینوسی.

 

 

دو قطعه­ قبل و بعد از 2 پاس تغییر شکل پلاستیک توسط شِیکر به ارتعاش در آمدند. لازم به ذکر است بین دو پاس قطعه دوباره حرارت داده نشده و هر دو پاس بلافاصله بعد از هم انجام شده اند. مراحل کار به این صورت است که ابتدا مدل‌سازی قطعه (همراه با سنسور نصب شده بر روی آن به جرم 4 گرم) در نرم‌افزار SOLIDWORKS انجام شده و فرکانس طبیعی مود اول آن توسط نرم‌افزار، برابر با Hz 3040 بدست آمده است (شکل 12). این فرکانس بدلیل خطاهای ساخت و فرضیات در نظر گرفته شده در آنالیز فرکانسی، با فرکانس طبیعی واقعی این قطعه متفاوت می‌باشد و به همین دلیل لازم است فرکانس تشدید قطعه در عمل تعیین شود. برای این منظور یک تحریک با سیگنال جاروب سینوسی¹ در محدوده 2000 تا 3500 هرتز توسط شیکر به قطعه وارد شده و خروجی ارتعاش سنسور ثبت و پدیده تشدید برای اولین بار در فرکانس 2667 Hz مشاهده شده که همان فرکانس طبیعی مود اول می‌باشد (شکل‌های 13 و 14).

پس از اینکه فرکانس طبیعی مود اول مشخص شد، دمپینگ قطعه با استفاده از نمودار کاهش لگاریتمی بدست آمد. روش کار به این صورت است که  قطعه را توسط شیکر به طور پیوسته با فرکانس طبیعی تحریک کرده و در این زمان شیکر ناگهان خاموش می‌شود. از این لحظه ارتعاش قطعه میرا می‌شود تا اینکه دامنه آن به صفر برسد. "شکل‌های 15 و 16"، پاسخ زمانی میرا شونده را به ترتیب برای نمونه‌ی قبل از SPD و نمونه‌ی بعد از SPD نشان می‌دهد.

برای محاسبه نسبت میرایی، ابتدا ضریب کاهش لگاریتمی (Logarithmic decrement) از رابطه زیر محاسبه می‌شود: ]22[

 

که در آن  و  دامنه ارتعاش در اولین و دومین سیکل میرایی است. سپس نسبت میرایی (Damping ratio) از رابطه زیر بدست می‌آید:]22[

 

 

نسبت میرایی به روش فوق برای نمونه‌ی قبل از SPD برابر با 021/0 و برای نمونه‌ی بعد از SPD برابر با 020/0 بدست آمد که می‌توان گفت عملیات SPD تاثیری در ضریب میرایی نمونه نداشته است.

 

 

 

---

[1]  sweep sine

 

 

 

شکل 14- FFT پاسخ به جاروب سینوسی در لحظه تشدید (فرکانس تشدید Hz 2667 مشاهده می‌شود).

 

 

شکل15 -پاسخ زمانی میرا شونده برای نمونه¬ی قبل از SPD

 

 

 

 

شکل 16-پاسخ زمانی میرا شونده برای نمونه¬ی بعد از SPD.

 

نتیجه گیری

این مقاله به تأثیر فورج چند جهته بر روی فولاد 1.7225 پرداخته است. بر اساس نتایج شبیه سازی بیشترین کرنش در مرکز قطعه اتفاق می­افتد در نتیجه ریز دانه شدن و به تبع آن افزایش تغییرات خواص مکانیکی در مرکز قطعه بیشتر است. لازم به ذکر است که جابجایی ماکسیمم لبه‌ها به معنی کرنش ماکسیمم در لبه‌ها نیست بلکه این تغییر شکل ماکسیمم ناشی از کرنش میانی قطعه است و لبه‌ها بدون کرنش زیادی جابجا شده اند. در واقع در میان قطعه ما یک مغز با کرنش ماکسیمم وحود دارد که باعث ماکسیمم سختی در مغز شده است. توجه گردد که فورج چند جهته باعث ناهمگونی خواص در جهات مختلف شده است که ممکن است در برخی کاربرد ها مطلوب نباشد. همچنین نیروی لازم برای فورج در هر پاس به تدریج افزایش پیدا می­کند. بر اساس نتایج سختی سنجی نیز بیشترین سختی در مرکز قطعه وجود دارد و میانگین سختی بعد از دوبار فورج HRC18 افزایش پیدا کرده است. فورج چند جهته باعث افزایش استحکام تسلیم به میزان Mpa441  و استحکام نهایی به میزان Mpa540 می­شود. میزان میرایی ارتعاشات مکانیکی نشان داد که قطعه قبل و بعد از دو پاس فورج خواص ارتعاشی یکسانی دارد.

 

 

 

فهرست علایم

 

	دامنه ارتعاش در اولین سیکل میرایی
	دامنه ارتعاش در دومین سیکل میرایی

 

 

 

 

 

 

 

 

مراجع

[1] A. Rosochowski, Severe plastic deformation technology, Whittles Publishing, 2017.

