چکیده
نانوکامپوزیت¬های زمینه¬ی آلومینیومی ریختگی در صنایعی چون خودروسازی و هوا-فضا بکار گرفته می¬شوند. یکی از هدف¬های مهم ساخت و تولید این کامپوزیت¬ها، دستیابی توام به وزن سبک (به¬واسطه استفاده از زمینه فلزی سبک) و استحکام بالا (به-واسطه حضور درصد معینی از ذرات تقویت¬کننده با استحکام بالا) است. از چالش¬های مهم در این حوزه می¬توان به ترشوندگی نامطلوب ذرات با زمینه، تخلخل، عدم پخش یکنواخت و متعاقب آن کلوخه¬شدن ذرات، و نیز واکنش¬های میان ذرات و زمینه اشاره کرد. عدم پخش موثر و یکنواخت ذرات تقویت¬کننده در زمینه¬ی فلزی می¬تواند منجر به افت خواص مکانیکی، به¬ویژه خصوصیات خستگی ماده کامپوزیتی ¬شود. پژوهش حاضر به ساخت و بررسی رفتار مکانیکی نانوکامپوزیت¬های زمینه¬ی آلومینیومی (A356) تقویت¬شده با ذرات نانوسیلیکا (SiO2) می¬پردازد که توسط ریخته¬گری به کمک عملیات آلتراسونیک ساخته شده¬اند. پس از ساخت کامپوزیت مذکور، بررسی ریزساختار به همراه تحلیل خواص مکانیکی، به¬ویژه رفتار خستگی پرچرخه، انجام شد. هدف اصلی از بررسی رفتار خستگی پرچرخه کامپوزیت¬های زمینه فلزی، کاربردهای این دسته از مواد کامپوزیتی است که در آن¬ها تنش¬های اعمالی عمدتا در ناحیه الاستیک قرار می¬گیرند. به این منظور دوغاب¬های نانوکامپوزیتی از آلیاژ A356 حاوی 125/0 تا 375/0 درصد وزنی نانوذرات سیلیکا تحت عملیات آلتراسونیک قرار گرفته و به صورت ثقلی در قالب¬های فولادی ریخته شدند. ابتدا ترانسدیوسری با فرکانس تشدید 20 کیلوهرتز و با قابلیت خنک¬کاری با گردش آب و هوا، طراحی، شبیه¬سازی و ساخته شده و پارامترهای بهینه آن در ارتعاش مذاب آلومینیوم مشخص شد. علاوه بر ساخت نمونه¬های کامپوزیتی، نمونه¬های شاهد (بدون تقویت¬کننده) نیز تحت شرایط یکسان ساخته شدند. با توجه به نقش مخرب تخلخل بر خواص خستگی، روش¬های مختلفی برای کاهش تخلخل در نمونه¬های ریختگی به¬کار برده شده، نهایتا همه نمونه¬ها تحت عملیات شکل¬دهی مشخصی قرار گرفتند. ریزساختار نمونه¬ها توسط میکروسکوپ¬های نوری و الکترونی روبشی مورد مطالعه قرار گرفته، تاثیر عملیات آلتراسونیک بر تشکیل فاز¬ها، کلوخه¬شدن نانوذرات تقویت¬کننده، تر¬شوندگی نانوذرات توسط زمینه فلزی، و یکنواختی توزیع نانوذرات در زمینه بررسی شد. با انجام عملیات آلتراسونیک، از یک سو هیچ سرباره¬ی¬ حاوی ذرات پس¬زده شده بر روی مذاب ایجاد نشد و از سوی دیگر، ذرات کلوخه¬شده¬ی قابل¬ملاحظه¬ای نیز در بررسی¬های ریزساختاری مشاهده نگردید. با توجه به ترشوندگی ضعیف ذرات نانوسیلیکا در مذاب A356، این مشاهدات نشان¬دهنده تاثیر قابل¬ملاحظه عملیات آلتراسونیک بر پراکندگی و ترشوندگی ذرات تقویت کننده سیلیکا در مذاب کامپوزیتی آلومینیوم است؛ هم¬زدن صوتی موثر ذرات در مذاب، و نیز فعالیت حباب¬های کاویتاسیونی در کاهش کلوخه¬ی ذرات و متعاقب آن بهبود اتصال در فصل مشترک ذرات با زمینه، از علل مهم در مشاهدات مذکور دانسته شد. نتایج این پژوهش نشان داد که نمونه¬ی کامپوزیتی با 125/0 درصد وزنی تقویت¬کننده،¬ دارای بهترین خصوصیات مکانیکی نسبت به سایر کامپوزیت¬هاست، به¬طوری¬که این کامپوزیت مقادیر بالاتری از استحکام کششی، استحکام فشاری، انعطاف¬پذیری و چقرمگی را از خود نشان داد. در درصدهای بالاتر از ذرات تقویت کننده، مقادیر استحکام کششی، استحکام فشاری، انعطاف¬پذیری و چقرمگی کاهش یافت که علت آن توزیع غیریکنواخت¬تر ذرات دانسته شد. برای نمونه با بیشترین خواص مکانیکی، مکانیزم¬های هال-پچ، عدم انطباق در ضریب انبساط حرارتی، و اوروان، به¬ترتیب مکانیزم¬های غالب تقویت¬کنندگی شناخته شدند. در پایان، نمونه¬ی کامپوزیتی با درصد تقویت¬کننده بهینه به¬همراه نمونه شاهد تحت آزمون خستگی پرچرخه در بازه¬ی 30 تا 90 درصد تنش تسلیم قرار گرفتند. نتایج این مطالعه نشان از افزایش قابل¬ملاحظه عمر خستگی نانوکامپوزیت ساخته شده در مقایسه با نمونه شاهد داشت (برای مثال تا 100% افزایش در عمر خستگی نمونه کامپوزیتی حاوی 125/0 درصد وزنی تقویت¬کننده در تنش¬های خستگی کم) و بهبود قابل¬توجهی نسبت به مطالعات پژوهشگران قبلی را نشان داد. دلیل این مسئله بهبود ترشوندگی ذرات تقویت¬کننده، پخش موثر و یکنواخت آنها، و نیز اصلاح ساختار ماده کامپوزیتی تشخیص داده شد. به دلیل تاثیر سدکنندگی ذرات در مقابل رشد و اشاعه نابجایی¬ها و ترک¬ها، مقدار افزایش عمر خستگی در سطوح تنشی پایین¬تر (و چرخه¬های بالا) بیشتر -بوده، به¬طوری¬که در این سطوح تنشی، تا صد درصد افزایش در عمر خستگی کامپوزیت با درصد تقویت¬کننده بهینه مشاهده شد.

کلمات کلیدی: نانوکامپوزیت ریختگی، آلیاژ A356، نانو سیلیکا، عملیات آلتراسونیک روی مذاب، استحکام خستگی، کلوخه شدن، کاویتاسیون