27- 20ص ، ص4، شماره 2، دوره 1394 زمستانمهندسی ساخت و تولید ایران، مجله

علمی پژوهشی فصلنامه

مهندسی ساخت و تولید ایرانwww.smeir.org

:Please cite this article using :براي ارجاع به این مقاله از عبارت ذیل استفاده نماییدH. Torabzadeh Kashi, J. Shahbazi Karami, K. Malakzade Fard, Exprimental and numerical study of mechanical influence of cyclic flaring and sinking (CFS) method to produce strong copper tubes, Iranian Journal of Manufacturing Engineering, Vol. 2, No. 4, pp. 20-27, 2016 (in Persian)

جهت (CFS) مکانیکی روش افزایش و کاهش تناوبی قطر تأثیر مطالعه تجربی و عددي هاي مسی مستحکم تولید لوله

*3فرد ، کرامت ملک زاده2جواد شهبازي کرمی ،1کاشی حسام تراب زاده

تهران تهران، دانشگاه، فنیهاي پردیس دانشکدهمکانیک،کارشناسی ارشد مهندسی -1 دانشجوي دکتري، مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران -2 دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران مجتمع دانشگاهی هوا فضا،استاد، -3 kmalekzadeh@mut.ac.ir ، 15875-1774 صندوق پستی، تهران *

چکیده واژگان کلید تغییر شکل پلاستیک شدید

ریزدانه مواد لوله مستحکم

مس خالص خواص مکانیکی

ریزدانه هاي لوله تولید براي “قطر تناوبی کاهش و افزایش” جدید تغییرشکل پلاستیک شدید تحت عنوان روش پژوهش این در تأثیر پارامترهاي مختلف طراحی را به طور کامل ، روشسازي اجزاي محدود این شبیه. هاي مسی انجام گرفته است بر روي لوله شده

داده فشار قطر، افزایش ماندرل روي بر اول لوله سیکل نیم در. است شده تشکیل سیکل نیم دو از روش این. ه استمشخص کرد لوله بعدي سیکل منی در. یابد می افزایش لوله قطر برشی، تنش کششی همراه با برش ایجاد و نواحی ترتیب در بدین که شود می

قطر لوله به تا شود می در همان نواحی برشی تنش فشاري همراه با برش ایجاد شود، رانده به صورتی که قطر کاهش قالب درون دانه اندازه آن تبع به و بیشتر اعمالی کرنش به تا شود اجرا لوله روي بر متناوب صورت به تواند می فرایند این. مقدار اولیه برسد

هاي مختلف ها از جنس مس خالص در پاس لولهکرنش حقیقی -نمودار تنش .یافت دست بهتر مکانیکی خواص نهایت در و ریزترهاي بالاتر بود به صورتیکه مقدار حد تسلیم و ها در پاس مورد بررسی قرار گرفت که نتایج حاصله حاکی از افزایش استحکام لوله

285مگاپاسکال و 185مگاپاسکال پس از یازده پاس به ترتیب به مقادیر 180مگاپاسکال و 120استحکام کششی از حالت اولیه متوسط سختی . از طرفی دیگر مقدار درصد تغییر طول نهایی پس از انجام فرایند کاهش یافته است. مگاپاسکال افزایش یافته است

.ویکرز رسیده است 127ز به ویکر 96ها در امتداد ضخامت نیز پس از انجام یازده پاس، از لوله

Exprimental and numerical study of mechanical influence of cyclic flaring and sinking (CFS) method to produce strong copper tubes Hessam Torabzadeh Kashi1, Javad Shahbazi Karami2, Keramat Malakzade Fard3*

1- Faculty of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran 2- Faculty of Mechanical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran 3- Faculty of aerospace, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran * P.O.B.15875-1774, Tehran, Iran, kmalekzadeh@mut.ac.ir Keywords Abstract Severe plastic deformation Fine-grain materials Strong tubes pure copper Mechanical properties

In this research, a novel severe plastic deformation (SPD) method entitled cyclic flaring and sinking (CFS) is presented for producing of the fine-grained copper tubes. Finite element simulation has determined the influence of design parameters. CFS process includes two different flaring and sinking half-cycles. At flaring half cycle, the flaring punch with two stepped regions is pressed into the tube. Shear and normal tensile strains are applied as a result of the existence of shear zones and increase in the tube diameter. In the second half cycle, the tube is then pressed to sinking die that applies same shear strains and normal compression strain so that the initial diameter of the tube is achieved and high plastic strain is applied. This process can be run periodically on the tube to exert more strain and consequently finer grain size and ultimately achieve better mechanical properties. The true stress-strain curve of pure copper tubes was studied in different cycles. Results show the increasing strength in upper cycles if the yield and ultimate strength were significantly increased to 185 Mpa, and 285 Mpa, respectively from the initial values of 120 Mpa, and 180 Mpa. On the other hand, the elongation to failure was decreased after the process. The average hardness along thickness has reached to 127Hv after eleven cycles from 96 Hv.

