فصل دوم 10

 

مروری بر تحقیقات انجام شده 10

 

فصل سوم 29

 

مواد و روشها 29

 

3-1- مواد اولیه 29

 

3-2- لوازم آزمایشگاهی 30

 

3-3- تهیه و آماده کردن پودر گیاه هلپه 30

 

3-4- استخراج عصاره (عصاره گیری بوسیله شیکر(ماسراسیون)) 31

 

3-5- آماده سازی نمونههای روغن 31

 

3-6- اندازه گیری ترکیبات فنولی 32

 

3-6-1- رسم منحنی استاندارد و معادله خط رابطه جذب و غلظت اسید گالیک (منحنی کالیبراسیون) 32

 

3-6-2- اندازهگیری ترکیبات فنولی روغن کانولای بدون آنتیاکسیدان سنتزی 33

 

3-6-3- اندازه گیری ترکیبات فنولیک عصاره گیاه هلپه 34

 

3-7- اندازهگیری ترکیبات توکوفرولی 34

 

3-7-1- ترسیم منحنی کالیبراسیون 34

 

3-7-2- اندازهگیری ترکیبات توکوفرولی نمونه روغن بدون آنتیاکسیدان 35

 

3-7-3- اندازهگیری ترکیبات توکوفرولی عصاره گیاه هلپه 35

 

3-8- بررسی فعالیت آنتی اکسیدانی عصاره 36

 

3-8-1- آزمون حذف رادیکال های آزاد DPPH 36

 

3-8-2- آزمون بتاکاروتن – لینولئیک اسید 37

 

3-8-3- شاخص پایداری اكسایشی(OSI) 38

 

3-9- آزمون پایداری روغن 39

 

3-9-1 شرایط حرارت دهی 39

 

3-9-2- اندیس اسیدی 39

 

3-9-3- شاخص پایداری اکسایشی (OSI) 39

 

3-9-4- اندازگیری عدد پراکسید (PV) 40

 

3-9-5- اندازگیری عدد کربونیل 41

 

3-9-6- شاخص رنگی 42

 

3-9-7- اندازگیری مقدار کل ترکیبات قطبی 42

 

3-9-7-1- آماده سازی سیلیکاژل 42

 

3-9-7-2- پر کردن ستون کروماتو گرافی 43

 

3-9-7-3- تهیه و آماده سازی نمونه وحلال جداسازی 43

 

3-9-8- اندازهگیری عدد دیان مزدوج (کونژوگه) 43

 

3-9-9- اندازگیری عدد یدی 44

 

3-10- تجزیه و تحلیل آماری 44

 

فصل چهارم 45

 

نتایج 45

 

4-1- محتوای ترکیبات فنولیک عصارههای مختلف گیاه هلپه 45

 

4-2- مقدار توکوفرول به دست آمده از عصاره های گیاه هلپه 46

 

4-3- نتایج به دست آمده برای فعالیت آنتی اکسیدانی، طبق آزمون های مختلف برای عصاره های گیاه هلپه 47

 

4-4- بررسی خاصیت آنتیاکسیدانی عصارههای گیاه هلپه با غلظت ppm 200 در روغن کانولا 50

 

4-4-1- تغییرات عدد اسیدی طی فرآیند حرارت دهی در دمای 180 درجه سانتیگراد 51

 

4-4-2- تغییرات عدد پراکسید طی فرآیند حرارت دهی در دمای 180 درجه سانتیگراد 52

 

4-4-3- تغییرات عدد یدی طی فرآیند حرارت دهی در دمای 180 درجه سانتیگراد 54

 

4-4-4- تغییرات عدد کربونیل طی فرآیند حرارت دهی در دمای 180 درجه سانتیگراد 55

 

4-4-5- تغییرات عدد کنژوگه طی فرآیند حرارت دهی در دمای 180 درجه سانتیگراد 56

 

4-4-6- تغییرات شاخص پایداری اکسایشی طی فرآیند حرارت دهی در دمای 180 درجه سانتیگراد 57

 

4-4-7- تغییرات مقدار فنول طی فرآیند حرارت دهی در دمای 180 درجه سانتیگراد 59

 

4-4-8- تغییرات شاخص رنگی طی فرآیند حرارت دهی در دمای 180 درجه سانتیگراد 60

 

4-4-9- تغییرات مقادیر کل ترکیبات قطبی طی فرآیند حرارت دهی در دمای 180 درجه سانتیگراد 61

 

فصل پنجم 63

 

بحث و نتیجه گیری 63

 

5-1- شاخص کیفی روغن اولیه. 63

 

 

5-2- اندازه گیری محتوای ترکیبات فنولیک عصاره گیاه هلپه. 64

 

5-3- ترکیبات توکوفرولی عصاره های گیاه هلپه. 65

 

5-4- بررسی فعالیت آنتی اکسیدانی عصاره های مختلف گیاه هلپه. 66

 

5-4-1- اندازه گیری فعالیت آنتی اکسیدانی با درصد مهار رادیکال آزاد  DPPH  66

 

5-4-2- اندازه گیری قدرت آنتی اکسیدانی با روش بتا کاروتن- لینولئیک اسید  67

 

5-4-3- بررسی شاخص پایداری اکسایشی عصاره های گیاه هلپه. 68

 

5-5- آزمون پایداری حرارتی روغن. 69

 

5-5-1- تغییرات عدد اسیدی. 69

 

5-5-2- عدد پراکسید. 70

 

5-5-3- تغییرات عدد یدی. 70

 

5-5-4- تغییرات عدد کربونیل. 71

 

5-5-5- تغییرات عدد کنژوکه. 72

 

5-5-6- شاخص پایداری اکسایشی. 73

 

5-5-7- تغییرات ترکیبات فنولی. 73

 

5-5-8- تغییرات شاخص رنگی. 74

 

5-5-9- مقادیر کل ترکیبات قطبی. 74

 

نتیجه گیری کلی. 75

 

پیشنهادات. 78

 

فهرست منابع. 79

 

فهرست جداول

 

عنوان                                                                                                                                 صفحه

 

جدول 4-1: میانگین مقدار فنول کل عصارهها با روش های مختلف عصاره گیری از گیاه Helpeh  46

 

جدول 4-2: میانگین مقدار توکوفرول عصاره با روش های مختلف عصاره گیری از گیاه Helpeh  47

 

جدول 4-3: میانگین درصد مهار رادیکال آزاد DPPH در عصاره های مختلف گیاه Helpeh  48

 

جدول 4-4: میانگین درصد بی رنگ شدن بتاکاروتن در عصاره های مختلف گیاه Helpeh  49

 

جدول 4-5: میانگین مقدار شاخص پایداری اکسایشی در غلظت ppm200 عصارههای مختلف گیاه Helpeh. 50

 

جدول4-6: میانگین تغییرات عدد اسیدی در عصارههای مختلف در غلظت ppm 200 طی دوره حرارت دهی. 51

 

جدول4-7: میانگین تغییرات عدد پراکسید در عصارههای مختلف در غلظت ppm 200 طی دوره حرارت دهی. 53

 

جدول4-8: میانگین تغییرات عدد یدی در عصارههای مختلف در غلظت ppm 200 طی دوره حرارت دهی. 54

 

جدول4-9: میانگین تغییرات عدد کربونیل در عصارههای مختلف در غلظت ppm 200 طی دوره حرارت دهی. 55

