فهرست مطالب

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد - پیاپی 58 (پاییز 1400)

نشریه فرآیندهای نوین در مهندسی مواد
پیاپی 58 (پاییز 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/08/19
  • تعداد عناوین: 7
|
  • سعید تقی رمضانی*، ضیاء والفی، ناصر احسانی، مسعود میرجانی صفحات 1-15

    در این تحقیق ابتدا پودر آلومینای آمورف با استفاده از فرآیند هم رسوبی سنتز شد، سپس پوشش های YSZ/Al2O3 در دو حالت نانوآلومینای پیرولیز نشده و کریستالی با فرآیند پاشش پلاسمایی اعمال شدند. آزمون های اکسیداسیون دما بالا و شوک حرارتی در دمای C 1100 انجام گرفتند. مشخصه های ساختاری و فازی پوشش ها با استفاده از میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترون روبشی گسیل میدانی (FE-SEM) و پراش سنجی اشعه ی ایکس (XRD) بررسی شدند. مقایسه ی ساختاری نمونه ها نشان داد که استفاده از پودر نانوآلومینا کریستالی در کامپوزیت لایه ای YSZ/Alumina، سبب افزایش خواص حرارتی پوشش ها می شود. خواص اکسیداسیون دمای بالا و مقاومت در برابر شوک حرارتی پوشش های YSZ/Al2O3 با نانوآلومینای پیرولیز نشده و پوشش های با ترکیب مشابه با نانوآلومینای کریستالی که با پاشش پلاسمایی ایجاد شدند مورد بررسی قرار گرفتند. یافته ها نشان دادند که استفاده از پودر نانوآلومینای پیرولیز نشده در کامپوزیت لایه ای YSZ/Al2O3 منجر به افزایش تخلخل و حفرات انقباضی در پوشش می شود که سبب افزایش نفوذ مولکول های اکسیژن شده که در جهت افزایش ضخامت لایه TGO عمل می کند. همچنین تراکم بالا و تماس مناسب بین اسپلت های حاصل از پودر نانوآلومینای کریستالی مقاومت بالاتری را در برابر سیکل های حرارتی نتیجه می دهد.

    کلیدواژگان: پوشش سپر حرارتی، پیرولیز پیش ماده، سدنفوذی آلومینا، اکسیداسیون دما بالا، شوک حرارتی
  • حسین امامی*، حمیدرضا ابراهیمی صفحات 17-22

    در این مطالعه نانو ذرات فریت نیکل مس دوپ شده با کادمیم با فرمول Ni0.5Cu0.5Fe2O4 (Cd Doped) که دارای ساختار اسپینلی است از طریق تکنیک هم رسوبی تولید شد. نانوذرات حاصل جهت ساخت بخش حساس نانوحسگر گاز استفاده گردید. برای تعیین ساختار نانوذرات مذکور از تکنیک های پراش پرتو ایکس (XRD, X-ray diffraction)، فلورورسانس پرتو ایکس (XRF, X-ray fluorescence) و میکروسکوپ الکترونی عبوری Transmission electron microscopy (TEM) استفاده گردیده است. حساسیت این نانوذرات نسبت به نمونه های گازی مختلف شامل استون، استونیتریل، آکریلونیتریل، فرمامید، کربن تتراکلرید، وینیل استات، اتانول، آمونیاک و متانول مورد بررسی قرار گرفت. گونه های گازی موردنظر با غلظت ppm 200 در بازه دمایی 50 تا C300 در معرض نانوحسگر قرار داده شدند. بهترین رفتار حسگری برای گاز استونیتریل در دمای   C 200 مشاهده شد. به علاوه، در دمای C 200 ، غلظت های مختلفی از استونیتریل در محدوده 20 تا ppm 200 مورد آزمایش واقع شدند. نتایج نشان داد نمونه های دارای غلظت های بالاتر، پاسخ حسگری بهتری داشتند.

