فهرست مطالب

مهندسی متالورژی - پیاپی 82 (تابستان 1400)

مجله مهندسی متالورژی
پیاپی 82 (تابستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1401/08/01
  • تعداد عناوین: 7
|
  • حمدالله صالحی*، نرگس السادات موسوی نژاد، پیمان امیری صفحات 78-86

    در این مقاله ویژگی های الکترونی و ترموالکتریکی Sb1-xAxNSr3 به ازاء P، As و Bi مورد بحث و بررسی قرار گرفت. محاسبات در چارچوب نظریه تابعی چگالی و روش شبه پتانسیل با امواج تخت انجام شد. جهت محاسبات پتانسیل تبادلی- همبستگی از تابعی هیبریدی HSE استفاده شد. نتایج محاسبات الکترونی نشان داد اتم های P و As به میزان اندکی گاف نواری را افزایش و اتم Bi آن را کاهش می دهد. ویژگی های ترموالکتریکی از قبیل ضریب سیبک، رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی در سه دمای 300، 500 و 700 کلوین محاسبه شدند. رسانندگی الکتریکی ترکیبات آلاییده با افزایش دما، افزایش می یابد. رسانندگی گرمایی الکترونی محاسبه شده نشان داد که با افزایش دما رسانندگی گرمایی افزایش می یابد. ضریب سیبک برای هر سه ناخالصی، در دمای اتاق مقادیر بیش تری نسبت به دیگر دماها داشت. بیشینه ضریب سیبک Sb1-xPxNSr3 بیش تر از دیگر ناخالصی ها به دست آمد.

    کلیدواژگان: نظریه تابعی چگالی، SbNSr3، ضریب سیبک، رسانندگی گرمایی، رسانندگی الکتریکی
  • فردین نعمت زاده*، مهدی فراهانی، یوسف پاینده، حسین مستعان صفحات 87-97

    استنت های از جنس آلیاژحافظه دار نایتینولی می تواند بدلیل کاهش دادن مشکلاتی نظیر رفتار دینامیکی نامناسب، قابلیت پیچ خوردن کم و استحکام شعاعی ناکافی سایر استنت ها برای استفاده در نای بکار رود. در این مقاله از روش اجزاء محدود برای بررسی رفتار مکانیکی و کلینیکی استنت های از جنس آلیاژحافظه دار نایتینولی برای کاربرد در نای انسانی استفاده شد. ارزیابی استنت ها با اعمال کرنش شعاعی مطابق استاندارد و با در نظرگرفتن خواص متالورژیکی و مکانیکی آنها انجام گرفت. مدل ماده مورد استفاده جهت توصیف خواص ماده حافظه داربر اساس انرژی ترمودینامیکی آزاد هلمهولتز (مدل آریشیو)  و انرژی ترمودینامیکی آزاد گیبس (مدل لاگوداس) بود. استنت از جنس آلیاژحافظه دار نایتینولی با خواص ماده دارای دمای آستنیتی 24 درجه سانتیگراد بدلایلی نظیر نیروی مناسب اعمالی به مجرا، استحکام مقاومتی شعاعی مطلوب و حلقه هیسترزیس کامل وابسته به رفتار ابرکشسانی بعلاوه تنش کمتر و کرنش بیشتر عملکرد مکانیکی و کلینیکی بهتری نشان داد.

