فهرست مطالب

مواد پیشرفته در مهندسی - سال سی و هفتم شماره 4 (زمستان 1397)

فصلنامه مواد پیشرفته در مهندسی
سال سی و هفتم شماره 4 (زمستان 1397)

  • تاریخ انتشار: 1397/12/18
  • تعداد عناوین: 8
|
  • بیتا پوربهاری، حامد میرزاده *، مسعود امامی صفحات 1-11
    تحولات ریزساختاری در حین عملیات آنیل دمای بالا برای آلیاژهای منیزیم حاوی آلومینیوم و گادولینیمپس از فرایند اکستروژن مورد ارزیابی قرار گرفت و با آلیاژ 61AZ مقایسه شد. با قرارگیری آلیاژها در دمای بالا مشخص شد که حضور فاز Gdز3(Mg,Al) که پس از اکستروژن به شکل ذرات ریز و پراکنده در ریزساختار قرار می گیرد اثر مثبتی بر جلوگیری از رشد دانه ها دارد. همچنین مشخص شد که ذرات Gd2 Al نمی توانند به شکل موثری جلوی رشد دانه را بگیرند. از طرف دیگر، رشد دانه در آلیاژ 61AZ به عنوان یک مشکل جدی مطرح شد که می تواند به دلیل حل شدن ذرات بین فلزی 12Al 17Mg در دماهای بالاتر از 300 درجه سانتی گراد باشد. در آلیاژهای منیزیم حاوی آلومینیوم و گادولینیم، بهبود پایداری آلیاژ در دمای بالا دیده شد که به افزایش دمای ذوب نسبت داده شد. درنهایت، رشد دانه غیریکنواخت در حضور ذرات Al2Gd مشاهده شد که به اثر پین کنندگی غیریکنواخت مرزدانه ها توسط این ترکیب بین فلزی مرتبط شد.
    کلیدواژگان: آلیاژهای منیزیم، عناصر نادر خاکی، ریزساختار، سینتیک رشد دانه
  • مهران حق شناس گرگانی، محمد میرکاظمی *، فرهاد گلستانی فرد صفحات 13-23
    در این پژوهش، رفتار جریانی و پایداری دوغاب متشکل از نیترید سیلیسیم، آلومینا، ایتریا و نشاسته، با هدف توسعه روش ریخته گری ژلی با استفاده از نشاسته برای ساخت قطعات نیترید سیلیسیمی متخلخل بررسی شده است. برای پایدارسازی دوغاب، از پراکنده ساز دولاپیکس سی ای 64 (Dolapix CE64) استفاده شد. تاثیر عواملی چون اکسید کردن سطحی پودر نیترید سیلیسیم، مقدار پراکنده ساز، میزان بار جامد و مقدار نشاسته بر رفتار جریانی و گرانروی دوغاب های متشکل از نیترید سیلیسیم و نشاسته بررسی شد تا دوغابی پایدار و با گرانروی مناسب به دست آید. اکسید کردن سطحی پودر نیترید سیلیسیم در دمای 800 درجه سانتی گراد به مدت دو ساعت باعث کاهش گرانروی دوغاب شد. بهترین حالت مقدار پراکنده ساز 4/0 درصد وزنی نسبت به بار جامد به دست آمد. همچنین دوغاب هایی با بار جامد 30 تا 40 درصد حجمی و مقدار نشاسته 5/7 تا 25 درصد حجمی نسبت به بار جامد دارای گرانروی مناسب و پایداری کافی برای ریخته گری بودند.