و همکاران کاشی حسام تراب زاده ...جهت تولید (CFS)مطالعه تجربی و عددي تأثیر مکانیکی روش افزایش و کاهش تناوبی قطر

21 4شماره 2، دوره 1394 زمستانمهندسی ساخت و تولید ایران،

مقدمه -1فلزي مواد فوق ریزدانه به عنوان نسل جدیدي از محصولات

مطرح هستند که خواص فیزیکی و مکانیکی آنها در مقایسه با در عین حالیکه . استاي بالا مواد درشت دانه بطور قابل ملاحظه

استحکام در مواد فلزي فوق ریز دانه بسیار بالاتر از مواد درشت باشد پذیري آنها نیز در حد خوبی می ، قابلیت شکل]1[ دانه است

تر و نرخ همچنین مواد فوق ریزدانه حتی در دماهاي پایین. ]2[هاي بالاتر، خاصیت شکل پذیري عالی از خود نشان کرنش

هاي تولید مواد فلزي فوق ایندفربراي توسعه . ]3[ دهند میدانه تحقیقات زیادي در مقیاس آزمایشگاهی و حتی صنعتی ریز

استحکام به وزن فلزات فوق ریزدانه و . صورت گرفته استبرابر استحکام 2-5نانوساختار بسیار بالاتر و در مواردي در حدود در مواد فوق .باشدبه وزن همان فلز با اندازه دانه معمولی میمحور و همگن و با ریزدانه، خواص دیگري مانند ریزساختار هم

حضور .]4،5[ هایی با زوایاي ترجیهی بالا وجود دارندمرزدانهاز هاي با زوایاي بزرگتر،ها با مرزدانهدرصد بیشتري از دانه

در این .اي در حصول خواص مطلوب برخوردار استاهمیت ویژههاي ارتباط، تحقیقات ثابت شده است که یکی از موثرترین روش

فرآوري مواد فلزي فوق ریزدانه اعمال تغییر شکل پلاستیک هاي تغییرشکل پلاستیک شدید در روش. ]6[ باشد می 1شدید

ه همراه کرنش برشی شدید وجود فشار هیدرواستاتیکی زیاد بباعث تولید عیوب با چگالی بالا مخصوصا نابجایی در شبکه

از طرفی دیگر وجود فشار . ]7[ گردد کریستالی میشود که امکان ایجاد هیدروستاتیک مانع از ایجاد ترك درماده می

کند پذیري کم را فراهم می هاي شدید در مواد با شکل تغییرشکل]8[.

اي با لوله قطعات افزون روز نیاز به توجه با اخیر دهه در فوق ریزدانه هاي لوله تولید جهت در تحقیقاتی استحکام بالا،

را با استفاده از هاي فوق ریزدانه لوله توس .گرفته است صورتمحبی روشی . ]9[ تولید نمود 2روش پیچش لوله در فشار بالا

جهت تولید این نوع 3جدید تحت عنوان چرخش اتصال تجمعیزنگی آبادي و همکارانش با استفاده از . ]10[ ها معرفی کرد لوله

هاي با استحکام اقدام به تولید لوله 4اي روش فشار در کانال لوله دار زاویهفشار در کانال فرایندفرجی و همکاران . ]11[ بالا کردند

صنعتی ابداع قابلیت با و ارزان را به عنوان روشی بهینه، 5اي لولهدار ل زاویهفشار در کانا فرایند 2012در سال . ]12[ نمودند

1 Severe Plastic Deformation (SPD) 2 High-pressure tube twisting (HPTT) 3 Accumulative spin-bonding (ASB) 4 Tube Channel Pressing (TCP) 5 Tube Channel Angular Pressing (TCAP)

توسط فرجی و همکارانش ابداع و ارائه 6اي به صورت موازي لولهبا دو روش نوین 2014بابایی و همکاران در سال .]13[ شد

8و تراکم و روزنرانی متناوب لوله 7انبساط و روزنرانی متناوب لولههاي مستحکم توانستند گامی نوآورانه در جهت تولید لوله

جعفرزاده و همکاران روشی را تحت عنوان .]14،15[بردارنداند با این اند و توانسته انبساط و انقباض تناوبی معرفی نموده

هاي فوق ریزدانه دست یابند هایی در تولید لوله روش به موفقیتبه تازگی نیز تراب زاده و همکاران توانستند با اصلاح . ]16[

اي، روشی تحت عنوان لوله دار زاویهفشار در کانال فرایندعملکرد روشدر .]17[ مایندمعرفی ن 9افزایش و کاهش تناوبی قطر و اضافی اصطکاك نیروهاي حذفافزایش و کاهش تناوبی قطر با

