X
تبلیغات
mavad.semnan

- تبدیل های پخشی در جامدات

بخش عمده تبدیل های فازی که در حالت جامد انجام می شوند، از طریق حرکت های اتمی فعال شده با گرما صورت می گیرند.تبدیل هایی وجود دارند که در نتیجه تغییر دما ، از یک ناحیه تک فاز در نمودار (دوتایی) به ناحیه ای که یک یا چند فاز در آن پایدارند، انجام می شوند. انواع مختلف تبدیل های فاز ممکن را می توان به دسته های زیر تقسیم کرد:

الف) واکنش های رسوبی

ب) تبدیل های اوتکتوییدی

ج) تبدیل های نظم ده

 د) تبدیل های حجیم

ه)تغییرات چند ریخت

 

2- تجزیۀ اسپینودال

2-1- تجزیۀ اسپینودال در محلول های جامد

در یکی از این تبدیل ها (نظم ده) ، هیچ سدی در مقابل جوانه زنی وجود ندارد. یکی از این تبدیل ها، تبدیل به شیوۀ اسپینودال است.   تجزیه اسپینودال (به انگلیسی: Spinodal Decomposition) یک واکنش خوشه‌بندی در محلول (جامد یا مایع) فوق‌اشباع همگن است که در اثر نوسانات بی‌نهایت کوچک در چگالی یا ترکیب رخ می‌دهد. در طی این واکنش، محلول بدون جوانه‌زنی و بصورت خودبه‌خودی با کاهش انرژی آزاد گیبس به دو فاز مجزا تقسیم می‌شود. نمودار فازی با شکاف اختلاط پذیری، مطابق شکل 1- الف را در نظر بگیرید. اگر آلیاژی با ترکیب X0، در دمای بالای T1 عملیات محلولی شود و سپس تا دمای پایینتر T2 آب داده شود، در آغاز ترکیب آن در همه جا یکسان و انرژی آزاد آن برابر G0 در شکل1 - ب است. اما این آلیاژ بلافاصله ناپایدار می شود، زیرا نوسان های جزئی در ترکیب شیمیایی که نواحی غنی از A و غنی از B را پدید می آورد، سبب کاهش انرژی آزاد کل می شود. بنابراین مطابق شکل 1- ب پخش معکوس (رو به غلظت بالاتر) رخ می دهد تا ترکیب های تعادلی X1 و X2 حاصل شوند.

 

شکل1

فرآیند بالا در مورد هر ترکیب آلیاژی که در آن منحنی انرژی آزاد، انحنای  منفی دارد رخ می دهد. بنابراین آلیاژ باید بین دو نقطۀ عطف منحنی انرژی آزاد قرار بگیرد. مکان هندسی این نقاط روی نمودار فازی را اسپینودال می نامند.

شکل2

اگر آلیاژ بیرون اسپینودال واقع شود، ایجاد تغییرات اندکی در ترکیب شیمیایی، به افزایش انرژی آزاد می انجامد و بنابراین آلیاژ شبه پایدار است. در این حالت تنها هنگامی می توان انرژی آزاد سیستم را کاهش داد که هسته ها با ترکیبی کاملاً متفاوت با زمینه تشکیل شوند. بنابراین در بیرون از اسپینودال، تبدیل از طریق فرآیند هسته بندی و رشد انجام می شود. در این حالت پخش عادی مطابق  شکل3 انجام می شود..

شکل3

2-2- تجزیه اسپینودال در مایعات

دو مایع اختلاط پذیر وجود دارند که به هر نسبت و دمایی در هم حل نمی شوند که در دیاگرام غلظت- دما به صورت یک شکاف حلالیت در جایی که جدایش فازی رخ می دهد، نشان داده شده است. گیبس نشان داد که شرایط پایداری (و یا نیمه پایداری) با تغییرات پیوستۀ فازی در مشتق دوم انرژی آزادmixing در رابطه است که باید مثبت باشد و اگر منفی باشد، سیستم ناپایدار است و اگر صفر، اسپینودال اتفاق می افتد. انرژی آزاد mixing یعنی ΔGmin از فرم کلیΔGmix = ΔHmix- TΔSmix تبعت می کند.

برای محلول های منظم، آنتروپی mixing مثل محلول های ایده آل می باشد که از رابطۀ

= R (xA Ln xA+ XB Ln xB)  ΔSmix  پیروی می کند کهxA و xB، کسر مولی ترکیبات A و B در مخلوط(xA+xB=1) می باشد. اگرچه  آنتالپی mixing ممکن است به طور ΔHmix = xA xB β نوشته شود، در حالیکه β پارامترکلی برهم کنش در سهم انرژی mixing می باشد. با این فرضیات معادله بالا به این صورت نوشته می شود:                                                                                ΔGmix = xA xB β + RT (xA Ln xA +xB Ln xB)

شکل4

شکل 4: دیاگرام فازی با یک شکاف حلالیت (نمودار پایینی) و یک نمودار تغییر انرژی آزاد (نمودار بالایی) دیاگرام فازی، درجه حرارت را در برابر کسر مولی اجزا به عنوان مثال XB نشان می دهد. ملاحظه می شود که نمودار در حول 5/0 = XB متقارن است که در مورد محلول های منظم اینگونه است. خط 1، مرز فازی است. بالای این خط دو مایع با هم مخلوط می شوند و سیستم پایدار است. در زیر این خط منطقۀ نیمه پایدار وجود دارد.(m) در داخل این منطقه سیستم نسبت به تغییرات کوچک پایدار و نسبت به تغییرات بزرگ ناپایدار است. خط 2، اسپینودال است. زیر این خط سیستم ناپایدار است.(u) ناحیه m و u تشکیل یک شکاف حلالیت را می دهند و در این شکاف سیستم از یک فاز به دو فاز تغییر می کند. دمای Tc بالای دمای اختلاط پذیری قرار دارد. بالای این دما دو مایع به هر نسبتی در هم حل می شوند. در دمای داده شده T،4 Tie Line مرز فازی را قطع می کند و اسپینودال به ترتیب در نقاط (a,c) و (b,d) رخ می دهد.

تغییرات انرژی آزاد mixing، (ΔG) در دمای داده شده همان طور که به وسیلۀ خط 3 در نمودار بالایی نشان داده شده است، به xB مرتبط است.

بخش ab و cd با مشتق دوم ΔG که مثبت است  xB2>0)  2ΔG/  (  مطابقت می کند در حالی که مشتق دوم ΔG در بخش bd منفی است   xB2<0)  2ΔG/  (  و در نقاط b و d صفر است. xB2=0)  2ΔG/  (

 

 

 

 

 

 

 

3- مقایسه پروسه تجزیه اسپینودال با جوانه زنی و رشد

شکل5

شکل 5 (سمت چپ) پروسۀ جوانه زنی و رشد را نشان می دهد. ستون ها، دو منطقۀ داخلی مجاور در محلول را نشان می دهند. به صورت چپ و راست تفکیک می شوند و ردیف ها، 5 مرحلۀ سیستم را به شماره های 1،2،3،4و 5  جدا می کنند که سه مرحلۀ اول تغییرات کوچک رخ داده و دو مرحلۀ آخر، تغییرات بزرگ را نشان می دهند. نقاط سیاه یکی از دو ترکیب را نشان می دهند(B) در ردیف 1، محلول در یک ناحیۀ نیمه پایدار و در این لحظه تفاوت چندانی بین غلظت های موضعی وجود ندارد. CBleft = CBright. در ردیف دوم تغییرات بینهایت کوچک باعث اختلاف غلظت مثلt CBleft > CBrigh می شود و در نتیجه نفوذ بین محل های چپ و راست انتظار می رود. در سطر سوم دیفیوژن موجب CBleft = CBright می شود. دیفیوژن از چپ به راست اتفاق می افتد، از غلظت بالا به پایین (down-hill) و سیستم دوباره به حالت سطر اول بر می گردد. در سطر چهارم تغییرات وسیع موجب تشکیل هسته هایی با اندازۀ بحرانی می شوند. برای ارائۀ دلیل، نمودار برای جزء B در ناحیۀ چپ برای تشکیل هسته کشیده شده است. بنابراین CBleft = 0< CBright، Down-Hill Diffusion از سمت راست به چپ اتفاق می افتد، توجه کنید که غلظت بالاتر در سمت راست قرار دارد و هسته مداخله نمی کند. هنگامی که تعدادی B به سمت چپ برسد، از رشد هسته ها جلوگیری می کند. (ردیف 5م) جدایش فازی در این حالت به هسته گذاری و رشد موسوم است و fingerprint این مکانیسم، تشکیل هسته است.

شکل3 (سمت راست) پروسۀ تجزیه اسپینودال است. ستون ها به شکل چپ و راست به دو منطقۀ داخلی مجاور در محلول تفکیک می شوند و ردیف ها که با شماره های 1، 2، 3، 4 و 5 نشان داده شدند، 5 مرحلۀ سیستم هستند. نقطه های سیاه نشان دهندۀ یکی از دو جزء است.(B) توجه داشته باشید که ردیف 4 و 5 مراحل پایانی پروسه را نشان می دهند. تصویر ردیف 4، با تکرار شکل ردیف 3 روی صفحۀ xy به وجود آمده است. ستون 5 به وسیلۀ ستون 4 با artwork تولید شده است. ستون ها به تراکم اشاره دارند که نشان دهندۀ مشخصات چگالی سیستم در هر مرحله می باشد. در ردیف اول، محلول به دقت در ناحیۀ ناپایدار آورده شده است. دقت در این حالت به این دلیل است که تفاوتی در غلظت های موضعی وجود نداشته باشد. CBleft = CBright ، به دلیل اینکه هیچ گرادیان غلظتی وجود ندارد، دیفیوژن بین سمت چپ و راست اتفاق نمی افتد. محلول در این لحظه هنوز تک فازی است. چگالی سیستم در این مرحله یک پرئفایل وسیع معادل با مقدار متوسط که 0ρ می گویند، دارد. در ردیف دوم، تغییرات بینهایت کوچک باعث اخلاف غلظت مثل CBleft > CBrightمی شود و بنابراین بین منطقۀ چپ و راست، دیفیوژن انتظار می رود. تراکم (چگالی) سیستم در حال حاضر مانند مشخصات موج با مقادیر max و min در حول دانسیتۀ متوسط می باشد. در ستون سوم پروسۀ دیفیوژن انتظار می رود که منجر به CBleft >> CBright می شود. با این حال دیفیوژن از چپ به راست اتفاق نمی افتد، یعنی از غلظت بالا به پایین (down-hill) بلکه برعکس از راست به چپ، از غلظت پایین به بالا (up-hill) رخ می دهد. دقت کنید که اگر دیفیوژن به طور نرمال از چپ به راست(down-hill) رخ داده بود منجر به CBleft = CBright می شود و سیستم رفته رفته به سمت آنچه در ردیف اول به تصویر کشیده شده می رفت که این اتفاق نمی افتد زیرا این حالت در مورد سیستم های پایدار برقرار است. یعنی با فرض اولیه که سیستم در ناحیه ناپایدار باشد در تضاد است. تراکم (چگالی) در این حوزه بزرگ است اما با درجۀ کوچک. فلش ها جهت دیفیوژن را نشان می دهد. با پیشرفت دیفیوژن، تراکم تا نقطه ای افزایش پیدا می کند که معادل با تراکم B خالص باشد. (ردیف های 3 تا 5) جدایش فازی در این حالت به تجزیه اسپینودال موسوم است و fingerprint این مکانیسم up-hill diffusion است.

شکاف حلالیت و مرزهای ناحیۀ اسپینودال به ترتیب با محاسبۀ مشتق اول و دوم انرژی آزاد و قرار دادن آنها برابر صفر بدست می آیند.

 

در شکل 1 (نمودار بالایی) می توان می توان مشتق اول برابر صفر را در دو نقطۀ min مربوط به دو فاز اختلاط پذیر و مشتق دوم برابر صفر را در نقطۀ انحنا مشاهده کرد. همین طور مشتقات در max انرژی آزاد صفر هستند. برای یک سری از درجه حرارت ها، مکان هندسی min انرژی آزاد در نمودار دما- ترکیب پیش بینی شده است که مرز فازی و مکان نقطۀ خمیدگی اسپینودال را مشخص می کند. (نمودار پایینی شکل1) max با دمای بالای اختلاط پذیری Tc در 5/0 = XB همزمان است. جدایش فازی زمانی که سیستم در شکاف حلالیت قرار دارد، رخ می دهد. اگر سیستم در منطقۀ نیمه پایدار باشد، مکانیسم جوانه زنی و رشد و اگر در ناحیۀ پایدار باشد، تجزیۀ اسپینودال برقرار است. شکل 2 مکانیسم جوانه زنی و رشد را نمایش می دهد. گیبس احتمال تشکیل یک مایع با فازهای مختلف در درون یک مایع هموژن را بررسی کرده و نشان داده است که کار w برای تشکیل (بوسیلۀیک پروسۀ رورسیبل) یک جسم گرد کوچک در درون یک تودۀ بسیار بزرگ که در ابتدا فاز یکنواختی از تودۀ خارجی بوده است، نیاز است:

 

که γ تنش سطحی، r شعاع و PΔ فشار هیدرواستاتیک می باشد. در این حالت جایی که هستۀ بحرانی تشکیل می شود، مشتق اول معادلۀ 4 صفر می شود، در حالیکه تعادل هیدرواستاتیکی حفظ می شود، ΔP = 2γ/rcrit . در جاییکه rcrit شعاع هستۀ بحرانی است. زمانی که r > r crit ، هسته رشد می کند و زمانی که r < r crit دچار فروپاشی می شود. زیرا فشار سطحی اعمال شده بزرگتر از PΔ می شود. با وارد کردن rcrit  در معادلۀ 4 کار min (Wmin) برای تشکیل هستۀ بحرانی به این صورت می باشد:

شکل 3 مکانیزم تجزیۀ اسپینودال را نشان می دهد. Cahk and Hiliard معادلۀ واندروالس را برای انرژی مخلوط فازی برای توسعۀ مدل تجزیه اسپینودال از قانون فیک دیفیوژن به کار برد:

در جاییکه f چگالی انرژی آزاد ترکیب مواد هموژن) CB (و M ثابت مثبت است و K یک پارامتر مثبت می باشد. ترم اول از سمت راست معادله، معادلل نفوذ کلاسیک است که ضریبCB 2Δ  ، ضریب دیفیوژن D است. وقتی که M>0، علامت D با علامت   CB2 2f/    مشخص می شود. وقتی>0 CB2 2f/   ، D>0و محلول پایدار است، دیفیوژن در صورت وجود به صورت down-hill اتفاق می افتد. زمانی که<0 CB2 2f/    محلول از اسپینودال عبور می کند و ناپایدار است، D<0 و دیفیوژن به صورت up-hill رخ می دهد. اشاره می شود که ترم دوم معادله از سمت راست (ترم درجۀ 4) سیستم را در شرایط تغییرات کوتاه مقیاس فاصله در حالی که <0 CB2 2f/    است، تثبیت می کند. Up-hill دیفیوژن و سپس تجزیۀ اسپینودال به یک تغییرات به اندازۀ کافی بزرگ مقیاس فاصله برای حرکت جرمی در فواصل طولانی، نیاز دارد.

 

 

 

 

 

4- محاسبه شکاف اختلاط پذیری و مرزهای ناحیه اسپینودال

مرزهای ناحیه اسپینودال به ترتیب با محاسبه مشتق اول و دوم انرژی آزاد و قرار دادن آنها معادل با صفر بدست می آیند.آهنگ تبدیل اسپینودال را ضریب درهم پخش D تعیین می کند. درون اسپینودال D<0 و بنابراین نوسان های ترکیب  نشان  داده  شده  در شکل  2 به طور نمایی با  زمان  افزایش می یابد  و ثابت زمانی  مشخصه  برابر  است با τ = λ2 /4 π2 D  ، که λ طول موج مدولاسیون های ترکیب شیمیایی است. (مدولاسیونها یک بعدی فرض می شوند.) بنابراین با کوچک کردن λ تا حد ممکن، آهنگ تبدیل می تواند بسیار افزایش یابد. اما چنان که در ادامۀ مطالب نشان داده می شود، مقدار مینیممی برای  λ  وجود دارد که در زیر آن تجزیۀ اسپینودال رخ نمی دهد.

برای محاسبۀ طول موج های نوسان های ترکیب شیمیایی که در عمل ایجاد می شود، باید دو عامل مهم را در نظر گرفت که از بحث بالا حذف شده اند: (1) آثار انرژی فصل مشترکی، (2) آثار انرژی کرنش همدوسی.

اگر آلیاژ همگنی با ترکیب  X0 به دو قسمت یکی با ترکیب   X0+ΔX و دیگری با ترکیب  X0-ΔX  تجزیه شود، می توان نشان داد که کل انرژی آزاد شیمیایی به اندازه  Gc Δ تغییر می کند و داریم:

اما اگر دو ناحیه به خوبی پراکنده و با یکدیگر همدوس باشند، نوعی تغییر انرژی آزاد، ناشی از انرژی فصل مشترکی وجود  خواهد داشت. اگرچه در ماحل اولیۀ تجزیۀ اسپینودال، فصل مشترک بین نواحی غنی از     و غنی از   کاملاً مشخص و واضح نیست بلکه حالت آن بسیار پخشی است. باز هم سهم انرژی فصل مشترکی مؤثری وجود دارد. مقدار این انرژی به شیب ترکیب شیمیایی در عرض فصل مشترک بستگی دارد و به همین سبب آن را "انرژی شیبی" می نامند. در محلول های جامد که تمایل به خوشه ای شدن دارند، انرژی زوج های اتمی همانند، از انرژی زوج های ناهمانند کمتر است. بنابراین منشأ انرژی شیبی، تعداد بیشتر نزدیکترین همسایگان ناهمانند در محلولی دارای شیب های ترکیب شیمیایی، در مقایسه با محلولی همگن است. اگر مدولاسیون ترکیب شیمیایی را سینوسی با طول موج λ و دامنۀ  ΔX  فرض کنیم، شیب ترکیب شیمیایی ماکزیمم با )λ ΔX/  (متناسب است و جملۀ انرژی شیبیGγ Δ از رابطۀ زیر بدست می آید:

ΔGγ = K( )2

که K ثابت تناسبی است که به اختلاف در انرژی پیوند زوج های اتمی همانند و ناهمانند بستگی دارد.

اگر اندازۀ اتمهای تشکیل دهندۀ محلول جامد متفاوت باشد، تولید اختلاف در ترکیب شیمیایی سبب وارد شدن یک جملۀ انرژی کرنش همدوسی، مانند s GΔ، خواهد شد. اگر عدم انطباق بین نواحی غنی از A و غنی از Bبرابر δ   باشد، آنگاه  Eδ2   s‏ GΔ که در آنE مدول یانگ است. هرگاه کل اختلاف در ترکیب شیمیایی را X Δ فرض کنیم،δ از رابطۀ  (da/dX)ΔX/a  بدست می آید که a پارامتر شبکه است. محاسبۀ دقیق انرژی کرنش کشسان نشان می دهد که

ΔGs = η2 (ΔX)2 E̕ Vm

که در آن

η =  ( )

یعنی   η تغییر برخه ای پارامتر شبکه به ازای تغییر واحد در ترکیب شیمیایی است.