    کلیدواژگان: استنت حافظه دار، مطالعه محاسباتی، نای، دمای پایان آستنیتی
  • نگاه پارسی، باقر محمد صادقی*، حسین عربی، بهمن میرزاخانی صفحات 98-109
    در این تحقیق رفتار خستگی کارابین مدل GUARDO ساخته شده از آلومینیوم 7175 مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش کشش یکنواخت با سرعت  mm/min35 بر روی یک کارابین اعمال شد. در مرحله بعد آزمایش خستگی بر روی یک کاربین مشابه، تحت بار کششی در محدوده صفر تا kN 15با فرکانس Hz 2 و فاکتور سقوط 2 (مشابه سقوط فردی به وزن kg 120 از ارتفاع 6 متر) انجام شد. عمر خستگی این کارابین در شرایط مذکور 2227 چرخه تعیین شد. سطح مقطع شکست این کارابین توسط میکروسکوپ الکترونی بررسی و تصویربرداری شد. در تصاویر حاصل از شکست نگاری علاوه بر مناطق سه گانه شکست خستگی، تشکیل ترک های ثانویه در محدوده فازهای ترد هم مشاهده شد. همچنین با استفاده از نرم افزار CATIA یک مدل هندسی برای کارابین طراحی شد. در ادامه به منظور مش بندی و بارگذاری خستگی کارابین تحت بارهای مختلف چرخه ای در محدوده صفر تا حداکثر نیرو (kN 3.9.13.15.21) با فرکانس Hz 2، نرم افزار المان محدود ABAQUS مورد استفاده قرار گرفت. نتایج مستخرج از این نرم افزار، نظیر مقادیر تنش و کرنش در هر یک از شرایط مذکور بارگذاری، در نرم افزار FE-safe به عنوان اطلاعات ورودی اعمال شد. در این نرم افزار برای تخمین عمر خستگی کارابین از خواص خستگی این آلیاژ و مدل تخمین عمر مانسون-کافین-باسکوین استفاده شد و تعداد چرخه های منجر به شکست در هر یک از شرایط بارگذاری محاسبه گردید. در انتها یک مدل ریاضی جهت تخمین رابطه بین نیرو و عمر خستگی این نوع کارابین پیشنهاد شد.
    کلیدواژگان: کارابین، آلیاژ آلومینیوم 7175، رفتار خستگی، شبیه سازی المان محدود، شکست نگاری
  • محمدرسول خورشیدی فرد، مرتضی عابدینی* صفحات 110-121

    هدف این تحقیق بررسی رفتار خوردگی، رفتگی و رفتگی-خوردگی پوشش های نیکل-فسفر حاوی ذرات SiC روی سطح فولاد  X65 است. پوشش دهی در حمام های الکترولس حاوی صفر، 5، 10 و 15 گرم بر لیتر انجام شد. پس از آماده سازی پوشش ها، بررسی ها با استفاده از میکروسکپ الکترونی روبشی (SEM)، پراش پرتو ایکس (XRD) و سختی سنجی انجام شد. همچنین آزمون های پلاریزاسیون در حالت ساکن و در حین رفتگی روی پوشش های مختلف انجام گرفت. آزمون های رفتگی-خوردگی و رفتگی خالص نیز با استفاده از دستگاه جت برخوردی تحت زاویه برخورد 90 درجه و سرعت برخورد 5/6 متر بر ثانیه انجام شد و پارامترهای هم افزایی رفتگی و خوردگی محاسبه شد. نتایج آزمون XRD و تصاویر SEM بیانگر افزایش مقدار کاربید سیلیسیم در پوشش با افزایش غلظت ذراتSiC  در حمام الکترولس نیکل-فسفر تا 10 گرم بر لیتر بود. افزایش بیشتر غلظت ذرات در حمام تاثیر چندانی بر مقدار ذرات در پوشش نداشت. آزمون های پلاریزاسیون در حالت رفتگی بیانگر تاثیر زیاد حضور ذرات SiC در کاهش نرخ خوردگی پوشش های کامپوزیتی در مقایسه با پوشش ساده نیکل-فسفر بود. همچنین نتایج آزمون های رفتگی و رفتگی-خوردگی نشان داد که افزودن ذرات SiC به پوشش می تواند منجر به کاهش قابل توجه نرخ رفتگی-خوردگی و نرخ رفتگی شود. این موضوع به نقش ذرات SiC در محدود کردن تغییر شکل پلاستیک ناشی از برخورد ذرات ساینده حین آزمون رفتگی و رفتگی-خوردگی در سطح پوشش کامپوزیتی نسبت داده شد.