بالا، توناژ با تجهیزات به نیاز عدم بر علاوه ،کرنش تدریجی اعمالنانوساختار با طول بلندتر نسبت به سایر هاي توان به لوله می

.ها دست یافت روشنشان داده شده است، روش افزایش 1 که در شکل طور همان

در . و کاهش تناوبی قطر از دو نیم سیکل تشکیل شده استشود فشار داده می 10لوله بر روي سنبه افزایش قطر فرایندابتداي

با تنش کششی همراه با برشی نواحیشود که بدین ترتیب میدر . یابد میشود و قطر لوله نیز افزایش روي لوله ایجاد میبرش

در که به صورتی 11لوله درون قالب کاهش قطر دومنیم سیکل تنش فشاري همراه با برش ایجاد شود، رانده برشیهمان نواحی

لوله، کرنش اولیه قطر دستیابی به تا بتوان ضمن شود میبه صورت تناوبی و فرایندانجام این . پلاستیک بالایی اعمال کرد

تواند کرنش اعمالی را به صورت میدر تعداد سیکل بالاتر تدریجی افزایش دهد تا به خواص مکانیکی مناسبتري در لوله

.دست یافتکرنش پلاستیک معادل را در یک نیم سیکل و در نواحی برشی

توان ، می]5[صورت گرفته است PTCAPر روش مانند آنچه که د :)ψ1=ψ2= 0°: با توجه به( محاسبه کرد )1(رابطه به صورت

)1( 2cot( / 2) 2 2 2ln

3 31 1

RiT Ri

توان مجموع کرنش پلاستیک می )2(لذا با استفاده از رابطه :بدست آورد CFS فرایندپاس Nمعادل را پس از انجام

)2( 2cot ( / 2 ) 2 2 22 ln

3 31 1

RiNTN Ri

6 Parallel tubular channel angular pressing (PTCAP) 7 Tube cyclic expansion-extrusion (TCEE) 8 Tube Cyclic Extrusion–Compression (TCEC) 9 Cyclic flaring and sinking (CFS) 10 Flaring punch 11 Sinking die

و همکاران کاشی حسام تراب زاده ...جهت تولید (CFS)مطالعه تجربی و عددي تأثیر مکانیکی روش افزایش و کاهش تناوبی قطر

4شماره 2، دوره 1394 زمستانمهندسی ساخت و تولید ایران، 22

)الف) (ب) (ج(

Fig. 1 Schematic of CFS process. (a) initial state, (b) the flaring (first half-cycles) and (c) the sinking (second half-cycles)

-حالت اولیه ب -شماتیک فرایند افزایش و کاهش تناوبی قطر الف 1 شکل )سیکل دوم نیم(کاهش قطر -ج) سیکل اول نیم(افزایش قطر

، )2(در این پژوهش، با قرار دادن مقادیر متغیرها در رابطه

مقدار کرنش پلاستیک معادل اعمال شده به لوله ، پس از انجام شود که در نهایت با انجام می 45/0برابر ، CFS فرایندیک پاس

ي مسی مقدار کرنش پلاستیک معادل ها یازده پاس بر روي لوله .اعمال شد 5تا حدود

ها آزمایش -2

اي از جنس مس لوله CFSدر این مقاله براي بررسی روش متر و میلی 11قطر خارجی لوله . خالص استفاده شده است

. متر انتخاب شد میلی 70طول آنمتر و میلی 2/1ضخامت آن دفولا جنس سنبه افزایش قطر و قالب کاهش قطر هر دو از

VCN 150 طور همان. سی ساخته شده است راکول 25با سختی شود، ملاحظه می 2 که متغیرهاي ابعادي نواحی برشی در شکل

برابر صفر درجه و مقدار زوایاي (Ψ1=Ψ2)مقدار زوایاي گوشه نسبت . درجه در نظر گرفته شده است 170برابر (φ1=φ2)کانال

هاي لوله قبل و بعد از تغییر شکل که همان مقدار اختلاف شعاعدر نظر ) t( باشد، برابر ضخامت لوله می =R2-R1 Kنیم سیکل اول

.گرفته شده است، از پرس با مکانیزم پیچی و با سرعت CFS فرایندبراي انجام

.و در دماي اتاق استفاده شده است متر بر دقیقه میلی 150مشخص است نمونه تست کشش پس 3 که در شکل طور همان

هاي مختلف در جهت طولی از لوله بریده شد از انجام تعداد پاسها را فرایند روي خواص مکانیکی لوله اتتأثیرتا بتوان چگونگی

ها با استفاده از کرنش حقیقی لوله-نمودار تنش. بررسی کردبر ثانیه بدست 10- 5آزمون کشش در دماي اتاق و با نرخ کرنش