    کلیدواژگان: نانوذرات، فریت نیکل مس دوپ شده با کادمیم، روش هم رسوبی، نانوحسگر، استونیتریل
  • خشایار مرشد بهبهانی، پوریا نجفی سیار*، محمود پاکشیر، نیکا ذاکرین صفحات 23-33

    در این پژوهش، عملیات حرارتی تمپر در دمای ثابت 550 درجه سانتی گراد و زمان های متفاوتی از 5/0 تا 24 ساعت بر روی نمونه های فولاد زنگ نزن مارتنزیتی UNS S42000 صورت گرفت تا بتوان رفتار خوردگی بین دانه ای آلیاژ را مورد بررسی قرار داد. خصوصیات میکروساختار و خواص الکتروشیمیایی آلیاژ به ترتیب با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و روش پلاریزاسیون آندی ارزیابی شدند. خوردگی موضعی نمونه ها نیز با استفاده از روش طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی پتانسیودینامیک در ناحیه پتانسیل ترانس پسیو صورت گرفت. نتایج حاکی از خوردگی بین دانه ای شدیدی برای نمونه هایی با 2 ساعت عملیات حرارتی تمپر بود، درصورتی که زمان های طولانی عملیات حرارتی تمپر به دلیل حساسیت زدایی موجب تقلیل اثر تمپر بر خوردگی بین دانه ای می شود. علاوه بر این، نتایج طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی پتانسیودینامیک نشان داد که مقاومت انتقال بار نمونه ها در پتانسیل 10/1 ولت می تواند به عنوان معیار مهمی به منظور بررسی خوردگی بین دانه ای فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی مورد استفاده قرار گیرد، بدین صورت که هرچه مقاومت انتقال بار در این پتانسیل کمتر باشد، مقاومت به خوردگی بین دانه ای نیز کمتر خواهد بود. این نتایج در تطابق با تصاویر مربوط به مورفولوژی سطوح خورده شده بوده که بیانگر خوردگی یکنواخت، خوردگی موضعی و حساسیت زدایی به ترتیب برای نمونه های تمپر نشده، زمان های کوتاه تمپر و زمان های طولانی تمپر می باشد.

    کلیدواژگان: فولاد زنگ نزن مارتنزیتی، خوردگی بین دانه ای، طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی، تمپر
  • مهیار داریوندپور، رضا دهملایی*، خلیل رنجبر صفحات 35-48

    در این پژوهش، جوشکاری فولاد کم آلیاژ استحکام بالا، HSLA-100، با استفاده از سه فلز پرکننده هم جنس با فلز پایه (HSLA-100)، ER100S-G و ER120S-G با روش GTAW انجام شد. بررسی های ریزساختاری با استفاده از میکروسکوپ های نوری و الکترونی روبشی صورت پذیرفت. هم چنین، به منظور ارزیابی خواص مکانیکی اتصال، آزمون های کشش، ضربه و سختی سنجی مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد که ریزساختار فلز جوش HSLA-100 شامل بینیت دانه ای و فریت چندوجهی، فلز جوش ER100S-G شامل فریت های سوزنی، ویدمن اشتاتن و مرزدانه ای و فلز جوش ER120S-G شامل فریت های سوزنی، چندوجهی و شبه چندوجهی بود. به علاوه، تشکیل فاز ثانویه (ترکیبات) مارتنزیت/ آستنیت (M/A) در ریزساختار تمامی فلزات جوش مشاهده گردید که شکل غالب این فاز در فلزات جوش HSLA-100 و ER100S-G به صورت بلوکی و تشکیل شده در مرزدانه های آستنیت اولیه و در فلز جوش ER120S-G از نوع رشته ای بود. نتایج آزمون های مکانیکی مشخص نمود که در میان فلزات جوش، فلز جوش ER120S-G از بالاترین میزان استحکام کششی (859 مگاپاسکال)، درصد ازدیاد طول (22%)، انرژی ضربه (45 ژول) و سختی (7/294 ویکرز) برخوردار بود. درحالی که فلز جوش ER100S-G، کم ترین استحکام کششی (775 مگاپاسکال) و سختی (4/268 ویکرز) و فلز جوش HSLA-100، کم ترین مقاومت به ضربه (25 ژول) را از خود نشان دادند.