= E/(1-ν)  E̕، که ν  نسبت پواسون است و Vm  حجم مولی است. توجه کنید که G0 Δ  از λ مستقل است.

اگر همۀ بخش های تشکیل دهندۀ کل تغییر انرژی آزاد همراه با ایجاد یک نوسان در ترکیب شیمیایی را جمع بزنیم، نتیجه می شود:

بنابراین می توان دید که شرط ناپایدار بودن محلول جامد همگن، و تجزیه اسپینودال آن است که

بنابراین محدوده های دما و ترکیب شیمیایی که تجزیۀ اسپینودال درون آنها امکان پذیر است، از شرط های  =   λ و

به دست می آیند. خط واقع در نمودار فاز که با این شرط تعریف می شود، اسپینودال همدوس نام دارد  و کاملاً درون اسپینودال شیمیایی  (d2G/dX2 =0) قرار می گیرد که در شکل 6 آن را نشان داده ایم. با توجه به معادلۀ بالا     می توان دید که طول موج مدولاسیون های ترکیب شیمیایی که درون اسپینودال همدوس ایجاد می شوند، باید در رابطۀ زیر صدق کند.

بنابراین طول موج ممکن مینیمم با افزایش تأخیر در انجماد در زیر اسپینودال همدوس، کاهش می یابد.

در شکل 6  شکاف اختلاط پذیری همدوس را نیز نشان داده ایم. این خطی است که ترکیب شیمیایی تعادلی فازها را، که از تجزیه اسپینودال حاصل می شوند. ( X1  و  X2 در شکل 1   ) نشان می دهد. شکاف اختلاط پذیری که معمولاً در نمودارهای فازهای تعادلی دیده می شود، شکاف اختلاط پذیری، ناهمدوس (یا تعادلی) است.این شکاف با ترکیب های شیمیایی تعادلی فازهای ناهمدوس، یعنی با نبود میدان های کرنش متناظر است. اسپینودال شیمیایی را نیز در شکل 6   برای مقایسه نشان دادیم، اما اهمیت عملی ندارد.

تجزیه اسپینودال تنها به سیستم های دارای شکاف اختلاط پذیری پایدار محدود نمی شود. همۀ سیستم هایی که در آنها منطقۀ  GPتشکیل می شود، شکاف اختلاط پذیری همدوس شبه پایدار، یعنی خط انحلال منطقۀ   GP دارند. پس این امکان هست که در صورت فوق اشباع شدید، منطقه های   GP  بتوانند با مکانیسم اسپینودال تشکیل شوند.

شکل6

اگر عملیات پیرسازی در دمایی پایین تر از دمای انحلال همدوس، اما بیرون از اسپینودال انجام شود، منطقه های  GP  تنها از طریق فرآیند هسته بندی و رشد می توانند تشکیل شوند. بین شکاف های اختلاط پذیری ناهمدوس و همدوس، داریم   < 0  s v - ΔG GΔ  و تنها هسته های نا همدوس بدون کرنش تشکیل می شوند.

اختلاف دما بین شکاف های اختلاط پذیری همدوس و ناهمدوس، یا اسپینودال های شیمیایی و همدوس در شکل      به مقدار     بستگی دارد. هنگامی که اختلاف اندازۀ اتمی بزرگ باشد،  بزرگ است و فوق سرمایش زیادی برای غلبه بر آثار انرژی کرنش لازم است. همان گونه که پیش از این گفتیم، مقدارهای بزرگ   در فلزهای مکعبی را می توان کاهش داد، هرگاه بتوان کرنش های عدم انطباقی را در امتدادهای نرم و کشسان <100>  جای داد. این کار با تجمع مدولاسیونهای ترکیب شیمیایی به موازات  {100}  امکانپذیر است.

شکل7

در شکل  7  ساختار اسپینودال را در نمونه ای از آلیاژ  Al-22/5Zn-0/1Mg(درصد اتمی) که در دمای         400°Cعملیات محلولی شده و در دمای 100°C  به مدت 20 ساعت پیر شده است، نشان داده ایم. طول موج در این ساختار  25 nm است که از مقدار مربوط به ریزساختار اولیه بیشتر است، زیرا با نگه داشتن آلیاژ در دمای بالا و به مدت طولانی، دانه های آن درشت می شوند.

 

 

 

 

 

 

 

5- مراحل عملیات حرارتی اسپینودال

مراحل عملیات حرارتی تجزیه اسپینودال عبارتند از:

·        همگن سازی در دمای بالای شکاف اختلاط پذیری تا یک محلول جامد یکنواخت تک فاز بدست آید.

·        کوئنچ سریع در دمای اتاق

·        دوباره گرم کردن تا یک دمایی بین ناحیه اسپینودال واکنش اولیه و نگه داشتن به مدت زمان کافی تا تجزیه اسپینودال کامل شود.

برای آلیاژهای سه تایی آلیاژ قلع-نیکل-مس که بطور اسپینودالی سخت شده اند نیاز به هیچ گونه عملیات حرارتی دیگری نیست.در این شرایط پیش سخت شده ، آلیاژها به طور کامل ماشین کاری شده و ترکیباتی منحصر به فرد با استحکام بالا، مقاومت به خوردگی و خواص سایشی و اصطکاکی پایین تولید می کنند.

 

 

6- ساختار اسپینودال

آلیاژهایی که به وسیله تجزیه اسپینودال استحکام می یابند دارای یک مدوله شده خیلی ظریف هستند، که با

میکروسکوپ نوری قابل مشاهده نیست. این ساختارها توسط میکروسکوپ های الکترونی و با بزرگنمایی خیلی بالا فقط قابل مشاهده هستند.در شکل زیر یک نمونه از ساختارهای سخت شده بوسیله تجزیه اسپینودال از آلیاژ  قلع-نیکل-مس را مشاهده می کنید.

شکل8

ذرات غنی از قلع  بوسیله تجزیه اسپینودال در طول مرحله عملیات حرارتی اولیه تشکیل می شوند ویک ساختار منظم DO22  در شرایط پیر سخت شده بوجود می آید.بیش از حد پیر شدن (overaging ) یک واکنش مرزدانه ای غیر پیوسته است که شامل مخلوط های فازی  است که به طور اسپینودالی دانه های سخت شده را مصرف می کند و یک ساختار نرم را به جای می گذارد.

 

7- تخمین زمان همگن سازی مورفولوژی در طی تجزیه اسپینودال

برآورد زمان همگن سازی مورفولوژی در طی تجزیه اسپینودال بوسیله اندازه گیری های مورفولوژیکی مثلاً Minkowski حاصل می شود.در این روش خصوصیات را در مقیاس طولی یا با یک الگوی مناسب به دست می آورند که از نظر آماری یک روش قوی است ولی بسیار پر هزینه می باشد.در این روش رفتار پیمایشی نیز مورد مطالعه قرار می گیرد، مثلا مقدار، شکل و اتصالات در ساختار  سه بعدی و سرعت اولین مرحله تجزیه تا آخرین مرحله رشد  را مورد بررسی قرار می دهند.در بررسی ر فتار پیمایشی مشاهده شد که :

                                                                                                                                    

که مقدار  به ویسکوزیته سیال بستگی دارد. هنگامی که به دانسیته اسپینودال نزدیک می شویم ، پیش بینی می شود که برای زمانهای اولیه تجزیه اسپینودال:

 

8- شرایط لازم برای استحکام به وسیله تجزیه اسپینودال

شرایط خاصی لازم است تا سخت شدن به وسیله تجزیه اسپینودال صورت گیرد.این شرایط عبارتند از:

1-   دیاگرام فازی یک سیستم اسپینودال در حالت جامد باید شامل یک شکاف اختلاط پدیری باشد(بدون از دست دادن خواص )یعنی فاصله یا ناحیه ای  تا آلیاژهای تک فاز و دو فاز جدا شوند.

2-   عناصر آلیاژی باید دارای تحرک کافی در زمینه در دمای عملیات حرارتی باشند تا اجازه نفوذ متقابل یابند.

9- کاربردهای تجزیۀ اسپینودال

تجزیه اسپینودال منجر به تولید مواد نانوساختاری می‌شود که به دلیل هم‌اتصالی خواص منحصر به فردی دارند. شیشه‌های تجاری وایکور (VYCOR) یک نمونه از محصولاتی است که با استفاده از خاصیت تجزیه اسپینودال در ترکیب شیشه‌های سدیم بوروسیلیکات تهیه می‌شود. فاز غالب در این محصولات فاز غنی از سیلیکا است که اکسیدهای سدیم و بور در فاز ثانویه غنی از بورات سدیم قرار دارند. با شستشوی شیشه، فاز غنی از بورات سدیم که در اسیدها محلول از ترکیب خارج شده و ساختار نانو متخلخلی از سیلیکای ۹۶٪ باقی می‌ماند. از ساختار باقی‌مانده در الک‌های مولکولی و پایه‌کاتالیست‌ها استفاده می‌شود.

 

 

منابع

1- E.P.Favvas and A.Ch.Mitropoulos, “what is spinodal decomposition?”, Engineering Science and Technology Review, Greece, 2008.

2- M.Grant and K.R.Elder, “spinodal decomposition in fluid’, Physical Review Letters, vol 82, pp1, Michigan,2000.

3- V.Sofonea and K.R.Mecke, “morphological characterization of spinodal decomposition kinetics”, The European Physical Journal B, Germany, 2001.

4-A.Guha and b.Wellman, “spinodal decomposition”, 2002.

5- D.A.porter and K.E.esterling, “Phace Transfprmation in Metals and Alloy” 2 Edition, Chapman & Hall,1992.

+ نوشته شده در  89/03/18ساعت 5:56 بعد از ظهر  توسط fatemeh piyadeh  | 

 

 

  •  مقدمه                                                                                                                                                                 

 

    تاريخچه كيفيت و كنترل كيفيت به زمانهاي خيلي دور برميگردد . از زماني كه كارخانجات شروع به رقابت كردند، مصرف كنندگان محصولات را با هم مقايسه كرده و جذابترين را انتخاب مي نمودند (به استثناي محصولات انحصاري) اگر كارخانه اي حس ميكرد كه رقيب سود بيشتري كسب ميكند، تلاش ميكرد وضعيت خود را از طريق افزايش سطح كيفيت محصول خروجي و يا كاهش قيمت بهبود دهد. 

    اماكنترل كيفيت آماري بطور نسبي علم جديدي محسوب ميشود . سابقه علم آمار به ۲ يا سه قرن اخير بر ميگردد و بيشترين پيشرفت آن به قرن بيستم مربوط است . اولين كاربردها ي آمار در ستاره شناسي، فيزيك، بيولوژي و علوم اجتماعي بود.با شروع انقلاب صنعتی در اواسط قرن هیجدهم ماشین های تولیدی کم کم جایگزین ابزار و مهارتهای فردی افراد هنرمند و صنعتگر گردید. با پیدایش روشهای جدید و پیچیده اشتیاق به تولید افزایش یافت و بدین ترتیب نیاز به کنترل کیفیت نیز ابعاد تازه ای پیدا نمود.  

 پایه و اساس کنترل کیفیت آماری به مفهوم امروزی آن، طی سالهای دهه 1920 گذاشته شد. استفاده از روشهای کنترل کیفیت آماری، کلیه صنایع کارخانه ها را در راستای بهبود بهر ه وری، جلوگیری از تولید اقلام معیوب، جلوگیری از تنظیم های غیرضروری و آگاهی از فرآیند یاری می رساند. طبق تجربیات متمادی، واحدهای تولیدی که از روشهای کنترل کیفیت آماری بهره می برند، از بازده قابل توجهی نسبت به سایرین برخوردارند. امروزه  دیدگاهی مهندسی در صنایع مختلف حاکم بوده و دیگر از بافت کارگاهی و تجربی گذشته خبری نیست. سودآوری، دریافت گواهینامه های استاندارد داخلی و بین المللی، تامین نیازهای مشتریان از نظر تنوع طراحی، استحکام و زیبایی، واحدهای تولیدی را بر آن داشته تا از تکنیکهای کنترل کیفیت آماری به عنوان اهرم و وسیله سهل الوصول برای بهبود کیفیت  محصولات وفرآیندهای تولیدی کارخانه استفاده نمایند. از دید دیگر می توان گفت که روشهای کنترل کیفیت آماری در صنایع گوناگون بوسیله کنترل تمامی مشخصه ها از مواد اولیه تا محصول نهایی باعث می شوند تا ضایعات و دوباره کاری ها و همین طور هزینه ها به حد قابل قبولی رسیده و در نتیجه عمر مفید فرآورده ها  نیز افزایش یابد.    

 آقای ادبلیو شوهارت ( 1924 )، اصول کاربرد نمودارهای کنترل را در صنعت معرفی کرد. این نمودارها مانند یک آزمون، فرضیه تحت کنترل بودن فرآیند را از لحاظ آماری بررسی می کنند، به این معنا که قرار گرفتن یک نقطه خارج از حدود کنترل بیانگر رد چنین فرضیه ای است. داج و رومینگ( 1928) ، روش نمونه گیری جهت پذیرش یا رد را ارائه کردند. استانداردهای امریکا  MILSTD برای بازرسی اقتصادی فراورد ههای تولیدی توسط ارتش آمریکا در سال 1934 تدوین گردیدند.  

     صنايع كشور ما نيز اخيرا در پي رواج سيستمهاي مديريت كيفيت از جمله استانداردهاي سريISO 9000 به فنون كنترل كيفيت آماري روي آورده اند اما مشكلي كه اغلب ايشان با آن مواجه اند اين است كه معمولا مكان،زمان وشرايط استفاده ازاين فنون براي استفاده كنندگان روشن نبوده وگاها بكار گيري غلط،بي موقع،شتابزده و نامناسب از اين ابزارها خود مشكلي را بر معضلات سازما ن خواهد افزود .در واقع مساله اصلي كه بايد براي استفاده كنندگان روشن باشد آن است كه براي حل مشكلات سازمان، از ميان فنون مختلف آماري بايد از كدام ابزار، چه موقع، چگونه و كجا استفاده نمود تا بتوان افزايش كيفيت را با كاهش هزينه توام نمود. 

    از جمله تحقیقات اولیه که در کشور ما انجام گرفت می توان به این موارد اشاره کرد:آقای محمدرضا مهرگان ( 1366 )، به بررسی کاربرد کنترل کیفیت در صنایع ریسندگی پرداخته و پس از تعیین مشخص ههای کنترل در یک خط تولید کارخانۀ ریسندگی بوسیلۀ

 

استانداردهای MILSTD نحوۀ بازرسی مشخصه های مهم محصول نهایی را تشریح و ارزیابی نمود. آقای جواد زینالی ( 1376 )، به بررسی طراحی و توسعۀ یک سیستم کنترل کیفیت یکپارچه در یک واحد صنعتی کارگاهی پرداخت و دریافت که اگر کنترل کیفیت آماری و کنترل فرآیند آماری با یک سیستم اطلاعاتی که قابل مستندسازی است ادغام شود، کاربردهای بسیار مطلوبی پیدا خواهد کرد. 

      به طور کلی می توان نتیجه گرفت که استقرار و کاربرد نظام کنترل کیفیت آماری در خصوص مواد اولیه، کالای در جریان ساخت و محصول نهایی، موجبات ارتقاء کیفی و افزایش عمر مفید محصولات را به همراه داشته است. هدف از این مطالعه، استفاده از نظام کنترل کیفیت آماری به منظور حصول اطمینان از کیفیت مطلوب مواد اولیه و محصولات است.  

  •  ماهیت کنترل کیفیت

 

  •   تعریف کیفیت

     در یک کارخانه هیچ کس در مطلوب بودن کاهش هزینه ها تردیدی ندارد ولی ممکن است در نظر بعضی تولید کنندگان این مطلب که بهبود کیفیت باعث تقلیل هزینه ها می شود مورد تردید باشد. معمولا چون اینگونه افراد کیفیت را فقط در طراحی خوب و ظاهر مناسب و مانند اینها می دانند ممکن است بر روی نظر خود اصرار ورزند، ولی باید توجه داشت که اگر محصول نتواند وظیفه خود را انجام دهد، عمر کافی نداشته باشد ، یا از ظاهر خوبی برخوردار نباشد رضایت مشتری را از دست می دهد. بنا براین مفهوم گسترده کیفیت را رضایت و خواست مصرف کننده  تعیین می کند. به طور کلی کیفیت محصول را به صورت "خصوصیات مهندسی و تولیدی محصول که درجه ارضا خواسته های مصرف کننده را تعیین می کند." تعریف مینمایند.

 

  •   گروه بندي كيفيت

كيفيت طراحي(Quality of Design):  شامل طراحی خوب و مناسبی از محصول است

كيفيت انطباق (Quality of Conformance): یعنی طرح با اجرای صحیح توسط بخش های تولیدی کارخانه به ثمر برسد.

كيفيت عملكرد( Quality of Performance): به معنای پوشش دادن خواسته های مشتری است.

        كيفيت طراحي وكيفيت انطباق مربوط به داخل سازمان بوده ، بطوريكه ابزار متداول بهبود كيفيتطراحي ،طراحي آزمايشات(DOE) وابزارمتداول بهبود كيفيت انطباق ،كننرل آماري فرآيند(SPC) ميباشد .كيفيت عملكرد مربوط به خارج از سازمان بوده ومفهوم آن اين

است كه محصول تا چه حد توانستهخواسته ها ي مشتري را در عمل پوشش دهد ابزار متداول مورد استفاده در اين مبحث( QED) می باشد.   

  •    تعريف كنترل

   عبارت است از مجموعه عملياتي شامل اندازه گيري يا آزمايشهايي كه بر روي يك فرآورده انجام گيرد تا مشخص شود که مشخصات و ويژگيهاي آن فرآورده با مشخصات استانداردها مطابقت داشته باشد  در سيستم كنترل كيفيت، كنترل داراي وظايف ديگري هم است :

1- تعيين منبع يا عامل بوجود آورنده نقص يا اشكال

2- برطرف كردن منبع يا عامل بوجود آورنده اشكال

3- پيش بيني هاي لازم براي جلوگيري از ظاهر شدن منبع ياعامل بوجود آورنده اشكال

  •    تعريف كنترل كيفيت

    مجموعه اي از عملياتي (برنامه ريزي، هماهنگي و اجرا) است كه جهت نگهداري و يا بهبود كيفيت و تو ليد در سطحي بسيار اقتصادي انجام شود بنحوي كه رضايت مصرف كننده را داشته باشد . 