 

[2] Y. Iwahashi, Z. Horita, and M. Nemoto, T.G. Langdon, "The process of grain refinement in equal-channel angular pressing", Acta materialia, 46(9), pp.3317-3331, 1998.

 

[3] S. Ferrasse, K.T. Hartwig, R.E. Goforth, and V.M. Segal, "Microstructure and properties of copper and aluminum alloy 3003 heavily worked by equal channel angular extrusion", Metallurgical and Materials Transactions A, 28(4), pp.1047-1057, 1997.

 

[4] V.M. Segal, "Materials processing by simple shear", Materials Science and Engineering: A, 197(2), pp.157-164, 1995.

 

[5] T.,Hebesberger, H.P. Stüwe, A. Vorhauer, F. Wetscher, and R. Pippan, "Structure of Cu deformed by high pressure torsion", Acta Materialia, 53(2), pp.393-402, 2005.

 

[6] A.Vorhauer, T.Hebesberger, and R.Pippan, "Disorientations as a function of distance: a new procedure to analyze local orientation data", Acta materialia, 51(3), pp.677-686, 2003.

 

[7] N. Tsuji, Y. Saito, H. Utsunomiya, and S. Tanigawa, "Ultra-fine grained bulk steel produced by accumulative roll-bonding (ARB) process", Scripta materialia, 40(7), pp.795-800, 1999.

 

[8] M.T. Pérez-Prado, and O.A. Ruano, "Grain refinement of Mg–Al–Zn alloys via accumulative roll bonding", Scripta materialia, 51(11), pp.1093-1097, 2004.

 

[9] A. Belyakov, T. Sakai, and H. Miura, "Fine-grained structure formation in austenitic stainless steel under multiple deformation at 0.5 Tm", Materials Transactions, JIM, 41(4), pp.476-484, 2000.

 

[10] K.B. Nie, K. Wu, X.J. Wang, K.K. Deng, Y.W. Wu, and M.Y. Zheng, "Multidirectional forging of magnesium matrix composites: Effect on microstructures and tensile properties", Materials Science and Engineering: A, 527(27-28), pp.7364-7368, 2010.

 

[11] K.B. Nie, K. Wang, X.S. Hu, Y.W. Wu, K.K. Deng, K. Wu, and M.Y. Zheng, "Effect of multidirectional forging on microstructures and tensile properties of a particulate reinforced magnesium matrix composite", Materials Science and Engineering: A, 528(24), pp.7133-7139, 2011.

 

[12] Q. Chen, D. Shu, C. Hu, Z. Zhao, and B. Yuan, “Grain refinement in an as-cast AZ61 magnesium alloy processed by multi-axial forging under the multitemperature processing procedure", Materials Science and Engineering: A, 541, pp. 98-104, 2012.

 

[13] M.A Mostafaei, and M. Kazeminezhad, "The effect of temperature on microstructure during ultra-rapid annealing of severely deformed low-carbon steel", Journal of New Materials, 10(40), pp.1-12, 2020.

 

[14] X. Liu, L. Xiao, C. Wei, X. Xu, M. Luo, and W. Yan, "Effect of multi-directional forging and annealing on abrasive wear behavior in a medium carbon low alloy steel", Tribology International, 119, pp.608-613, 2018.

 

[15] Y. Nakao, and H. Miura, "Nano-grain evolution in austenitic stainless steel during multi-directional forging", Materials Science and Engineering: A, 528(3), pp.1310-1317, 2011.

 

[16] M. Hong, D. Wu, R.S. Chen, and X.H. Du, "Ductility enhancement of EW75 alloy by multi-directional forging", Journal of Magnesium and Alloys, 2(4), pp.317-32. 2014.

 

[17] V. Soleymani, and B. Eghbali , "Grain Refinement in a Low Carbon Steel Through Multidirectional Forging". Journal of Iron and Steel Research International. 19(10): 74-78 (2012).

 

[18] M. Hiromi, N. Wataru, and K. Masakazu, "Room-temperature Multi-Directional Forging of AZ80Mg Alloy to Induce Ultrafine Grained Structure and Specific Mechanical Properties",11th International Conference on Technology of Plasticity, ICTP 2014, 19-24 October 2014.

 

[19] G.A. Manjunath, S. Shivakumar, S.P. Avadhani, and P.C. Sharath, "Investigation of mechanical properties and microstructural behavior of 7050 aluminium alloy by multi directional forging technique". Materials Today: Proceedings. 27(2), pp. 1147-1151, 2020.

 

 

[20] R.W. Armstrong, 2014. "Engineering science aspects of the Hall–Petch relation". Acta Mechanica, 225(4-5), pp.1013-1028,2014.

 

[21] A. N. Levanov, "Improvement of metal forming processes by means of useful effects of plastic friction", Journal of Materials Processing Technology, 72(2), pp. 314–316, 1997.

[22] S.S. Rao, and F.F. Yap, Mechanical vibrations, Prentice Hall, Singapore, 2011.

 

1

علایم یونانی
	ضریب کاهش لگاریتمی
	نسبت میرایی

---