    کلیدواژگان: فولاد HSLA-100 ریزساختار، فلز جوش خواص مکانیکی فریت سوزنی ترکیبات M، A
  • علی یداللهی، میثم تراب مستعدی، کمال صابریان*، امیر چرخی صفحات 49-63

    فرآیند تجزیه قلیایی با سدیم هیدروکسید یکی از متداول ترین روش ها جهت استحصال زیرکونیم از کانی زیرکن می باشد. این فرآیند شامل سه مرحله ذوب با قلیا، آب شویی و فروشویی اسیدی است. در این پژوهش روش طراحی آزمایش تاگوچی به همراه تحلیل رابطه ای خاکستری، جهت آنالیز و بهینه سازی پارامترهای موثر بر فرآیند تجزیه قلیایی، جهت استحصال زیرکونیم از کانی زیرکن بکار گرفته شد. نتایج به دست آمده نشان داد که ذوب قلیایی در شرایط بهینه دمای 650 درجه سانتی گراد، نسبت مولی سدیم هیدروکسید به زیرکن 6:1 و غلظت سدیم هیدروکسید 30 درصد، منجر به تجزیه 6/98 درصدی زیرکن اولیه می شود. به نحوی که هیچ پیکی از زیرکن در الگوی پراش اشعه ایکس محصول به دست آمده از واکنش ذوب قلیایی در این شرایط مشاهده نشد. در مرحله آب شویی، سه مرتبه شستشوی محصول به دست آمده از واکنش ذوب قلیایی با نسبت مایع به جامد 5 در دمای 30 درجه سانتی گراد منجر به حذف 9/98 درصد از سدیم و 9/77 درصد از سیلیسیم موجود در ترکیب شد. در این شرایط بهینه، طیف پراش اشعه ایکس جامد به دست آمده از آب شویی پس از حرارت دهی در دمای 800 درجه سانتی گراد، حضور پیک های ZrO2 و SiO2 را نشان داد. در مرحله اسیدشویی، فروشویی با سولفوریک اسید 4 مولار با نسبت مایع به جامد 20 و در دمای 60 درجه سانتی گراد منجر به بازیابی 7/92 درصدی زیرکونیم موجود در زیرکن اولیه شده و مقدار سیلیسیم در محلول فروشویی اسیدی 31 میلی گرم بر لیتر به دست آمد. یافته های این پژوهش شرایط بهینه عملیاتی برای روشی آسان، کم هزینه و مناسب در مقیاس صنعتی برای استحصال زیرکونیم از کانی زیرکن را ارایه می دهد.

