مواد و ساخت پیشرفته

یک کامپوزیت متشکل از دو یا چند جزء، یک جزء به نام فاز تقویت­ کننده و یک جز دیگر به عنوان زمینه (ماتریس)، ترکیب­شده در سطح ماکروسکوپی است. مواد فاز ماتریس به طور کلی پیوسته هستند و به انواع فلزات، پلیمرها و سرامیک­ها طبقه ­بندی می­شوند. ماده فاز تقویت­ کننده می­تواند ورقه، الیاف یا ذرات باشد. کامپوزیت زمینه فلزی[1] (MMC) یکی از انواع مواد کامپوزیت است و «از ترکیب دو یا چند ماده که خواص بهتری نسبت به مواد منفرد (یعنی مواد اولیه کامپوزیت‌ها) نشان می‌دهند، تهیه می‌شود و یکی از این مواد یک فلز است و نشان‌دهنده یک فاز زمینه در کامپوزیت است». کامپوزیت ­های زمینه فلزی بر اساس مواد ماتریس طبقه­ بندی می­شوند. در MMC، مواد تقویت‌کننده عمدتاً سرامیک‌هایی به شکل رشته، الیاف پیوسته یا ناپیوسته و ذرات هستند، بنابراین به آن کامپوزیت زمینه فلزی تقویت‌شده با ذرات سرامیکی[2] (CPRMMC) می‌گویند. تقویت­کننده­ هایی که به طور معمول در این کامپوزیت­ها استفاده می­شوند عبارتند از ZrO₂، B₄C، AlN، TiC، Al₂O₃، Si₃N₄ و SiC. به طور کلی، کامپوزیت­ های زمینه فلزی با تقویت ذرات سرامیکی که به روش "ریخته ­گری نفوذی[3]" تولید می­شوند، توجه گسترده­ای را به خود جلب کرده ­اند. این مواد کامپوزیت دارای خواص عالی (مانند هزینه کم، مقاومت در برابر سایش خوب، مدول ویژه بالا و ....) هستند، بنابراین در بسیاری از قطعات مهندسی مورد استفاده قرار می­گیرند. هنگامی که ذرات سرامیکی ترد به زمینه آهن اضافه می­‌شوند، استحکام کامپوزیت­ ها بهبود می­یابد زیرا (1) ذرات سرامیکی توسط زمینه فلزی محافظت می­شوند و (2) ذرات سرامیکی می­توانند ضربه ­های قوی را تحت شرایط تنش بالا جذب کنند.

چندین مطالعه در مورد اثرات اندازه ذرات و توزیع ذرات بر روی خواص کامپوزیت انجام شده است. به طور کلی، کامپوزیت­های زمینه فلزی بر پایه آهن در چندین کاربرد صنعتی استفاده می­شود و به دلیل مشکل سایش عمر مفید بسیار کوتاهی دارند. بنابراین، محققان زیادی بهبود مقاومت در برابر سایش مواد فلزی سنتی را مورد مطالعه قرار داده­اند. کامپوزیت­های زمینه آهنی و فولادی، که توسط ذرات سرامیکی تقویت می­شوند، به سرعت در حال توسعه هستند و به دلیل خواص افزایش ­یافته (مانند چقرمگی، پلاستیسیته، استحکام، مقاومت در برابر سایش و سختی) به جای مواد فلزی در بسیاری از کاربردهای مقاوم در برابر سایش استفاده می­شوند. با این حال، مکانیسم‌های سایش کامپوزیت‌های زمینه آهن تمرکز کمی برای مطالعه تأثیر شرایط سایش ساینده­ ها دارند. ذرات Al₂O₃ (ZTA)  مقاوم شده با ZrO₂، به دلیل ضریب انبساط حرارتی مشابه با آهن، سختی بالاتر و چقرمگی شکست بهتر، به طور گسترده­ای به عنوان یک فاز تقویت­کننده برای غلتک­های سنگ­زنی کامپوزیتی پایه آهنی، آسترها و چکش­های مسطح استفاده می­شوند. چندین بررسی بر روی کامپوزیتی زمینه فلزی پایه آهنی که با ZTA تقویت شده است، توسط چندین گروه برای ارزیابی خواص مواد این کامپوزیت مورد مطالعه قرار گرفته است. در صنعت، کامپوزیت آهنی تقویت شده با ZTA (به نام کامپوزیت Xwin®) در شرکت Magotteaux با استفاده از "ریخته­گری نفوذی" بر روی صفحات هسته سرامیکی تولید می­شود. مواد کامپوزیت کاربردهای فراوانی در صنایع دارند و استفاده از این کامپوزیت­ها در فرآیند کشش عمیق روند جدیدی برای به دست آوردن محصولات کشیده شده با کیفیت بالا می­باشد.

یک مطالعه جدید با هدف تهیه کامپوزیت­ های ترکیبی زمینه فلزی (MMC) بر پایه آهن تقویت­ شده با کسر حجمی 0، 1، 2، 3 و 4 درصد از مخلوط ثابت (80 درصد Al₂O₃ و 20 درصد ZrO₂) با استفاده از متالورژی پودر و بررسی خواص مکانیکی این کامپوزیت­های هیبریدی انجام شده است. برای این منظور، پودرها در 640 مگاپاسکال متراکم شده­اند و در حضور گاز آرگون در دمای 1120 درجه سانتیگراد تف­جوشی شده ­اند. خلوص، چگالی، اندازه و شکل متوسط دانه با دزیمتر (Dosimeter)[4]، آنالایزر اندازه ذرات و SEM اندازه گیری شده است. در این بررسی، کامپوزیت‌های زمینه فلزی پایه آهنی تهیه شده و چندین آزمایش مکانیکی مانند آزمون‌های ضربه، فشار، کشش و سختی و همچنین بررسی ریزساختاری توسط SEM، برای اندازه‌گیری خواص مکانیکی و فیزیکی کامپوزیت‌های زمینه فلزی استفاده شده است. نتایج نشان داده ­اند خواص مکانیکی ابتدا از ماتریس با (0% Vf) ذرات تقویت­ کننده کاهش می­یابد و سپس با افزایش کسر حجمی تا رسیدن به (3% Vf) افزایش یافت و دوباره در (4% Vf) کاهش می­یابد. بنابراین بهترین خواص مکانیکی در کسر حجمی 3% تقویت­کننده در بین تمام کسرهای حجمی بررسی شده بدست می‌آید و MMC دارای به ترتیب 61%، 37% و 7% خواص مقاومت فشاری، سختی HRC و به ترتیب قدرت خرد شدن شعاعی بیشتری نسبت به خواص ماتریس می­باشد.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590123022003176