.سازي وارد شده است افزار شبیه آمده و در نرم

1

R1

R2

2 ψ2

ψ1

برشینواحی

Fig. 2 Geometric parameters of cyclic flaring and sinking

قطرمتغیرهاي هندسی فرایند افزایش و کاهش تناوبی 2 شکل

Fig. 3 Tensile test specimen cut from tube

نمونه تست کشش بریده شده از لوله 3 شکل

اجزا محدود سازي شبیه -3

محدود ياجزا افزار نرماز فرایندعددي سازي شبیهبراي به . بوده است 2استفاده شده و نوع حل صریح 1 6- 10آباکوس

کار، ضریب عنوان روانسولفید به علت استفاده از مولیبدن ديدر این .]18[ فرض شده است 05/0برابر (µ) اصطکاك کولمب

سازي از مدل متقارن محوري استفاده شده و نوع المان براي شبیهتمامی پارامترهاي . در نظر گرفته شده است 3اي لوله، سه گره

.آورده شده است 1ساز در جدول شبیه افزار نرمورودي در نتایج و بحث -4 خواص مکانیکی - 4-1

حقیقی حاصل از کرنش-الف نشانگر نمودارهاي تنش -4 شکلهاي مختلف آزمون کشش در دماي اتاق و پس از انجام پاس

استخراجی از این نمودارها براي نتایج . باشد می CFS فرایندمقادیر حد تسلیم، استحکام کششی و درصد تغییر طول نهایی

2/0در کرنش (حد تسلیم . ب نشان داده شده است -4 در شکلمگاپاسکال بوده است که CFS ،120 فرایندقبل از انجام ) درصد

، 165 پس از انجام سه، هفت و یازده پاس به ترتیب تا مقادیرهاي مانند سایر روش. مگاپاسکال افزایش یافته است 185، 183SPDسبب ها ها و افزایش چگالی نابجایی ، کاهش اندازه دانه

. ]2[ افزایش حد تسلیم و استحکام کششی خواهد شد

1 ABAQUS 6-10 2 Explicit 3 CAX3

قالب کاهش قطر صفحه اعمال فشار

لوله

سنبه افزایش قطر

و همکاران کاشی حسام تراب زاده ...جهت تولید (CFS)مطالعه تجربی و عددي تأثیر مکانیکی روش افزایش و کاهش تناوبی قطر

23 4شماره 2، دوره 1394 زمستانمهندسی ساخت و تولید ایران،

افزار خواص مکانیکی مس خالص و پارامترهاي ورودي در نرم 1جدول سازي شبیه

Table. 1 Mechanical properties of pure copper and input parameters in simulation software

مقدار پارامتر (ρ) کیلوگرم بر مترمکعب 8940 چگالی (ν)0.34 ضریب پواسون (E)گیگا پاسکال 110 مدول یانگ (µ)0.05 ضریب اصطکاك

(φ1=φ2 )درجه( 175, 170, 165, 160, 155, 150, 145 زاویه کانال( (ψ1=ψ2 )درجه( 30. 20. 10. 0 زاویه گوشه(

(K)0.6 نسبت تغییرشکلt , 0.8t , t , 1.2t , 1.4t

تر بیشتر هاي پایین توجه شود که افزایش استحکام در پاسیابد نرخ کرنش ها افزایش می دهد و هرچه تعداد پاس رخ می

توان گفت هرچه به طوریکه می. سختی کاهش خواهد یافتاولیه به . ]19[شود استحکام بیشتر، کرنش سختی کمتر می

در نهایت پس از انجام یازده پاس . درصد رسیده است 10مقدار مگاپاسکال و استحکام 185توان به حد تسلیم ، میCFSفرایند

مگاپاسکال دست یافت که نسبت به حالت اولیه 285کششی از طرفی دیگر تغییر . اند افزایش داشته 50%و 55%به ترتیب لوله

8درصد به حدود 14هاي تست کشش از طول نهایی نمونهدر این حالت با افزایش استحکام، ناپایداري . درصد رسیده است

دهد و از شکل پذیري ماده یا شروع گلویی شدن زودتر رخ می .]10[شود کاسته می

در مقطع عرضی لوله به صورت 1آزمون میکروسختی ویکرزها مقادیر مختلف سختی در لوله. میانگینی از پنج نقطه انجام شد

. مشهود است 5 در شکلهاي متفاوت پس از انجام تعداد پاسپاس یازدهافزایش قابل توجهی در مقدار سختی ویکرز پس از انجام

در امتداد سختی میانگین ایجاد ایجاد شده است به طوریکه. رسد ویکرز می 127ویکرز در حالت اولیه به 96از ضخامت لوله

.یابد هاي بعدي کاهش می البته این نرخ افزایش سختی در پاسبه بر اثر تغییرشکل پلاستیک شدید ماده و ها سختی لولهافزایش