 

جدول4-10: میانگین تغییرات عدد کنژوگه در عصارههای مختلف در غلظت ppm 200 طی دوره حرارت دهی. 57

 

جدول4-11: میانگین تغییرات شاخص پایداری اکسایشی در عصارههای مختلف در غلظت ppm 200 طی دوره حرارت دهی. 58

 

جدول4-12: میانگین تغییرات مقدار فنول در عصارههای مختلف در غلظت ppm 200 طی دوره حرارت دهی. 59

 

جدول4-13: میانگین تغییرات شاخص رنگی در عصارههای مختلف در غلظت ppm 200 طی دوره حرارت دهی. 61

 

جدول4-14: میانگین تغییرات ترکیبات قطبی در عصارههای مختلف در غلظت ppm 200 طی دوره حرارت دهی. 62

 

جدول 5-1: ساختار اسید چرب روغن كانولای فاقد آنتی اكسیدان. 63

 

جدول 5-2: خصوصیات شیمیایی روغن كانولای فاقد آنتی اكسیدان. 64

 

فهرست اشکال

 

عنوان                                                                                                                                 صفحه

 

شکل 3- 1- دستگاه شیکر. 31

 

شکل3-2- منحنی استاندارد غلظت اسید گالیک در برابر میزان جذب خوانده شده درطول موج ٧۶٥ نانومتر. 33

 

شکل 3-3- منحنی كالیبراسیون میزان آلفا- توكوفرول در برابر میزان جذب خوانده شده در طول موج 520 نانومتر. 35

 

شکل 3-4- دستگاه اسپکتروفتومتر. 38

 

شکل 3- 5- دستگاه رنسیمت مدل 743. 39

 

شکل3-6- منحنی كالیبراسیون غلظت آهن ш در برابر جذب خوانده شده درطول موج 500 نانومتر  40

 

شکل 4-1: مقایسه میانگین مقدار فنولیک عصارههای گیاه هلپه. 46

 

شکل 4-2: مقایسه میانگین مقدار ترکیبات توکوفرولی عصارههای گیاه هلپه. 47

 

شکل 4-3: مقایسه میانگین درصد مهار رادیکال آزاد DPPH در عصاره های مختلف گیاه هلپه در غلظت ppm 200. 48

 

شکل 4-4: مقایسه میانگین درصد بی رنگ شدن بتاکاروتن در عصاره های مختلف گیاه هلپه در غلظت ppm 200. 49

 

شکل 4-5: مقایسه میانگین شاخص پایداری اکسایشی در عصاره های مختلف گیاه هلپه در غلظت ppm 200. 50

 

شکل 4-6: مقایسه میانگین تغییرات عدد اسیدی عصارههای مختلف در غلظت ppm 200 در روغن کانولا طی دوره حرارت دهی. 52

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

رشته	تعداد افراد مشغول بكار	نسبت شاغلان این رشته به كل شاغلان بخش صنایع دستی        (به درصد)
گلیم بافی	3200	83/27
حصیربافی	2000	39/17
بافتنی های سنتی	800	96/6
چادر شب بافی	600	22/5
قلاب بافی	350	04/3
مروارید بافی	220	91/1
قلاب دوزی	120	04/1
معرق چوب	100	87/0
سفال و سرامیك	100	87/0
منبت	70	61/0
خراطی	70	61/0
نازك كاری	50	43/0
بامبو بافی	50	43/0
سایر رشته ها	3770	78/32

 

     منبع :اداره كل میراث فرهنگی استان گیلان

 

جدول شماره1 تعداد افراد مشغول بكار در شاخه‌های مختلف صنایع‌دستی استان را به ترتیب از بیشترین افراد شاغل در یك رشته تا كمترین آنها نمایش می‌دهد. این جدول همچنین نسبت فعالان هر یك از شاخه‌ها به كل شاغلان حوزه صنایع‌دستی استان را در سال1390 نشان می‌دهد. بیشترین نسبت شاغلان مربوط به گلیم‌بافی است و حصیربافی و بافتنیهای سنتی در مراتب بعدی قرار دارند. منظور از سایر رشته‌ها، آنهایی هستند كه افراد شاغل در آنها بسیار كمتر از50 نفر می‌باشند.

 

2-7- خستگی……………………………………. 25

 

2-8- خستگی در مواد کامپوزیتی زمینه پلیمری……………………………… 27

 

2-8-1- آسیب خستگی……………………………………. 28

 

2-8-2- مدهای مختلف واماندگی خستگی در مواد کامپوزیتی……………….. 31

 

2-8-3- مقایسه‏ای بین شکست خستگی و استاتیکی………………………. 32

 

2-8-3-1- واماندگی‏های بین لایه‏ای……………………………………. 33

 

2-8-3-1-1- مورفولوژی‏های شکست در مد I بارگذاری سیکلی………………… 33

 

2-8-3-1-2- مورفولوژی‏های شکست در مد II بارگذاری سیکلی……………….. 34

 

2-8-3-1-3- مورفولوژی‏های شکست در مد ترکیبی I/II بارگذاری سیکلی………. 35

 

2-8-3-2- واماندگی داخل لایه ‏ای……………………………………. 37

 

2-9- فاکتورهای تأثیرگذار بر روی رفتار خستگی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری………38

 

2-9-1- نوع الیاف……………………………………. 38

 

2-9-2- زمینه و محیط……………………………………. 40

 

2-9-3- شرایط بارگذاری……………………………………. 41

 

2-10- آزمون‏های مکانیکی متداول بر روی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری………….. 43

 

2-10-1- آزمون کشش…………………………………….. 43

 

2-10-2- آزمون فشار………………………………….. 44

 

2-10-3- آزمون خستگی……………………………………. 45

 

2-11- آنالیز حرارتی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری…………………………….. 46

 

2-12- مروری بر تحقیقات انجام شده………………………………….. 48

 

2-12-1- تحقیقات انجام شده در رابطه با روش‏های مختلف ساخت کامپوزیت‏های زمینه پلیمری………..48

 

2-12-2- تحقیقات انجام شده در رابطه با آزمون کشش کامپوزیت‏های زمینه پلیمری…………….49

 

2-12-3- تحقیقات انجام شده در رابطه با خواص خستگی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری…………….50

 

2-12-4- تحقیقات انجام شده در رابطه با مکانیزم واماندگی خستگی………………51

 

2-12-5- تحقیقات انجام شده در رابطه با آنالیز حرارتی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری……………56

 

فصل 3- مواد آزمایش و روش تحقیق……………………………………. 58

 

3-1- مشخصات رزین……………………………………. 59

 

3-2- روش‏های ساخت نمونه…………………………………… 60

 

3-2-1- روش لایه‏ گذاری دستی……………………………………. 60

 

3-2-2- روش تزریق رزین به کمک خلأ (VIP)………………………………….. 61

 

3-3- آماده‌سازی نمونه…………………………………… 63

 

3-4- انجام آزمون کشش بر روی نمونه ‏های آماده شده………………….. 64

 

3-5- انجام آزمون خستگی……………………………………. 65

 

3-5-1- مشخصات نمونه ‏های تست خستگی……………………………………. 66

 

3-5-2- آزمون خستگی کشش–کشش…………………………………….. 67

 

3-6- آنالیز وزن سنجی حرارتی (TGA)………………………………….. 69

 

3-7- تصویربرداری SEM…………………………………….

