وبلاگ

مواد هدفمد (FGM) کاربرد وسیعی در علم مهندسی مکانیک دارد که مقاومت بالای حرارتی از مهمترین خصوصیت آن می باشد. مواد هدفمند به گونه ای ساخته می شوند که خصوصیات مکانیکی و حرارتی ماده از یک سطح تا سطح دیگر ضخامت جسم، به طور پیوسته و تدریجی تغییر کند. این تغییرات می تواند به تبعیت از تابع توانی برحسب کسر حجمی دو ماده تشکیل دهنده FGM فرض شود. بدین صورت که کسر حجمی مواد تشکیل دهنده FGM در راستای یکی از ابعاد هندسی تغییر کند. از مواد هدفمند فلز – سرامیک، به دلیل مقاومت حرارت بالای سرامیک و سختی بالای فلز، در شرایط مادی فوق العاده زیاد و یا شرایط شوک شدید حرارتی استفاده می شود. این مواد به دلیل ویژگی های منحصر به فرد قابلیت استفاده را در هواپیما و فضاپیما دارند. افزایش کاربرد FGM در صنعت، بررسی رفتار این ماده را تحت تاثیر نیروهای مکانیکی و حرارتی را در پی داشته است.
برای حل مسائل ترموالاستیسیته در حالت گذرا، ابتدا میدان دما را از حل معادله انرژی به دست آورده، و سپس دستگاه معادلات حرکت را با جایگزینی ترم دما از حل معادله انرژی حل می کنند. البته اعتبار این حل بستگی به اندازه ترم کوپلینگ حرارتی موجود در معادله انرژی دارد، به گونه ای که در شرایط عدم وجود شوک، از این ترم صرفنظر می کنند. هرگاه فرکانس اغتشاشات حرارتی اعمال شده به جسم با فرکانس طبیعی آن جسم برابر گردد (شوک حرارتی)، میدان های حرارتی و تنش، از حل دستگاه معادلات متشکل از معادلات حرکت و معادله انرژی به طور همزمان حاصل خواهد شد. پیچیدگی دستگاه معادلات حاکم بر جسم راهی جز حل عددی باقی نمی گذارد. از آنجایی که مدت زمان وقوع شوک فوق العاده کوچک است، حل عددی در بعد زمان را نیز پیچیده می کند. لذا این پیچیدگی با بهره گرفتن از تکنیک خاصی در هنگام بی بعدسازی معادلات رفع می شود.
فصل اول: کلیات مواد هدفمند
1-1- فیزیک مواد هدفمند
طبق تعریف مواد هدفمند یا FGM موادی هستند که برای به وجود آوردن تغییرات تدریجی در مشخصه های اجزاء ریزساختارها یا ترکیبات به کار می روند. مهمترین کاربرد FGM بهبود مشخصه های مکانیکی و ترمودینامیکی اجزاء به طرق زیر می باشد:

– اندازه تنش های حرارتی می تواند کمینه گردد، همچنین نواحی بحرانی که بیشینه تنش حرارتی در آن قسمت به وجود می آید، می تواند 

کنترل شود.

– شروع تسلیم پلاستیک و شکست برای یک بارگذاری ترمودینامیکی می تواند با تاخیر اتفاق بیافتد.
– جلوگیری از تمرکز تنش های شدید در محل تقاطع لبه ها و نقاط تکین.
– مقاومت باندهای واسط بین جامدات غیرهمگن مانند فلز و سرامیک با کاهش پیوسته ترکیب یا جهت دار کردن تغییر خواص مکانیکی می تواند افزایش پیدا کند.
– نیروی پیشران برای رشد ترک می تواند با انتخاب مناسب درجه بندی خواص مکانیکی کاهش پیدا کند.
– قرارگیری پوشش سخت روی نمونه فرعی با جنس نرم به وسیله درجه بندی پیوسته خواص مکانیکی و جهت دار کردن تغییر خواص مواد می تواند آسان تر شود.
– درجه بندی ترکیب در لایه های سطح می تواند میدان های تکین ناشی از بریدگی و فرورفتگی های نوک تیز را از بین برده و مشخصه های تغییر شکل پلاستیک اطراف فرورفتگی ها را تغییر دهد.
2-1- تاریخچه مواد هدفمند
برای اولین بار در سال 1972، Bever و Duwez، ایده ترکیب دو فاز مختلف را با تغییر در نحوه آرایش و ترتیب هرکدام از فازها در هر لایه در جهت بهبود خواص مکانیکی مطرح کردند. ایده آنها عموما مربوط به ضعف مواد مرکب در بسیاری از کاربردها بود که Goetzel در دهه های 1950 و 1960 با تحقیقات گسترده ای که روی مواد مرکب انجام داده بود، آنها را نشان داد. در اواسط دهه 1980 برای اولین بار در کشور ژاپن نام علمی FGm به این مواد داده شد و سبز فایلی برای تحقیقات گسترده روی این مواد گشوده گشت. در آن سال در ژاپن یک گروه دولتی پیش بینی کردند که درگیری شدید ژاپن در تحقیقات فضایی و رشد این تحقیقات نشان داده است که پیشرفت ژاپن در این زمینه قویا به تولید مواد جدید وابسته می باشد. سه تن از دانشمندان به نام های Niino، Koizumi و Hirai تحقیقات خود را روی پروژه هواپیمایی فضایی آغاز کردند. تحقیقات این سه تن نشان داد که اجزای سازه های به کار رفته در بدنه هواپیمای فضایی تحت بارهای بسیار شدید قرار می گیرند و بنابراین در ترکیب و درجه بندی ریزساختارهای سازه های بدنه بایستی به دو مورد توجه شود. اولا، از مواد موجود و در دسترس، اجزای سازه ای تولید گردند که بهترین استفاده را در اکثریت اهداف صنعتی داشته باشند. ثانیا، جلوگیری از تمرکز تنش یا کرنشی که ناشی از به وجود آمدن سطوح نوک تیز به دلیل جدا بودن مواد مختلف می باشد. نتیجه این یافته ها موجب گشت که در سال 1987 در کشور ژاپن سازمانی متشکل از دانشمندان تاسیس شد و بودجه تحقیقاتی بسیار زیادی به آن اختصاص پیدا کرد و کار آن تحقیقات گسترده در ارتباط با FGM بود. این سازمان تحقیقات خود را روی اجزایی که یک وجه آنها سرد شده اند و وجه دیگرشان در محیط بسیار داغ نگهداری می شوند معطوف نمود. کمیته علمی این سازمان مأمور طراحی و ارزیابی سیستم های مرکب Inorganic گشت که نهایتا به سمت فلزات و سرامیک ها هدایت شدند. برای سطح داغ، دما حدود 2000 درجه کلوین در محیطی اکسیدکننده در نظر گرفته شد و آزمایش ها سرامیک را ماده مناسبی برای سطح داغ نشان داد. سطح سردتر در دمای 1000 درجه کلوین قرار داشت و بدینسان مقاومت و سختی و هدایت حرارتی مواد انتخاب شدند. بین دو سطح داغ و سردتر را با مخلوطی از سرامیک و فلز با درصدهای مشخص پر کردند که این عمل توسط روش متالوژی پودر انجام شد.