.]4[ دهد رخ میهاي ماده بندي و کاهش اندازه دانه علت بهبود دانه سازي اجزاي محدود شبیه -4-2 هاي تجربی کرنش پلاستیک معادل در آزمایش -4-2-1

امتداد ضخامت لوله در توزیع کرنش پلاستیک معادل در هاي تجربی، تحت هاي اول، دوم و سوم مطابق آزمایش پاسنشان داده 6 سازي اجزا محدود قرار گرفت که در شکل شبیه

1 Vickers microhardness test

کرنش پلاستیک معادل در پاس اول در امتداد . شده است 48/0و بیشترین مقدار 42/0ضخامت لوله، داراي کمترین مقدار

تغییرات کرنش پلاستیک معادل برابر است، بنابراین مقدار بازه را نشان CFSاعمالی در روش است که همگنی کرنش 03/0±همگنی کرنش پلاستیک معادل به عنوان یک مزیت . دهد می

هاي فوق ریزدانه مطرح است چرا که هاي تولید لوله روش . تواند باعث یکنواختی خواص مکانیکی در لوله شود می

)الف(

)ب(Fig. 4 (a) True stress strain curves of different cycles of CFS, (b) Yield strength, ultimate strength and elongation at failure of different cycles.

هاي مختلف کرنش حقیقی پس از پاس-نمودارهاي تنش - الف 4 شکلو درصد حد تسلیم، استحکام کششی -فرایند افزایش و کاهش تناوبی قطر ب

هاي مختلف تغییر طول نهایی در پاس

Fig. 5 Hardness distribution along tube thickness in different cycles.

هاي مختلف توزیع سختی در امتداد ضخامت لوله در پاس 5 شکل

90

100

110

120

130

140

150

0 0.4 0.8 1.2

H (H

v)

r (mm)

0 Pass 3 Pass 7 Pass 11 Pass

0

5

10

15

20

100

150

200

250

300

350

0 3 7 11

El (%

)

σ(M

Pa)

N

YS UTS El.(%)

و همکاران کاشی حسام تراب زاده ...جهت تولید (CFS)مطالعه تجربی و عددي تأثیر مکانیکی روش افزایش و کاهش تناوبی قطر

4شماره 2، دوره 1394 زمستانمهندسی ساخت و تولید ایران، 24

از طرفی دیگر میانگین کرنش پلاستیک معادل در امتداد این مقدار با مقدار است که 44/0ضخامت، در پاس اول برابر

بود، مطابقت 45/0بدست آمده از تحلیل محاسباتی که برابر هاي طور که از مقادیر کرنش پلاستیک معدل در پاس همان. دارد

ها، ناهمگنی در مختلف مشهود است، با افزایش تعداد پاس .کرنش اعمالی افزایش خواهد یافت

(ψ1=ψ2 =0°, K=t, φ=φ1=φ2) 1لزاویه کانا تأثیر -4-2-2

را بر روي توزیع کرنش ) φ(زاویه کانال تأثیرالف -7 شکل فرایندپلاستیک معادل در امتداد ضخامت لوله، پس از پاس اول

CFS همچنین متوسط کرنش پلاستیک در . دهد نشان میدر زوایاي . ب آورده شده است - 7 زوایاي کانال مختلف در شکل

رود، با طور که انتظار می درجه، همان 150کانال بزرگتر از یابد افزایش زاویه کانال، متوسط کرنش پلاستیک کاهش می

درجه صدق 155، اما این روند در زوایاي کانال کمتر از ]20[درجه بر 150جهت توضیح تأثیر زوایاي کانال کمتر از . کند نمی

روي کرنش پلاستیک معادل باید به چگونگی تماس بین لوله و تماس ناقص بین قالب و سنبه در زاویه 8شکل . قالب توجه کرد

طور که مشهود است در همان. دهد درجه را نشان می 145کانال درجه، تماس بین سنبه و لوله به 150زوایاي کانال کوچکتر از

شود و در این حالت بین سنبه و لوله فاصله خوبی ایجاد نمیو تنها بخشی از کرنش پلاستیکی که از ) پیکان سیاه(افتد می

بنابراین کرنش . شود آید، به لوله اعمال می بدست می) 2(رابطه یابد و دیگر کاهش می 150عادل در زوایاي کمتر از پلاستیک م

نقص در اعمال کرنش . با روند مشخصی تغییر نخواهد کردپلاستیک در زوایاي کانال پایین به علت عدم وجود فشار

.دهد رخ می CFSهیدروستاتیک بر سطح بیرونی لوله در روش

Fig. 6 Equivalent plastic strain along tube thickness in different cycles.