 

فصل 4- نتایج و بحث…………………………………… 71

 

4-1- نتایج آنالیز وزن‏سنجی حرارتی (TGA)………………………………….. 72

 

4-2- نتایج تست کشش…………………………………….. 76

 

4-3- نتایج آزمون خستگی……………………………………. 78

 

4-3-1- ترسیم منحنی S-N با استفاده از روابط مختلف خستگی…………… 84

 

4-3-2- مقایسه منحنی‏های S-N کامپوزیت‏های تولید شده به وسیله فرایندهای دستی و VIP…………

 

4-3-3- مقایسه منحنی‏های S-N به دست آمده در فرایندهای ساخت VIP و دستی با استاندارد GL………….

 

4-4- نتایج تصویربرداری SEM…………………………………….

 

4-4-1- نتایج تصویربرداری SEM از سطوح شکست خستگی نمونه‏ های دستی………..97

 

4-4-2- نتایج تصویربرداری SEM از سطوح شکست خستگی نمونه ‏های VIP………..

 

4-4-3- مقایسه مکانیزم‏های واماندگی خستگی برای نمونه ‏های دستی و VIP………….

 

فصل 5- نتیجه‏ گیری و پیشنهادات……………………………………. 110

 

5-1- نتیجه‏ گیری……………………………………. 111

 

5-2- پیشنهادات……………………………………. 113

 

6- مراجع…………………………………… 114

 

چکیده:

 

 

در این پژوهش، کامپوزیت­های زمینه پلیمری (رزین اپوکسی) تقویت شده توسط پارچه بافته شده از الیاف شیشه­ای E-glass به دو روش لایه­گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) ساخته شدند و رفتار خستگی آن­ها مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نتایج حاصل از آزمون کشش، استحکام کششی در نمونه­های تولید شده به روشVIP (MPa 362) بیشتر از نمونه‏های تولید شده به روش لایه­گذاری دستی (MPa 242) بود. بر اساس نتایج آزمون خستگی کشش-کشش (1_/0=R)، عمر خستگی بیشتری برای نمونه­های VIP مشاهده شد در دامنه تنش MPa67، نمونه­های VIP، 10⁶×11_/2 سیکل را تا زمان واماندگی تحمل کردند در حالی که، در دامنه تنش پایین­تر MPa61، نمونه­های دستی 10⁵×29_/1 سیکل را تحمل نمودند. تعداد سیکل واماندگی نمونه­های VIP در تنش خستگی MPa200، برابر با 10³×0_/5 به دست آمد. اما، همین پارامتر برای نمونه‏های دستی در تنش خستگی پایین­تر MPa150 برابر با 10³×2_/1 حاصل شد. با توجه به نمودار S-N رسم شده، در تعداد سیکل ثابت 100،000 دامنه تنش قابل تحمل نمونه دستی حدود MPa60 تخمین زده شد؛ در صورتی دامنه تنش متناظر برای نمونه VIP حدود MPa90 بود. با توجه به تصاویر SEM سطح شکست نمونه­ها، مکانیزم­های واماندگی غالب برای نمونه­های ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی تحت بار خستگی به صورت جدایش لایه­ها و بیرون آمدن الیاف مشاهده شد. در حالی که، مکانیزم­های واماندگی برای نمونه­های ساخته شده به روش VIP، جدایش الیاف از زمینه و ترک خوردن زمینه بود. نتایج حاصل از آنالیز وزن­سنجی حرارتی (TGA)، تنها نشان دهنده وجود اتصال مکانیکی بین الیاف و زمینه بود، که جدایش الیاف از زمینه و بیرون آمدن الیاف مشاهده شده در تصاویر SEM را توجیه می­کرد. بر اساس نتایج حاصل از این آنالیز، درصد وزنی الیاف برابر با 69% و 52% برای نمونه­های ساخته شده به روش VIP و لایه­گذاری دستی محاسبه شد.

 

فصل اول: مقدمه

 

1- مقدمه

 

1-1- کلیات

 

افزایش تأثیرات منفی انرژی فسیلی بر روی محیط زیست، مانند گرم شدن جهانی و بحران در دسترس بودن انرژی، بسیاری از کشورها را بر آن داشته است که از انرژی­های جایگزین دیگری مانند انرژی خورشید، باد و خورشید-هیدروژن استفاده کنند. این انرژی­ها تجدیدپذیر و دوست­دار محیط زیست هستند، به گونه‏ای که پاسخ­گوی تقاضای روزافزون بشر برای انرژی می­باشند. انرژی باد، سریع­ترین منبع انرژی رو به رشد در جهان، یک منبع انرژی تجدیدپذیر و تمیز است. اکنون کشورهای بسیاری، به خصوص در اروپا، ایالات متحده آمریکا، چین و ملل دیگر، توجه خاصی به این منبع انرژی دارند ]1[.

 

بر اساس اطلاعات سازمان انرژی­های نو ایران (سانا)،استفاده از انرژی باد در طول سالیان اخیر بیشترین رشد را در مقایسه با سایر انرژی­های نو تجربه کرده است و توربین­های بادی هر روز بهینه­تر و با ظرفیت توان بیشتر به بازار عرضه می­شوند. تاریخچه انرژی بادی یک سیر تکاملی را به استفاده از قطعات سبک و ساده برای به حرکت درآوردن پره­ها بوسیله نیروی بازدارنده[1] طی کرده است. آسیاب­های بادی که در قدیم مورد استفاده قرار می­گرفتند نخستین نوع توربین­های بادی بودند که به عقیده تمامی کارشناسان نخستین بار توسط ایرانیان به کار گرفته شد ]2[.

 

با وجود این پیشینه ارزشمند تاریخی و علی‌رغم پتانسیل­های موجود و مناطق مستعد بادخیز کشور، توسعه صنعت باد در ایران با پیشرفت مناسبی روبرو نشده است. در حال حاضر در وزارت نیرو، نصب MW5000 نیروگاه تجدیدپذیر در قانون برنامه پنجم توسعه هدف­گذاری شده است که از این میزان MW4500 آن برای توسعه باد در نظر گرفته شده است و می‌توان گفت در پنج سال آینده قریب به MW4000 بازار برای توسعه بخش خصوصی وجود خواهد داشت. هم اکنون سایت­های بادی بینالود و منجیل، بزرگ­ترین سایت­های بادی کشور محسوب شده که تقریبا MW100 از برق مورد نیاز کشور را تامین می­کنند، این مقدار سهم ناچیزی از مقدار کل انرژی برق تولید شده در کشور را تشکیل می­دهد ]2[.

 

اما بر خلاف رویه موجود در داخل کشور، سایر کشورهای جهان به طور گسترده در راستای توسعه صنعت بادی خود گام برداشته­اند و میزان انرژی الکتریکی تولید شده بوسیله باد روز به روز سهم بیشتری از کل انرژی تولیدی جهان را تشکیل می­دهد. به عنوان نمونه­ای از سیاست­گذاری­های کلان در این زمینه می­توان به تصمیم اتحادیه اروپا برای تولید 20% از انرژی خود از منابع پاک تا سال 2020 اشاره کرد. شکل 1-1 ظرفیت کلی انرژی بادی تولیدی در جهان را تا سال 2011 را نشان می­دهد ]2[.