  •  اهداف کنترل کیفیت

     هدف کنترل کیفیت تامین یک سیستم موثر برای تمرکز تمام اقدامات سازمان در جهت ایجاد ، حفظ و بهبود کیفیت محصول و انجام کارهای تولیدی ، توزیع ، و خدماتی در اقتصادی ترین سطحی که به رضایت مصرف کننده منجر شود، می باشد. هر سیکل کنترل شامل اقدامات زیر می باشد:

1.      تعیین استاندارد ها : تعیین عملکرد مطلوب،  میزان دوام و استاندارد های هزینه ای محصول

2.      ارزیابی عملکرد : مقایسه عملکرد محصول ساخته شده با استانداردها

3.      اقدام اصلاحی : انجام اقدامات اصلاحی در صورت عدم رعایت استانداردها

    برای بهبود کنترل باید دائما سه جنبه محصول یعنی استاندارد های هزینه ای ، عملکرد محصول و مقدار دوام آن مورد توجه قرار گرفته و در جهت بهبود هر یک اقدامات لازم صورت گیرد.

 

  •   نقش فنون آماري در چرخه حيات محصول

     تصميم گيري صحيح و علمي بدون وجود اعداد و ارقام غير ممكن خواهد بود،استفاده از فنون آماري مي تواند سازمان را درجهت شناسائي و حل مشكلات ياري دهد .ضمن آنكه تغيير پذيري نيز موضوعي مي باشد،كه باعث افت در كيفيت خواهد شد .اين تغيير پذيري را ميتوان در ويژگيهاي قابل اندازه گيري محصولات وفرآيندها مشاهده نمود وميتوان ديد كه در مراحل مختلف چرخه حيات محصولات از تحقيق بازار گرفته تا ارائه خدمات بعد از فروش وجود دارد .فنون آماري ميتواند به اندازه گيري ،توصيف ،تحليل ،نفسير وتعين الگوي اين نوع تغيير پذيري ، حتي هنگامي كه داده هاي نسبتا محدودي وجود دا رد كمك نمايد ،بنابراين فنون آماري به حل وحتي پيشگيري ازمشكلات كمك كرده وزمينه بهبود مداوم را در سازمان فراهم مي كند. 

  •   معرفی ابزارهای آماری
  • کنترل کیفیت

  ابزارهای آماری کنترل کیفیت که به ابزارهای «کنترل کیفیت جامع» نیز مشهور می‌باشند برای کشف، تجزیه و تحلیل و ارائه راه حل برای مسائل و مشکلات آموزش داده می‌شوند

  در زیر به معرفی مختصر برخی از این ابزارها می‌پردازیم:

·       برگ ثبت داده ها:

   برگه‌ای ساده برای ثبت سریع، آسان و طبقه بندی شده داده ها در همان جایی که تولید می‌شوند.مثل برگه‌ای برای ثبت نوع و دفعات وقوع وقفه در انجام کار. در ابتداي انجام SPS غالبا” داده‌ها بايد جمع‌آور يشوند و براي دسته‌بندي و شكل‌دهي اين اطلاعات در برگه‌هايي كه در قالب معين طراحي شده‌اند انجام مي‌پذيرد و برگه‌ها ثبت فراواني نقش بسزايي در اجراي SPS ايفا مي‌كند.

·       نمودار مسطح یا دایره ای:

  این نمودار برای نشان دادن نسبت بین اجزاء بکار می‌رود.

 

·        هیستوگرام:

     نمودار ساده‌ای برای نشان دادن اندازه یک متغیر در طول زمان می‌باشد. مثل تعداد ضایعات محصول در طی یک سال کاری. در همین نمودار ساده، توزیع آماری داده ها از نظر نرمال بودن ، کشیدگی داده ها به چپ یا راست و ...قابل تشخیص است.این نمودار   نوعي نمودار ميله‌اي مي باشد كه به توسط داده‌ها مي تواند يك فرايند را تشريح نمايد. در هيستوگرام تصويري از داده‌ها با سه ويژگي به نمايش گذاشته مي‌شود.

الف – شكل توزيع فراواني داده‌ها
ب – مكان باتمايل مركزي توزيع
ج – پراكندگي توزيع

 

·       نمودار راداری:

  نوعی از نمودار خطی است. با این تفاوت که نمودار مزبور بجای اینکه نسبت به محور ترسیم شود، نسبت به یک نقطه مرکزی ترسیم می‌شود.

·        نمودار پراکندگی :
   نمودار پراکندگی برای تشخیص بود یا نبود ارتباط بین دو متغیر و میزان این ارتباط به کار می‌رود. یکی از متغیرها بر روی

 

·        محور افقی محور(X) و دیگری بر روی محور عمودی (محور (Y) رسم می‌شود. فشردگی نقاط میزان ارتباط دو متغیر و جهت نقاط نحوه ارتباط متغیرها را نشان می‌دهد. اگر نقاط در داخل صفحه پراکنده باشند یعنی ارتباطی با یکدیگر ندارندو هرچه بیشتر نزدیک به خط راست باشند یعنی ارتباط بین متغیرها بیشتر است.

·        نمودار جریان:
  اینگونه نمودارها برای تشریح رسمی عملیات فرآیند بکار می‌روند و می‌توانند مراحل تکراری یا فعالیتهای بحرانی در فرآیند را

 

نشان دهند. بعلاوه با استفاده از یک نمودار جریان می‌توان ارتباط عملیاتهای یک فرآیند را نشان داد.. نمودار جریان می‌تواند افراد را در جهت شناخت بیشتر از جزئیات فرآیندهای بحرانی یاری دهد.

 

·        نمودار علت و معلول:
    زماني كه يك عيب، اشكال و يا اشتباه شناسايي مي شود، بايد علل بالقوه و بالفعل آنها تعيين گردد، در مواقعي كه علل بروز مشكل واضح نيست نمودار علت و معلول که نمودار استخوان ماهي هم نامیده می‌شود مي تواند ابزار به شدت مفيدي براي شناسايي اين علل باشد زیرا براي عموم ما فكر كردن با نمودار ساده تر از آن است كه به ذهن خود متكي باشيم، از اين نمودار همچنين مي توان به عنوان ابزاري در بحث و گفتگو استفاده كرد.

رسم نمودار علت و معلول:

 مرحله اول: مشخص ساختن معلول يا مشخصه كيفي، معلول همان عيب يا نقصي است كه به عنوان هدف بهسازي مطرح شده است. مرحله دوم: رسم استخوان پشت: يك محور باريك و بلند از چپ به راست به طرف مستطيل مرحله اول را رسم كنيد.

 مرحله سوم: رسم استخوانهاي بزرگ. اين استخوانها، علتها و فاكتورهاي اصلي هستند كه مي توان آنها را به صورت زير طبقه بندي      كرد.              

 تكنيك M4 شامل: الف- عوامل مربوط به انسانها ب- عوامل ماشيني ج- عوامل مربوط به مواداوليه ؛ د- عوامل مربوط به روش كار تكنيك P4شامل: الف- عوامل مكاني ب- عوامل سيستمي و برنامه ها ج- عوامل انساني، كاركنان د- عوامل سياستگذاري و خط مشي                              سازمان.

 تكنيك S4 شامل : الف- محيط؛ ب- تامين كننده، تهيه كننده؛ ج- سيستم؛ د- مهارتها
   شایان ذکر است برای هر یک از تکنیک‌های فوق چک لیست هایی تهیه شده و موجود است.

مرحله چهارم: پس از تعيين علتها و فاكتورهاي اصلي با استفاده از تكنيك هاي اعلام شده نوبت به شناسايي عاملهاي موثر و جزيي تر است.براي اين كار استخوان بزرگ را به استخوانهاي فرعي (استخوان متوسط) و استخوان متوسط را مجدداً به استخوانهاي فرعي ديگر (استخوانهاي كوچك) و به همين ترتيب استخوانهـــاي مويي تقسيم بندي تقسيم بندي مي كنيم. ذكر اين نكته مهم است كه سلسله مراتب علتها را آنقدر ادامه دهيد تا به علتهايي برسيد كه بتوان مستقيماً درمورد رفع آنها راه حل را اجرا كرد و نيز در پاره اي از موارد علتهاي ريشه اي و بنيادي در دو يا چند استخوان مويي از زير استخوان متوسط تكرار مي شوند.

مرحله پنجم: علتها را موردبررسي مجدد قرار دهيد تا هيچ عاملي فراموش نشده باشد.
 مرحله ششم: موثرترين و مهمترين «علت» يا «علتها» را از ميان ساير عوامل انتخاب كرده و آن را در يك شكل بيضي قرار دهيد تا

 

نسبت به ساير علتها مشخص شود.
 مرحله هفتم: كليه اطلاعات ضروري روي نمودار ثبت گردد و به طوركلي رسم نمودارها بدون ثبت اطلاعات فاقد هويت و ارزش است، اطلاعات ضروري يك نمودار همانند اطلاعات شناسنامه اي يك شخص است؛ يعني هر نمودار بايد حداقل داراي عنوان، شماره، تاريخ، مكان و نام شخص يا گروه تهيه كننده باشد.
    غالباً روش انتخابي برای تجزيه و تحليل، ايجاد توفان فكري در يك گروه متشكل از نمايندگان و كارشناسان قسمتهاي مختلف و افرادي است كه بالقوه با آن مشكل ارتباط دارندكار رسم نمودار بايد توسط رهبر گروه يا شخص باتجربه اي انجام شود كه بتواند جلسه توفان فكري را هدايت كند.

برخی نکات در این زمینه :
1. تمامي علتهاي احتمالي موثر در ايجاد مشكل را بر روي نمودار علت - معلول قرار دهيد، علتها را به ترتيب درجه نزديكي در ايجاد مسئله بر روي استخوانهاي بزرگ، متوسط، كوچك، مويي و... نمودار علت و معلول نمايش دهيد
2. تمامي علتهاي احتمالي واردشده روي نمودار علت - معلول را براساس دانش فني و تجربه كارشناسان موردبررسي قرار دهيد و آنهايي را كه به نظر مي رسد تاثيرات بيشتري روي معلول دارند يعني آن دسته از علتهايي كه بايد به جمع آوري اطلاعات درموردشان پرداخت، از بقيه متمايز كنيد.
3. بـراي تعيين سلسله مراتب علتها از تكنيك «5 چرا» استفاده شود؛ مثلا چرا ماشین از کار افتاد؟ به علت سوختن فیوز بر اثر بار زیاد. چرا بار ماشین بیش از حد بود؟ چون روغن یاتاقان کافی نبود. چرا روغن یاتاقان کافی نبود؟ چون پمپ روغن درست کار نمی کرد. چرا پمپ روغن درست کار نمی کرد؟ چون محور پمپ روغن فرسوده بود. چرا محور پمپ روغن فرسوده بود؟ چون گرد و خاک به داخل روغن راه

یافته است.

4.علتهاي واقعي را نه براساس حدس و گمان بلكه براساس مستندات واقعي و مدارك صحيح و دقيق (آمار و اطلاعات) شناسايي كنيد
5. تحقيق كنيد كه آيا بين هريك از علتها و معلولها همبستگي وجود دارد. به بررسي رابطه بين علتها نيز بپردازيد.

·        جلسات توفان فکری
  در این روش، هریک از اعضای جلسه به طور آزادانه پیشنهاداتشان را برای حل مشکل مطرح شده بیان می‌دارند. پیشنهادها به طور خلاصه روی تخته نوشته می‌شوند. در اين روش توجه به نكات زير ضروري است:
1.هيچ نظري به هیچ وجه نبايد مورد انتقاد قرار گيرد زیرا هر نظری هرچند مضحک و غیرعملی می‌تواند زمینه ظهور فکری نو در ذهن سایر حضار را فراهم آورد. تک تک پیشنهادها در پایان جلسه مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
2. هر پیشنهادی که ارائه می‌شود بايد بر روي تابلو طوري نوشته شود كه همه بتوانند آن را مشاهده كنند.
3. فردی به عنوان دبیر جلسه مسئول نوشتن پیشنهادها می‌باشد
4. فردی از اعضای گروه مسئولیت مدیریت جلسه را بر عهده دارد تا اظهار نظرها از موضوع مورد بحث خارج نشده ، انتقادی صورت نگیرد و به طور کلی قوانین جلسه رعایت شوند.
5. همه بايد بر روي طرح موضوع يا مشكل تعيين شده، اتفاق نظر داشته باشند.
6.ارائه ایده ها و نظرات بصورت گردشی می باشد در هر نوبت فقط یک ایده باید بیان گردد و در صورت عدم وجود ایده ای با گفتن واژه "بعدی" نوبت به دیگری واگذار می شود.

 

·        نمودار پارتو :

     نمودار ميله است كه براي حل مسئله كه مستلزم منظم شدن همه مناطق مشكل يا منابع تغييرات بر اساس سهم آنها در هزينه و يا در ايجاد تغييرات نهايي مي‌باشد و نموداري است كه با فراواني از بزرگترين تا كوچكترين و بصورت مقايسه‌اي مورد استفاده مي‌باشد و نمودار پارتو به نام اقتصاددان ايتاليايي نامگذاري شده است .ويلفرد پارتو (VilfredPareto) در مطالعات خود متوجه شد كه در كشور بيست درصد از جمعيت ,هشتاد درصد از ثروت را در اختيار دارند .اين حقيقت امروزه به نام “اصل 20/80 ” معروف است .معمولا” در فرايند هشتاد درصد از خطاها از فقط بيست درصد از نوع خطاها نشات مي گيرند .بنابراين چنانچه بيست درصد از علت خطاها از ميان برده شونـد ,هشتاد درصد از مشكلات حل خواهد شد و فرايند به طور قابل ملاحظه اي بهبود خواهد يافت .
 براساس اصل پارتو حدود 80 درصد نتايج از20درصد علل ناشي مي شود. به عبارت ديگر اگرچه براي مسائل موجود، علل بسيار زيادي وجود دارد ولي تعداد كمي حائز اهميت است و مناسبتر خواهد بود آن دسته از علل که بیشترین اثر را بر بروز مشکل می‌گذارند مشخص شود نمودار پارتو يك نمودار ميله اي است كه علل مشكلات به وجود آمده را با فراواني آن مقايسه مي كند، در نمودار پارتو از زواياي مختلف مي توان به يك مساله نگاه كرد .

چگونگي رسم نمودار پارتو:
براي رسم نمودار پارتو انجام مراحل زير ضروري است :
مرحله اول : ابتدا مشخص كنيد كه كدام مسائل براي رسيدگي هستند و چطور اطلاعات وداده ها را بايد جمع آوري كرد.
الف - تصميم بگيريد كدام مسائل را مي خواهيد رسيدگي و برطرف كنيد، مثال مواردنقص ، زيانهاي پولي ، حوادث قابل اتفاق .
ب - مشخص كنيد كه چه داده هايي لازم است جمع آوري شود و چطور آنها را طبقه بندي كنيد، مثال باتوجه به موارد نقص ، فرآيند كار، ماشين ، كارگر و روش ، موارد غيرمهم وجزيي را تحت عنوان ساير طبقه بندي كنيد.
ج - روش جمع آوري داده هاو دوره زماني جمع آوري آن را مشخص كنيد.
مرحله دوم : يك برگه كنترل ''برگه ثبت اطلاعات '' مناسب طراحي كنيد.
مرحله سوم : بعد از علامت گذاري و ثبت موارد مشاهده شده در برگه كنترل فراواني آنها رابه دست آوريد.
مرحله چهارم : يك جدول توزيع فراواني شامل تمام موارد فهرست شده ، ستونهاي فراواني ، فراواني تجمعي ، درصد فراواني و درصد فراواني تجمعي تهيه كنيد.
مرحله پنجم : جدول توزيع فراواني را برحسب تعداد به ترتيب غيرنزولي مرتب كنيد. لازم به ذكر است كه مورد ساير، يا غيرو را در آخرين سطر جدول قرار دهيد. مورد فوق نبايدخيلي بزرگتر از ساير موارد باشد.
مرحله ششم : يك محور افقي و دو محور عمودي رسم كنيد:
الف - محور افقي : اين محور را به تعدادي فواصل يكسان شامل تمام موارد، تقسيم بندي كنيد.
ب - محور عمودي سمت چپ : اين محور را از صفر تا n ''جمع كل داده ها'' مدرج كنيد.
ج - محور عمودي سمت راست : اين محور را از صفر تا100 ''درصد كل '' مدرج كنيد.
مرحله هفتم : يك نمودار ستوني رسم كنيد.
مرحله هشتم : منحني فراواني تجمعي ، منحني پارتو را رسم كنيد، براي اين كار ارزشهاي تجمعي را در بالاي سمت راست ستون مربوط به هر طبقه با نقطه اي مشخص كرده وسپس اين نقاط را به يكديگر وصل كنيد.
مرحله نهم : تمام اطلاعات ضروري را روي نمودار ثبت كنيد:
الف - اطلاعات مربوط به نمودار شامل عنوان ، واحد، نام رسم كننده نمودار، موارد بامعني و...
ب - اطلاعات مربوط به داده ها شامل دوره زماني ، محل جمع آوري داده ها، موضوع ،جمع كل داده ها و...

 

مزاياي استفاده از نمودار پارتـو:

- شناسايي عوامل مهمي كه رفع آن ها اثر قابل ملاحظه اي در حل مسائل و بهبود فرايند دارند .
- سادگي عملكرد .
- تمركز بر روي مشكلاتي كه از بين بردن آنها هشتاد درصد از مشكلات را رفع خواهد كرد .

    براي داده‌هاي وصفي از نمودار پارتو و داده‌هاي كمي از هيستوگرام استفاده مي‌شود.

 

·        نمودارهای کنترل

    از مهمترين و پيچيده‌ترين ابزار آماری نمودارهاي كنترل مي باشند . در اين نمودارها مي توان نوسانات فرآيند را تحت كنترل دراورد.انتخاب نمودار های کنترل بر اساس نوع داده و حجم نمونه است.حالت تحت کنترل بودن ، حالت طبیعی یک فرایند تولید نیست ؛ بلکه دستاوردی است که باید با تلاش و کوشش مستمر و از طریق از بین بردن تک تک علل متغیر های متعدد بدان دست یافت .


      نمودارهای کنترل نمایانگر عملکرد فرآیند بر اساس نمونه گیری در یک فاصله زمانی می‌باشند. مثلا براساس علم آمار اگر شش نقطه متوالی در نمودار درحال افزایش یا کاهش باشند یا 9 نقطه متوالی در یک طرف خط مرکز (میانگین) قرار گیرد یا ... پدیده‌ای غیر عادی رخ داده است.
   

