بهبود خواص مكانيكي مس با اكستروژن و انبساط تناوبي تحت فشار هيدرواستاتيك

Improvement of Cu Mechanical Properties by Cyclic Extrusion and Expansion under Hydrostatic Pressure

مواد ريزدانه، خواص مكانيكي فوق‌العاده‌اي از خود نشان مي‌دهند و كاربرد فراواني در صنايع مختلف دارند. يكي از راه‌هاي توليد ميل‌گرد ريزدانه استفاده از روش‌هاي تغيير شكل پلاستيك شديد است. اكستروژن و انبساط متوالي نمونه به‌عنوان يكي از روش‌هاي تغيير شكل پلاستيك شديد براي توليد ميل‌گردهاي ريزدانه مورد استفاده قرار مي‌گيرد. با افزايش طول قطعه، نيروي اصطكاك افزايش پيدا مي‌كند، تا جايي كه نيروي مورد نياز براي عمليات شكل‌دهي به حدي افزايش پيدا مي‌كند كه امكان انجام فرآيند وجود ندارد. براي حل اين مشكل، در اين پژوهش، فرآيند "اكستروژن و انبساط تناوبي تحت فشار هيدرواستاتيك" به‌عنوان يك روش جديد تغيير شكل پلاستيك شديد براي توليد ميل‌گردهاي با ساختار ريزدانه با طول بلند پيشنهاد شده است. در اين روش، عمليات شكل‌دهي با استفاده از روغن تحت فشار انجام مي‌گيرد؛ به همين دليل، تنش‌هاي هيدرواستاتيك فشاري به ماده اعمال مي‌شود و سبب بهبود مناسب خواص مكانيكي مي‌شود. همچنين، نتايج شبيه‌سازي اجزاي محدود اين روش، تاثير ميزان ضريب اصطكاك بر نيروي شكل‌دهي و مستقل‌بودن نيروي شكل‌دهي از طول ميل‌گرد را به‌دليل انجام فرآيند به‌صورت هيدرواستاتيك نشان مي‌دهد؛ بنابراين، فرآيند قادر است كه ميله‌هايي با طول بلند و ساختار ريزدانه توليد كند. ميل‌گردي از جنس مس خالص تحت اين فرآيند قرار گرفت و نتايج، حاكي از آن است كه پس از انجام فرآيند، حد تسليم و استحكام نهايي به‌ترتيب 200% و 33% افزايش يافت. همچنين سختي نمونه به‌صورت قابل ملاحظه‌اي 120% افزايش يافت و توزيع نسباتاً همگني از سختي در قطر ميل‌گرد به‌دست آمد. نتايج ريزساختار، ريزدانه‌شدن قابل توجهي را پس از فرآيند نشان داد كه اندازه دانه‌ها تا 8 ميكرومتر در مركز قطعه و 5 ميكرومتر در شعاع خارجي كاهش يافته است.

Fine grain materials exhibit excellent mechanical properties and are widely used in various industries. One way to produce fine grain bar is by using the severe plastic deformation techniques. Cyclic extrusion and expansion of the sample is used as one of the methods of severe plastic deformation for production of fine-grained bars. As the length of piece increases, the friction force increases, so that the required force for shaping operation is increased to such an extent that the process cannot be performed. For solving this problem, the “Cyclic Extrusion and Expansion under Hydrostatic Pressure” is proposed as a new method of severe plastic deformation for production of long-length fine-grained bars. In this method, the forming operation was done by using a pressure oil, so the hydrostatic compressive stresses are applying to the material and improve the mechanical properties. Also, the results of simulation of finite elements of this method show the effect of friction coefficient on the forming force and independence of the forming force from the bar length due to the hydrostatic process. Therefor the process is capable of producing rods of long length and fine structure. Results of pure copper rebar underwent this process showing that the yield strength and final strength increased by 200% and 33%, respectively. Also, the sample hardness increased substantially by 120%, and the distribution of relatively homogeneous hardness in rebar diameter was obtained. The microstructure results showed a fine-grain after the process, with the grain size reduced to 8μm in center and 5μm in outer diameter.