    کلیدواژگان: پوشش الکترولس Ni-P، پوشش Ni-P-SiC، خوردگی، رفتگی، رفتگی- خوردگی
  • داوود یوسفی، رضا تقی آبادی*، محمدحسین شاعری صفحات 122-132

    دستیابی به خواص مکانیکی مورد نظر در کامپوزیت های درجا، نیازمند بهسازی مورفولوژی، کاهش ابعاد و بهبود شرایط توزیع ذرات تقویت کننده ای است که هنگام انجماد به صورت درجا در زمینه تشکیل می شوند. هدف از انجام تحقیق حاضر بررسی تاثیر افزودن تیتانیم و فرایند فورج چند جهته (MDF)، به عنوان یک فرایند قابل اجرا در مقیاس صنعتی، بر ریزساختار و خواص مکانیکی برشی کامپوزیت ریختگی ZA22-4Si است. نتایج به دست آمده نشان داد که بهسازی شیمیایی کامپوزیت توسط افزودن 2/0 درصد تیتانیم موجب تبدیل دانه های دندریتی و بزرگ اولیه به دانه های ریز و هم محور، کاهش ابعاد ذرات سیلیسیم اولیه (SiP) و تخلخل ها و توزیع یکنواخت آن ها در ساختار می شود. بر اساس نتایج آنالیز تصویری، اندازه متوسط دانه ها و ذرات SiP از حدود 750 و 25 میکرومتر به ترتیب به حدود 135 و 15 میکرومتر رسید. انجام فرآیند فورج در دمای 100 درجه سانتیگراد در تعداد پاس های مختلف روی نمونه ها، علاوه بر درهم آمیختن ساختار دندریتی اولیه، موجب کاهش ابعاد و توزیع یکنواخت تر ذرات SiP در زمینه شد. بر اساس نتایج آنالیز تصویری، به ازای 2 و 5 پاس فورج، اندازه ذرات سیلیسیم اولیه به ترتیب به حدود 8 و 6 میکرومتر رسید. همچنین بر اساس نتایج آزمایش پانچ برشی، پس از MDF و افزودن تیتانیم، استحکام تسلیم برشی و استحکام برشی نهایی کامپوزیت ریختگی 5 پاس MDF شده از حدود 135 و 164 مگاپاسکال به ترتیب به حدود 92 و 130 مگاپاسکال کاهش و میزان جابجایی نرمال آن از 52/0 به حدود 72/0 افزایش یافت.

    کلیدواژگان: آلیاژ Zn-22Al، سیلیسیم، تیتانیم، فورج چند جهته، خواص مکانیکی برشی
  • مهدی کمالی نجف آبادی، سعید شیبانی*، ابوالقاسم عطایی صفحات 133-144

    در این تحقیق، هدف دستیابی به محلولی غنی از آهن، کلسیم و منیزیم از یکی از منابع ارزان ثانویه یعنی غبار کوره فولادسازی قوس الکتریکی است. مشخصه یابی ماده اولیه با روش‏های طیف سنجی فلورسانس اشعه ایکس، طیف سنجی تفرقی اشعه ایکس، پلاسمای جفت شونده القایی و میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی انجام شد. کلسیم و آهن دو عنصر اصلی تشکیل دهنده غبار کوره قوس الکتریکی بوده و شرایط لیچینگ آن ها در دما و غلظت های مختلف سولفوریک اسید متفاوت است. از آنجایی که مقدار کلسیم در ترکیب شیمیایی اولیه غبار کوره قوس الکتریکی بسیار بیشتر از آهن است، لازم است ابتدا مقداری از کلسیم به همراه سایر عناصر نامطلوب حذف شود. برای به حداکثر رساندن نسبت کل بازیابی آهن به کلسیم F/C و ارزیابی تاثیر غلظت سولفوریک اسید و دما، از روش سطح پاسخ به عنوان طراحی آزمایش استفاده شد. بهترین مقدار بازیابی آهن از غبار طی یک فرایند لیچینگ دو مرحله ای به ترتیب با استفاده از محلول 1/0 و 1 مولار سولفوریک اسید (یک ساعت، دمای 85 درجه سانتی گراد و نسبت محلول به جامد 50) انجام شد. در این حالت، مقدار F/C تقریبا برابر با 4 بود که این به نسبت ترکیب شیمیایی ابتدایی غبار کوره قوس الکتریکی، هشت برابر بیشتر است.