 

جدول1-1 نیز میزان ظرفیت نیروگاه­های بادی نصب شده در کشورهای شاخص استفاده کننده از انرژی باد را نشان می­دهد.

 

اغلب پره­های توربین، چه کوچک و چه بزرگ، قسمت­های اصلی مشابهی دارند: پره­ها، شفت­ها، چرخ­دنده­ها، ژنراتور، و یک کابل (برخی از توربین­ها ممکن است دارای جعبه دنده نباشند). کلیه این قسمت­ها با هم کار می­کنند تا انرژی باد را به الکتریسیته تبدیل نمایند. در این بین، پره یکی از مهمترین اجزای توربین­های بادی است که وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن محور اصلی توربین است. طراحی پره توربین­های بادی یکی از مهم­ترین و اصلی­ترین بخش­های طراحی توربین به شمار می­شود که با توجه به شرایط بسیار متغیر بهره­برداری و اعمال بارهای شدید بر آن، انتخاب جنس و طراحی سازه­ای آن از اهمیت زیادی برخوردار است. مواد مورد استفاده در ساخت پره­ها به طور قابل ملاحظه­ای بر روی کارایی و خواص آن­ها، مانند وزن پره، مکانیزم آسیب، و عمر خستگی اثرگذار است. پره­های توربین­های بادی از مواد ناهمسان­گرد ساخته می‏شوند که معمولاً از کامپوزیت­های زمینه پلیمری، در ترکیبی از یک تک پوسته و کامپوزیت ساندویچی تهیه شده‏اند. طراحی­های امروزی عمدتاً بر اساس کامپوزیت­های تقویت شده با الیاف شیشه[1] (GFRP) صورت می‏گیرد. به طور کلی مواد مورد استفاده در ساخت پره­های توربین بادی بایستی تحمل بارگذاری­های خستگی شدید را در شرایط کاری داشته باشند ]1[.

 

ساختار کامپوزیتی به عنوان یک نوع خاص از کامپوزیت­های لایه­ای  تلقی می­شود و مقبولیت گسترده­ای به عنوان یک ساختار عالی برای دست­یابی به اجزایی با وزن کم و ساختارهایی با سفتی خمشی[2] بسیار بالا، استحکام زیاد، و مقاومت کمانشی بسیار زیاد به دست آورده است. این مواد توسط روش قالب­گیری انتقال رزین[3] (RTM)، RTM به کمک خلاء[4]، لایه­گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلاء[5] (VIP) ساخته می‏شوند. تفاوت روش VIP با روش RTM در آن است که در این روش تنها یک سمت از قالب جامد است در صورتی که در روش RTM هر دو سمت جامد هستند. علاوه بر آن، از یک خلأ اعمالی به منظور نیرو محرکه برای انتقال رزین به تقویت­کننده استفاده می­شود ]3[.

 

در تولید پره‌های توربین بادی کوچک و متوسط معمولاً از روش لایه‌گذاری دستی و در پره بزرگ و حتی متوسط با توجه به اهمیت وزن و استحکام سازه از روش تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) استفاده می‌شود. یکی از موضوعاتی که باید در طراحی محصولات مهندسی مورد استفاده قرار گیرد آن است که عمر محصول تولیدی چقدر خواهد بود. عمر در این محصولات به صورت مدت زمانی تعریف می­شود که محصول قادر است تحت بارهای سرویس عمل­کرد مورد انتظار را داشته باشد. عمر یک قطعه می­تواند به کوتاهی یک بار استفاده تعیین شود، از سوی دیگر در برخی محصولات باید قابلیت تحمل میلیون­ها سیکل در نظر گرفته شود که توربین­های بادی نیز از این دسته­اند. محصولاتی با چنین عمرهای بالایی مستعد برای شکست خستگی هستند.

 

گسترش ابزارهای مورد نیاز جهت تعیین عمر خستگی مواد ساخته شده از کامپوزیت با کندی روبروست، دلیل این امر را باید در ماهیت لایه­ای و غیریکنواخت این مواد جست و جو کرد، به طور مثال اگر در فلزات تنها عامل خرابی را طول ترک تشکیل می­دهد، مواد کامپوزیتی حالت‌های مختلف شکست را از خود بروز می­دهند که از آن جمله می­توان به ترک خوردن زمینه[6]، جدایش الیاف از زمینه[7]، کمانش الیاف، جدایش لایه­ها[8]، شکست تک­لایه و شکست الیاف اشاره کرد. معمولاً در یک شکست ناشی از خستگی در مواد کامپوزیتی ترکیبی از مکانیزم­های فوق فعال است و این مسأله به خودی خود تحلیل­های خستگی را با چالش­های فراوانی روبرو می­کند. حال اولین قدم در تحلیل­های خستگی تعیین منحنی S-N به صورت آزمایشگاهی و در قدم بعد شناسایی مکانیزم­های مختلف واماندگی خستگی می­باشد. با مشخص شدن این داده‌ها، مهندسین می‌توانند به تخمین‏های اولیه خستگی جهت ساخت محصول برای صنعت و خریداران کمک نمایند.

 

2-1- اجرای پروژه

 

در گام اول نیاز صنعت در ساخت پره‌های توربین بادی مورد بررسی قرار گرفت، از آنجا که آزمون‎های دینامیک با توجه به نوع سازه حائز اهمیت هستند طی جلسات برگزار شده در پژوهشکده هوا خورشید دانشگاه فردوسی مشهد موضوع بررسی رفتار خستگی کامپوزیت­های زمینه پلیمری (اپوکسی) تقویت شده با پارچه بافته شده با الیاف شیشه­ای E-glass، که در ساخت پره­های توربین بادی به کار می­روند، مطرح شد. در ادامه با مطالعه استانداردها و کارهای صورت گرفته بر روی خستگی کامپوزیت‌های زمینه پلیمری امکان‌پذیر بودن و قابلیت اجرای پروژه در دستور کار قرار گرفت. برای این کار لایه­گذاری نمونه­ها را به صورت ترکیبی از الیاف با جهات گوناگون در نظر گرفته شد که به نوعی شرایط به شرایط عمل­کرد واقعی پره­های توربین نزدیک‏تر شده باشد. در این مرحله نمونه سازی با استفاده از روش دستی و نیز تزریق به کمک خلأ در کارگاه کامپوزیت پژوهشکده هوا خورشید دانشگاه فردوسی مشهد، انجام گرفت. بعد از برش دادن ورق­های کامپوزیتی، به منظور ساخت نمونه، مقاطع برش خورده ماشین­کاری شده و در نهایت نمونه نهایی به دست آمد. پیش از شروع آزمون خستگی با تعریف آزمون‌های مورد نیاز و انجام آن‌ها از کالیبره بودن دستگاه مورد استفاده اطمینان حاصل شد. در مرحله بعد با انجام تست کشش و شروع تست خستگی مشکلات اولیه انجام تست از جمله شکستن نمونه در فک‌های دستگاه و مشکلات ساخت نمونه‌ مورد بازبینی قرار گرفت و طی جلساتی راهکارهای حل مشکلات مطرح شد.