    کلیدواژگان: نیترید سیلیسیم، سرامیک های متخلخل، ریخته گری ژلی، نشاسته، رفتار جریانی دوغاب
  • مهدی اکبرزاده *، مرتضی زند رحیمی، احسان مرادپور صفحات 25-41
     دی سولفید مولیبدن (MoS2) یکی از رایج ترین پوشش های روانکار جامد است. در این تحقیق پوشش های کامپوزیتی MoS2-Cr به روش کندوپاش مغناطیسی جریان مستقیم، روی فولاد AISI1045 عمال شد. نسبت کروم در پوشش با استفاده از تارگت های مختلف کنترل شد. پوشش ها با استفاده از پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDX) و نانوفرورونده و نانوخراش مشخصه یابی شد. نتایج نشان داد که ضخامت و سختی پوشش های ایجاد شده به ترتیب 6 میکرومتر و 1300-850 ویکرز بود. حضور کروم در پوشش MoSx باعث بهبود چسبندگی و افزایش سختی پوشش می شود. میزان بلورینگی ساختار با افزایش میزان کروم کاهش می یابد. مقدار بهینه افزودن کروم برای ایجاد بهترین خواص سایشی پوشش های MoS2-Cr، 13 درصد اتمی تعیین شد. سایش ورقه ای و تریبوشیمی و خراشان با مکانیزم خیش ریز به عنوان مهم ترین مکانیزم های حاکم در سایش پوشش تعیین شد.
    کلیدواژگان: سولفید مولیبدن، پوشش روانکار جامد، رسوب فیزیکی بخار، رفتار سایشی، ضریب اصطکاک
  • محمد رجبی*، محمد شاهمیری، محسن قنبری صفحات 43-57
    در این پژوهش، اثر بور و زیرکونیوم بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژهای بر پایه Fe3Alمورد مطالعه قرار گرفته است. به منظورآلیاژسازی از کوره القایی تحت خلا استفاده شد و ریخته گری در قالب فلزی صورت گرفت. بررسی های ریزساختاری، فازشناسی، خواص مکانیکی فشاری، کششی و همچنین شکست نگاری روی نمونه ها انجام گرفت. بر اساس مشاهدات ریزساختاری، ریزساختار آلیاژها به صورت دندریتی است و فازهای رسوبی به طور عمومی در مناطق بین دندریتی حضور دارند. افزودن بور و زیرکونیوم موجب تشکیل فازهای رسوبی بورایدی ولاوه در آلیاژ می شود. بررسی تاثیر عناصرآلیاژی افزوده شده به آلیاژ نشان می دهد، زیرکونیوم به علت تشکیل فازهای لاوه بیشترین تاثیر را بر بهبود خواص مکانیکی آلیاژها دارد. بررسی مکانیزم شکست در بین آلیاژها، حاکی از شکست ترد در آنها است..
    کلیدواژگان: آلومیناید آهن، ریخته گری، ریزساختار، خواص مکانیکی
  • زینب جراحی، شهرام رایگان*، مهدی پورعبدلی صفحات 59-72
    در این پژوهش، ساخت آلیاژ حافظه دار Cu-12wt%Al-4wt%Ni حاوی بور به روش آلیاژسازی مکانیکی، پرس و نورد مورد بررسی قرار گرفت. برای تهیه نمونه بالک از پودرهای آلیاژسازی مکانیکی شده به مدت 20 و 40 ساعت، از روش های پرس سرد، تف جوشی، نورد، عملیات حرارتی و کوئنچ استفاده شد. ساختار فازی، میکروساختار، میکروسختی و دمای استحاله نمونه های حاصل مورد مطالعه قرار گرفت. مشخص شد که با افزایش زمان آسیاکاری از 20 به 40 ساعت دماهای شروع استحاله مارتنزیتی از 254 به 264 درجه سانتی گراد افزایش پیدا می کند. همچنین، نتایج نشان داد که افزودن عنصر بور به مقدار 5/0 درصد وزنی باعث افت دمای استحاله به 211 درجه سانتی گراد و افزایش میکروسختی از مقدار 154 به 193 ویکرز می شود که علت آن به ریزدانه شدن در اثر ظهور رسوبات غنی از بور نسبت داده شد. به دلیل ناهمگنی نسبی در غلظت آلومینیوم در زمینه و تشکیل مارتنزیت با ساختار متفاوت، استحاله دو مرحله ای بروز کرد که در نمودار آزمون گرماسنجی تفاضلی روبشی DSCبه صورت دو پیک مجزا ظاهر شد.