از نمودارهای کنترل برای پیش بینی چگونگی عملکرد فرآیند تحت شرایط پایدار استفاده می‌شود. این نمودارها را می‌توانبرای مشخص کردن علل قابل تشخیص یا عمومی و علل تصادفی یا ویژه استفاده نمود. علل قابل تشخیص امکان ردیابی، کاهش و یا حذف در فرآیند تولید را دارند. علل تصادفی یا ویژه اثر غیرقابل پیش بینی برگرفته‌های فرآیند داشته و قابل تشخیص نمی باشند. علل به دو دسته تصادفی (ویژه) یا قابل تشخیص (عمومی) تقسیم می‌شوند. علل عمومی یا قابل تشخیص از خود سیستم منشاء گرفته و بر عملکرد کلی بصورت آماری و قابل پیش بینی تأثیر می‌گذارند. نمونه علل قابل تشخیص (عمومی) شامل میزان دقت استانداردهای کاری، میزان آموزش ارائه شده به پرسنل یا تناسب موارد اولیه مورد استفاده در فرآیند می‌باشد.
   علل تصادفی (ویژه) متغیرهایی هستند که جزئی از سیستم محسوب نشده و اثر مجزا و غیر قابل پیش بنی آماری بر خروجی ها دارند. علل تصادفی (ویژه) اکثراً بصورت ایستگاهی در یک عملیات ویژه، دستگاه یا محموله موارد اتفاق می‌افتند. یک محموله مواد خراب، خراب شدن یک دستگاه یا کارگر جدیدی که ضوابط و مقررات را بصورت صحیح رعایت نمی کند، نمونه هایی از علل تصادفی می‌باشند. بعضی از مواقع ریشه یک علت تصادفی قابل تشخیص نبوده یا می‌تواند منعکس کننده یک رخداد آماری غیر معمول باشد.

 

·       نمودار برداری:

    این نوع نمودارها برای نشان دادن مراحل لازم جهت اجرای یک برنامه بکار می روند و شامل نمودارهای مسیربحرانی و فن ارزیابی و بازنگری برنامه می شوند.

 

  •   كنترل كيفيت آماري

    براي بهبود عملكرد سامانه ها (محصولات وفرآيندها)در صنايع كشور ما وكشورهاي در حال توسعه اغلب از روشها وشاخصهاي متعارفي مانند بررسي درصد اقلام معيوب ،هزينه هاي ضايعات و اصلاحي،شاخصهاي قابليت فرآيند واطلاعات مربوط به ضمانت

 

وخدمات استفاده ميشود كه همگي پس از طراحي وتوليد قا بل شناسائي هستند .نتيجه بكارگيري اين معيارها كه بعد از وقوع قابل شناسائي ميباشند،انجام فعاليتهاي واكنشي يعني انجام اقدامات اصلاحي است .بطوريكه اين اقدامات شامل جداسازي محصولات، كشف مشكل،حذف ويا جلوگيري از تكرار آن ميباشد كه به روشهاي بهبود(كنترل )كيفيت حين ساخت معروف هستند .با در نظر داشتن سه جنبه مختلف كيفيت،يعني كيفيت طراحي ،كيفيت انطباق وكيفيت عملكردميتوان گفت عمده هدف روشهاي بهبود كيفيت حين ساخت ،كيفيت انطباق محصولات بوده واين روشها توانائي بهبود چشمگيري را در سامانه ندارند .بنابراين در يك توسعه پايدار واز منظ ر مسائل فني مهندسي،اينگونه معيارهاي ارزيابي كيفيت كه فعاليتهاي واكنشي را بعد از طراحي وتوليد يك محصول مي طلبد شاخصهاي ضعيفي را براي ايجاد و بهبود كيفيت در مراحل مختلف تحقق يك محصول ارائه ميدهد .در حاليكه يك صنعت پويا نياز به معيارهاي ارزيابي وفنون بهبود كيفیتی دارد كه بتواند فعاليتهاي كنشي(فعاليتهاي ايجاد وبهبود كيفيت وپيشگيري از مشكلات )را در مراحل چرخه تحقق محصول(طراحي محصول،انتخاب مواد،طراحي فرآيند ساخت محصول،ساخت محصول) موجب شود بطوريكه اين روشها بتوانند جنبه هاي كيفيت طراحي وكيفيت عملكرد محصولات را نيز بهبود دهند. لذا درادامه ساختار اجرائي طراحي آزمايشات وكنترل آماري فرآيند بعنوان ابزارهايon line و off lineكنترل كيفيت آماري تشريح خواهند شد

·       طراحي آزمايشات چيست؟

     در آزمايش ما معمولا يك يا چند فاكتور را به طور آگاهانه تغيير داده تا اثر اين تغيير را در پاسخ يا پاسخها مشاهده كنيم . مبحث طراحي آزمايشات يك روش بسيار كارا به منظور انجام آزمايشات مي باشد بطوري كه داده هاي بدست آمده قابل تجزيه و تحليل آماري بوده و نتايج در سطح اطمينان معيني ارائه مي گردند. ضمن ا دراين روش مسيرهاي بعدي انجام آزمايشات به منظور

بهينه سازي معين مي شوند، در طراحي آزمايشات ما مي توانيم بيشترين اطلاعات را با كمترين تعداد دفعات انجام آزمايش بدست آوريم.

    طراحي آزمايشات با تعيين اهداف و فاكتورهاي مؤثر بر اهداف شروع شده و سپس اهداف در غالب يك معادله رياضي مدل مي شوند.

·       مدل عمومي يك فرآيند

   در يك فرآيند كه مي توان آنرا به جعبه اي سياه تشبيه نمود كه ما از اتفاقاتي كه درون آن مي افتد بي خبريم(شكل ١) معمولا“ با يك يا چند فاكتور گسسته يا پيوسته قابل كنترل، و يك يا چند پاسخ مواجه هستيم. با فرض مستقل بودن پاسخها و همچنين مستقل بودن عوامل ق ابل كنترل در مدلسازي به دنبال اين هستيم كه خروجيها و وروديها را(پاسخها و فاكتورها) با حداقل خطا در قالب يك مدل رياضي به هم وصل كنيم. ضمن اينكه ممكن است ما در فرآيند با عوامل غير قابل كنترل گسسته اي چون تنوع ماشين آلات، فرسودگي تدريجي ماشين آلات، تنوع اپر اتورها … و عوامل غير قابل كنترل پيوسته اي چون دما، رطوبت و … مواجه باشيم . عوامل قابل كنترل و غير قابل كنترل در حقيقت همان نيروي انساني، مواد، ماشين آلات، روش كار، سيستم اندازه گيري و عوامل محيطي مي باشند.

 

 

                                               

·       كاربردها و فوايد DOE چيست؟

1.انتخاب بين گزينه ها(آزمايشات مقايسه اي)

    تأمين كننده A بهتر است يا تأمين كننده   B؟ آيا كاليزورx از كاتاليزورهاي موجود بهتر است؟ اينها و بيشمار گزينه ديگر وجود دارد كه ما نياز به انتخاب آنها داريم . در واقع اين همان آزمايشات تك عاملي مي باشد كه ما با توجه به ميانگين و رنج مشاهدات قادر به انتخاب گزينه مورد نظر خواهيم بود . آزمايشات مقايسه اي مفيد خواهند بود براي :


- انتخاب بين گزينه ها براي مقايسات اوليه در ناحيه محدود

- انتخاب بين گزينه ها به منظور ايجاد اطمينان در ناحيه وسيع

 

2.تعيين پارامترهاي كليدي طراحي محصول كه بر عملكرد آن اثر گذارند.(طرحهاي غربالي)

   در بين فاكتورهاي موثر در يك مسأله بعضي از آنها بسيار مهم و بقيه اثر كمتري بر روي هدف دارند . دراين روش ما قادر خواهيم بود اطلاعاتي راجع به فاكتورهايي كه اثرات مهمي بر روي پاسخ مي گذارند كسب نمود و از ميان تعداد زيادي عامل آنهايي كه نياز به مطالعه بيشتري دارند شناسايي نمود و با توجه به نمودارهاي كنترلي روند آنها را بررسي و در محدوده مورد نظر حفظ نمائيم. طرحهاي غربالي روشي اثر بخش با كمترين تعداد آزمايش براي تعيين فاكتورهاي مهم فرآيند مي باشند و درمواردي كه هدف به كارگيري روشهاي سطح پاسخ باشد در گام اول معمولااز اين طرحها استفاده مي شود.

 

3.مدل نمودن فرآيند با استفاده از روش سطح پاسخ

  گاها “ علاوه بر شناخت متغيرهايي كه بر روي پاسخ اثر مي گذارند اهداف ديگري نيز مد نظر قرار مي گيرند كه براي تأمين آنها نياز به مدل نمودن فرآيند داريم. اين اهداف شامل:

الف) به هدف معيني رسيدن

   در بعضي فرآيندها نياز داريم كه مقدار پاسخ به اندازه معيني بوده و تغييرات آن كم باشد در اين حالت بهترين راه مدل نمودن فرآيند و بررسي رفتار آن مي باشد . به عنوان مثال يك ماشين كه با تازگي تعمير شده است براي آنكه مشخصه كيفي محصول برابر با اندازه اسمي بوده و از توليد ضايعات جلوگيري گردد نياز به تنظيمات كوچكي دارد(. شكل ٢) اين موضوع را به روشني بيان مي كند.

ب) ماكزيمم يا مينيمم نمودن يك پاسخ

   در فرآيند ه ايي كه سالها با آن كار نموده ايم اين احساس وجود دارد كه هر فاكتور در مقدار بهينه خود قرار دارد و خروجي فرآيند بهينه است در صورتيكه با بكارگيري طراحي آزمايشات و مدل نمودن و بهينه سازي آن مي توان شرايط بهينه واقعي را يافت . (شكل  ٣) مسير بهينه سازي را در روش سطح پاسخ نشان مي دهد.                                                                     

                                                              

      ج) كاهش تغييرات در پاسخ

    در شرايطي ممكن است فرآيند در حالتي قرار گيرد كه مقدار اسمي پاسخ آن در وضعيت مطلوب بود ه ولي تغييرات پاسخ زياد باشد در اين حالت بايد فاكتورهايي كه عامل اصلي تغييرات هستند را شناسايي و با استفاد ه از SPC تغييرات آنها را محدود و يا فرآيند را به ناحيه ديگري شيفت نمود . ضمن اينكه استفاده از نمودارهاي سطح پاسخ و يا كانتورها مي تواند مؤثر واقع گردد . شكلهاي(٤)نشان دهنده كاهش تغييرات در پاسخ ميباشد.

                                                                                                                                             

د) مقاوم نمودن فرآيند در برابر تغييرات

  محصولي كه در شرايط كنترل شده توليد شده، قرار نيست در شرايط آزمايشگاهي مورد استفاده قرار گيرد بلكه وقتي دست مشتري رسيد مشتري ممكن است در هر شرايطي از آن استفاده كند به عنوان مثال استارت ماشين بايد در شرايط مختلف دما قابل استفاده باشد بعبارتي استارت بايد در برابر تغييرات دما مقاوم باشد.

ه) بهينه سازي چند هدف

    در يك محصول يا يك فرآيند هيچ گاه با يك مشخصه كيفي مواجه نيستم و معمولا “ به اين گونه است كه به دنبال بهينه سازي چند هدف مي باشيم و اهداف نيز غالبا “ با هم متناقض هستند . در اينجا بايد بالانسي بين هاي كيف ي بوجود آيد و با فدا نمودن بعضي از اهداف بتوانيم به شرايط بهينه كلي دستيابي پيدا كنيم .يكي از روشهاي حل مسائل چند هدفه تلفيق سطوح پاسخها يا همان روش گرافيكي است . مدلهاي حاصله در روش سطح پاسخ كه اغلب درجه يك و دو مي باشد گاهي اوقات پاسخگوي رفتار فرآيند نبوده و لازم است در مدل ،ازتوابع رياضي مختلفي استفاده نمود دراين حالت براي دسترسي به مدل واقعي و تخمين پارامترها مي توان از روش رگرسيون استفاده نمود.

 4.فوايد ديگر

از جمله فوايد ديگر DOE مي توان امكان تجزيه و تحليل محصول رقبا در مبحث مهندسي معكوس، بهبود باز ده، كاهش و هزينه، آناليز تلرانس و كاهش زمان توسعه نام برد كه اين موارد در واقع در دل مباحث فوق جاي دارند.

 

·       گامهاي اجراي طراحي آزمايشات

الف) انتخاب پروژه

      يك طرح بهينه سازي يا يك مسأله توليدي را به منظور حل در نظر بگيريد و بودجه لازم را براي پروژه تخصيص دهيد.

ب) شناخت كامل مسأله

     به منظور شناخت كامل مسأله در جلسه طوفان فكري با حضور واحدهاي مهندسي، تضمين كيفيت، ساخت، بازاريابي، مديريت ارشد، مشتري و اپراتورها كليه وروديها و شرايط حاكم بر مسأله را بررسي كنيد.

ج) تعيين متغيرهاي پاسخ

- متغيرهاي پاسخ بايد به گونه اي انتخاب شوند كه اطلاعات مفيدي را از پروسه تحت مطالعه ارائه كنند.

- متغيرهاي پاسخ بايد نسبت به يكديگر مستقل باشند به عنوان مثال از انتخاب نسبت دو مقدار به عنوان متغير پاسخ بپرهيزيد.

- نحوه اندازه گيري متغيرهاي پاسخ بايد شفاف بوده و واحد اندازه گيري تعيين شود.

- حتي الامكان از جمع آوري داده هاي وصفي بپرهيزيد چون براي تحليل آنها داده هاي زيادي مورد نياز خواهد بود.

- اهميت هر هدف را تعيين نمائيد.

 

 

- مشخص كنيد حدود بالا و پائين اهداف مهمتر است يا مقادير اسمي از آنها؟

د) ترسيم نمودارهاي استخوان ماهي

    در يك جلسه طوفان فكري با حضور اپراتورها، واحدهاي مهندسي، ساخت، تضمين كيفيت و مديريت نمودار استخوان ماهي اهداف را ترسيم كنيد.

 ه) تعيين فاكتورهاي طراحي و سطوح آنها

 - فاكتورهاي امكان پذير و دخيل در طراحي با توجه به نمود ار استخوان ماهي كدامند؟

 - كداميك از فاكتورها از بقيه مهمترند؟

- آيا فاكتورها نسبت به هم مستقلند؟

- توجه كنيد كه تعداد فاكتورها و سطوح آنها با توجه به بودجه در نظر گرفته شود ضمن اينكه به جاي انجام آزمايشات وسيع در مراحل اوليه، ناحيه آزمايشات را ابتدا محدود در نظر گرفته و سپس به صورت مرحله اي بهينه سازي را ادامه دهد و توصيه مي شود در مرحله اول انجام آزمايشات بيش از ٢٥ درصد منابع صرف نگردد.

-دامنه تغييرات فاكتورها را تعيين كنيد.

و)عوامل اغتشاش را تعيين كنيد.

-عوامل غير قابل كنترل كدامند؟

- چگونه مي توان محصول را در برابر عوامل غير قابل كنترل غير حساس نمود؟

-چگونه مي توان اثر عوامل غير قابل كنترل را كاهش داد؟

ز) طرح آزمايش را تعيين كنيد.

   انتخاب طرح آزمايشات به تعداد فاكتورها و هدف از انجام آزمايشات بستگي دارد ولي ميزان منابع در اختيار ميزان خطاي نوع II و I قابل قبول نيز در انتخاب نوع ط رح بي تأثير نيست .جدول( ١)مي تواند راهنماي مناسبي براي تعيين نوع طرح آزمايش باشد

 

ح)تعيين تعداد تكرارها

     مطمنا“ هر چه تعداد تكرارها براي هر آزمايش بيشتر باشد ميزان اطمينان از نتايج بيشتر خواهد بود.

ط)بلوك بندي و يا تصادفي نمودن

  به منظور حذف و يا كاهش اثر عوامل غير قابل كنترل از بلوك بندي و يا تصادفي سازي استفاده نمائيد.

ي) دقت وصحت سيستم اندازه گيري را براي تخمين مدل بررسي نمائيد.

    براي اينكه بتوانيم مدل مناسبي را براي پاسخها پيش بيني كنيم بايد شرايط ذيل را فراهم كنيم.

-آيا سيستم اندازه گيري شما براي تمام پاسخها قابليت دارد؟

-اينكه بعد از اجراي آزمايشات متوجه شديم كه سيستم اندازه گيري قابليت نمايش تغييرات مورد نظر را ندارد حالت بسيار بدي خواهد بود لذا با توجه به مبحث تجزيه و تحليل سيستمهاي اندازه گيري قابليت سيستم را ارزيابي و بعد آزمايشات را انجام دهيد.

-آيا فرآيند تحت كنترل است؟

-فرآيندي كه بر روي آن طراحي آزمايشات صورت مي گيرد بايد تحت كنترل آماري باشد بعبارتي بايد عوامل مشكل ساز فرآيند شناسايي شده و به عنوان فاكتورهاي طرح آزمايشات در نظر گرفته شوند لذا انجام SPC قبل از DOE توصيه مي شود.

-آيا فرآيند با يك مدل قابل تقريب است؟

  پاسخها بايد بگونه اي باشند كه مدل آنها با حداقل خطا قابل تقريب باشند يعني تغييرات زياد در پاسخ مدل را پيچيده و يا گاها “ ايجاد آنرا غير ممكن مي سازد .                  

                                                  

ك)تخصيص فعاليتها

-تعيين كنيد چه كسي مسئول انجام چه كاري است؟

- فعاليتها بايد چگونه انجام شود؟

-كارها چه موقع بايد انجام شوند؟

 

ل) آزمايشات را انجام دهيد.

- در حين اجراي آزمايشات از تغييرات برنامه ريزي نشده مثل تعويض اپراتورها بپرهيزيد.

 - داده هاي واقعي را جمع آوري كنيد و از خلاصه كردن يا ميانگين گرفتن ازداده ها بپرهيزيد.

 - هر اتفاقي كه مي افتد ثبت كنيد.

- چك كنيد كه آزمايشات طبق شرايط خواسته شده انجام شده و انجام آنها نيز در عمل امكانپذير باشد.

-بعد از انجام آزمايشات فرآيند را به حالت اوليه برگردانيد.

م)نتايج را تجزيه و تحليل نمائيد.

   براي تجزيه و تحليل نتايج از روشها و نمودارهاي مختلفي ميتوان استفاده نمود:

-نمودار اثرات اصلي عاملها

- نمودار اثرات متقابل عاملها

- نمودار پارتو براي بررسي ميزان اثر عوامل اصلي و اثرات متقابل

-نمودار تابع توزيع پاسخ

- نمودار پاسخ در برابر زمان(به منظور بررسي احتمال اثر گذاري گذشت زمان بر روي پاسخها)

- نمودار پاسخ در برابر سطوح فاكتورها با توجه به ميزان اثرگذاري فاكتورها

كه براي تجزيه وتحليل بهتراستفاده از نرم افزارهاي زير توصيه ميشود:

Statgraf (dos & win), Echip, Minitab, Doepack,Statistica, Multisimplex,Qualitek-4&..

ن) نتايج حاصله را صحه گذاري نمائيد.

   وقتي كه نتايج تحليلها بدست آمد بايد مطمئن شويم كه آيا اين نتايج در عمل واقعًا مناسب است يا خير؟ وبا توجه به اينكه تحت كنترل بودن فر آيند بسيار مهم است تست نتايج بايد حداقل ٣ مرتبه انجام شود چنانچه نتايج تست با نتيجه مورد انتظار ما تفاوت داشت:

١- كنترل كنيد تغييري از زمان جمع آوري و تحليل داده ها تا به حال صورت نگرفته باشد.

