تحلیل المان محدود ECAP با فشار معکوس و بررسی امکان جایگزینی
آن با قالبی با سطح بالایی شیب دار

مهدي شبان غازانی1، اکبر وجد2
دانشجوي دکتري، دانشکده مواد، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران
مدرس، دانشگاه فنی و حرفهاي، آموزشکده شماره 2 تبریز، ایران
* M_Shaban@sut.ac.ir
(تاریخ دریافت: 13/06/91، تاریخ پذیرش: 16/09/91)

چکیده
پرس در کانال زاویه دار همسان یکی از مهمترین و موثرترین روشهاي اعمال تغییر شکل پلاستیک سنگین میباشد. با این حال در برخی موارد به دلیل شکل پذیري پایین بعضی مواد، نمونه در حین تغییر شکل از سطح بالایی ترك برداشته و مـی شـکند. بـه منظـورجلوگیري از شکست نمونهها از اعمال فشار معکوس استفاده میشود. در این تحقیق بـا اسـتفاده از تحلیـل المـان محـدودECAP بـههمراه اعمال فشار معکوس بررسی شده و امکان جایگزینی آن با استفاده از قالب با سطح بالایی شیب دار مورد بررسی قرار گرفـت.نتیجه نشان داد که ایجاد سطح شیب دار با طول 10 میلیمتر و زاویه 5 درجه علاوه بر اینکه نیروي پرس پـایین تـري نیـاز دارد، تـنشفشاري بالاتري را نسبت به فشار معکوس 100 مگاپاسکال درسطح بالایی نمونه ایجاد میکند. بنابراین ساخت قالب با سـطح بـالاییشیب دار جایگزین مناسبی براي اعمال فشار معکوس میباشد.

واژه هاي کلیدي:
پرس در کانال زاویه دار همسان، تحلیل المان محدود، فشار معکوس.

1- مقدمه
در سالهاي اخیر مـواد بـا دانـه بنـدي فـوق ریـز (UFG) بـه دلیـلداشتن خواص مکانیکی عالی ماننـد اسـتحکام کششـی بـالا مـوردتوجه بسیاري از محققان بوده است [1]. یکی از روشهـاي مـوثردر فراوي مواد UFG پرس در کانـال زاویـه دار همسـان (ECAP) میباشد [2]. ایـن روش توسـطSegal و همکـارانش ابـداع شـدهاست [3]. در ایـن روش نمونـه از داخـل کانـالی بـا سـطح مقطـعدایره اي یـا مربعـی شـکل بـا زاویـه ثابـت عبـور داده مـیشـود وکرنش برشی به هنگام عبور از محل تقاطع کانالها بر روي نمونـهاعمال میشود. به دلیل ثابت مانـدن سـطح مقطـع نمونـه مـیتـوانفرایند را تکرار و در نتیجه کرنش بالایی را به نمونـه اعمـال کـرد [4]. ب ا ای ن وج ود در برخ ی م وارد ب ه دلی ل ایج اد ت نشه اي کششی، تركهایی در سـطح بـالایی نمونـه ایجـاد شـده و امکـانتکرار فرایند به دلیل شکستن نمونـه وجـود نـدارد [5]. بـه منظـورجلوگیري از ایجاد ترك در نمونه معمولا از طراحـی هـاي خـاصقالب و اعمال فشار معکوس استفاده میشود [6]. شـماتیکی از دو روش فوق در شکل( 1) مشـاهده مـیشـود. در ایـن تحقیـق تـاثیر2- تحلیل المان محدود
در این تحقیق از نرم افزار ABAQUS براي تحلیل المـان محـدودفرایند استفاده شد. آلیاژ Al-%3Mg بـه عنـوان مـاده مـدل اسـتفادهشد. براي اینکه نتـایج بـه دسـت آمـده دقیـق باشـد بایـد از مـدلیاستفاده کرد که رفتار ماده در حین تغییـر شـکل را بـه دقـت بیـانکند. بنابراین از مدل جانسون-کوك استفاده شد. بـر اسـاس ایـنمدل تاثیر کرنش، نرخ کرنش و دما بر روي رفتار سـیلان مـاده بـهصورت زیر بیان میشود [7] :

(1)
در این رابطه σ تنش سیلان ،

نرخ کرنش ،T دما بر حسب کلوین ،

و Tr به ترتیب نرخ کرنش و دماي رفرنس ،Tm دماي ذوب آلیاژ و m ،n ،B ،A و C ثوابت مربوط به ماده تحت تغییر شکل میباشند. در جدول( 1) ثوابت مربوط به آلیاژ Al-%3Mg آورده شده است .
اعمال فشار معکوس و همچنـین قالـب بـا سـطح بـالایی انحنـادارمورد بررسی قرارمیگیرد.