هاي کرنش پلاستیک معادل در امتداد ضخامت لوله و در تعداد پاس 6 شکل مختلف

1 Channel angle (φ)

)الف(

)ب(

Fig. 7 (a) Channel angle influence on plastic strain distribution, (b) channel angle influence on average plastic strain

اثر زاویه -اثر زاویه کانال بر روي توزیع کرنش پلاستیک ب -الف 7 شکل کرنش پلاستیک کانال بر روي متوسط

Φ =145° Fig. 8 Contact between flaring punch and tube in channel angle of 145°

درجه 145تماس بین سنبه افزایش قطر و لوله در زاویه کانال 8 شکل

مشخص شده 1050سازي این فرایند بر روي آلومینیوم در شبیهنقص در اعمال کرنش 155است که در زوایاي کانال کمتر از

اي که نقص ، بنابراین کمترین زاویه]17[وجود خواهد داشت به طوریکه . دهد بستگی به جنس ماده دارد اعمال کرنش رخ نمی

اي که در آن هرچه استحکام ماده بیشتر باشد کمترین زاویهدهد، کاسته خواهد شد و فرایند در نقص اعمال کرنش رخ نمی

. بازه زاویه کانال بیشتري عملکرد صحیحی خواهد داشت (φ1=φ2 =170, K=t, ψ=ψ1=ψ2) 2تأثیر زاویه گوشه -4-2-3

پلاستیک معادل پس از یک پاس را الف توزیع کرنش -9شکل . دهد در امتداد ضخامت لوله در زوایاي گوشه مختلف نشان می

2 Corner angle (ψ)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.4 0.8 1.2

First cycle Second cycleThird cycle

r (mm)

EPS

0.2

0.4

0.6

0 0.3 0.6 0.9 1.2

EPS

r (mm)

Φ=175° Φ=170°Φ=165° Φ=160° Φ=155°Φ=150° Φ=145°

0.2

0.35

0.5

0.65

140 145 150 155 160 165 170 175

EPS a

ve

φ

و همکاران کاشی حسام تراب زاده ...جهت تولید (CFS)مطالعه تجربی و عددي تأثیر مکانیکی روش افزایش و کاهش تناوبی قطر

25 4شماره 2، دوره 1394 زمستانمهندسی ساخت و تولید ایران،

گوشه، تراز کرنش زاویه طور که مشهود است با افزایش همان -9 در شکل. یابد پلاستیک معادل در امتداد ضخامت کاهش می

ضخامت لوله نیز به صورت تابعی از ب کرنش متوسط در امتداد زاویه گوشه نشان داده شده است که با افزایش زاویه گوشه به

ب اثر زاویه گوشه - 9 شکل. یابد صورت تقریبا خطی کاهش میکه از تقسیم اختلاف بیشینه و 1را بر شاخص ناهمگنی کرنش

کمینه کرنش بر کرنش متوسط روي ضخامت لوله بدست که مشخص است، کمترین طور همان. دهد آید، نشان می می

شود و پس از درجه ایجاد می 10مقدار ناهمگنی در زاویه گوشه .یابد آن با افزایش زاویه گوشه، ناهمگنی کرنش افزایش می

(φ1=φ2 =170°, ψ1=ψ2=0°) 2تأثیر نسبت تغییر شکل - 4-2-4

تعریف شده K=R2-R1براي بررسی تأثیر نسبت تغییر شکل، پارامتر و به (t)به صورت مضاربی از ضخامت Kمقادیر مختلف . است .سازي اعمال گردید در شبیه t4/1و t6/0 ،t8/0 ،t ،t2/1ي اندازه

)الف(

)ب(

Fig. 9 (a) Corner angle influence on plastic strain distribution, (b) corner angle influence on average plastic strain and Strain Inhomogeneity Index

اثر زاویه - اثر زاویه گوشه بر روي توزیع کرنش پلاستیک ب -الف 9 شکل کرنش پلاستیک و شاخص ناهمگنی کرنش گوشه بر روي متوسط

1 Strain inhomogeneity index (IIS) 2 Deformation ratio (K)

نسبت تغییر شکل بر روي کرنش پلاستیک در امتداد تأثیرالف - 10در شکل CFS فرایندضخامت لوله پس از یک پاس

انتظار ) 2(که با توجه به رابطه طور همان. نشان داده شده است، کرنش پلاستیک در امتداد ضخامت Kرفت، با افزایش مقدار می

و تغییر نسبت Kاحتمالا با افزایش مقدار . یابد لوله افزایش می، بخشی از کرنش پلاستیک معادل که از R2و R1ي ها شعاع

. ]20[ یابد می افزایششود، کرنش عمودي ناشی میبر متوسط کرنش پلاستیک و Kب نیز اثر پارامتر -10شکل

، Kبا افزایش مقدار . دهد شاخص ناهمگنی کرنش را نشان مییابد به صورت خطی افزایش می متوسط کرنش پلاستیک تقریباً

که شاخص ناهمگنی کرنش با روندي نامشخص در صورتیتوان کمترین ناهمگنی به طور کلی می. افزایش یافته است