 

2-5-4-انواع کاربید سیلیسیم …………………………………………………………………………  22

 

2-5-4-1-کاربید سیلیسیم نوع بتا () ………………………………………………………………  22

 

2-5-4-2-کاربید سیلیسیم نوع آلفا () ………………………………………………………….  22

 

2-5-5- پایداری انواع مختلف SiC بلوری …………………………………………………………  23

 

2-5-6- وضعیت گذشته و فعلی کاربید سیلیسیم ………………………………………………….. 24

 

2-5-7- خلاصه ای از خواص SiC  …………………………………………………………………. 

 

2-5-8- برخی کاربرد های SiC ……………………………………………………………………….. 

 

2-5-8-1- کاربرد به عنوان ساینده ……………………………………………………………  26

 

2-5-8-2- دیر گدازها و المنت های کوره ………………………………………………….  26

 

2-5-8- 3- کاربردهای الکترونی و نوری……………………………………………………. 27

 

2-5-8-3-1- نیمه هادی کاربید سیلیسیم …………………………………………….  28

 

2-5-8-3-2- کاربرد در صنعت IC …………………………………………………… 

 

2-6- شیشه ……………………………………………………………………………………….  28

 

2-6-1-تاریخچه شیشه …………………………………………………………………………..  28

 

2-6-2-تعریف شیشه …………………………………………………………………………….  29

 

2-7- اکسید سریم ………………………………………………………………………………..  30

 

2-7-1- کاربردهای اکسید سریم ………………………………………………………………..  31

 

2-8- اکسید سیلیسیم ………………………………………………………………………..  32

 

2-9- ابزارهای برشی و سایند ها ……………………………………………………………  33

 

2-9-1- ابزارهای برشی ………………………………………………………………………….  33

 

2-9-2- ساینده‌ها ………………………………………………………………………………..  35

 

2-10-ترکیب پولیش پایه سریم و فرآیند آماده سازی آن ……………………………………….  38

 

2-11- مشخصات اکسید سریک ………………………………………………………………..  39

 

2-12- فرایند آماده سازی ترکیب …………………………………………………………….  40

 

2-13- ابزارهای ساینده سرامیکی پیوند داده شده …………………………………………  42

 

2-13-1- مقدمه ……………………………………………………………………………..  42

 

2-13-2- فرایند تولید ……………………………………………………………………………..  42

 

2-13-3- هدف از تولید ساینده های سرامیکی ……………………………………………………  43

 

2-13-4- روش ساخت ترکیبات ………………………………………………………………………..  43

 

فصل سوم: روش تحقیق ………………………………………………………………………………  44

 

3-1- مواد اولیه ……………………………………………………………………………………….  44

 

3-1-1- اکسیدسریم ……………………………………………………………………………  44

 

3-1-2- کاربیدسیلسیم …………………………………………………………………………….  45

 

3-1-3- نانوسیلیس ………………………………………………………………………………..  45

 

3-1-4- افزودنی ها …………………………………………………………………………………….  46

 

3-2- تجهیزات آزمایشگاهی ………………………………………………………………………..  46

 

3-2-1- هیتر ……………………………………………………………………………………..  46

 

3-2-2- کوره ………………………………………………………………………………………… 46

 

3-2-3- مگنت …………………………………………………………………………………………  46

 

3-2-4- ترازو ………………………………………………………………………………………….  46

 

3-2-5- خشک کن ……………………………………………………………………………….  46

 

3-2-6- CCS …………………………………………………………………………………. 

 

3-3- ابزار آزمایش و آنالیز نمونه‌ها ………………………………………………………………..  47

 

3-3-1- دستگاه پراش پرتو ایکس (XRD) ………………………………………………………..  47

 

3-3-2- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) ………………………………………………..  47

 

3-3-3- آزمایش اندازه‌گیری استحکام ………………………………………………………………..  47

 

3-4- روش انجام آزمایش ………………………………………………………………………..  48

 

3-4-1- تهیه نمونه‌های سری اول ………………………………………………………………..  48

 

3-4-1-1- نمونه‌سازی مجموعه A …………………………………………………………… 

 

3-4-1-2- نمونه‌سازی مجموعه B …………………………………………………………… 

 

3-4-1-3- نمونه‌سازی مجموعه C …………………………………………………………… 

 

3-4-2- تهیه نمونه های سری دوم ………………………………………………………………  51

 

3-4-2-1- نمونه‌ D ………………………………………………………………………………… 

 

 

3-4-2-2- نمونه‌ …………………………………………………………………………………  53

 

3-4-2-3- نمونه‌ …………………………………………………………………………………  53

 

3-4-2-4- نمونه‌ G ………………………………………………………………………………… 

 

3-4-2-5- نمونه‌ H ………………………………………………………………………………… 

 

3-4-3-تهیه نمونه‌ های سری سوم ………………………………………………………..  55

 

3-4-3-1- نمونه سازی مجموعه I ……………………………………………………………. 

 

3-4-3-2- نمونه سازی مجموعه J …………………………………………………………… 

 

3-4-3-3- نمونه سازی سریK ……………………………………………………………….. 

 

3-4-3-4- نمونه سازی سریL ………………………………………………………………… 

 

3-4-3-5- نمونه سازی سری M ……………………………………………………………… 

 

3-4-3-6- نمونه سازی سری N ………………………………………………………………. 

 

3-4-4- تعیین درصد وزنی جذب آب …………………………………………………………..  62

 

3-4-5- انجام آزمایش سایش …………………………………………………………….  63

 

3-4-6- استفاده از نرم افزار Image Analyzer ………………………………………………. 

 

فصل چهارم: روش تحقیق ……………………………………………………………………..  65

 

4-1- مقدمه    ………………………………………………………………………………….  65

 

4-2- بررسی شکل ظاهری نمونه ها از نظر دمای پخت …………………………………….  65

 

4-2-1- نتایج نمونه های سری اول ………………………………………………………………  65

 

4-2-2- نتایج نمونه های سری دوم ……………………………………………………………..  66

 

4-2-3- نتایج نمونه های سری سوم …………………………………………………………….  67

 

4-2-3-1- نمونه های پخته شده در دمای ºc750 و ºc1000 …………………………………….

 

4-2-3-2- نمونه های پخته شده در دمای ºc850 …………………………………………………

 

4-2-3-3- نمونه های پخته شده در دمای ºc1050 ……………………………………………..

 

4-2-3-4- نمونه های پخته شده در دمای ºc950 …………………………………………….

 

4-3- بررسی نتایج آنالیز XRD …………………………………………………………………… 

 

4-3-1- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه I₁₅ ……………………………………………………… 

 

4-3-2- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه I₅ ……………………………………………………….. 

 

4-3-3- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه I₂ ……………………………………………………….. 

 

4-3-4- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه I₁₉ ……………………………………………………… 

 

4-3-5- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه N₁ ……………………………………………………… 

 

4-3-6- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه N₄ ……………………………………………………… 

 

4-3-7- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه N₁₇……………………………………………………..

 

4-3-8- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه N₁₁ ……………………………………………………. 

 

4-3-9- بررسی و مقایسه نتایج آنالیز XRD نمونه N₁₄ و I₉ ……………………………….. 

 

4-3-10- بررسی و مقایسه نتایج آنالیز XRD نمونه N₁₆ و I₁₇ ……………………………. 

 

4-4- بررسی نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM )و Image Analyzer…………..

 

4-4-1- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونهN1 ……………………………… 

 

4-4-2- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونهN4 ……………………………… 

 

4-4-3- بررسی نتایج SEM نمونه7N ……………………………………………….. 