    کلیدواژگان: زیرکن، تجزیه قلیایی، زیرکونیم، طراحی آزمایش تاگوچی، تحلیل رابطه ای خاکستری
  • سیده زهرا انوری*، محمد حاجب، محمود فاضل نجف آبادی صفحات 65-79
    در این تحقیق نانو ذرات CuO، ZnO و نانوکامپوزیت ZnO-CuO با روش سل ژل سنتز شد. ویژگی های محصولات سنتز شده با استفاده از آزمون های XRD، DRS-UV و FESEM ارزیابی شد. نتایج تجزیه و تحلیل XRD نشان داد که نانو ذرات CuO، ZnO و کامپوزیت ZnO-CuO کریستالی بوده و آمورف نیست. نتایج تجزیه و تحلیل DRS-UV نشان داد که به ترتیب CuO، ZnO و نانوکامپوزیت ZnO-CuO دارای متوسط انرژی شکاف باند 27/1 و 21/3 و 43/2 الکترون ولت هستند. محاسبات نشان داد ترکیبات CuO و ZnO و کامپوزیت ZnO-CuO در اثر تابش نور می تواند به ترتیب 40، 10 و 68% از آلاینده ی رنگی رودامین B را تخریب نماید؛ بنابراین کامپوزیت نمودن ZnO با CuO سبب افزایش فعالیت فتوکاتالیزوری محصولات شد. همچنین مکانیسم فعالیت فتوکاتالیزوری محصولات سنتز شده و نقش اکسید مس در افزایش بازه فرآیند فتوکاتالیزوری مورد بحث قرار گرفته است. ارزیابی خواص ضد باکتری نشان داد نانو کامپوزیت ZnO-CuO دارای توانایی ضد باکتریایی علیه استافیلوکوکوس آریوس به عنوان باکتری گرم مثبت و اشریشیاکلی به عنوان باکتری گرم منفی است.
    کلیدواژگان: سل، ژل فتوکاتالیزوری ZnO، CuO خاصیت ضد باکتری
  • نوشین نانکلی*، امیرحسین مغنیان، مرتضی ثقفی یزدی صفحات 81-95
    شیشه های زیست فعال قابلیت اتصال با بافت های بدن را نیز دارند، از این نظر می توان آن ها را موادی مناسب برای کاربردهایی نظیر مهندسی بافت استخوان دانست. در این پژوهش ابتدا به سنتز و بررسی تغییرات ساختاری، زیست سازگاری، زیست فعالی، رفتار زیستی و خاصیت ضد باکتریایی شیشه های زیست فعال پایه سیلیکاتی جانشین شده با استرانسیوم و بدون استرانسیوم پرداخته شد. برای بررسی زیست فعالی، پودر شیشه ها در زمان های 1، 3، 7 و 14 روز در محلول شبیه سازی شده با محیط بدن قرار داده شدند و قبل و بعد از بازه های زمانی مذکور، تغییرات و روند تشکیل لایه هیدروکسی آپاتایت روی سطح آن ها، با استفاده از پراش پرتوایکس، مطالعات طیف سنجی فروسرخ، بررسی نرخ رهایش عناصر مختلف شیشه، تغییرات pH و مطالعات ریزساختار با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی، بررسی شد. نتایج آزمون های پراش پرتوایکس و مطالعات طیف سنجی فروسرخ، تغییرات ایجاد شده روی لایه هیدروکسی آپاتایت بلورین را نشان داد. همچنین نتایج آزمون زنده/ مرده، بررسی ریزساختار هسته و ریز رشته های اکتین سلول های استیوبلاست MC3T3-E1 نشان داد که 5 درصد استرانسیوم در شیشه زیست فعال پایه سیلیکاتی منجر به رشد، تکثیر و فعالیت سلول های استیوبلاست MC3T3-E1 شد. نتایج آزمون سمیت سلولی و ارزیابی فعالیت فسفات قلیایی نشان داد که جایگزینی استرانسیوم بجای کلسیم در ترکیب شیشه زیست فعال پایه سیلیکاتی نه تنها سمیت سلولی ایجاد نکرد بلکه باعث تکثیر قابل ملاحظه و فعالیت سلول های استیوبلاست MC3T3-E1 شد. بهبود خاصیت ضد باکتریایی شیشه زیست فعال حاوی استرانسیوم بر علیه باکتری مرسا در قیاس با شیشه زیست فعال بدون استرانسیوم دیده شد.
    کلیدواژگان: شیشه زیست فعال پایه سیلیکاتی هیدروکسی آپاتایت استرانسیوم ضد باکتریایی سلول های استئوبلاست MC3T3، E1
|
  • Saeid Taghi Ramezani *, Zia Valefi, Naser Ehsani, Masud Mirjani Pages 1-15

    In this research, firstly amorphous Alumina powder was produced by co-precipitation method. Then YSZ/Al2O3 coatings were applied by plasma spraying process in two types of pyrolyzed and crystalline nano-alumina. High temperature oxidation and thermal shock resistance test were done at 1100˚C. Microstructure and phase analysis of coatings were studied by optical and electron microscopes and XRD method. Comparison of the microstructure of coatings showed that the use of crystalline nano-alumina powder in the YSZ/Alumina layer composite upgrades the thermal properties. High temperature oxidation and thermal shock resistance of plasma sprayed YSZ/Al2O3 with un-pyrolysed nano-alumina and coatings with same composition with crystalline nano-alumina to created by plasma spraying were studied. Findings showed that the use of un-pyrolyzed nano-alumina powder in YSZ/Al2O3 layer composite resulted in increased porosity and shrinkage cavities in the coating, which increased the diffusion of O2 that causes the TGO growth rate. Also, high density and proper contact between the splats made of crystalline nano-alumina powder results in higher resistance of thermal cycles.