    کلیدواژگان: آلیاژ حافظه دار، Cu-12Al-4Ni، دمای استحاله، بور، آزمون گرماسنجی تفاضلی روبشی
  • امیر رزمجو، فاطمه نوری صفا *، ناهید امامی صفحات 73-89
    پلیمر پلی اورتان نقش مهمی در مراقبت های بهداشتی دارد و به طور گسترده در دستگاه ها و ابزارهای پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال، هنوز زیست سازگاری پایین و تشکیل بیوفیلم در سطح آن، موضوعی چالش برانگیز است. اصلاح ترشوندگی سطح روشی موثر برای افزایش زیست سازگاری سطح پلیمر های دارای خواص توده مطلوب است. در این مطالعه، اصلاح سطح صفحات پلی اورتان توسط لایه نازک پلی اتیلن گلیکول و به دام افتادن نانوذرات دی اکسید تیتانیوم در پلیمر به کمک تغییر ساختار فیزیکی و شیمیایی سطح به منظور افزایش زیست سازگاری انجام گرفت. خواص فیزیکوشیمیایی سطوح اصلاح شده با استفاده از طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز (FTIR)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، آنالیز پراش انرژی پرتو ایکس(EDX) و اندازه گیری زاویه تماس و انرژی آزاد سطح مشخص شد. زیست سازگاری سطوح اصلاح شده با استفاده از آزمون سمیت MTT بر سلول های سرطانی دهانه رحم، چسبندگی باکتریایی ها و بررسی تشکیل بیوفیلم و سنجش جذب پروتئین به روش برادفورد مورد بررسی قرار گرفت. یک لایه نازک قابل اتوکلاو و ارزان با ساختار دارای زبری چندگانه و پایدار به طور کووالان روی سطح صفحات پلی اورتان برای کاربردهای زیستی و پزشکی ایجاد شد. نتایج نشان می دهد که به غیر از فعالیت های ضد باکتریایی، نمونه اصلاح شده نیز توانایی کاهش تشکیل بیوفیلم را دارد به طوری که حداکثر مهار بیوفیلم در 24 ساعت اول 94 درصد بیشتر از نمونه اصلاح نشده است.
    کلیدواژگان: زیست مواد، ابرآبدوستی، زیست سازگاری، نانوذرات دی اکسید تیتانیوم، پلی اتیلن گلیکول، پلی اورتان
  • میثم لشنی زند *، بهزاد نیرومند، علی مالکی صفحات 91-100
    خواص مکانیکی آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیم هیپویوتکتیک به شدت تابع ابعاد تیغه های سیلیسیم یوتکتیکی و فاصله بین بازوهای ثانویه دندریتی است. رابطه هال- پچ اصلاح شده اثر این دو متغیر ریزساختاری بر استحکام تسلیم و استحکام کششی آلیاژهای پایه آلومینیوم- سیلیسیم را نشان می دهد. این دو متغیر ریزساختاری به متغیرهایی همچون ترکیب شیمیایی، سرعت سرد شدن و عملیات کیفی مذاب بستگی دارند. در این پژوهش اثر سرعت سرد شدن بر مشخصات ریزساختاری و خواص مکانیکی آلیاژ AS7U3G بررسی شده، ثوابت رابطه هال- پچ اصلاح شده برای این آلیاژ به دست آمد. به این منظور آلیاژ از دمای 750 درجه سانتی گراد در قالب های ماسه ای، فلزی پیش گرم شده و فلزی آبگرد ریخته شد. بررسی های آنالیز حرارتی و متالوگرافی نشان داد که سرعت سرد شدن در قالب فلزی آبگرد 7/15 برابر بیشتر از قالب ماسه ای بوده که درنتیجه باعث کاهش فاصله میانگین بازوهای ثانویه دندریتی از 54 میکرومتر به 17 میکرومتر شد. همچنین مشخص شد که با کاهش فاصله بازوهای ثانویه دندریتی از 45 میکرومتر به 17 میکرومتر استحکام تسلیم و استحکام کششی به ترتیب 5/16 و 5/6 درصد افزایش می یابد. در ادامه با بررسی های متالوگرافی و انجام آزمون های کشش، ثابت های رابطه هال- پچ اصلاح شده و ارتباط خواص کششی با ریزساختار آلیاژ به دست آمد.