 

4-4-4- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه N11……………………………

 

4-4-5- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه N14……………………………

 

4-4-6- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه N16……………………………

 

4-4-7- بررسی نتایج  SEM نمونه I2…………………………………………………..

 

4-4-8- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه I9 ………………………………. 

 

4-4-9- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه I9 ………………………………. 

 

4-5- نتایج آزمایش  استحکام ……………………………………………………………….  100

 

4-6- نتایج آزمایش سایش ………………………………………………………………..  101

 

4-7- تعیین  وزن مخصوص ،درصد حجمی و درصد وزنی جذب آب ……………………….  102

 

فصل پنجم: نتیجه‌گیری …………………………………………………………………………  103

 

منابع و مراجع………………………………………………………………………………..  104

 

چکیده:

 

در این پروژه ساینده پایه سریم برای صیقل کاری روی سطح شیشه‌های معدنی مورد توجه قرار گرفت. از مواد اولیه اکسید سریم، اکسید لانتانیم، میکروسیلیس، اسید بوریک،  کاربیدسیلسیم، فسفات، فلوراید کلسیم‌، هگزا متافسفات سدیم، تری پلی فسفات سدیم، اکسید روی، سدیم متاسیلیکات استفاده گردید و با دو روش عمومی یکی استفاده از محلول و دیگری بصورت پودر خشک مورد استفاده قرار گرفتند. دمای پخت در شرایط مختلف از 450 تا 1150 درجه سانتی گراد در نظر گرفته شد و شرایط بحرانی برای پخت مشاهده شد که گاهی50± درجه سانتی گراد باعث عدم پخت یا بیش از حد شیشه‌ای شدن می‌گردید. در حدود 150 نمونه مختلف ساخته شد و شرایط پخت و سختی و استحکام آن‌ها مورد مقایسه قرار گرفت. بررسی‌های میکروسکوپی نشانگر ساختارهای متفاوت بود که در برخی موارد، وجود بیش از حد فاز شیشه‌ای موجب ترک برداشتن و یا اعوجاج نمونه‌ها گردیده بود. آنالیز XRD فازهایی نظیر Ce₂Si₂O₇ , Ce₇O₁₂SiO₂ CeP₅O₁₄, SiC,CeP₂ را نشان داد که در اثر واکنش اکسید سریم با سیلیس یا واکنش منابع فسفاتی و اکسید روی و نظایر آن ایجاد شده بود در نهایت ترکیب تری پلی فسفات سدیم‌، نانو سیلیس، اکسید روی‌،اکسید سریم و کاربید سیلیسیم در دمای پخت 950 درجه سانتی گراد انتخاب گردید که ساینده‌ای با خواص موردنظر در آن ایجاد شده بود.

 

فصل اول: مقدمه

 

ساخت کامپوزیت‌ها سال‌هاست که مورد توجه قرار گرفته است و برای بهبود خواصی نظیر تنش برشی، استحکام، میزان کرنش تا شکست، نوع شکست و چقرمگی بکار می‌روند. ساخت کامپوزیت‌های سرامیکی گوناگون جهت بهبود خواص، اهمیت ویژه‌ای دارد. بسته به کاربرد کامپوزیت، انتخاب ساختار سرامیکی و فاز جانبی مناسب آن اهمیت فراوانی یافته است. در دهه اخیر کامپوزیت‌های اکسیدی – غیراکسیدی توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است، اما برای انتخاب یک سرامیک اکسیدی مناسب بعنوان فاز اصلی باید به خواصی نظیر نسوزندگی و ضریب انبساط حرارتی توجه کرد. ]1[

 

  نانوفناوری یا بکارگیری فناوری در مقیاس میلیاردم متر عبارتست از خلق مواد، قطعات و سیستمهای کارا باکنترل اندازه اجزاء ریز سازنده در حد نانومتر و در نتیجه بهره برداری از خصوصیات و پدیده‌‌های جدید بوجود آمده در آن مقیاس. تکنولوژی نانو بعنوان یک روش نو برای سنتز مواد و ساختار‌‌های مفید دارای حداقل یک بعد در حد نانومتر، هم اکنون مورد توجه بسیاری از محققین و مراکز تحقیقاتی و صنعتی در جهان امروز واقع شده است.

 

   نانو فناوری یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته‌‌هاست که در جهت بررسی اصول و قوانین حاکم بین مولکولها و ساختارهای با ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر گام بر می‌دارد. نانو تکنولوژی یک علم چند رشته ای است و برای درک مفاهیم و اصول بنیادین و قوانین حاکم در دنیای نانو تقریبا به تمام علوم نیاز است. نانو مواد (موادی که حداقل در یک بعد دارای اندازه ای در حد نانومتر هستند) از نظر عمومی‌به دو دسته تقسیم بندی می‌گردند ;مواد نانوساختار و نانوذرات‌. نانوذره به ذره ای گفته می‌شود که ابعادی بین 1 تا 100 نانومتر داشته باشد که پرکابردترین آنها نانوذرات سرامیکی هستند.

 

   ترکیب ساینده پایه سریم برای سایش کردن با بازدهی بالا و سریع روی سطح شیشه‌‌های معدنی،لنزهای اپتیکی پلاستیکی وصفحات پلاستیکی سازگاری خوبی دارد. پولیش شیشه‌‌های آلی کاملا حساس و متفاوت است. توجه روی این حقیقت است که آنها نرم و شکننده، و در برابر خراش خیلی حساس اند.صیقل دادن نا کافی منجر به خراشهای ریز و صیقل بسیار ساینده موجب خراش درشت و کدر شدن شیشه می شود. در این تحقیق هدف ساخت یک صیقل دهنده‌ی مناسب جهت پولیش کردن شیشه می‌باشد.  اگر بتوان ذرات ریز نانو سیلیس و کاربید سیلسیم را در کنار CeO₂  و پیوند دهنده‌‌های مناسب( که از بافت سیمان‌‌های سرامیکی باشند) قرار داد و یک صیقل دهنده ظریفی ساخت که بتواند شیشه‌‌ها را صیقل کند آنگاه یکی از کاربردهای نانو تکنولوژی در صنعت سرامیک مورد بررسی قرارگرفته است.

 

اگر چه ترکیباتی قبلا برای صیقل کاری شیشه ساخته شده است اما استفاده از نانو ذرات سیلیس و ذرات کاربید سیلسیم در صیقل دهنده‌‌های شیشه بر پایه اکسید سریم کاملا جدید است. مطالعه پیوند   دهنده‌‌های مناسب که بتوانند  SiO₂ و SiC  و CeO₂ را در کنار یکدیگر نگه دارد و عمل صیقل کاری را پیش برد‌، از جنبه‌‌های نو آوری نیز برخوردار می‌باشد.

 

در فصل دوم مروری بر مطالعات انجام شده در مورد علم نانو، کامپوزیت‌ها و همچنین مطالعاتی که تا کنون بر روی خواص SiC، SiO₂، CeO₂ و صیقل‌کاری شیشه صورت گرفته است، ذکر شده است.

 

در فصل سوم ابتدا با مشخصات مواد اولیه و تجهیزات مورد استفاده در این تحقیق آشنا شده و سپس روش تحقیقی که شامل آماده‌سازی مواد اولیه، بررسی و آنالیز نمونه‌های تهیه شده و بررسی خواص مکانیکی نمونه‌ها می‌باشد، ذکر می‌گردد.