    کلیدواژگان: بازیابی، آهن، کلسیم، طراحی آزمایش، لیچینگ، غبار کوره قوس الکتریکی
  • راضیه چهارمحالی، میثم نوری*، آرش فتاح الحسینی صفحات 145-163

    آلیاژهای فلزی به دلیل دارا بودن خواص مکانیکی مناسب، کاربردهای گسترده ای به عنوان کاشتنی و ابزارهای مورد استفاده در بدن دارند. این آلیاژها در کاربردهایی چون ترمیم و تعویض مفاصل اسکلتی انسان، دندان پزشکی، دستگاه های قلبی و عروقی و جراحی استفاده می شوند. شرایط کاری این قطعه ها و محیط بدن موجب می شود این کاشتنی ها در معرض انواع مختلف سایش قرار گیرند. سایش یکی از عوامل اصلی کنترل کننده عمر کاشتنی و قطعه های فلزی مورد استفاده در بدن است و بسیاری از آن ها به دلیل پدیده های سایشی پس از مدتی توانایی عملکرد مناسب خود را از دست می دهند. به علاوه، ذرات تولیدشده در اثر سایش می توانند موجب التهاب و سست شدن فصل مشترک بین کاشتنی و بافت میزبان شوند. در مقاله حاضر، انواع آلیاژهای فلزی مورد استفاده به عنوان کاشتنی و ابزارهای مورد استفاده در بدن و سازوکارهای سایشی که با آن ها مواجه هستند، مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه، روش های پوشش دهی که می توانند به منظور افزایش مقاومت به سایش قطعه ها و کاشتنی ها مورد استفاده قرار بگیرند، بررسی شده و مزیت ها و عیب های هر یک بیان شده است. با توجه به در دسترس نبودن مطالعه جامع در این حوزه به زبان فارسی، این مقاله می تواند مورد استفاده پژوهشگران و فعالان حوزه های ایمپلنت ها، بیوتریبولوژی و برهم کنش بین کاشتنی ها و بدن قرار بگیرد.

    کلیدواژگان: کاشتنی های فلزی، سایش، تریبولوژی، پوشش دهی
|
  • Hamdollah Salehi *, Nargheso sadat Mousavinezhad, Peyman Amiri Pages 78-86

    In this paper, the electronic and thermoelectric properties of Sb1-xAxNSr3, A=P, As, and Bi has been investigated. The calculations were done within density functional theory and using pseudo-potential method with plane wave. HSE hybrid functional was used for exchange correlation potential. The electronic results showed that band gap increases by doping P and As atoms and decreases by doping Bi atom. The seebeck coeficient, electrical conductivity and electronic thermal conductivity were calculated in three temperatures of 300, 500 and 700 K. The electrical and electronic thermal conductivity increases with temperature. Seebeck coefficient in the room temperature were obtained higher than that of other temperaturs. The maximum Seebeck coefficient of Sb1-xPxNSr3 was higher than that of others.