    کلیدواژگان: آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیم، آلیاژ AS7U3G، معادله هال- پچ اصلاح شده، فاصله بازوهای ثانویه دندریتی، خواص مکانیکی
  • مجتبی حاج فرج زاده، اکبر اسحاقی*، عباسعلی آقایی صفحات 101-112
    لایه نازک نانوهیبریدی تترا اتیل اورتوسیلیکات- تری گلیسیدوکسی یپروپیل تری متوکسی سیلان روی زیرلایه پلی متیل متاکریلات به روش سل- ژل غوطه وری اعمال شد. آزمون های پراش سنجی پرتو ایکس، طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز با تکنیک بازتاب کلی تضعیف شده، میکروسکوپی الکترونی روبشی گسیل میدانی و میکروسکوپی نیروی اتمی به ترتیب به منظور بررسی ساختار، پیوندهای سطحی، مورفولوژی و زبری لایه نازک صورت گرفت. طیف سنجی نور مرئی- فرابنفش به منظور اندازه گیری طیف عبور نمونه ها انجام شد. همچنین چسبندگی و سختی پوشش به ترتیب توسط آزمون های نوار و مداد ارزیابی شد. نتایج حاصل از آنالیز پراش سنجی پرتو ایکس، تشکیل پوششی با ساختار آمورف را اثبات کرد. همچنین تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی گسیل میدانی مشخص کرد که با اضافه کردن GPTMS به سل TEOS فیلمی عاری از ترک ایجاد خواهد شد. همچنین بر اساس نتایج طیف سنجی نور مرئی- فرابنفش، اعمال لایه نازک نانوهیبریدی افزایش میزان عبور را در ناحیه مرئی نسبت به زیرلایه پلی متیل متاکریلات به همراه خواهد داشت. در ضمن، آزمون مداد نشان داد که با اعمال لایه نازک نانوهیبریدی روی زیرلایه پلیمری سختی از H3 به H6 افزایش می یابد. از طرفی آزمون نوار چسبندگی بالای لایه نازک نانوهیبریدی را به زیرلایه پلی متیل متاکریلات اثبات کرد. درنتیجه پوشش شفاف هیبریدی آلی- معدنی GPTMS-TEOS، می تواند به عنوان پوشش ضد خش روی زیرلایه پلیمری پلی متیل متاکریلات استفاده شود.
    کلیدواژگان: لایه نازک، هیبرید، خواص اپتیکی، سختی، سل- ژل، پلی متیل متاکریلات
|
  • B. Pourbahari, H. Mirzadeh *, M. Emamy Pages 1-11
    Microstructural evolutions during the high-temperature annealing of Mg alloys containing Al and Gd and after the extrusion process were evaluated and compared to those of the AZ61 alloy. It was revealed that during exposure at the elevated temperatures, the presence of (Mg,Al)3Gd phase, in the form of fine and dispersed particles in the matrix after the extrusion process, could be favorable for the inhibition of grain growth. It was also found that the Al2Gd particles could not effectively retard the coarsening of grains. On the other hand, the grain growth of AZ61 alloy was found to be problematic, which was related to the dissolution of the Mg17Al12 intermetallic phase at temperatures higher than 300°C. In the Mg alloys containing both Al and Gd elements, the increased thermal stability was observed, which was ascribed to the rise of the melting temperature. Finally, some abnormal grain growth was observed in the presence of Al2Gd phase, which was attributed to the nonuniform pinning of grain boundaries by this intermetallic compound.