 

در فصل چهارم نتایج مربوط به پخت نمونه‌ها، نوع فازها و ریزساختار نمونه‌ها و دمای نهایی فرآیند و همچنین نتایج مربوط به آنالیز فازی و ریزساختاری نمونه‌های آزمایش شده و خواص مکانیکی آنها ارائه شده و مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد.

 

فصل دوم: مروری بر تئوری‌ها و تحقیقات انجام شده

 

1-2- مقدمه

 

   میلیون‌‌ها سال است که در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری ساخته می‌شوند. علم بشری اینک در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهایی بی نظیر بسازد که در طبیعت نیز گزارش نشده است. فناوری نانو کاربردهایی را به عرصه ظهور می‌رساند که بشر از انجام آن به کلی عاجز بوده است و پیامدهایی را در جامعه بر جا می‌گذارد که بشر تصور آنها را هم نکرده است[1].

 

   فناوری نانو واژه ای است کلی که به تمام فناوری‌‌های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می‌شود[2]. نانو فناوری، ساخت مواد، قطعات و سامانه‌‌های مفید در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خصوصیات و پدیده‌‌های جدید حاصل از آن مقیاس است. به عبارت دیگر نانوفناوری یک فناوری نوظهور شامل کلیه فعالیت‌‌ها با توانایی کنترل درتک اتم‌‌ها و مولکولها برای ساخت مواد و وسایل جدید با خواص مطلوب است[3]. معمولاً منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود یک تا 100 نانومتر می‌باشد[1]. نانومتر واحد طولی برابر یک میلیاردم متر است. این اندازه تقریباً چهار برابر قطر یک اتم منفرد است. یک مکعب با طول وجه 5/2 نانومتردرحدود 1000 اتم را در خود جای می‌دهد[3]. مفهوم فناوری نانو به دارنده جایزه نوبل،ریچارد فینمن نسبت داده شده است، در یک سخنرانی که وی در سال 1959 ارائه نمود[4]. در این رپچارد فینمن طی یک سخنرانی با عنوان (فضای زیادی در سطوح پائین وجود دارد) ایده فناوری نانو را مطرح ساخت[2]. ودر سال 1960 منتشر شد[4]. او اینطور بیان نمود که : (( اصول فیزیک،تا آنجایی که من می‌توانم ببینم، امکان جابجایی ماهرانه اتم به اتم اشیاء را فراهم می‌سازد و من آن را رد نمی‌کنم.)).

 

واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می‌باشد، بکار برد[2و5]. بینیگ و رهرر نظریات درکسلر را به طریقه عملی توسعه دادند. در سال 1981 آنها اولین افرادی بودند که توانستند اتمها را ببینند و از اینجا بود که نانوتکنولوژی ممکن شد. دانشمندان خیلی زود توانستند اتمها را به طور منظم بر روی یکدیگر سوار کنند تا ساختارهای در مقیاس نانو را بسازند[6]. در سال 1986 واژه فناوری نانو توسط کی اریک دکسلر، در کتابی تحت عنوان (موتور آفرینش آغاز دوران فناوری نانو) باز آفرینی و تعریف مجدد شد.

 

وی این واژه را به شکل عمیق تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرارداده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان (نانوسیستم‌‌ها، ماشین‌‌های مولکولی، چگونگی ساخت و محاسبات آنها) توسعه داد[2].

 

فصل سوم: مواد و روش‫های آزمایش

 

3-1- آلیاژ مورداستفاده……………………………….. 36

 

3-2- عملیات حرارتی نمونه‫ها………………………………. 36

 

3-3- آزمون­ها………………………………. 37

 

3-3-1- سختی­ سنجی………………………………… 37

 

3-3-2- سایش………………………………….. 38

 

3-3-3- متالوگرافی نمونه‫ها ……………………………….38

 

3-3-4- فازیابی با استفاده از پراش پرتوی ایکس……………………. 39

 

فصل چهارم: نتایج و بحث

 

4-1- بررسی ریزساختاری………………………………… 40

 

4-1-1- متالوگرافی………………………………… 40

 

4-1-2- بررسی ریزساختار با اشعه‌ی ایکس………………………… 46

 

4-2- سختی سنجی………………………………… 47

 

4-3- سایش………………………………….. 49

 

4-3-1- ضریب اصطکاک………………………………….. 49

 

4-3-2- بررسی سطوح سایش با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی……..52

 

4-3-3- تغییرات نرخ سایش…………………………………. 59

 

فصل پنجم: نتیجه‫ گیری و پیشنهادات

 

مراجع……………………………….. 66

 

چکیده:

 

در این پژوهش تأثیر زمان عملیات زیر صفر بر رفتار سایشی فولاد 7147/1 (5120) موردمطالعه قرار گرفته است. جهت انجام عملیات کربوره کردن، نمونه­ها درون جعبه­هایی از فولاد نسوز با ترکیبی از پودر زغال، باریم کربنات و سدیم هیدروکسید به نسبت 1:1:50 قرار گرفت و به مدت 6 ساعت، در دمای C◦ 920 کربوره شد؛ سپس در داخل این جعبه در هوا تا دمای محیط خنک شدند. عملیات آستنیته کردن در دمایC◦ 930 به مدت 1 ساعت بر روی نمونه‌ها اعمال و در روغن کوئنچ شد. به‌منظور بررسی تأثیر زمان فرایند زیر صفر عمیق، نمونه‌ها به مدت‌زمان 1، 24، 30 و 48 ساعت در نیتروژن مایع در دمایC◦ 196- نگهداری شدند و سپس در دمای محیط در اتاق نگهداری شد. به‌منظور بهبود خواص فولاد و آزاد­سازی تنش­های داخلی ناشی از کوئنچ، نمونه­ها به مدت 2 ساعت در دمای C ◦ 200 در کوره‌ نگهداری شدند. نمونه­ها پس از آماده سازی سطحی، تحت آزمون­های مختلف قرار گرفتند. برای تعیین فازها از روش پراش پرتو ایکس استفاده شد؛ بدین منظور نمونه‌ها در ابعاد مناسب تهیه و با استفاده از نرم‌افزار Xpert فازهای موجود با استفاده از عناصر اولیه تعیین شد. آزمون سایش به روش گلوله روی دیسک با استفاده از گلوله­ای از جنس کاربید تنگستن بر نمونه‌های دیسکی با دو بار 80 و 110 نیوتون به مسافت 1000 متر در رطوبت هوای 5±30% و درجه حرارت C◦ 5±25 انجام شد. سختی نمونه‌ها به‌صورت ماکرو در مقیاس راکول سی اندازه‌گیری شد. اندازه‌گیری سختی نمونه‌ها قبل و بعد از بازگشت، با بار اعمالی 30 کیلوگرم انجام گردید. همچنین ریز سختی نمونه‌ها با استفاده از دستگاه ریز سختی سنجی و با نیروی g100 انجام گردید؛ سطوح سایش ابتدا توسط استون تمیز شده و با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) موردمطالعه قرار گرفت. محصولات سایش نیز توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف­سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDS) مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات پراش پرتو ایکس حاکی از کاهش در مقدار آستنیت باقیمانده در اثر اعمال عملیات زیر صفر بوده بگونه­ای که در زمان های بیش ازیک ساعت، پیک آستنیت باقیمانده مشاهده نشده­است. بررسی‌های میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی توزیع بهتر کاربیدها، ریز شدن و افزایش کسر حجمی کاربیدها را در عملیات زیرصفرعمیق نشان داد. بدین ترتیب عملیات زیر صفر عمیق منجر به افزایش در سختی در حد 4 تا 33% و تا 24 ساعت ، افزایش مقاومت سایشی تا %39/191 می­گردد. با افزایش بیش­تر زمان عملیات زیر صفر، مقاومت سایشی نمونه­ها کاهش یافته است؛ به­گونه­ای که در نمونه­ی 48 ساعت عملیات زیر صفر شده مقاومت سایشی کاهش یافته است. علت افزایش سختی نمونه­ها کاهش میزان آستنیت باقیمانده در اثر عملیات زیر صفر عمیق و دلیل کاهش مقاومت سایشی نمونه­ها پس از 24 ساعت، رشد کاربید­ها و توزیع غیریکنواخت آن در ساختار و در نتیجه ضعیف شدن زمینه بوده است؛ بنابراین مدت زمان 24 ساعت عملیات زیر صفر عمیق بر فولاد 7147/1 زمانی بهینه است.