.مشاهده کرد t6/0کرنش را در نسبت تغییر شکل کمتر از

)الف(

)ب( Fig. 9 Deformation ratio influence on plastic strain distribution, (b) Deformation ratio influence on average plastic strain and Strain Inhomogeneity Index

اثر - کرنش پلاستیک ب اثر نسبت تغییر شکل بر روي توزیع - الف 10 شکل شاخص ناهمگنی کرنش کرنش پلاستیک و نسبت تغییر شکل بر روي متوسط

گیري نتیجه -5

در این مقاله روش جدید تغییر شکل پلاستیک شدید با عنوان

0.35

0.4

0.45

0.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

ψ=0° ψ=10° ψ=20° ψ=30°

r (mm)

EPS

0.08

0.1

0.12

0.14

0.39

0.4

0.41

0.42

0.43

0.44

0.45

0 10 20 30

SIIEP

S ave

ψ)°(

EPS

SII

0.3

0.4

0.5

0.6

0 0.3 0.6 0.9 1.2

K=0.6t K=0.8t K=t

K=1.2t K=1.4t

r (mm)

EPS

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.36

0.39

0.42

0.45

0.48

0.51

0.6 0.8 1 1.2 1.4

EPS

SII

K (multiple of t)

SIIEP

S ave

و همکاران کاشی حسام تراب زاده ...جهت تولید (CFS)مطالعه تجربی و عددي تأثیر مکانیکی روش افزایش و کاهش تناوبی قطر

4شماره 2، دوره 1394 زمستانمهندسی ساخت و تولید ایران، 26

مورد هاي ریزدانه افزایش و کاهش تناوبی قطر براي تولید لولهروش با موفقیت بر روي لوله از جنس این . استفاده قرار گرفت

ها در خواص مکانیکی لوله. ده پاس انجام گرفتیازتا مس خالص به صورتی ،به شکل چشمگیري بهبود پیدا کرد CFSاثر روش

به ترتیب تا مقادیر مس خالصکه حد تسلیم و استحکام کششی 96از مقدار سختی لوله. مگاپاسکال افزایش یافت 285و 185

ویکرز 127ده پاس به یازویکرز در حالت اولیه پس از انجام به CFSزا محدود روش سازي اج نتایجی حاصل از شبیه. رسید

:صورت زیر بدست آمد درجه به علت عدم وجود فشار 150در زوایاي کانال کمتر از

هیدروستاتیک بر سطح بیرونی لوله، اعمال کرنش پلاستیک به براي جنس براي CFSاز این رو روش . دهد صورت ناقص رخ می

.درجه کاربرد دارد 150زوایاي کانال بالاي مس خالص در پلاستیک معادل با افزایش زاویه گوشه، به صورت کرنش

یابد و کمترین مقدار ناهمگنی در زاویه تقریبا خطی کاهش می .شود درجه ایجاد می 10گوشه با افزایش مقدارKیابد ، کرنش پلاستیک معادل افزایش می

و کمترین ناهمگنی کرنش در نسبت تغییر شکل کمتر از t6/0دهد رخ می.

غییرات کرنش پلاستیک معادل در امتدا مقدار بازه ت ±03/0برابر CFS فرایندضخامت لوله پس از انجام یک پاس .اعمالی در این روش است است که نشانگر همگنی خوب کرنش

فهرست علایم - 6

El تغییر طول نهایی EPS کرنش پلاستیک معادل

EPSave متوسط کرنش پلاستیک معادل H سختی(Hv) K شکل تغییرنسبت N تعداد پاس

R1 شعاع اولیه لوله R2 شعاع ثانویه لوله

r فاصله از سطح داخلی لوله(mm) SII شاخص ناهمگنی کرنش

t ضخامت لوله UTS استحکام نهایی (Mpa)

YS حد تسلیم (Mpa) علایم یونانی

Ψ درجه(زاویه گوشه(

φ درجه(زاویه کانال( σ تنش(Mpa) ε کرنش

کرنش پلاستیک معادلµ ضریب اصطکاك

مراجع - 7

[1] M. Kawasaki, T. Langdon, Principles of superplasticity in ultrafine-grained materials, Journal of Materials Science, Vol. 42, No. 5, pp. 1782-1796, 2007/03/01, 2007. English

[2] K. Máthis, J. Gubicza, N. H. Nam, Microstructure and mechanical behavior of AZ91 Mg alloy processed by equal channel angular pressing, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 394, No. 1–2, pp. 194-199, 5/17/, 2005.

[3] H. Matsunoshita, K. Edalati, M. Furui, Z. Horita, Ultrafine-grained magnesium–lithium alloy processed by high-pressure torsion: Low-temperature superplasticity and potential for hydroforming, Materials Science and Engineering: A, Vol. 640, pp. 443-448, 7/29/, 2015.