٢- مطمئن شويد شرايط واقعي براي اجرا را فراهم كرده ايد.

٣- مدل را مجددًا براي يافتن شرايط بهينه چك كنيد.

     و اگر بعد از طي گامهاي فوق باز هم نتيجه نگرفتيد از داده ها استفاده نموده و آزمايش ديگري را طرح ريزي کنید.

س)نتايج پروژه را ارائه نموده و با توجه به نظر تيم مطالعه بعدي را پيشنهاد كنيد:

* ارائه نتايج به مديريت بايد شامل موارد زير باشد:

 

-آنچه كه انجام داده ايد، دليل اينكه آن كار را انجام داده ايد،آنچه را يافته ايد،وصرفه جويي حاصله به زبان پول باشد.

-وضعيت فعلي و ميزان بهبود را در صورت عملي شدن پروژه بيان كنيد.

- نمودار بهبود را ترسيم و ارائه نمائيد.

* در ارائه نتايج به تيمي كه در اجراي پروژه شما را ياري نموده اند به موارد ذيل اشاره كنيد:

-جزئيات ميزان اثر گذاري فاكتورها، جدول ANOVAو 

- تشريح نحوه بدست آوردن شرايط بهينه و چگونگي اثرگذاري عوامل اغتشاش بر روي شرايط بهينه

- جزئيات نتايج را براي پيشنهاد مطالعه بعدي بين اعضا توزيع كنيد.

 

  • ساختار اجرائي كنترل آماري فرآيند

    هما نطور كه ملاحظه ميكنيد SPC در اغلب مراحل چرخه حيات محصول مورد استفاده قرار گرفته و نقش مهمي را در بهبود كيفيت دارد،لذا در ادامه به تشريح جايگاه آن خواهيم پرداخت. هفت ابزار كنترل آماري فرآيند عبارتند از برگه هاي كنترل،نمودار پارتو،نمودار همبستگي ،نمودار هاي ك نترلي،هيستوگرام،نمودار تمركز نقصها ، نمودار استخوان ماهي كه شكل شماره(7)مراحل

استفاده از اين ابزارها وارتباط آنها با ساير فنون آماري نشان ميدهد .همانطور كه مشخص است بعد از تشكيل كميته اجرائي،لازم است محل اجراي SPC از طريق FMEA ،DOE ،QFD ويا تجزيه وتحليل نمو دارهاي پارتو انتخاب شود .فاز بعدي كار جمع آوري اطلاعات براي ترسيم نمودار استخوان ماهي ميباشدكه براي آن ميتوان از نمودار تمركز نقصها ويا برگه هاي كنترل استفاده نمود،قبل ازجمع آوري داده ها بايد به كمك MSA ازصلاحيت سيستم اندازه گيري(كيفي يا كمي)اطمينان حاصل كرد. در اين مرحله كميته اجرائي(در صورت نياز) به كمك نمودار همبستگي روابط علت ومعلولي تدوين شده در نمودار اسخوان ماهي را بيشتر تحليل ميكند و چنانچه نياز باشد اثر همزمان بيش از يك علت را روي معلول بررسي كند از DOE استفاده خواهد نمود .ممكن است نتيجه مورد نظر در اين مرحله يا بعد از ترسيم CHART RUN بدست آيد و ديگر نيازي به ادامه كار نباشد.

   در صورت نياز به استفاده از نمودار هاي كنترلي، شكل شماره ( ۸) نحوه انتخاب نمودار كنترلي مناسب را با توجه به نوع داده ها،تعداد نمونه ها و .... ارائه ميكند .بعد از انتخاب نمو داركنترلي مناسب سيكل حذف علل خاص و عام به منظور تحت كنترل قراردادن و ايجاد توانائي در فرآيند ادامه يافته وسپس نمودار كنترلي مبنا ترسيم خواهد شد .دراين مرحله،با توجه به حدود كنترلي نمودار مبنا اجراي سيستم در خط توليد آغاز شده و در فواصل منظم ميزان بهبود به كمك شاخصهاي سنجش قابليت فرآيند اندازه گيري ميشود.

   بديهي براي حفظ سيستم بايد نتايجي كه در هر مرحله بدست مي آيد،مطابق با الزامات سيستمهاي مديريت كيفيت در دستورالعملها و روشهاي اجرائي درج گردد.

  • نمونه برداري جهت نمودارهاي كنترلي

   در نمونه برداري نمودارهاي كنترل مساله اصلي اين است كه سيستم نمونه برداري بايد بتواندتغييرات ناشي از علل خاص وعام دروني نمونه ها وبين آنها را نمايش دهددر اين راستا موارد زير حائز اهميت ميباشد

  •   اندازه نمونه برداري

·        نمونه ها بايد به اندازه كافي كوچك باشند تاانجام كار مقرون به صرفه وامكان پذير باشد.(ازلحاظ هزينه نمونه برداري واندازه گيري)

·        نمونه ها بايد به اندازه كافي بزرگ باشند تا بتوانند يك توزيع نرمال را ايجاد كنند. (4يا بيشتر)

·        هرچه حجم نمونه بيشتر باشد دلايل تغييرات فرآيند و شناسائي حالتهاي خارج از كنترل آسانترخواهد بود.

·        اگرحجم نمونه خيلي زياد باشد امكان تفكيك علل تغييرات خاص وعام از بين رفته وحساسيت نمودارهاي كنترل كم خواهد شد.

چنانچه همه موارد فوق در نظر گرفته شودمعمولا اندازه نمونه بين ۴ الي ۶ انتخاب خواهد شد.

  •     پريود نمونه برداري

نمونه گيري معمولا در يك محدوده زماني معين انجام ميشودتا ازبروز تغييرات خاص جلوگيري شود اما فاصله زماني بين نمونه برداريها لزوما نبايد يكسان باشد مثلا دقيقا هريك ساعت ، يا هرروز در يك ساعت معين .نمونه برداري بايد بگونه ا ي باشد كه بتواندشرايط واقعي را نشان داده و به حل مشكلات كمك كند لذا لازم است در تعيين پريود بين نمونه برداري موارد زير را در نظر داشت:

·        ثبات فرآيند

اگر نمونه برداري براي اولين بار انجام شود،بايد پريود نمونه برداري بيشتر باشد تا فرصتهاي بهبود به آساني شن اسائي گردد ولي چنانچه نمودارهاي كنترلي مبنا از قبل ترسيم شده باشند وفرآيند توانا باشد ميتوان پريود بين نمونه برداريها را كاهش داد

·        پريود تغييرات در فرآيند

اگر در فرآيند تغييرات زيادي در مواديا ابزارداشته باشيم يا اينكه تظيم مجدد ابزارمكررا اتفاق بيفتدضروريست بعد از اين تغييرات،براي شناسائي بهتر علل خاص، نمونه برداري حتما انجام گردد.

·        هزينه نمونه برداري

دو عامل هزينه مد نظر قرار خواهد گرفت اولي هزينه زمان نمونه برداري وسنجش وضعيت كيفي و دومي هزينه تخريب نمونه، در صورت مخرب بودن آزمايش.

 

  •  نتيجه گيري

1-فنون آماري كاربرد وسيعي در مراحل مختلف چرخه حيات محصول دارند بطوريكه با اجراي صحيح  وسيستماتيك اين فنون وگسترش آن در مراحل تكوين محصول ، ميتوان كيفيت واقعي را در درون محصول جاي داد.

۲- طراحي آزمايشات ابزاري قوي وموثر براي بهينه سازي،افزايش سرعت در تصميم گيري،كاهش هزينه هاي آزمايشات وافزايش اطمينان از نتايج آزمايشات مي باشد .ضمن آنكه بعد از انجام تحقيق، مسير حركت بعدي را براي بهبود مستمر معرفي مي نمايد .اجراي آن نياز به كار تيمي دارد وبكارگيري آن تنها محدود به افرادي كه در زمينه رياضي و آمار از آموزشهاي پيشرفته اي برخوردار هستند نمي باشد چرا كه استفاده از نرم افزارهاي طراحي آزمايشات كار را ساده نموده وتوان انجام تجزيه وتحليل ها را افزايش مي دهد.

۳-بكارگيري كنترل آماري فرآيند بدون توجه به اصول ومراحل صحيح آن ميتواند باعث اتلاف وقت ودلسردي كاركنان شود،در صورتيكه توجه به پيش نيا زها ومراحل كار،انتخاب نمودار كنترلي مناسب ونمونه برداري صحيح ومنطقي باعث كاهش هزينه ها،افزايش كيفيت و بهبود سيستم تحويل خواهد شد.

 

منابع

*

۱.محمد عبدالشاه، علي جهان، نگرشي بر مراحل اجرائي كنترل كيفيت آماري، فوق ليسانس مهندسي صنايع،اعضاء هيئت علمي دانشكاه آزاد اسلامي سمنان.

۲.نائل، محمدكريم(1382)، كاربرد نمودار علت و معلول - تدبیر، سال چهاردهم، شماره 141.

۳.امیر هومن حمصی،هاشم نیکومرام،نیما سید محمدی،بررسی کاربرد فرایند کنترل کیفیت آماری در شرکت سیما چوب،واحد علوم و تحقیقات صنعتی دانشگاه آزاد اسلامی،14/12/84.

۴.آشنايی با طراحی آزمايش ها Design Of Experiments،3/2/2008.

۵.محمدرضا اناری،ابعاد و ملاک های کیفیت و روش های ارزیابی کیفیت آمارهای رسمی.

۶. quality assurance  and quality control  ,national Greenhouse  ,chapter8     ، Taka Hiraishi

۷.  زارع مهرجردی، یحیی وحائریان، علی، راهنمای کنترل کیفیت،دانشگاه امام رضا(ع) ،1374

۸. گری گوری.ب.هوت چینز، شرکت، حبیب اله، مبانی کیفیت ،کنترل، تضمین، مدیریت، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد ،1385 .

۹. فاطمی قمی، محمد تقی ،کنترل کیفیت آماری، دانشگاه صنعتی امیر کبیر،  1370.

۱۰. کنترل کیفیت سیستم ،سازماندهی، روشهای آماری، گروه مهندسی صنایع، دانشگاه صنعتی شریف،  1370.

۱۱.،Reza1347’s Weblog ، کنترل فرایند آماری ، مارس 23, 2008.

۱۲. سليمان فلاح،  محمدرضا،  کنترل کیفیت ، دانشکده مهندسی صنایع کرج ، 1380 .

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                      

 

+ نوشته شده در  88/11/19ساعت 8:11 بعد از ظهر  توسط fatemeh piyadeh  | 

 

v   مقدمه:

   مواد و توسعهٔ آنها از پایه‌ های تمدن به شمار می‌روند. به طوری که دوره‌های تاریخی را با مواد نامگذاری کرده‌اند: عصر سنگ، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد، عصر سیلیکون و عصر کربن. ما اکنون در عصر کربن به سر می‌بریم. عصر جدید با شناخت یک مادهٔ جدید به وجود نمی‌آید، بلکه با بهینه کردن و ترکیب چند ماده می‌توان پا در عصر نوین گذاشت. دنیای نانومواد، فرصتی استثنایی برای انقلاب در مواد کامپوزیتی است برای تغییر دادن و بهینه کردن خواص فیزیکی و شیمیایی مواد، آنها را کامپوز یا ترکیب می‌کنیم.
کامپوزيت ها ترکيباتي هستند که از چند ماده متمايز که اجزاي آن به آساني از يکديگر تشخيص داده مي شوند، ساخته شده اند. هدف از ايجاد کامپوزيت دستيابي به ماده اي ترکيبي با خواص و ويژگي هاي مورد نظر است. نانو کامپوزيت ها نيز کامپوزيت هايي هستند که در مقياس نانوساخته مي شوند. مواد نانوکامپوزیتی به آن دسته از موادی اطلاق می‌شود که فاز تقویت‌کننده آن دارای ابعادی در مقیاس یک تا 100 نانومتر باشد .

     فناوری نانو و تولید مواد در ابعاد نانومتری موضوع جذابی برای تحقیقات است که در دهه اخیر توجه بسیاری را به خود معطوف داشته است. نانوکامپوزیتها نیز به عنوان یکی از شاخه های این فناوری جدید، اهمیت بسیاری یافته است و یکی از زمینه هایی است که کاربردهای صنعتی پیدا کرده است. تلاش های اولیه موفقیت آمیز در تهیه نانوکامپوزیتها به دهه های شصت و هفتاد قرن بیستم میلادی باز می گردد. اما در ۱۹۸۰ با تهیه نانوکامپوزیتهای بر پایه نایلون۶- خاک رس به صورت تجاری به وسیله شرکت تویوتای ژاپن، تحقیقات برای ساخت این مواد شدت و سرعت بیشتری پیدا کرد و شرکت های یوبی، یونی کیتا، هانی ول و بایر نیز نانوکامپوزیتهایی را بر پایه نایلون ۶ ارائه نمودند که عمده کاربرد آنها در خودروسازی و صنایع بسته بندی بود. از آن به بعد تعداد دیگری از شرکتها، نانوکامپوزیتها را به منظور تجاری مورد مطالعه قرار دادند و در اواخر سال ۲۰۰۱ میلادی شرکتهای جنرال موتورز و باسل اولین کاربرد نانوکامپوزیتها بر پایه اولین گرمانرم را در قطعات خارجی اتومبیل ارائه نمودند.

 

v   تعریف نانوکامپوزیتها:

      نانوکامپوزیتها شامل ترکیب ذرات در حوزه مولوکولی یا نانو در زمینه پلیمری، فلزی یا سرامیکی می باشد. در همه موارد مشاهده می شود که مقدار نانو ذرات در این زمینه ها می تواند به طور کامل خواص این مواد را تغییر دهد این ذرات به عنوان تقویت کننده زمینه و همچنین تغییر دهنده رفتار الکتریکی مواد پایه به کار می روند.

باید توجه کرد که تنها با اضافه کردن نانو ذرات به یک زمینه به خواص فوق العاده نمی رسیم بلکه در این ترکیب باید شرایطی را رعایت کرد. مثلا فرض کنید یکسری ورق های پرکننده ای را به کامپــوزیتها اضافه کرده باشیم، اگر ورق های کوچک معدنی به صورت متــراکم به هم چسبیده باشند رفتارشان خیلی متفاوت از مواد کامپوزتی معمولی نمی باشد.

        اما به عنوان یک تعریف، نانو کامپوزیتها، مواد مرکبی هستند که لااقل یکی از اجزاء تشکیل دهنده آنها دارای ابعادی در محدوده نانومتری، در محدوده nm ۱۰۰- ۱/۰ باشد؛ اما یکسری پودرهای نانوکامپوزیت نیز داریم که این پودرها شامل ذرات با ابعادی مختلف در محدوده نانومتری هستند.

     در مواد نانو کامپوزیت ، به جزء پخش شونده که به صورت الیاف، صفحات مسطح ریز، ذرات و یا حتی حفره ها، ترکها و غیره در ابعاد نانومتری و یا بالاتر باشد فاز زمینه می گویند.

 

v   دسته بندی نانو کامپوزیتها:

    در دسته ای از مواد نانو کامپوزیت، فاز دوم، موادی با دمای ذوب بالا مانند سرامیک ها و یا فلزات بوده، فاز زمینه ماده ای با دمای ذوب پایین مانند پلیمر و سرامیک و فلز با دمای ذوب پایین است. اما در دسته دیگر، فاز زمینه ماده ای سرامیکی یا فلزی با دمای ذوب بالا و فاز دوم ماده ای پلیمری یا سرامیکی و یا فلزی با دمای ذوب پایین تر است. به همین ترتیب، مواد نانو کامپوزیت، از نظر نوع مواد تشکیل دهنده، حداقل دارای سه گروه زیر هستند:

الف) مواد نانو کامپوزیت سرامیک- فلز: این نوع مواد نانو کامپوزیت، عمدتا دارای جریی سرامیکی با دمای ذوب بالا و جزیی فلزی با دمای ذوب نسبتا پایین هستند و در ساخت قطعات عملیاتی کاربرد دارند.

ب) مواد نانو کامپوزیت پلیمر- سرامیک یا فلز: این نوع مواد نانو کامپوزیت که دارای فاز زمینه آلی پلیمری و فاز دوم نانومتری غیر آلی سرامیکی یا فلزی هستند بیشتر تحت عنوان مواد نانو کامپوزیت هیبریدی آلی- غیر آلی شناخته می شوند.

ج) مواد نانوکامپوزیت سرامیک- سرامیک: مـــواد نانوکامپـــوزیت ســرامیک- سرامیک که دمای ذوب یک جزء بالاتر از جزء دیگر است، عمدتا دارای چگالی بالا و میزان تخلخل پایین هستند.

از دیگر دسته های نانوکامپوزیت می توان به موارد زیر اشاره کرد:

نانو کامپوزیت های فیلم نازک

نانو کامپوزیت های بر پایه نانو لوله کربنی

 

v   بهبود خواص در نانو کامپوزیتها:

    خواصی که بر اثر وجود نانو مواد درکامپوزیتها بهبود می یابند عبارتند از: خواص فیزیکی مثل دمای واپیچش گرمایی، پایداری حرارتی، شفافیت، و خواص مکانیکی مثل خواص کششی، خواص خمشی و غیره.

 

v   کاربرد نانو کامپوزیت ها:

   کاربرد نانو کامپوزیتها در تهیه بخش های خارجی خودرو بر پایه اولفین های گرمانرم نظیر پروپلین، در فیلم های بسته بندی نایلونی،در بطری های نگهداری مواد نوشیدنی، در لوله های پلیمری و در پوشش های کابل و سیم و غیره در حال گسترش است.

     اخیـــرا جنــــرال موتـورز تهیه اولیــــن قطعات نانوکامپــوزیت پلی اولفینیPO-  (خاک رس) را که حاوی تنها ۵/۲ درصد پر کننده معدنی است، گزارش کرده است. این محصول از لحاظ سفتی معادل اولفین گرمانرم حاوی ده برابر پر کننده تالک است و موجب ۲۰درصد صرفه جویی در وزن می شود. این قطعات در صفحات خارجی استیشن های مدل ۲۰۰۲ استفاده شده است. برآورد شده که استفاده گسترده نانوکامپوزیتها در خودروها تنها در آمریکا می تواند ۵/۱ میلیارد لیتر در سوخت سالیانه صرفه جویی کند و باعث کاهش تولید دی اکسیدکربن به میزان ۵ میلیارد کیلوگرم شود.

   شرکت آرگون، خواص عبوردهی نانو کامپوزیت های استفاده شده در بسته بندی را تا حدود ۲۵۰۰ درصد اصلاح می کند. یک نوع جدید  از این مواد موم های از جنس نانوکامپوزیت است که می تواند به خوبی کاغذ، جهت روکش تجهیزات استفاده گردد.

  از دیگر زمینه های کاربرد نانوکامپوزیت ها می توان به موارد  زیر اشاره کرد:

  ضد حریق کردن پلاستیکها، تهیه الیاف و فیلمها، کاربردهای الکتریکی، سامانه های انتقال دارو، مهندسی بافت، ساختمان سازی، لوازم خانگی و غیره.