    Keywords: thermal barrier coating, Precursor Pyrolysing Alumina Diffusion Barrier High Temperature Oxidation Thermal Shock
  • Hossein Emami *, HamidReza Ebrahimi Pages 17-22

    In this study cadmium doped nickel copper ferrite Ni0.5Cu0.5Fe2O4 (cd doped) nanoparticles with spinel structure were synthesized using co-precipitation method. The nanoparticles were employed as a gas sensing material. X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF) and transmission electron microscopy (TEM) techniques were used to characterize the nanoparticles structure. The sensing behavior of the nanoparticles was examined in the presence of different gases including. Acetone, acetonitrile, acrylonitrile, formamide, caron tetrachloride, vinyl acetate, ethanol, ammonia, and methanol. The characterization process was performed for a concentration of a 200 ppm and within a temperature interval from 50 ˚C to 300 ˚C and the best sensing behavior was found to be at 200 ˚C. Furthermore, various concentrations of acetonitrile gas at 200 ˚C within a concentration interval of 20 to 200 ppm were tested and it is found that the higher concentrations will result in a better response.

    Keywords: Nanoparticles Cadmium Doped Nickel Copper Ferrite Co, Precipitation Method Nanosensor Acetonitrile
  • Khashayar Morshed Behbahani, Pooria Najafisayar *, Mahmoud Pakshir, Nika Zakerin Pages 23-33

    In this research, UNS S42000 martensitic stainless steel (SS) samples were subjected to tempering heat treatment at constant temperature of 550 oC for different time duration, ranging between 0.5 and 24 h, so as to assess the intergranular corrosion (IGC) behavior of the alloy. The microstructural characteristics and electrochemical properties of the alloys were evaluated using scanning electron microscopy (SEM) and anodic polarization method, respectively. The localized attack of the samples was investigated by potentiodynamic electrochemical impedance spectroscopy (PD-EIS) in the transpassive potential region. The results indicated that tempering up to 2 h would be followed by severe intergranular attack at martensite lath interfaces; however, the effect of tempering on corrosion performance of the alloys would be suppressed at prolonged tempering due to desensitization. Moreover, the PD-EIS results revealed that the charge transfer resistance (Rct) values of specimens at 1.10 V can be employed as a primary criterion in order to assess the localized attack of the martensitic SS. In this regard, the lower the Rct value at this DC bias potential, the lower the corrosion resistance to the IGC. These results were in good agreement with the SEM morphologies from the surfaces of corroded samples, indicating uniform corrosion, severe attack and desensitization for samples experiencing no-tempering, short tempering time and prolonged tempering, respectively.

    Keywords: Martensitic Stainless Steel, Intergranular Corrosion, EIS, Tempering
  • Mahyar Darivandpour, Reza Dehmolaei *, Khalil Ranjbar Pages 35-48

    In this study, welding of high strength low alloy steel, HSLA-100 was performed using three fillers metals, cut from base metal (HSLA-100), ER100S-G and ER120S-G by GTAW procedure. Microstructural studies were conducted using optical and scanning electron microscopes. Tensile, impact and hardness tests were also used to evaluate the mechanical properties of the joint. The results showed that the microstructure of HSLA-100 weld metal included granular bainite and polygonal ferrite, ER100S-G weld metal consisted of acicular, Widmannstatten and grain boundary ferrites and ER120S-G weld metal comprised of acicular, polygonal and quasi-polygonal ferrites. Furthermore, the formation of a secondary phase (constituent) of martensite / austenite (M / A) was observed in the microstructure of all weld metals. The predominant form of this phase in HSLA-100 and ER100S-G weld metals was blocky type and formed along the prior austenite grain boundries and in ER120S-G weld metal was in the form of stringer type. The results of mechanical tests demonstrated that among weld metals, ER120S-G weld metal had the highest tensile strength (859 MPa), percent elongation (22%), impact toughness (45 joule) and hardness (294.7 HV30). whilst, the ER100S-G weld metal had the lowest tensile strength (775 MPa) and hardness (268.4 HV30) and the HSLA-100 weld metal had the lowest impact toughness (25 Joule).