    Keywords: DFT, SbNSr3, seebeck coefficient, Thermal conductivity, Electrical conductivity
  • Fardin Nematzadeh *, Mehdi Farahani, Yousef Payandeh, Hossein Mostaan Pages 87-97

    Simulation of Nitinol shape memory alloy stents behavior for application in trachea stent implantation has been strategically used for solving trachea stenosis. Predicaments like insufficient radial strength, low twisting ability, inappropriate dynamic behavior and restenosis are expected to be solved by the introduction of new designs. Superelastic shape memory alloy stent is an interesting alternative for minimizing these tight spots. The application of finite element method to predict metallurgical of superelastic shape memory alloy stents for trachea duct dilatation is supported by conventional crimp tests. The present simulation modeled the stent material’s superelasticity based on Auricchio theories (Helmholtz free energy) and Lagoudas (Gibbs free energy).Nitinol shape memory alloy stents with material properties contain Af temperature of 24°C° is shown to have the best mechanical performance for clinical applications. Owing to lower chronic outward force (COF), higher radial resistive force (RRF), and more suitable superelastic behavior. Model calculations showed that a very high change of Af temperature could exert a substantial effect on practical performance of the stent. This FEM model can provide a convenient way for evaluation of biomechanical properties of peripheral stents given to effects of metallurgical properties such as austenite finish temperature.

    Keywords: Computational study, Austenite Finish Temperature, Shape memory alloy Stents, Trachea lumen
  • Negah Parsi, Bagher Mohammad Sadeghi *, Hossein Arabi, Bahman Mirzakhani Pages 98-109
    Fatigue behavior of GUARDO Carabiner made from Al-7175 was investigated in this study. Monotonic tensile test with a cross-head speed of 35 mm.min-1 was applied on one of the Carabiners, before application of fatigue test on a similar Carabiner under a load range of 0-15 kN and a frequency of 2 Hz using a Falling Factor of 2 (this is equivalent to the free fall of a person with 120 kg weight whom attached to a rope and falls from a hight of 6 m). Under the above-mentioned condition, the fatigue life of the Carabiner was 2227 cycles. Fatigue fracture surface of the Carabiner was also examined by Scanning Electron Microscope. The results of fractography showed the formation of all the three stages of fatigue cracking as expected, as well as the presence of secondary cracks in the vicinity of brittle phases. A geometrical model of the Carabiner was designed using CATIA and specific mesh size applied on it in ABAQUS software. Simulations via ABAQUS were performed for various cyclic tensile load ranges (3, 9, 13, 15, 21 kN) with a frequency of 2 Hz. The output data for each simulation were used as input data in FE-safe software in order to estimate the fatigue life of Carabiner model. In FE-safe software, fatigue properties of Al-7175 were estimated and then Manson-Coffin-Basquin equation was used for prediction of fatigue life of carabiner for each cyclic tensile loading. Finally, a mathematical model was proposed in order to predict the relationship between the applied force and the number of cycles to failure.
    Keywords: Carabiner, Aluminium Alloy 7175, Fatigue Behavior, FEM simulation, Fractography
  • MohammadRasool Khorshidi Fard, Morteza Abedini * Pages 110-121

    In the present paper, corrosion, erosion and erosion-corrosion behavior of Ni-P-SiC composite coatings on the surface of X65 carbon steel were investigated. The coatings were produced in an electroless solution containing 0, 5, 10, and 15 g/l SiC particles. The prepared coatings were studied using scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and microhardness measurements. Polarization tests in a stagnant solution and during erosion-corrosion were also performed to characterize the corrosion behavior of various coatings. Erosion-corrosion and pure erosion tests were carried out using a slurry impingement rig at an impingement angle of 90° under a jet velocity of 6.5 m/s and the synergy parameters were then calculated. SEM images and XRD results showed an increase in the amount of embedded SiC particles in the coatings by increasing the concentration of SiC particles in Ni-P bath up to 10 g/l. Further increase in the SiC concentration in the electroless bath had less effect on the amount of embedded SiC in the coatings. Polarization tests during erosion-corrosion revealed that the embedded SiC particles could largely lower the corrosion rate of the composite coatings as compared with Ni-P coating.  The results also showed that the addition of SiC particles in the coating resulted in a significant decrease in the erosion and erosion-corrosion rates. This was attributed to the limited plastic deformation on the surface of the composite coating as a result of the presence of SiC particles.