    Keywords: Magnesium alloys, Rare-earth elements, Microstructure, Grain growth kinetics
  • M. Haghshenas Gorgani, M. Mirkazemi *, F. Golestanifard Pages 13-23
    In this research, the rheological behavior and stability of suspensions containing Si3N4, Al2O3, Y2O3 and starch were investigated in order to use them in the starch consolidation casting of porous silicon nitride. Dolapix CE64 was used as the dispersant. Then, the effect of some parameters such as Si3N4 surface oxidation, dispersant content, solid loading and starch content on the viscosity and rheological behavior of Si3N4-starch slurry was determined. Surface oxidation of Si3N4 powder at 800°C for 2 hours reduced the viscosity of the slurry, effectively. The best dispersant content was 0.4 wt. %, relative to ceramic powders. Slurries containing 30 to 40 vol. % and 7.5 to 25 vol. % starch, relative to total solid loading, had the suitable viscosity and the sufficient stability for casting by the starch consolidation method.
    Keywords: Silicon nitride, Porous ceramics, Gel casting, Starch
  • M. Akbarzadeh *, M. Zandrahimi, E. Moradpour Pages 25-41
    Molybdenum disulfide (MoS2) is one of the most widely used solid lubricants. In this study, MoS2-Cr composite coatings were deposited onto AISI 1045 steel substrates by direct-current magnetron sputtering. The MoS2/Cr ratio in the coatings was controlled by sputtering the composite targets. The coatings were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray analysis (EDX), and nano-indentation and nano-scratch techniques. The tribological behavior of the coatings was investigated using the pin-on-disc test at room temperature. The results showed that the thickness and the hardness of the coating were 6 µmand 850-1300 HV, respectively. The degree of the crystallization of the composite coatings was enhanced with increasing the Cr contents. The incorporation of Cr into MoSx coatings resulted in the considerable improvement of coating adhesion and hardness. The optimum doping level for MoS2-Cr coatings to show the best tribological propertie was 13 atomic percent. The main wear mechanisms of the coating were delamination, tribochemical and abrasive micro cracking
    Keywords: Molybdenum disulfide, Solid lubricant coating, Physical vapor deposition. Wear behavior, Friction coefficient
  • M. Rajabi *, M. Shahmiri, M. Ghanbari Pages 43-57
    In this study, the effects of boron (B) and zirconium (Zr) on the microstructure and mechanical properties of Fe3Al-based alloys were investigated. Cylindrical samples were produced using a vacuum induction melting furnace (VIM); consequently, the melt was cast into a metallic mold. The microstructure, phase identification, tensile and compressive mechanical properties and fractography of the samples were investigated. Upon microstructural observation, it was found that the alloys microstucture was denderitic and the precipitated phases were mostly present between interdendritic regions. Addition of B and Zr to the alloys resulted in the formation of boride precipitates and Laves phases. The results, therefore, showed that Zr had the most pronounced effect on the mechanical properties because of the formation of Laves phases. Fractographic studies of alloys also revealed that the brittle fracture was dominant between the samples.
    Keywords: Iron aluminide, Casting, Microstructure, Mechanical properties
  • Z. Jarrahi, Sh. Raygan *, M. Pourabdoli Pages 59-72
    In this study, boron containing Cu-12wt%Al-4wt%Ni shape memory alloy was prepared by mechanical alloying, pressing and rolling. In this regard, 20 and 40 hour-milled powder was compacted and changed to the bulk alloy by cold pressing, sintering, rolling, heat treatment and quenching. Phase structure, micro-structure, micro-hardness, and transformation temperatures of the prepared samples were studied. It was found that increasing the milling time from 20 to 40 hours led to the rise of the starting temperature of martensite transformation (Ms) from 254 to 264°C. Also, the results showed that adding 0.5 wt.% B decreased the Ms temperature to 211°C and enhanced the micro-hardness from 154 (for the sample without B) to 193 vickers. These alternations were attributed to the fine structure caused by Boron rich precipitations. Moreover, two martenistic transformations with different structures were formed due to the non-homogeneity of the Al concentration in the matrix, which appeared in the form of two different transformation temperatures (Ms) in the Differential Scanning Calorimetry curves.