 

فصل اول: مقدمه

 

در بسیاری از کاربرد‌‌‌‌های صنعتی نیاز به قطعاتی است که دارای سطحی سخت بوده و درعین‌حال از چقرمگی یا مقاومت به ضربه‌ی خوبی نیز برخوردار باشند. ازجمله مواردی که می‌‌توان در این رابطه به‌عنوان مثال به آن‌ها اشاره کرد عبارت‫اند از:میل‌لنگ، میل بادامک، چرخ‌دنده و قطعات مشابه. این قطعات باید سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش داشته و همچنین بسیار چقرمه و مقاوم در برابر ضربه‌‌‌‌های وارده در حین کار باشند.

 

بسیاری از قطعات فولادی را می‌‌توان به نحوی عملیات حرارتی کرد که در پایان دارای مجموعه‌ای از خواص بالا باشند،‌یعنی درحالی‌که از مقاومت به سایش خوبی برخوردارند، دارای استحکام دینامیکی خوبی نیز باشند. این نوع عملیات حرارتی که اصطلاحا به سخت کردن سطحی موسوم‌اند، آخرین عملیاتی هستند که باید در مرحله­ی پایانی ساخت قطعه و پس‌ازانجام تمام مراحل مربوط به شکل‌دهی نظیر ماشین‌کاری انجام شود.

 

روش‌‌‌‌های مختلف عملیات حرارتی که به کمک آن‌ها می‌توان سطح قطعات را سخت کرد، عمدتاً به دو دسته تقسیم می‌شوند. دسته‌ی اول عملیاتی که منجر به تغییر در ترکیب شیمیایی سطح فولاد می‌‌شوند و به عملیات حرارتی­شیمیایی یا ترمو­شیمی موسوم‌اند، نظیر کربن‌دهی، نیتروژن­دهی و کربن نیتروژن­دهی. دسته‌ی دوم روش‌‌‌‌هایی که بدون تغییر ترکیب شیمیایی سطح و فقط به کمک عملیات حرارتی که در لایه‌ی سطحی متمرکز شده، انجام می­شوند و باعث سخت شدن سطح می‌گردند و به عملیات حرارتی موضعی موسوم‌اند، مانند سخت کردن شعله‌ای و سخت­کردن القایی. در آلیاژ‌‌‌‌های آهن–کربن و فولاد‌ها، مارتنزیت از سردکردن سریع آستنیت به وجود می‌آید. واژه­ی مارتنزیت که برای مدت‌‌‌‌ها فقط به ساختار سخت حاصل از سریع سرد کردن فولاد‌‌‌‌های کربنی اطلاق می­شود برای قدردانی از دانشمند معروف آلمانی به نام مارتنز است. در به­کار بردن واژه‌ی مارتنزیت، اخیراً به‌جای محصولات حاصل، تأکید بیش‌تر بر روی طبیعت دگرگونی گذاشته‌شده است. مارتنزیت فازی است که توسط یک دگرگونی مارتنزیتی ‌یا جابجایی گروهی اتم‌‌‌‌ها حاصل می‌‌شود، گرچه ممکن است فاز یادشده‌، ترکیب شیمیایی، ساختار بلوری و خواص کاملاً متفاوتی از مارتنزیت در فولاد‌‌‌‌ها داشته باشد. دمایی را که در‌یک آلیاژ دگرگونی آستنیت به مارتنزیت شروع می‌‌شود، دمای شروع تشکیل مارتنزیت نامیده و آن را با M_s نشان می‌‌دهند. در حقیقت، M_s نشان دهنده‌ی مقدار نیروی محرکه‌ی ترمودینامیکی لازم برای شروع دگرگونی برشی آستنیت به مارتنزیت است. با افزایش درصد کربن، دمای M_s به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. در حقیقت کربن موجود به‌صورت محلول جامد، استحکام یا مقاومت برشی آستنیت را افزایش می­دهد و بنابراین با افزایش کربن نیرومحرکه‌ی بیش‌تری جهت شروع لغزش برای تشکیل مارتنزیت لازم است. این نیروی محرکه‌ی بیش‌تر، با سرد کردن فولاد تا دمایی پایین‌تر و یا به‌عبارت‌دیگر تحت تبرید بیش‌تر(M_s کمتر) به دست می‌‌آید. دمای پایان تشکیل مارتنزیت (M_f)‌یا دمایی که دگرگونی آستنیت به مارتنزیت در‌یک آلیاژ داده‌شده خاتمه می‌یابد نیز تابعی از درصد کربن آلیاژ است.

 

آستنیت باقیمانده فازی نرم بوده و در دمای پایین ناپایدار است؛ به‌گونه‌ای که در دمای پایین و در حین کار به مارتنزیت ترد تبدیل می‌‌شود. تبدیل آستنیت به مارتنزیت تقریباً 4% انبساط حجمی ایجاد می‌‌کند که منجر به اعوجاج قطعات می‌‌شود. بنابراین از عملیات زیر صفر یا بازگشت چندتایی در دمایی نسبتاً بالا و یا مدت‌زمان طولانی برای کمینه کردن میزان آستنیت باقیمانده در فولاد‌‌‌‌ها استفاده می‌‌شود.

 

دو نوع عملیات زیر صفر وجود دارد: 1) زیر صفر سطحی که در محدوده دمایی 100- تا C°60- انجام می­شود. این عملیات منجر به کاهش آستنیت باقیمانده و افزایش مقاومت سایشی می‌‌شود. 2) زیر صفر عمیق که در دما‌‌‌‌های زیر C°125- انجام می­شود.

 

اثرات زیر صفر‌ عمیق عبارت‌اند از:

 

1- تبدیل آستنیت باقیمانده به مارتنزیت

 

2- کاهش تنش­های پسماند

 

3- تشکیل کاربیدهای بسیار ریز که در بین کاربیدهای درشت قرار می‌‌گیرند

 

4- تشکیل ابرهای نابجایی در فصل مشترک زمینه‌ی مارتنزیتی و کاربید‌‌‌‌ها در طول فرایند هم‌دما سازی و تشکیل کاربید