شکل( 1): شماتیکی از: الف) قالب انحنادار و ب) فشار معکوس
جدول( 1): ضرایب جانسون-کوك مربوط به آلیاژ Al-%3Mg. [7]
A (MPa) B (MPa) n M
۸۲٫٥٤ ۱۷۷.٤٦ ۰٫۲۳٦ ۰٫٦٥
C Tm (˚C) Tr(˚C) ε0 s-۱
۰٫۰٤۲۱ ٦۲۰ ۱۳ ۳٫۳*۱۰-٤

ب ه دلی ل ماهیـت ک رنش ص فحه اي فراین د از تحلی ل دو بع دي دما-جابجایی انتخاب شد. براي نمونه از المانهـاي چهـار ضـلعیکرنش صـفحه اي بـا یـک گـره در راس هـر المـان (CPE4RT)و براي قالب از المانهاي خطی با دو گـره در ابتـدا و انتهـاي المـان(2R2D) استفاده شد. ابعاد نمونه 60 ×10 میلیمتـر در نظـر گرفتـهشد. زاویه قالب و زاویه انحناي بیرونی قالب به ترتیب 90 و صـفردرجه انتخاب شد. فرض بر این شد که 10 درصـد انـرژي وروديبه سیستم صرف انجـام کـار شـده و بقیـه بـه صـورت گرمـا هـدر م یرود. س رعت حرک ت ف که اي پ رس mm/s 10 و ض ریب اصطکاك بین نمونه و قالـب 1/0 در نظـر گرفتـه شـد. بـه منظـوربررسی نحوه تغییر شکل نمونه چهار نقطه C ،B ،A و D در مرکـزنمونه به ترتیب از سطح داخلی به طـرف سـطح بیرونـی نمونـه درنظر گرفته شد (شکل( 2)).

ر شکل( 2): شماتیک نمونه و قالب.
3- نتایج و بحث
908044738165

در شکل( 3) توزیع کرنش پلاسـتیک در فشـار معکـوس مختلـفنشان داده شده است.

توزیع کرنش در هر مورد در داخل نمونه غیر یکنواخت میباشـد.همچنین در این شکل، منطقه پر نشده گوشه قالـب بـا فلـش نشـانداده شده است. مشاهده میشود اندازه این منطقه با افـزایش فشـارمعکـوس کوچـک ت ر مـی شـود . در ش کل( 4) توزیـع ک رنش درعرض نمونه از قسمت پایینی به قسمت بـالایی نمونـه (شـکل (3)) نشان داده شده است. در 8 میلیمتـر بـالایی نمونـه توزیـع کـرنشیکنواخت بوده و با افزایش فشار معکوس تغییر چندانی نمیکنـد.ب ا ای ن ح ال در 2 میل یمت ر پ ایین نمون ه ، توزی ع ک رنش غی ریکنواخت بوده و با افزایش میزان فشار معکوس افزایش مییابد.
در شکل( 5) شدت کرنش در نقاط مختلف نمونـه (شـکل(2)) بـازمان نشان داده شد است. تغییـرات کـرنش در نقـاطC ،B ،A در فشار معکوس مختلف تقریبا یکسان می باشـد ولـی در نقطـهD بـاافزایش فشار معکوس بر میزان کـرنش اعمـالی بـه مقـدار زیـاديافزوده می شود. در فشار معکوس صفر و 20 مگاپاسـکال کـرنشاعمالی به نقطه D کمتر از نقاط C ،B ،A مـی باشـد درحالیکـه درفشار معکوس 50 و 100 مگاپاسکال، کرنش اعمـالی بـه نقطـهD بیشتر میباشد.
شکل( 3): توزیع کرنش در نمونه با فشار معکوس مختلف

شکل( 4): توزیع کرنش در عرض نمونه در فشار معکوس مختلف.

شکل( 5): تغییرات کرنش با زمان در نقاط مختلف نمونه تحت فشار معکوس متفاوت.
در شـکل( 6) تغیی رات نیـروي پ رس ب ه صـورت ت ابعی از زم ان نیروي پرس در تمامی موارد در ابتدا یک افـزایش شـدید یافتـه و(شکل الف) آورده شـده اسـت. همـانطور کـه مشـاهده مـیشـود در ادامه با کاهش جزئی به صورت تقریبا ثابت بـاقی مـیمانـد. بـا
افزایش فشار معکوس، سطح نیرو از 45 به 65 کیلو نیوتن افـزایشمییابد (شکل ب.)
در شکل( 7) تغییرات تنش متوسط سـطحی در حـین تغییـر شـکل (با اعمال فشار معکوس مختلف) نشان داده شده اسـت. پروفیـل ونح وه تغییــرات ت نش متوســط در ه ر مــورد مشـابه مــی باشــد.
12225573081012