[4] R. Z. Valiev, R. K. Islamgaliev, I. V. Alexandrov, Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation, Progress in Materials Science, Vol. 45, No. 2, pp. 103-189, 3//, 2000.

[5] A. P. Zhilyaev, T. G. Langdon, Using high-pressure torsion for metal processing: Fundamentals and applications, Progress in Materials Science, Vol. 53, No. 6, pp. 893-979, 8//, 2008.

[6] I. Sabirov, M. Y. Murashkin, R. Z. Valiev, Nanostructured aluminium alloys produced by severe plastic deformation: New horizons in development, Materials Science and Engineering: A, Vol. 560, pp. 1-24, 1/10/, 2013.

[7] R. Valiev, Y. Estrin, Z. Horita, T. Langdon, M. Zechetbauer, Y. Zhu, Producing bulk ultrafine-grained materials by severe plastic deformation, JOM, Vol. 58, No. 4, pp. 33-39, 2006/04/01, 2006. English

[8] A. P. Zhilyaev, B. K. Kim, J. A. Szpunar, M. D. Baró, T. G. Langdon, The microstructural characteristics of ultrafine-grained nickel, Materials Science and Engineering: A, Vol. 391, No. 1–2, pp. 377-389, 1/25/, 2005.

[9] L. S. Tóth, M. Arzaghi, J. J. Fundenberger, B. Beausir, O. Bouaziz, R. Arruffat-Massion, Severe plastic deformation of metals by high-pressure tube twisting, Scripta Materialia, Vol. 60, No. 3, pp. 175-177, 2//, 2009.

[10] M. S. Mohebbi, A. Akbarzadeh, Accumulative spin-bonding (ASB) as a novel SPD process for fabrication of nanostructured tubes, Materials Science and Engineering: A, Vol. 528, No. 1, pp. 180-188, 11/25/, 2010.

و همکاران کاشی حسام تراب زاده ...جهت تولید (CFS)مطالعه تجربی و عددي تأثیر مکانیکی روش افزایش و کاهش تناوبی قطر

27 4شماره 2، دوره 1394 زمستانمهندسی ساخت و تولید ایران،

[11] A. Zangiabadi, M. Kazeminezhad, Development of a novel severe plastic deformation method for tubular materials: Tube Channel Pressing (TCP), Materials Science and Engineering: A, Vol. 528, No. 15, pp. 5066-5072, 6/15/, 2011.

[12] G. Faraji, M. M. Mashhadi, H. S. Kim, Tubular channel angular pressing (TCAP) as a novel severe plastic deformation method for cylindrical tubes, Materials Letters, Vol. 65, No. 19–20, pp. 3009-3012, 10//, 2011.

[13] G. Faraji, A. Babaei, M. M. Mashhadi, K. Abrinia, Parallel tubular channel angular pressing (PTCAP) as a new severe plastic deformation method for cylindrical tubes, Materials Letters, Vol. 77, No. 0, pp. 82-85, 6/15/, 2012.

[14] A. Babaei, M. M. Mashhadi, H. Jafarzadeh, Tube Cyclic Extrusion-Compression (TCEC) as a novel severe plastic deformation method for cylindrical tubes, Materials Science and Engineering: A, Vol. 598, No. 0, pp. 1-6, 3/26/, 2014.

[15] A. Babaei, M. M. Mashhadi, H. Jafarzadeh, Tube cyclic expansion-extrusion (TCEE) as a novel severe plastic deformation method for cylindrical tubes, Journal

of Materials Science, Vol. 49, No. 8, pp. 3158-3165, 2014/04/01, 2014. English

[16] H. Jafarzadeh, K. Abrinia, Fabrication of ultra-fine grained aluminium tubes by RTES technique, Materials Characterization, Vol. 102, No. 0, pp. 1-8, 4//, 2015.

[17] H. Torabzadeh, G. Faraji, Cyclic flaring and sinking (CFS) as a new severe plastic deformation method for thin-walled cylindrical tubes, Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 8, pp. 411-416, 07/13, 2015. (in persian)

[18] M. Kamachi, M. Furukawa, Z. Horita, T. G. Langdon, Equal-channel angular pressing using plate samples, Materials Science and Engineering: A, Vol. 361, No. 1–2, pp. 258-266, 11/25/, 2003.

[19] S. A. Hosseini, H. D. Manesh, High-strength, high-conductivity ultra-fine grains commercial pure copper produced by ARB process, Materials & Design, Vol. 30, No. 8, pp. 2911-2918, 9//, 2009.

[20] G. Faraji, M. Mousavi Mashhadia, Plastic deformation analysis in parallel tubular channel angular pressing (PTCAP), Journal of Advanced Materials and Processing, Vol. 1, No. 4, pp. 23-32, 2013.