    Keywords: HSLA, 100 Steel Microstructure Weld Metal Mechanical Properties Acicular Ferrite M, A Constituents
  • Ali Yadollahi, M. Torab Mostaedi, Kamal Saberayn *, Amir Charkhi Pages 49-63

    Alkali decomposition with NaOH is the most commonly used method for extraction of zirconium from zircon mineral. This process includes alkali fusion, water leaching and acid leaching steps. In this study, Taguchi method was utilized to find the optimum operational conditions of alkali decomposition process. The results showed that under the optimal conditions of NaOH/ZrSiO4 mole ratio of 6:1, NaOH concentration of 30% and fusion temperature of 650 °C, 98.6% of the initial zircon was decomposed, as no pick of ZrSiO4 was observed in the XRD pattern of the alkali fusion product. The conditions of water leaching step were investigated as well, and under the optimal conditions of, liquid–solid ratio of 5:1, leaching temperature of 30 °C and leaching three times, 96.2% of sodium and 77.9% of silica content in the alkali fusion product were removed. The crystal phase structures of ZrO2 and SiO2 were observed in the residual solid after heat treatment. In the acid leaching step, leaching with 4 mol/L sulfuric acid with liquid/solid ratio of 20 at temperature of 60 °C, resulted in 92.73% recovery of zirconium and the silica content in the acid leaching solution was obtained 31 ppm. Results of this research suggest the optimal operational conditions of the facile, low price and proper industrial method for recovery of zirconium from zircon mineral.

    Keywords: Zircon, Alkali Decomposition, Zirconium, Taguchi Design of Experiment, Gray Relational Analysis
  • Seyedeh Zahra Anvari *, Mohammad Hajeb, Mahmoud Fazel Pages 65-79
    In this research CuO and ZnO and CuO-ZnO nanocomposites were synthesized using sol- gel method. The samples were characterized by DRS-UV, X-ray diffraction (XRD), and field emission scanning electron microscopy (FESEM). The results of XRD showed that the CuO and ZnO and ZnO-CuO composite are crystalline. The results of the DRS-UV analysis showed that the CuO, ZnO, and ZnO-CuO composite, respectively, have a mean band gap of 1.27 and 3.21 and 2.43 eV. According to calculations CuO, ZnO and ZnO-CuO composite show 40, 10 and 68% of degradation efficiency against of rhodamine B dye, respectively. Therefore, the addition of CuO to ZnO increased the photocatalytic activity of the products. The mechanism of photocatalytic activity of synthetic products and copper oxide is discussed in the process of increasing the photocatalytic process intervals. ZnO-CuO nanocomposite has an antibacterial ability against Staphylococcus aureus as a positive bacterium and E. coli as a negative bacterium.
    Keywords: Sol - Gel Photocatalyst ZnO, CuO Antibacterial Property
  • Noushin Nankali *, Amirhossein Moghanian, Morteza Saghafi Yazdi Pages 81-95
    Bioactive glass (BG), is able to bind to body tissues, in this regard, it can be considered suitable material for applications such as bone tissue engineering. In this study, we first synthesized and studied the structural changes, biocompatibility, in vitro bioactivity, biological behavior and antibacterial properties of silicate-based BG containing with strontium. To evaluate the bioactivity, the BG powder was placed in a simulated body fluid (SBF) solution for 1, 3, 7 and 14 days and then before and after the mentioned time periods, the changes and the process of forming a hydroxyapatite (HA) layer on their surface was studied by using X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), release rates of various ions elements, pH changes and scanning electron microscopy (SEM). The results of X-ray diffraction tests and infrared spectroscopy studies confirmed the formation of crystalline HA layer on the BG surface. Moreover, the results of live/dead assay, nucleus microstructure and actin microfilaments of MC3T3-E1 osteoblast cells showed that 5% of strontium in silicate-based bioactive glass led to the growth, proliferation and activity of MC3T3-E1 osteoblast cells. The results of cytotoxicity test and evaluation of alkaline phosphate activity showed that substitution of strontium instead of calcium in silicate-based bioactive glass composition not only did not cause cytotoxicity but also caused significant proliferation and activity of MC3T3-E1 osteoblast cells. Meanwhile, improvements in the antibacterial properties of strontium-containing bioactive glass against MRSA bacteria were observed in comparison with strontium-free bioactive glass.
    Keywords: Bioactive Silicate Glass Hydroxyapatite Strontium Antibacterial MC3T3, E1 Osteoblast Cells