    Keywords: Shape memory alloy, Cu-12Al-4Ni, Phase transformation temperature, Boron, Differential Scanning Calorimetry
  • A. Razmjou, F. Noorisafa *, N. Emami Pages 73-89
    Polyurethane polymer plays an important role in health care, and it is widely used in medical devices and instruments. However, the low biocompatibility and biofilm formation on the surface can be regarded as a challenging issue. Engineering the wetting capability of the surface is an effective way to increase the biodegradability of polymer surfaces with sufficient bulk properties. In this study, the surface modification of polyurethane sheets by a thin layer of polyethylene glycol and trapping of titanium dioxide nanoparticles were carried out by means of physical and chemical changes on the surface to enhance the biocompatibility. The physicochemical properties of the modified surfaces were determined using fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy , scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and contact angle and free surface energy measurement. The biocompatibility of the modified levels was evaluated using the MTT toxicity test on cervical cancer cells (HeLA), bacterial adhesion, biofilm formation, and the protein absorption assay by the Bradford method. A thin, autoclave able and inexpensive thin layer with a solid and stable roughening structure was created covalently on the surface of the polyurethane plates for biological and medical applications. The results, therefore, showed that apart from antibacterial activity, the modified sample also had the ability to reduce the biofilm formation, such that the maximum biofilm attachment inhibition in the first 24 hours was 94% higher than that of the modified sample.
    Keywords: Biomaterial, Ssuperhydrophilic, TiO2 nanoparticles, polyethylene glycol, polyurethane
  • M. Lashani Zand *, B. Niroumand, A. Maleki Pages 91-100
    Mechanical properties of the alloys are a strong function of the average silicon particles size and the secondary dendrite arm spacing (SDAS). Modified Hall-Petch equation expresses the effects of these two microstructural parameters on the yield strength and ultimate tensile strength of the Al-Si based alloys. These microstructural parameters depen on parameters such as chemical composition, cooling rate and melt treatment. In this study, the effect of cooling rate on the equation constants of the alloy were determined. For this purpose, the alloy was poured at 750 °C in three different molds including a sand mold, a preheated steel mold, and a water cooled steel mold. The Thermal and microstructural analysis showed that the cooling rate in the metal mold was 15.7 times higher than that of the sand mold, which resulted in a decrease of the SDAS from 54 micrometers to 17 micrometers. It was also found that by reducing the SDAS from 45 micrometers to 17 micrometers, the yield strength and tensile strength were increased by 16.5% and 6.5%, respectively. The modified Hall-Petch equation constants and the microstructure-mechanical properties relationships were then established by the microstructural and tensile test studies.
    Keywords: Aluminum-Silicon alloy, modified Hall-Petch equation, SDAS, mechanical properties.
  • M. Hajfarajzadeh, A. Eshaghi *, A. Aghaei Pages 101-112
    A TEOS-GPTMS nano-hybrid thin film was deposited on the polymethyl methacrylate (PMMA) substrate by a sol-gel dip coating method. Morphology, roughness and surface chemical bonding of the thin films were evaluated by X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy(FE-SEM), atomic force microscopy, and Fourier transform infrared spectroscopy methods, respectively. UV-vis spectrophotometer was used to measure the transmittance spectra of the samples. Also, the adhesion and hardness of the coatings were investigated using pencil hardness the adhesion tape test and the test, respectively. XRD results proved that the thin film had an amorphous structure. Also, FE-SEM images indicated that addition of GPTMS to the TEOS yielded a crack-free thin film. Based on the UV-vis spectroscopy results, the transmittance of the polymer substrate in the visible region was increased by the deposition of the nano-hybrid coating. Moreover, the hardness of the PMMA substrate was increased from 3H to 6H by the deposition of the nano-hybrid thin film. Also, tape test confirmed the high adhesion of the nano-hybrid thin film on the PMMA substrate. Consequently, the transparent organic-inorganic GPTMS-TEOS hybrid coating can be used as a scratch resistant coating on the PMMA substrate.
    Keywords: Thin Film, Hybrid, Optical properties, Hardness, Sol-gel, PMMA