    Keywords: Electroless Ni-P coating, Ni-P-SiC coating, Corrosion, erosion, Erosion-corrosion
  • Davoud Yousefi, Reza Taghiabadi *, Mohammadhossein Shaeri Pages 122-132

    Achieving the desired mechanical properties in in-situ composites is governed by morphological modification, refinement, and even distribution of reinforcement particles which are formed during their solidification. This study was aimed to investigate the effect of Ti addition and multidirectional forging (MDF), as an industrially practical process, on microstructure and shear mechanical properties of cast ZA22-4Si composite. The obtained results showed that chemical modification of composite through 0.2 wt. % Ti addition converted the coarse primary grains to the well-refined equiaxed grains and reduced the size of primary Si particle (SiP), and porosities and improved their distribution within the matrix. The image analysis results also indicated that the average size of grains and SiP particles reduced from 750 and 25 mm to about 135 and 15 mm, respectively. Applying MDF at 100 ° C at the different passes breaks the primary dendrite network, decreased the average size of SiP particles, and promoted their even distribution within the matrix. According to the image analysis results in 2- and 5-pass MDFed composite the average size of SiP particles reached to about 8 and 6 μm, respectively. The shear punch tests also indicated that the combined effect of MDF and Ti addition reduced the strength whilst improved the ductility of as-cast composite where the yield and tensile shear strength of 5-pass MDFed sample reduced from 135 and 164 MPa to about 92 and 130 MPa, respectively, and its normal displacement value improved from 0.52 to about 0.72.

    Keywords: Zn-22Al alloy, Silicon, titanium, Multidirectional forging, Shear mechanical properties
  • Mahdi Kamali Najafabadi, Saeed Sheibani *, Abolghasem Ataie Pages 133-144

    This work aimed to obtain a solution rich in iron, calcium, and magnesium from electric arc furnace dust of steelmaking. Raw materials characterization was performed by several techniques, including X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD), inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES), and field emission scanning electron microscopy (FESEM). Calcium and iron are the two main constituents of arc furnace dust, but their dissolution conditions vary at different temperatures and concentrations of sulfuric acid. Since the amount of calcium in the initial chemical composition of the electric arc furnace dust is much higher than iron, it is necessary to remove some calcium along with other undesirable elements. The response surface methodology (RSM) was used as the experimental design to maximize the total ratio of iron to calcium recovery (F/C) and evaluate the effective parameters, including sulfuric acid concentration and temperature. Recovery of iron from electric arc furnace dust reached to its maximum value via a two-stage leaching process: 0.1 M and 1 M H2SO4, respectively, in 1 hour at the temperature of 85 °C and liquid to solid ratio of 50. Under the above experimental conditions, the F/C ratio was almost 4, which is eight times higher than that of in the initial electric arc furnace dust.

    Keywords: Recycling, Iron, Calcium, Design of experiment, Leaching, Electric Arc Furnace Dust
  • Razieh Chaharmahali, Meisam Nouri *, Arash Fattah-Alhosseini Pages 145-163

    Metallic alloys are utilized widely as implants and bio-tools due to their prominent mechanical properties. They can be used as endoprostheses, dental implants, cardiovascular devices parts, and surgery tools. The working conditions and the environmental characteristics of the body cause the implants to be exposed to various types of wear. Abrasion is a critical factor in controlling the life cycle of the implant and the metallic parts used in the body and many of these objects fail to function properly due to abrasion phenomena. Moreover, the fine particles produced due to abrasion can actively produce inflammation and loosening at the interface between the implant and the host tissue. In this paper, various metallic alloys that are used as implants and the bio-tools and their corresponding wear mechanisms have been reviewed, comprehensively. Moreover, the coating techniques that enhance the tribological performance of the objects and implants have been studied and their advantages and disadvantages have been discussed.

    Keywords: Metallic implants, Failure, Tribology, Wear, Coating