 

v   مزایا و معایب نانوکامپوزیتها:

   ظهور مواد نانوکامپوزیت ، تحولی اساسی در خواص مکانیکی و حرارتی ایجاد کرده است. خواص منحصر بفرد مواد نانوکامپوزیت را می توان به صورت زیر بیان کرد:

- پودرهای نانوکامپوزیت نسبت سطح به حجم بالایی دارد. این نسبت در حالت بی شکل نسبت به حالت بلوری، بیشتر است.

 - کسر زیادی از اتمها در سطح ذرات پودرهای نانوکامپوزیت و یا در مرز دانه های ریز ساختار نانوکامپوزیتها قرار دارند.

     به دلیل دو خاصیت اخیر، پودر های نانوکامپوزیت، قابلیت تفت جوشی(زینتر) بالایی دارند. در ساخت نانو کامپوزیتها از پودرهای نانوکامپوزیت یا پودرهای نانومتری، به دلیل کنترل فرآیند در مقیاس نانومتری، ریز ساختاری کاملا یکنواخت به دست می آید. نانو کامپوزیت ها خواص فیزیکی و مکانیکی از قبیل استحکام، سختی، چقرمگی و مقاومت حرارتی بالایی در محدوده وسیعی از دما دارند. افزودن ۵ تا ۱۰ درصد حجمی فاز دوم به فاز زمینه، باعث افزایش چشمگیری در خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیت ها می شود. لذا جدیدترین فناوری ها، مربوط به طراحی ریز ساختاری نانوکامپوزیتها برای بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی آن می باشد.

    در مقابل خواص منحصر بفرد مواد نانوکامپوزیت،در ساخت نانو کامپوزیتها مشکلات فرآیندی قابل توجهی وجود دارد که نقش تعیین کننده ای دارند. از اساسی ترین این مشکلات می توان به موارد زیر اشاره کرد:

- عدم توزیع یکنواخت فاز دوم در فاز زمینه در نانو کامپوزیت ها،خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها را کاهش می دهد.تجمع ذرات پودر بسیار ریز در نانوکامپوزیتها موجب افزایش انرژی سطحی آنها شده، کاهش خواص مکانیکی کاهش خواص مکانیکی نانوکامپوزیت ها را به دنبال دارد.

-همچنین استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت برای توزیع یکنواخت فاز دوم در داخل فاز زمینه و جلوگیری از به هم چسبیدن ذرات پودر نانوکامپوزیتی وساخت نانوکامپوزیتهایی با ریز ساختاری همگن و خواص مکانیکی بالا، باعث غیر اقتصادی شدن و همچنین پیچیده تر شدن فرآیند می گردد.

 

v   مشكلات پيشروي توسعه نانوكامپوزيتها در کشور ما:


عدم شناخت كافي مصرف كنندگان از محصولات نانوكامپوزيتها : يكي از دلايل نبود بازار كافي در اين زمينه، جديد بودن نانوكامپوزيتها است كه طبيعتاً اگر بازاري نداشته باشد سرمايه‌گذاري هم نخواهيم داشت كه اين مشكل عمده با فرهنگ‌سازي در بين صنعتگران و مصرف‌كنندگان قابل رفع است. به عنوان مثال براي فرهنگسازي در اين زمينه كافي است كارايي و قابليت فوقالعاده اين فناوري را در محصولات پرمصرف از جمله خودرو‌ معرفي گردد.

 


توليد مواد اولية نانوكامپوزيت ها : يكي ديگر از مشكلات موجود در زمينة تحقيقات نانوكامپوزيت‌ها، عدم وجود مواد اوليه در كشور است. با ارتباطاتي كه بين پژوهشگاه با دانشگاه مكگيل كانادا برقرار شده است، اميدواريم بتوانيم پروژة تهيه نانوذرات خاك رس را در كشور به انجام برسانيم. با توليد و تهيه اين مواد، تقريباً مشكل خاصي در زمينة تحقيقات نانوكامپوزيتها نخواهيم داشت. خوشبختانه در كشور از لحاظ منابع طبيعي و دانش فني توليد اين نانوذرات مشكلي وجود ندارد.


عدم سرمايهگذاري كافي در اين به دلايل عدم وجود بازار، جديد بودن و نيز داشتن ريسك بالا، سرمايه‌گذاري جدي در اين زمينه وجود ندارد. با توجه به اينكه فناوري نانو جزء فناوري‌هاي برتر محسوب مي‌شود، متولي سرمايه‌گذاري در اين فناوري‌ها دولت‌ها هستند. اگر دولتها بتوانند فعاليتهاي حمايتي را به خوبي انجام دهند، پيشرفت در همة زمينه ها به سرعت صورت خواهد گرفت.



سياستهاي نادرست وزارت علوم در ارزيابي محققان: يكي از دلايلي كه موفقيت پروژه‌هاي فناوري نانو را تحت تاثير خود قرار مي دهد، سياست‌هايي است كه در وزارت علوم وجود دارد، طبيعتاً اعضاي هيئت علمي خود را موظف مي‌دانند، چه درست باشد چه نادرست، خود را در آن چارچوب حركت دهند. به عنوان مثال به جاي آنكه در وزارت علوم، حل مشكل كشور به عنوان يك شاخص رشد علمي مطرح شود، تعداد مقالات درج شده در مجلات بين المللي كه قالبا مشكلي را از مشكلات كشور حل نمي كند شاخص ارزيابي قرار مي گيرد كه اين خود نوعي مشكل بر سر راه استادان و محققان براي حركت در مسير حل مشكلات است.

 

 

v   کامپوزیت AL/SiC:

 

    کامپوزیتهاي زمینه فلزی از قبیل آلیاژهای AL ،Tiو Ni که با ذرات و یا ویسکرزهای SiC  تقویت شده اند این پتانسیل را دارند تا خواص مکانیکی مطلوب شامل سفتی ویژه بالا، استحکام بالا، مقاومت به خزش اکسیداسیون و خورد ګی خوبی داشته باشند.اما از بین این کامپوزیتها کامپوزیتهاي زمینه آلومینیوم  به دلیل خواص مطلوبشان کاربردهای وسیعی یافته اند.آنها به وسیله پخش ذرات سرامیکی SiC در زمینه ALتولید می شوند.این کامپوزیتها به دلیل مدول الاستیک بالا، استحکام بالا و پایداری حرارتی بالا در سالهای اخیر بسیار مورد توجه قرار ګرفته اند ودر صنایع اتومبیل سازی و فضایی از قبیل در ساخت حوضچه های ګرمایی الکنرونیکی شافت ها روتورهای ترمز خودروها هواپیماهای جت و یا اجزا موتورهای انفجاری بکار می روند.

 

v   روشهای تولید کامپوزیتهای AL/SiC::

روشهای زیادی برای تولید کامپوزیتهای AL/SiCزمینه آلومینیوم با تقویت کننده کاربید سیلیکون وجود دارد که عبارتند از:

۱.ریخته ګری تحت فشار  (  Squeeze casting)

۲.روش فلز پاشی (Metal spray )

۳.روش فلز خورانی(Metal infilteration)

۴.رسوب دهی لیزری(Laser deposition)

۵.متالورژی پودر

از میان روشهاي فوق  روش متالورژی پودر است یکی از بهترین و مفیدترین روشهای تولید این کامپوزیتهاست که از مراحل مخلوط کردن، فشرده سازی و شکل دادن تشکیل شده است  که مرحله مخلوط کردن مهمترین مرحله است . با وجود اینکه مشکلات زیادی در این روش نیز وجود دارد ولی می توان توزیع همګنی از ذرات تقویت کننده را در زمینه بدست آورد.در روشهای مذاب مثل روش ریخته ګری ذرات SiCبه مذاب آلومینیوم قبل از ریخته ګری توسط هم زن افزوده می شوند.ګرچه ریخته ګری ارزان ترین روش ساخت کامپوزیتهای AL/SiCاست اما به دلیل تفاوت بسیار زیاد بین ضرایب انبساط حرارتی دو جز سازنده این کامپوزیت یعنی AL  و SiCو همچنین تر شوندګی ضعیف بین مذاب آلومینیوم و ذرات SiC  استفاده از این روش مشکل است.از سوی دیگر ممکن است واکنشهای نامناسبی بین مذاب آلومینیوم و ذرات SiC صورت ګرفته و فازهای تردی از قبیل AL4C3   و Si  تولید شوند. برای جلوګیری ازتشکیل فازهای ترد و نامناسب و کلوخه شدن ذرات در طی ساخت کامپوزیت روش حالت جامد پیشنهاد می شود.آلیاژسازی مکانیکی یک فرایند حالت جامد است که قادر به تولید ساختارهای پایدار از مواد نانوکریستالی می باشد.آلیاژسازی مکانیکی از طریق آسیاب ګلوله ای پر انرژی صورت میګیرد که در آن ذرات پودر یک برخورد پر انرژی به داشته و سپس به جوش سرد می خورند.انواع آسیاب های ګلوله ای پرانرژی عبارتند از:

-آسیاب های سایشی

-آسیابهای هم زن

-آسیابهای ګلوله ای چرخشی

می باشد.بدین طریق می توان با فرایندهای مکانیکی غیر تعادلی و انجام واکنش در حالت جامد به سیستم های آلیاژی نانوکریستالی دست یافت.

روش آلیاژسازی مکانیکی در واقع روشی ساده و مفید برای تولید پودرهای اولیه است.و از آسیاب ګلوله ای برای کامپوزیتی با توزیع همگنی از ذرات استفاده می شود.و بدین طریق می توان نسبتهای بالایی از این کامپوزیتها را با هزینه پایین تولید کرد.

 

v   نانوكامپوزيتهاي  AL/SiC :

 

     اخیرا نشان داده شده است که خواص مکانیکی کامپوزيتهاي زمینه فلزی AL/SiC  شامل نانو ذرات SiC  نسبت به کامپوزیتهای معمولی AL/SiC بسیار بهتر است .گر رچه یک همگنی در مقیاس کوچک به وسیله روش ژل -خشک بدست می آید ولی هزینه نسبتا بالای بعضی واکنشگرها و کنترل مشکل روش ژل -خشک باعث جلوگیری از کاربردی شدن آن شده است.در مقایسه با این روش آلیاژسازی مکانیکی روشی بسیار کم هزینه می باشد و یک روش ساده و مناسب برای ساخت کامپوزیتها در مقیاس بزرګ می باشد.متوجه شده اند که این روش یک روش معتبر برای تولید مواد جدید از قبیل آلیاژهای آمورف و نانو کامپوزیتهاست.

    در تولید یک نانو کامپوزیت مشکل اصلی نسبت سطح به حجم بالای نانو ذرات تقویت کننده است که این امر موجب افزایش واکنش پذیری و نفوذ آسان در این کامپوزیتها می شود.علاوه بر این آگلومراسیون شدید بین ذرات تقویت کننده رخ می دهد.تقویت کننده های نانو ذره همچنین از چگا لش و متراکم شدن کامپوزیت جلوگیری می کنند.

 

v   تولید نانو کامپوزیتهای AL/SiC  به رو ش آسیاب گلوله ای و پرس گرم:

به منظور بررسی روش آسیاب گلوله ای مخلوط هایی را با اندازه ذرات متفاوت تهییه کرده و پودرها پس از مخلوط شدن به وسیله آسیاب گلوله ای آسیاب می شوند.به عنوان مثال از دو مخلوط پودری یکی دارای ذراتSiC  با اندازه کمتر از ۴۵میکرو متر و خلوص بالاتر از ۹۹٪ و دیگری شامل نانو ذرات SiC  با اندازه حدود ۲۰-۳۰ نانو متر و خلوص بالاتر از ۹۹٪ استفاده می کنند تا علاوه بر تولید نانو کامپوزیت خواص نانو کامپوزیت حاصل را با خواص کامپوزیت معمولی شامل میکرو ذرات را مقایسه کنیم.کسر حجمی ذرات  SiC در کامپوزیتها حدود ۱۰٪ است.مخلوط پودری را در آسیاب گلوله ای پر انرژی و تحت اتمسفر آرگن تحت آسیاب کاری قرار می دهند.می توان از روانساز استفاده کرد.آسیاب گلوله ای به طور دوره ای و هر نیم ساعت یک بار کار می کند و سپس متوقف می شود و به طور مداوم این عمل تکرار می شود تا دما به حدود ۳۰۰درجه کلوین برسد .محصول نهایی آسیاب گلوله ای پس از ۱۰ ساعت آسیاب کاری در یک قالب سوپر آلیا ژ در اتمسفر آرگن از دمای ۷۲۳تا ۸۷۳ درجه کلوین تحت رنج فشار10تا۱۰۰ مگا پاسکال تحت پرس گرم قرار می گیرند و بدین ترتیب نانو کامپوزیت AL/SiC به روش آسیاب گلوله ای  پر انرژی و پرس گرم تولید می شود.

فرایند آلیاژسازی مکانیکی به طور کلی شامل تغییر شکل  جوش سرد.برای کامپوزیتهای AL/SiC در این فرایند ابتدا اندازه ذرات افزایش یافته و سپس به طور مداوم کاهش می یابد.

برای مشاهده ریز ساختار کامپوزیت حاصل پس از  چندین مرحله آسیاب کاری از میکروسکوپSEM استفاده می شود.مورفولوژی و اندازه دانه کامپوزیت AL/SiC  و AL/SiCN را   بعد از فرایند آسیاب گلوله ای را مورد بررسی قرار می دهیم.شکل1(a-d) ریز ساختار کامپوزیتها را پس از آسیاب کاری به مدت ۲ساعت نشان می دهد.نتایج حاکی از آن است  که پودرهای آگلومره شده در رنج وسیعی از اندازه حدود ۵تا ۲۰۰ میکرومتر تشکیل می شوند.ذرات آگلومره شده نتیجه ای از جوش سرد در طی آسیاب کاری هستند .مقایسه شکلهای a و b نشان می دهد که اندازه ذرات آگلومره شده در AL/SiCN بزرگتر از AL/SiC  است . در تصاویر با بزرگنمایی بیشتر مشاهده می شود که ذرات با اندازه تقریبی ۲۰تا ۵۰ نانومتر در زمینه به طور همگن پخش شده اند.مقایسه این تصاویر نشان می دهد که نانوذرات SiC به آسانی در یک پودر آلومینیوم با آن جوش سرد تشکیل می دهند.

تصاوير SEM از مخلوط های پودری  AL/SiC  و AL/SiCN  که با آسیاب گلوله ای به مدت ۱۰ ساعت آسیاب کاری شده اند در شکل ۲ نشان داده شده است. همانطور که در شکل ۲(a) و۲(b) نشان داده شده است اندازه ذرات آگلومره شده در مخلوط های پودری  AL/SiC  که به مدت ۱۰ ساعت آسیاب شده اند و AL/SiCN  که به مدت ۲ ساعت آسیاب شده اند تقریبا مشابه است.افزایش زمان آسیاب کاری منجر به تغییر شکل بیشتر و متلاشی شدن ذرات آگلومره شده می شود و آنها را به ذرات ریزی تبدیل می کند.

 به منظور بررسی ریزساختارپس از آسیاب کاری گلوله ای به صورت جزیی تر تصاویر TEMو(SADP))براي اين دو مخلوط که به مدت ۱۰ ساعت آسیاب کاری شده اند گرفته شده است و در شکل ۳ این تصاویر را مشاهده می کنیم.ذرات SiC در زمینه آلومینیوم به طور یکنواخت توزیع شده اند.

شکل نشان می دهد که ذرات SiC  در  AL/SiCN    اندازه کوچکتری دارند و به علاوه تشکیل باندهای برشی بررسی می شود تا تغییر شکل غیر همگن در سرعت کرنش بالا را نشان دهد. ذراتSiC     به طور یکنواخت در زمینه AL توزیع شده و یک کامپوزیت بالک همگن را به وجود می آورند.ریز ساختار کامپوزیت حاصل به دما و فشار پرس گرم نیز بستگی دارد.پرس گرم در دمای ۸۷۳ درجه سانتی ګراد و فشار پرس ۱۰ مگا پاسکال انجام می گیرد علاوه بر این می توان پرس گرم را در دمای ۷۲۳درجه سانتی گراد و فشار پرس۰ ۱۰ مگا پاسکال نیز انجام داد یعنی با کاهش دما باید فشار را افزایش دهیم و بالعکس .شکل ۴ مورفولوژی کامپوزیت AL/SiC  آسیاب کاری شده به مدت ۲ ساعت و سپس پرس گرم شده در دمای ۷۲۳درجه سانتی گراد و فشار پرس۰ ۱۰ مگا پاسکال به مدت ۶۰۰ثانیه را نشان می دهدکه توسط SEM ګرفته شده است.مشاهده می شود که ریز ساختار AL/SiC آسیاب کاری شده به مدت ۱۰ ساعت  و AL/SiCN  آسیاب کاری شده به مدت ۲ ساعت مشابه است. پس AL/SiCN می تواند در در زمان کوتاهتر و مقدارSiC  کمتر وهمینطور هزینه کمتر ساختاری مشابه  AL/SiC را به ما بدهد.به دلیل اینکه در دمای بالاتر از ۸۷۳ درجه کلوین واکنش حالت جامد بینAL و SiCN رخ می دهد بنابر این دمای پرس گرم را معمولا کمتر از این دما در نظر می گیرند.ولی در دمای پایین چگالش مناسب بدست نمی آید بنابر این فشار پرس را افزایش می دهند تا نانو کامپوزیتی با چگالش بالا بدست آید.

v   نقش نانو ذرات SiC بر روی سختی و مدول الاستیک کامپوزیت AL/SiC:

     بر اساس آزمایشات و تحقیقات صورت گرفته مشاهده می شود که نانو کامپوزیت AL/SiC  نسبت به حا الت میکرو ذره ای سختی و مدول الاستیک بالایی را دارد.در شکل ۵ تغییرات سختی ویکرز را بر حسب میزان SiC  را برای یک نانو کامپوزیت AL/SiC  نشان می دهدهمانطور که مشاهده می شود با افزایش میزانSiC سختی نیز افزایش می یابددر شکل 5 تغییرات مدول یانگ و برشی را بر حسب میزان SiC  را برای همان نانو کامپوزیت AL/SiC   را نیز نشان می دهد باز هم  مشاهده می کنیم که با افزایش کسر حجمی  SiC  مدول برشی و یا انگ هر دو افزایش می یابند.اما اخیرا مشاهده شده است که نانوکامپوزیتهای AL/SiC  سختی و مدول یانگ بیشتری را در مقایسه با میکرو کامپوزیت AL/SiC  دارند.به عنوان مثال نانو کامپوزیت AL/SiC  ۱۲.۶٪ افزایش در سختی و ۱۰۵.۱٪ افزایش در مدول یانگ را نشان می دهد

در نمونه ای از نانوکامپوزیت  AL/SiC   که تصویر ریز ساختار آن با  TEM  گرفته شده است مشاهده می شود که دو فاز یکی SiC   به صورت دانه ریز ترد و دیگری زمینه داکتیل AL  است.ولی نانوکامپوزیت حاصل از تلفیق این دو فاز دارای سختی و مدول الاستیک بالایی است.