به طوریکه در ابتدا سطح تنش فشاري افزایش یافته و سپس سـطحتنش تقریبا ثابت مـی مانـد . بـه دنبـال آن (متنـاظر بـا شـروع تغییـرشکل) سطح فشار اعمالی دوبـاره بیشـتر شـده و در نهایـت سـطحتنش کاهش مییابد. مشاهده میشود کـه در هـر مـورد، بیشـتری ن تنش متوسط در انتهاي تغییر شکل مـ یباشـد. هـمچنـین تغییـراتماکسیمم تنش متوسط به صورت تابعی از فشار معکـوس اعمـالیدر شکل( 7) آورده شـده اسـت. همـانطور کـه مشـاهده مـیشـودسطح تنش متوسط فشاري از نظر مقدار با افزایش فشـار معکـوساف زایش یافت ه و در فش ار معک وس100 مگاپاس کال ب ه بیش ترین مقدار خـود مـیرسـد. بـا افـزایش مقـدار تـنش فشـاري در سـطحبالایی نمونـه، احتمـال تـرك برداشـتن و شکسـتن نمونـه کـاهش م ییاب د. در ش کل( 8- ال ف) تغیی رات فش ار متوس ط در س طح بـالایی نمونـه بـه صـورت ت ابعی از زمـان در سـه حالـت مختل فاستفاده از قالب معمولی بدون اعمـال فشـار معکـوس، اسـتفاده ازفشار معکـوس 100 مگاپاسـکال و اسـتفاده از قالـب شـیب دار بـازاویه 5 (زاویه α در شکل( 1)) درجه به طول 10 میلـی متـر (طـولL در شکل( 1)) آورده شده است. همانطور که مشـاهده مـیشـودبیشترین تنش متوسط در دو حالت استفاده از فشـار معکـوس 100 مگاپاسکال و استفاده از قالـب بـا سـطح بـالایی مایـل بـا زاویـه 5 درجه تقریبا یکسان و برابـر بـا 115 مگاپاسـکال مـیباشـد. شـکل(8- ب) نشان میدهـد کـه نیـروي پـرس لازم بـراي انجـام تغییـرشکل به هنگام استفاده از قالب با سطح بالایی شـ یب دار، کمتـر ازنیروي پرس در فشار معکوس 100 مگاپاسکال میباشـد. بنـابراینمشاهده میشود که استفاده از قالب با سطح بالایی شـیب دار ایـنقابلیت را دارد که جایگزین ECAB با فشـار معکـوس شـود ، زیـرااولا تنش فشاري مشابه بـا حالـت اسـتفاده از فشـار معکـوس 100 مگاپاسـکال ب وده و ثانی ا نیـروي پ رس کمت ري لازم دارد و ثالث اساخت قالب با سطح بـالایی شـیب دار آسـانتر از سـاخت سیسـتماعمال فشار معکوس میباشد.
شکل( 6): تغییرات نیروي پرس با زمان در فشار معکوس مختلف (الف) و ماکزیمم نیروي پرس به صورت تابعی از فشار معکوس(ب.)

شکل (7): تغییرات تنش متوسط سطحی با زمان در حین تغییر شکل با اعمال فشار معکوس مختلف و تغییرات تنش متوسط ماکسیمم با فشار معکوس

شکل( 8): تغییرات تنش متوسط: (الف) و نیروي پرس (ب) با زمان در سه حالت مختلف.

4- نتیجه گیري
با افزایش مقدار فشار معکوس اندازه منطقه پر نشـده از فلـز درگوشه قالب کاسته میشود و مقدار کرنش اعمالی در 2 میلـی متـرپایین نمونه افزایش مییابد.
با افزایش فشار معکوس بـر مقـدار نیـروي پـرس لازم افـزودهمیشود.
با ایجاد سطح شیب دار در سطح بالایی کانال قالـب عـلاوه بـراینکه تنش فشاري بالایی بر نمونه اعمـال مـیشـود ، نیـروي پـرسکمتري براي اعمال تغییر شکل لازم میباشد.
به جاي اعمال تنش فشاري میتـوان از قالـب بـا سـطح بـالاییمایل استفاده کرد.

مراجع
J. Magta and K. Muszka, ” Mechanical Properties of ultra Fine-Grained HSLA and Ti-IF Steels و”Material Science and Engineering A, Vol 484, pp.186-191, 2007.
D. H. Shin, K. T. Park, Processed By Equal Channel Angular Pressing”“Ultrafine Grained Steels, Material Science and Engineering A, Vol 410-411, pp.299-302, 2005. [3] H. S. Kim, Behaviour of Metals During Equal Channel Multi-Angular“Finite Element Analysis Of Deformation Pressing”, Material Science and Engineering A, Vol. 328, pp.317-323, 2002.

R. Z. Valiev, T. G. Langdon, Angular Pressing as a Processing Tool“Principles of Equal-Channel for Grain Refinement “, Progress in Materials Science, Vol.51, pp.
881-981, 2006.

N. Q. Chinha, J. Gubiczaa, T. Czeppec, J. Lendvaia, Ch. Xub, R. Z. Valievd and T. G. Langdon, “Developing a Strategy for the Processing of Age-Hardenable Alloys by ECAP at Room Temperature”, Materials Science and
Engineering A, Vol.516, pp. 248-252, 2009.

S. Wang, W. Liang, Y. Wang, L, Bian, K. Chen, Modified Die for Equal Channel Angular Pressing “A“, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 209, pp.
3182-3186, 2009.

Q, X, Pei, B. H. HU, C. Lu, Y. Y. Vang, Element Study of the Temperature Rise During Equal“A Finite Channel Angular Pressing “, Scripta Materialia,Vol. 49, pp 303-308, 2003.



قیمت: تومان


پاسخ دهید