 

v     نقش نانو ذرات SiC  بر روی کرنش شبکه و اندازه دانه نانوکامپوزیت AL/SiC :

   خواص مکانیکی کامپوزیتها تا حد زیادی به اندازه ذرات تقویت کننده و کسر حجمی ذرات بستگی دارد.در فلزات و سرامیکها که به طور پلاستیک تغییر شکل می دهند اعوجاج های شبکه بوسیله نابجایی ها بوجود می آیند.بنابراین گسترش کرنش بوسیله اندازه دانه و پارامترهایی از قبیل تمرکز نابجایی ها و...کنترل می شود.پس به بررسی نقش اندازه ذره سرامیکیSiC و شرایط آسیاب کاری بر روی اندازه دانه و کرنش شبکه  AL درپودرهای کامپوزیتی  AL/SiCپردازیم.

 

بدین منظور چند پودر های با اندازه ذرات مختلف از میکرو تا نانو ذره را که به روش آسیاب گلوله ای تولید شده اند را در نظر می گیرند. سپس از نمونه های آسیاب کاری شده تست XRD می گیرند.نتایج حاصل ار تست  XRD در شکل (7) نشان داده شده است.در ابتدا و قبل از آسسیاب کاری دانه های درشت AL و ذرات درشت SiC داریم که در نمودار حاصل از XRD پیکهای بلندمربوط به  AL  است و پیکهای بسیار کوچک مربوط به ذرات SiC است.با شروع آسیاب کاری پیکهای بسیار کوچک مربوط به ذرات SiC حذف می شوند وبا افزایش زمان آسیاب کاری  پیکها پهن تر می شوندکه نشان دهنده تشکیل نانوکامپوزیت AL/SiC است.به عبارت دیگر کاهش اندازه دانهAL و افزایش کرنش شبکه منجر به  پهن تر شدن پیکهابا افزایش زمان آسیاب کاری می شود.

 

اندازه دانه و کرنش شبکه از طریق رابطه زیر به پهنای پیک مرتبط می شوند.

   که در اینجا B عرض پیک در نیمه ارتفاع است و Bε وBd  به ترتیب بوسیله اندازه دانه و کرنش شبکه بدست می آیند.k مقدار ثابتی و برابر ۰.۹ است.  λ طول موج اشعه x است. d و   ε نیز به ترتیب اندازه دانه و کرنش داخلی و   ө  زاویه براګ است.

Bcosө=Bd+ Bε=kλ/d+2ε sinө

 

    شکل های (8) و( 9) به ترتیب وابستگی اندازه دانه و کرنش داخلی شبکه را در AL -نانوکامپوزیت AL/SiC و میکرو کامپوزیت AL/SiC  را به زمان آسیاب کاری را نشان می دهد.مشاهده می شود که افزایش زمان آسیاب کاری منجر به کاهش اندازه دانه و افزایش کرنش شبکه می شود و بدین ترتیب عیوب کریستالی از قبیل عیوب نقطه ای و نابجایی ها و...افزایش می یابد.وجود این عیوب منجر به افزایش انرژی سیستم و کرنش شبکه می شود که یک محدودیت است.

 

  شکل(10) و جدول (2) نیز اثر اندازه دانه AL در کامپوزیت AL/SiC  را نشان می دهند. همانطور که مشاهده می شود با کاهش اندازه ذره SiC  اندازه دانه AL نیز کاهش می یابد.

 

Grain size (nm)

(micron-size SiC)

Grain size (nm)

(nano-size SiC)

Milling time (h)

58

31

53

28

2

10

 

جدول (2): مقایسه اندازه دانه کامپوزیتهاي AL/5%SiC  با ذرات تقويت كننده با اندازه هاي متفاوت

 

     در ابتدای کار تولید کامپوزیت ذرات خیلی ریز  SiC  تمایل به آگلومره شدن دارند برای شکستن پیوندهای مکانیکی بین آنها زمان آسیاب کاری را تا ۱۰ ساعت افزایش می دهند.اما پس از ۱۰ساعت آسیاب کاری مشاهده می شود که اندازه دانه زمینه AL  حاوی نانو ذرات SiC   ریز تر از  اندازه دانه زمینه AL  حاوی میکرو ذرات SiC است.به عبارت دیگر افزایش زمان آسیاب کاری منجر به افزایش میزان تغییر فرم پلاستیک یا افزایش دانسیته نابجایی ها می شود.به این ترتیب در فصل مشترک ها توده ای از نابجایی ها انباشته شده و بنابر این جوانه زنی بر روی ذرات فاز ثانویه نانوذره نسبت به میکروذرات بیشتر صورت می گیرد و به همین دلیل است که در شرایط یکسان اندازه دانه زمینه AL در حضور نانو ذرات نسبت به میکرو ذرات ریز تر است.همچنین پودر AL  حاوی نانو ذرات زودتر به حالت پایدار نزدیک می شود.

 

 

v    نقش نانوذرات SiC بر روی  پایداری ابعادی نانوکامپوزیت AL/SiC:

  مقدار ضریب انبساط حرارتی (CET) در صنایع الکترونیک فاکتور بسیار مهمی است که تعیین کننده این است که آیا کامپوزیت برای ساخت تراشه های الکترونیک استفاده می شود یا نه؟

در اینجا به بررسی نقش اندازه ذرات SiC بر روی  پایدار ی ابعادی و ضریب انبساط حرارتی کامپوزیت   AL/SiC می پردازیم.بدین منظور  کامپوزیتهای  AL/SiC که از پودر   AL تجاری با اندازه ذرات SiC متفاوت را در نظر می گیرند . این کامپوزیتها نیز به روش آسیاب گلوله ای پر انرژی آسیاب شده و سپس در دمای ۵۸۵تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت تحت دمش گاز خنثی زینتر می شوند.دانسیته نسبی همه نمونه ها قبل و بعد از زینتر اندازه گیری می شود.زیرا دانسیته یک پارامتر مهم برای تعیین خواص فیزیکی کامپوزیت AL/SiC  وبه ویژه   پایدار ی ابعادی آن است. برای تعیین اثر اندازه ذرات SiC بر روی پایدار ی ابعادی زمینه آلومینیوم از تست دیلاتومتری استفاده می شود.به منظور انجام این تست از نموته های با ابعاد ۴«۴«۱۸ میلیمتر استفاده می شود.دستګاه دیلاتومتر به سیستم سرمایش دورانی مجهز است.برای تعیین نقش سرعت گرمایش به تغییر طول نمونه ها از دمای اتاق تا بالای ۵۰۰درجه سانتی گراد با سرعت متفاوت ۱۰و۳۰و۴۰و۶۰ درجه سانتی گراد بر دقیقه حرارت می دهند. سپس نمونه را تا دمای اتاق سرد می کنند.تغییر طول ایجاد شده در هر نمونه را برای هر کدام از دماهای فوق اندازه گیری می کنند.

نتایج مربوط به این تست در شکل(11) به صورت نمودار تغییرات کرنش بر حسب دما نشان داده شده است. مشاهده می شود که برای همه نمونه ها اعم از کامپوزیت معمولی و نانو کامپوزیت یک افزایش در تغییر طول با افزایش دما مشاهده می شود.با توجه به شکل می توان نتیجه گرفت که حساسیت دمایی آلومینیوم در حضور هر دو میکرو ونانو ذرات کاهش می یابد.ولی اثر نانو ذرات بیشتر از میکرو ذرات است.

  شکل (12) نقش اندازه ذرات SiC را بر روی پایداری ابعادی زمینه آلومینیومی در ۳۵۰ درجه سانتی گراد را نشان می دهد.می توان دید که پایداری ابعادی زمینه آلومینیوم در حضور نانو ذرات بهتر از میکرو ذرات  SiC است.در درصد حجمی ثابت از ذرات کاهش اندازه ذرات منجر به کاهش فاصله بین ذرات می شود واین امر منجر به پایداری ابعادی بهتر زمینه می شود.

نتایج نشان می دهد که افزایش سرعت گرمایش منجر به بهبود پایداری ابعادی نمونه ها می شود.دلیل وابستگی پایداری ابعادی  نمونه ها به سرعت گرمایش این است که گرمایش نمونه ها احتیاج به زمان دارد ولی با افزایش سرعت گرمایش سطح نمونه زمان کافی برای انتقال گرما از یک نقطه به نقطه دیگر را ندارد.پایداری ابعادی  کامپوزیتها به مدول یانگ نیز بستگی دارد . با توجه به آزمایشات و تحقیقات صورت گرفته در کسر حجمی ثابت از SiC  تاثیر نانو ذرات بر مدول یانگ بیشتر از میکرو ذرات است.بنابراین تغییر طول آلومینیوم در حضور نانو ذرات محدود می شود.

 

v   نتایج:

·        مناسبترین روش تولید نانو کامپوزیت AL/SiC روش متالورژی پودر( شامل مخلوط کردن ، فشردن(زینتر) و شکل دهی) می باشد.

·        مهمترین مرحله در تولید نانو کامپوزیت AL/SiC  به روش متالوژي پودر مرحله مخلوط کردن است  که در آن علاوه بر زمان ،سرعت و محیط آسیاب کاری نوع آسیاب نیز مهم می باشد. که آسیاب گلوله ای پر انرژی یکی از بهترین آسیاب ها برای تولید این نانو کامپوزیت هاست.

·        با افزایش زمان آسیاب کاری در تولید نانو کامپوزیتAL/SiC به روش آسیاب گلوله ای پر انرژی سیستم نسبت به حالت میکرو ذره ای  زودتر به شرایط پایدار نزدیک می شود.

·        اندازه دانه زمینه در نانوکامپوزیتAL/SiC تحت شرایط تولید یکسان ریز تر از  میکرو کامپوزیت AL/SiC است.

·        نانوکامپوزیتAL/SiC نسبت به حالت میکروذره ای سختی و مدول الاستیک بیشتری دارد.

·        پایداری ابعادی  زمینهAL در حضور نانو ذرات SiC بالاتر از آن در حضور میکرو ذرات SiC   است.به عبارت دیگر نانو ذرات SiC تاثیری بیشتری بر ضریب انبساط حرارتی AL نسبت به میکرو ذرات را دارند.

v   منابع و مراجع:

 

 

[1] Pedro Henrique Cury Camargo, Kestur Gundappa Satyanarayana, Nanocomposites: Synthesis, Structure, Properties and New Application Opportunities, FernandoWypych Departamento de Química, Centro Politécnico, Universidade Federal do Paraná, Jardim dasAméricas, 81531-990 Curitiba - PR, Brazil,  November 24, 2008; Revised: February 10, 2009

[2] GU Wan-  li(G7TS ,Bulk AVSiC nanocomposite prepared by ball millingand hot pressing method,), School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, ChinaReceived 10 April 2006; accepted 25 April 2006

 

[3] S. M. Zebarjad,1, 2 S. A. Sajjadi,1 and E. Z. Vahid Karim,Influence of Nanosized Silicon Carbide on DimensionalStability of Al/SiC Nanocomposite, ,1Department of Materials Scienceand Metallurgical Engineering, Engineering Faculty, Ferdowsi University of Mashhad,P.O. Box 91775-1111, Mashhad 91779-48974, Iran2Center for Nanotechnology, Ferdowsi University of Mashhad, P.O. Box 91775-1111, Mashhad 91779-48974, Iran, Received 12 November 2007; Accepted 7 January 2008

 

[4] Y. Saberi a, S.M. Zebarjadb,∗, G.H. Akbari, On the role of nano-size SiC on lattice strain and grain size ofAl/SiC nanocomposite, , Department of Materials Science and Engineering, Shahid Bahonar University, Kerman, Iran b Department of Materials Science and Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Azadi Square, Mashhad, Iran, Journal of Alloys and Compounds 484 (2009) 637–640

 

[5] M.R.dashtebayazi,A.shekoohfar,M.R.alinejad ,SPEXmecanical milling preparation of AL metal matrix composite powders ,reinforced by nanometer size SiC particles, ,faculty of mecanical engineering,KNT university of Tehran , iran,dept of ferdowsi university of mashhad, iran,recived 2/3/2005,recived in revised from 17/5/2006

[6] بلبل پور، محمد رضا، نانو کامپوزیتها،15/1/1387

[7]اعلایی،جمال،عصر نانو کامپوزیتها فرا رسیده است، پژوهشکده علوم و تکنولوژی صنعت نفت،30/7/1386

[8]     باشگاه مهندسان ایران، مشكلات پيش روي توسعة نانوكامپوزيتها در كشور،2008/6  

+ نوشته شده در  88/11/19ساعت 7:58 بعد از ظهر  توسط fatemeh piyadeh  | 

•      مقدمه

  چندین تکنیک جا افتاده تکمیلی برای آنالیز سطح وجود دارد که یکی از مهمترین آنها آنالیز سطح با طیف نگاری الکترونی برای آنالیز شیمیایی (electron spectroscopy for chemical analysis,ESCA) است. غالباً از پرتوهاي X تكرنگ يا نور ماوراي بنفش براي تهيج الكترون ها كه انرژي آنها حاوي اطلاعاتي درباره انرژي پيوندي درون اتم، منشا آنها و بنابراين درباره طبيعت اتمهاي نمونه است، استفاده مي‌شود. اين روش‌هاي طيف‌نگاري فتوالکترون، به نام آناليز سطح با طيف‌نگاري فتوالکتروني اشعهX، طيف‌نگاري فتوالکترون ماوراي بنفشي (UPS) و يا کلاً طيف‌نگاري الکتروني براي آناليز شيميايي (ESCA) نيز ناميده مي‌شوند.

  

از آنجا که فتوالکترون‌ها فقط مي‌توانند از نزديکي سطح نمونه فرار کنند، اطلاعات شيميايي که فراهم مي‌کنند فقط مربوط به چند لايه اتمي سطح نمونه است. علاوه بر اين انرژي‌هاي فتوالکترون‌ها به حالت پيوند اتمي که از آن ساطع شده‌اند، حساس هستند. براي مثال آهن فلزي از آهن در يک اکسيد، قابل تشخيص است.

   به طور کلي الکترون‌هاي مدار داخلي داراي انرژي پيوندي معادل انرژي فوتون‌هاي محدوده پرتو X هستند. وقتي يک ماده جامد، فوتوني با انرژي اتصال يک الکترون جذب مي‌کند، يک فوتوالکتروني منتشر مي‌شود که انرژي جنبشي آن با انرژي فوتون رابطه دارد. الکترون‌هاي مدار داخلي مشارکتي در اتصال ندارند و انرژي آنها مشخصه اتمي است که از آن منتشر شده‌اند. انرژي الکترون‌هاي مدار داخلي به محيط اتم بستگي ندارد. بنابر اين طيف‌نگاري فتوالکتروني اشعه X براي آناليز عنصري نمونه، مفيد است.از این رو نه تنها ترکيب شيميايي نمونه را شناسايي مي‌کند بلکه آناليز شيميايي را به صورت کمي انجام مي‌دهد. توسعه سیستم های جدید طیف نگاری فتوالکترونی اشعه X تا حد زيادي مديون Siegbahn و همکارانش می باشد. Siegbahnدر سال 1981 جايزه نوبل را به دليل این مشارکت دريافت نمود.

 

•      اساس کار ESCA

وقتي که انرژي‌هاي مدارهاي داخلي به صورت دقيق‌تري بررسي شدند مشخص شد که جابجایی‌هاي (Shift) کوچک ولي غیرقابل تشخيص اتفاق مي‌افتد. اين جابجایی ‌ها که به عنوان جابجایی ‌هاي شيميايي (Chemical Shift) شناخته مي‌شوند، به محيط پيوندي اطراف اتم و خصوصاً به حالت اکسيداسيون اتم بستگي دارند. براي فهميدن جابجایی ‌هاي شيميايي بايد ابتدا ارتباط بين انرژي فوتون، فرکانس( )وانرژي پيوندي الکترون، EB  ،که با رابطه اينشتين   (EB=h -EX) تعريف مي‌شود، بفهمیم.

در اينجا EX انرژي سنيتيک الکتروني است و انرژي پيوندي نسبت به ميزان تراز خلاء به عنوان مرجع داده شده است. از آنجا که مي‌توان به آساني سطوح تميز طلا را به صورت قابل تکرار تهيه و نگهداري نمود، معمولاً پيک‌هاي انتشار فوتون طلا را به عنوان استاندارد براي کاليبره کردن مقياس انرژي استفاده مي‌کنند. انرژي پيوندي يک الکترون معادل اختلاف انرژي حالت اوليه و حالت نهايي اتم است. يعني انرژي پيوندي معادل اختلاف انرژي‌هاي بين‌اتمي با n الکترون و يوني با n-1 الکترون است.در اين جا(  EF(n-1انرژي حالت نهايي است وEi(n) انرژي حالت اوليه است. اگر آرايش مجدد تمام الکترون‌هاي درگير نبود، انرژي پيوندي معادل منفي انرژي اربيتال حالت اوليه الکترون-Ek بود. اين تقريب به عنوان تئوري Koopmans شناخته شده و با رابطه   EB(K)  = -Ekنشان داده مي‌شود. در اينجا انرژي پيوندي به ترازخلاء ارجاع داده شده است.
طیف نگاری فتوالکترونی اشعه X براي تعيين ترکيب شيميايي و حالت پيوند در لايه‌هاي نزديک يک سطح نمونه، کاملاً مناسب است ولي قدرت تفکيک جانبي خوبي ندارد زيرا پرتو X تهييج کننده منطقه وسيعي را مي‌پوشاند و نمي‌تواند به راحتي فوکوس شود. شکل 1 قسمت‌هاي اصلي ساختار داخلي دستگاه طیف نگاری الکترونی آنالیز شیمیایی را به صورت شماتيک نشان مي‌دهد.

 

•      نمونه‌ها

ü  شکل نمونه ها : جامدها (فلزها ، شیشه ها، نیمه هادی ها ، سرامیک های با فشار بخار پائین)

ü   اندازه نمونه ها :   25/6

ü     آماده سازی نمونه ها : باید عاری از اثر انگشت ، روغن یا آلودگی سطحی دیگری باشد.

 

•      زمان تقریبی آزمایش

 

ü     قبل از آنالیزنیاز به ساعتها پمپ تخلیه دارد.

ü     آنالیز کیفی می تواند ظرف 5تا 10 دقیقه انجام شود.

ü     آنالز کمی از یک تا چند ساعت و بسته به اطلاعات مورد نظر ، وقت می گیرد.

 

•      نمونه هایی از کاربردهای  ESCA

 

ü     تعیین حالت های اکسیداسیون اتم های فلزی در لایه های سطحی اکسید فلزی

ü     شناسایی کربن سطحی به عنوان گرافیت یا کاربید

ü     آناليز عنصري سطوح براي تمام عناصر بجز هيدروژن

ü     پروفيل عمقي تركيب شيميايي براي توزيع عنصري در لايه هاي نازك

 

•      محدودیتهای ESCA

ü     جمع‌آوري داده، نسبت به ساير روش‌هاي آناليز سطح کند است، ولي اگر نيازي به قدرت تفکيک بالا يا شناسايي حالت شيميايي نباشد، زمان آناليز کوتاه تر مي‌شود.

ü     قدرت تفکيک جانبي ضعيف‌ است.

ü     حساسيت سطحي قابل مقايسه با ساير تکنيک‌هاي آناليز سطح است.

ü     شارژ نمونه ممکن است براي نمونه‌هاي عايق مشکل ايجاد کند. برخي از اين دستگاه‌ها به ابزارهاي خنثي‌ کننده شارژ مجهز هستند.

ü     صحت آناليز کمي، محدود است.

 

•      فهرستESCA هاي موجود در ايران

 

طيف‌نگاري الکتروني براي آناليز شيمياي  Electron Spectroscopy for Chemical Analysis ESCA))

رديف

دانشگاه

مدل

س. ساخت

س. خريد

نوع عضويت

1

دانشكده شيمي دانشگاه تبريز

SRS200

-

-

رزرو

 

•      فهرست مدل هاي جديدESCA

 

طيف‌نگاري الکتروني براي آناليز شيميايي      Electron Spectroscopy for Chemical Analysis (ESCA)

رديف

مدل

شرکت

كشور

1

PHI-Quantera

Physical Electronics

آمریکا

2

XPS

Thermo Electron

آمریکا

 

•      جمع بندی

از بحث فوق نتیجه می گیریم که یکی از روشهای مهم آنالیز سطوح طیف سنجی فتو الکترون پرتو x است .در این روش حالت شیمیایی گونه های سطحی شناسایی می شود. هنگامی که اجتناب از اثرات مخرب ناشی از تکنیک های پرتو الکترونی ضروری است، می توان با این روش ترکیب شیمیایی سطح نمونه را آنالیز نمود.پس به طور کلی این روش برای تعیین ترکیب شیمیایی و حالت پیوند در لایه های نزدیک سطح یک نمونه ، کاملا مناسب است ولی قدرت تفکیک جانبی خوبی ندارد.  

 

•         مراجع

1-Brandon, D. and Kaplan, W. "Microstructural characterization of Materials" John Wiley& Sons (1999).

 

2-Goodhew, P. J., Humphreys, F. J. "Electron and Analysis" Taylor and Francis (2000).

 

3-Eberhart, J. P. "Structural and Chemical Analysis of Materials" J. Wiley (1991).

 

4-Bunshah, R. F. editor "Techniques of Metals Research" Vol. 2, Techniques for the Direct Observation of Structure and Imperfections, Interscience Publishers (1969).

 

5-Gates, B. C. and Knozinger H. Editors "Impact of Surface Science on Catalysis"

Academicb Press (2000).

 

6-Kolasinski, K. W. "Surface Science, Foundations of Catalysis and Nanoscience" (2002).

 

7-Vickerman, J. C. Editor "Surface Analaysis, The Principal Techniques" John Wiley &

Sons (1997).

 

8-Woodruff, D. P. and Delchar, T. A. "Modern Techniques of Surface Science" 2nd Ed.,

Cambridge University Press (1994).

 

9-Amelinckx, S., van Dyck, D., van Landuyt, J. and van Tenderloo, G. (eds) Handbook

of Microscopy. Weinheim: VCH (1997).

 

10-دكترپرويزمرعشي و همكاران، ميكروسكوپ هاي الكتروني و روشهاي نوين آناليز ابزارشناسايي دنياي نانو، دانشگاه علم و صنعت ايران، 1383.

 

+ نوشته شده در  88/11/04ساعت 9:0 بعد از ظهر  توسط fatemeh piyadeh  | 

مقدمه :

     فرآیندهای انجماد سالهاست که برای ریخته گری ساختارهای کامپوزیتی مانند Al-SiC و چدن بکار می رود. ولی تنها در چندین سال اخیر بوده است که فلزات تقویت شده بطور جدی در کاربردهای مهندسی استفاده شده است. امروزه مشخص شده است که کامپوزیتها هنگامی حضور موفقی در صنعت خواهند داشت که فرآیند تولیدشان اقتصادی و مطمئن باشد. پیچیدگی فرآیند تولید کامپوزیت زمینه فلزی و بحرانی بودن این ماده از نظر قیمت و خواص باعث شده است که در سالهای اخیر مطالعات زیادی برای به کنترل درآوردن آن انجام شود.

    بیشتر کامپوزیتهای زمینه فلزی توسط روش ریخته گری تولید می شوند, چرا که این روش نسبت به حالت جامد (مانند پیوند فلزی نفوذی و متالورژی پودر) به علت در دسترس بودن فلز مذاب و سادگی بیشتر ترکیب دو فاز هنگامی که یکی از آنها مذاب است, مزیت دارد.

 

 

تعریف کامپوزیت :

   به طور کلی کامپوزیتها یا مواد مرکب مخلوطی از دو یا چند جزء(ماده) می باشند که درکنار هم باعث بهبود  خواص مواد می شوند. یعنی زمینه(ماتریس) + فاز تقویت کننده (فاز دوم).

ویژگی های کامپوزیتها:

معیارهایی که برای یک کامپوزیت در نظر گرفته می شوند، عبارتند از :

1- هر دو ماده باید با یک نسبت قابل ملاحظه ای وجود داشته باشند (معمولاً باید بیش از 5 درصد ماده دوم در ماده اول باشد).

2- فازهای تشکیل دهنده باید دارای خواص متفاوت و مخصوص باشند. از این جهت ممکن است خواص کامپوزیت به طور قابل ملاحظه ای با اجزای تشکیل دهنده آن متفاوت باشد.

3- یک کامپوزیت معمولاً توسط ترکیب کردن مناسب اجزا تشکیل دهنده توسط وسایل مکانیکی مختلف تولید می شود.

تقسیم بندی کامپوزیتها:

   کامپوزیتها معمولا از نظر نوع فاز زمینه به صورت زیر تقسیم بندی می شوند:

1-زمینه سرامیکی

2-زمینه فلزی

3-زمینه پلیمری

     جزء دوم که سبب افزایش و یا تقویت خواص مکانیکی زمینه می شود، فاز تقویتی یا تقویت کننده نامیده می شود که معمولاً در بیشتر موارد فاز تقویت کننده سخت تر و مستحکم تر از زمینه است. شکل هندسی تقویت کننده یکی از عوامل اصلی قابلیت تقویت کنندگی می باشد. معمولاً جزء تقویت کننده را بر حسب شکل آن (رشته ای یا ذره ای) توصیف می کنند. ابعاد تقویت کننده های ذره ای تقریباً در تمام جهات یکسان می باشند. شکل ذرات ممکن است کروی، مکعبی، بشقابی و یا هر شکل منظم و غیر منظم دیگر باشد. ترتیب قرار گرفتن ذرات تقویت کننده ممکن است تصادفی (بدون ترتیب) و یا دارای جهت ترجیحی باشد. یک تقویت کننده رشته ای به وسیله طول زیاد آن که به مراتب بیشتر از ابعاد مقطعش است،مشخص می شود. نسبت طول به ابعاد مقطع را نسبت ظاهری می گویند. یک کامپوزیت با رشته های پیوسته که در جهت مشخص آرایش داشته باشند، تقویت کننده تک جهته و الیافهایی که دارای موقعیتهای تصادفی باشند، تقویت کننده دو جهته گویند.

فاز دوم در کامپوزیتها به دو صورت پیوسته و ناپیوسته موجود می باشد. نوع پیوسته به دو صورت لایه ای و رشته ای و نوع ناپیوسته به سه نوع ذره ای، الیاف و ویسکرز هستند.

ویژگی کامپوزیتهای زمینه فلزی (MMC) :

1- مدول یا ضریب مخصوص بالاتر

2- استحکام مخصوص بیشتر

3- استحکام در درجه حرارتهای بالاتر

4- ضریب انبساط حرارتی کمتر

5- مقاومت در برابر سایش بیشتر

روشهای تولیدکامپوزیتهای زمینه فلزی(MMC):

روشهای تولید مواد مرکب زمینه فلزی در یک تقسیم بندی به حالت جامد، مایع، رسوب و درجا می باشد و از نظر تکنولوژی ساخت به چهار روش زیر تقسیم بندی میشود.

 1- ریخته گری

2- ریخته گری تحت خلاء(ورتکس)

3- متالورژی پودر

 4-پیوند فلزی نفوذی

کامپوزیت زمینه فلزی AL-SiC:

   کامپوزیتهای با زمینه آلیاژهای آلومینیوم به دلیل خواص فیزیکی مطلوب و سبکی وزن مورد توجه قرار گرفتند. SiC به دلیل ضریب انبساط حرارتی کم و خاصیت تر شوندگی مناسب به عنوان تقویت کننده مناسب مطرح شد. کامپوزیت های AL-SiC به دلیل استحکام بالا و پایداری دمایی کاربردهای زیادی پیدا کردند. از جمله در فضانوردی  صنایع اتومبیل سازی به عنوان خنک کننده قسمتهای الکترونیکی  شفت های اتومبیل روتورهای ترمز خودروها و در جتهای جنگنده و یا در اجزای موتورهای انفجاری کاربرد دارند. سازگاری فیزیکی و شیمیایی بین ذرات  SiC و زمینه AL مهمترین مساله در تولید کامپوزیتهای  AL-SiC می باشد.

    AL ماده ای نرم و انعطاف پذیر است و SiCترد وشکننده است ولی کامپوزیت آن مادهای است که هم چقرمه است و هم مقاومت به سایش بالایی دارد و هم اینکه سختی آن زیاد است. معمولا تقویت کننده نیرویی که به قطعه وارد می شود را تحمل می کند و زمینه محیطی را فراهم می آورد که باعث انتقال نیرو بین تقویت کننده ها می شود و همچنین از خوردگی و آسیب های محیطی مانند نور و رطوبت و...آن را مصون می دارد.

    ابتدا کامپوزیت زمینه آلومینیوم با ویسکرهای AL2O3 استفاده شد که کامپوزیتهای حاصل استحکام و سختی خوبی داشتند. اما هزینه تولید AL2O3 بالا بود و به علت عدم پیوند خوب آن با زمینه استحکام خیلی بالا نبود.به همین دلیل از ویسکرهای SiC استفاده کردند که استحکام سختی استحکام خستگی و کاملا خواص خوبی در دمای بالا داشت. اما هنوز مساله گرانی حل نشده باقی مانده بود. تا اینکه دانشمندان از سبوس برنج ویسکرهای SiC تولید کردند.سبوس برنج دارای ویسکرهای SiC به صورت سلولی است که این سیلیکات طی فرایند پخت و آماده سازی به رشته های SiCتبدیل می شود و در نتیجه تا حدی توانستند قیمت کامپوزیت زمینه فلزی را بکاهند. 

انجماد کامپوزیتهای زمینه فلزی AL-SiC:

بحث بیشتر در مورد فرایندهایی است که فلز در حالت مذاب با مواد تقویت کننده ترکیب می شود. انجماد کامپوزیتها معمولا شامل سه مرحله اولیه، میانی و نهایی است. مرحله اول شامل ترشوندگی تقویت کننده ها توسط فلز می باشد که شامل فرایندی است که در ابتدا فلز و مواد تقویت کننده با یکدیگر ترکیب می شوند. جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده انجماد قبل از اینکه کامپوزیت کامل منجمد شود مربوط به مرحله میانی است. در مرحله اصلی یا همان مرحله سوم انجماد نهایی و آخرین مرحله در تشکیل مواد و ریزساختار بررسی می شود.

 

 

 

مرحله اولیه:

-ترشوندگی: تلاشهای اولیه نشان داده است که ذرات سرامیکی به راحتی نمی توانند توسط روشهای غوطه وری دستی یا تزریق در زیر سطح مذاب ویا از طریق گاز خنثی وارد مذاب شوند. یک توضیح کافی برای ترشوندگی ضعیف تقویت کننده ها، افزایش انرژی سطحی هنگام ترکیب دو فاز است.درمراحل توليد كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي (MMC) و اضافه كردن سراميك‌ها به آلومينيم و آلياژهاي آن، ترشوندگي مهم‌ترين عامل تلقي مي‌شود. ترشوندگي به وسيله یکөكه بيانگر زاويه چسبندگی ذرات است.برطبق رابطه Young- Dupre قابل استخراج است:

 

زماني كه ذرات SiC به مذاب افزوده مي‌شوند، گرچه چگالي آنها بالاتر از مذاب است، شاهد غوطه‌وري آنها در سطح مذاب خواهيم بود. دليل اين امر، كشش سطحي زياد و ترشوندگي كم ذرات توسط مذاب است.

-تکنیکهای مورد استفاده در افزایش خاصیت تر شوندگی ذرات معلقSiC: تکنیکهای گوناگونی در سالهای اخیر برای افزایش خاصیت تر شوندگی بکار رفته است که اساس آنها کم کردن زاویه خیس شوندگی توسط افزایش انرژی سطحی جامد-ذره ، کاهش انرژی فصل مشترک جامد-مذاب و یا کاهش کشش سطحی مذاب-ذره می باشد.

این تکنیکها شامل موارد زیر است:

الف) استفاده از پوششهای نیکل و مس روی ذرات دیر گداز

ب) اضافه کردن عناصر واکنشی مانند منیزیم و لیتیم به مذاب AL

ج) عملیات حرارتی ذرات

د) اعمال امواج التراسونیک به مذاب

عوامل افزودنی به زمینه باعث تغییر زاویه تر شوندگی شده به دو گروه تقسیم می شوند:

1-افزودنیهایی که باعث بهبود واکنش تقویت کننده و زمینه می شوند،مانند لیتیم در آلومینیوم برای تر شوندگی کاربید سیلیسیم

2-افزودنیها به آلومینیوم باعث بهبود واکنش با تقویت کننده نشده بلکه باعث اصلاح شاخصهای لایه اکسیدی بر روی سطح فلز می شوند،مانند منیزیم در آلومینیوم با کاربید سیلیسیم.

این دو روش عملی یا باعث واکنش در فصل مشترک زمینه-الیاف شده یا باعث اصلاح لایه اکسیدی که اغلب آلومینیوم مذاب را پوشش می دهد ، می شود. عناصر واکنش زا به طور وسیعی برای پخش کردن ذرات سرامیکی در مذاب فلزی بکار رفته است.

واکنش میان نقویت کننده ها و زمینه اغلب مطلوب نیست، زیرا باعث کاهش استحکام تقویت کننده می شود. یک روش دیگر که بر اساس همان اصول است، پوشش دادن الیاف یا سطح ذرات است. پوششهای فلزی روی ذرات سرامیکی انرژی سطحی جامد را افزایش داده و توسط تعویض فصل مشترک از فلز – سرامیک به فلز-فلز خاصیت تر شوندگی را بهبود می بخشند.

پوششها به طور عمومی به دو دسته برای افزودنیهای آلیاژها بکار رفته است:

الف) پوششهایی که جهت واکنش با زمینه طراحی شده اند. این پوششها متعدد بوده و شامل پوششهای فلزی برای انواع تقویت کننده ها در آلومینیوم، پوششهای اکسیدی برای کاربید سیلیسیم در آلومینیوم است.

ب) پوششهایی که جهت واکنش با لایه اکسیدی پوشش دهنده مذاب آلومینیوم طراحی شده اند.

 

همچنین عملیات حرارتی ذرات قبل از پخش نمودن آنها در مذاب باعث بهبود انتقال و خاصیت تر شوندگی توسط دفع سطحی گازهای جذب شده در سطح می شود.

از طرفی امواج اولتراسونیک باعث بهبود تر شوندگی سرامیکها در نتیجه دفع جزیی سطحی گازهای جذب شده از سطح ذرات می شود. به علاوه این امواج باعث ایجاد یک انرژی اضافی در ذوب حفره ها شده که باعث آسانتر شدن پراکندگی ذرات در مذاب می شود.

v    مرحله میانی:

   این قسمت مربوط به مراحلی از انجماد است که فلز و تقویت کننده ، ترکیب شده و قسمتی از زمینه فلزی به صورت مذاب باقیمانده است. این مرحله قبل از مرحله نهایی است، که انجماد به صورت کامل صورت گرفته است. همانند ترشوندگی اینجا نیز بین حالتی که تقویت کننده تشکیل دهنده یک پیش شکل خود نگه دارنده مکانیکی و حالتی که مرکب از ذرات مجزا و الیاف کوتاه و یا ویسکرزهای پخش شده در کامپوزیت نهایی است تفاوت وجود دارد. در حالت اول اغلب کامپوزیت به طور مستقیم توسط نفوذ پذیری پیش شکل به شکل نهایی آن ریخته گری می شود. در حالت دوم اغلب کامپوزیت توسط مخلوط کردن تقویت کننده درون مذاب یا فلز نیم جامد جهت ایجاد یک دوغاب روان کامپوزیتی تولید می شود، سپس این دوغاب توسط روشهایی مشابه ریخته گری بدون ذرات تقویت کننده ریخته گری می شود. این دو روش با یکدیگر ترکیب شده اند ولی در پدیده انتقال با یکدیگر متفاوتند.

-نفوذ پذیری پیش شکل: فرایند نفوذ پذیری برای چندین دهه برای تولید مواد کامپوزیتی بکار رفته است. اغلب فازهای تقویت کننده (ذرات-الیاف) به اندازه کافی کوچک هستند که پیش شکل را بتوان به عنوان یک ساختار پیوسته متخلخل توصیف کرد.

-فرایند دوغاب کامپوزیت زمینه فلزی AL-SiC: هنگامی که تقویت کننده ها شامل عناصر مجزا از فاز تقویتی پخش شده در زمینه هستند،کامپوزیت تشکیل یک دوغاب روان و جاری را می دهد. اگر قسمت کافی از زمینه مذاب باشد، این نوع دوغاب کامپوزیتی اغلب توسط هم زدن و وارد کردن تقویت کننده به مذاب یا زمینه نیمه جامد و سپس انجام دیگر مراحل ریخته گری تولید می شود. وجود مقدار قابل توجهی از کسر حجمی فاز جامد در کامپوزیت در حال جریان باعث بهبود رفتار کامپوزیت در طول ریخته گری می شود وهمچنین توجه به پخش شدن یکسان تقویت کننده در این حالت ضروری است.تولید دو غاب کامپوزیتی در آلیاژهای ALبا ذرات تقویت کنندهSiC به صورت زیر انجام می شود.

      آلیاژ ALرا در کوره تا بالای دمای لیکدوس حرارت می دهیم تا کاملا ذوب شود و سپس آن را تا پائین دمای لیکدوس سرد می کنیم تا به دوغاب نیمه جامد برسیم.ذراتSiC را قبل از مخلوط کردن تا دمای حدود      c ْ1100 پیشگرم می کنیم تا سطح آن اکسید شود .در این مرحله ذرات پیش گرم شده را به دوغاب اضافه می کنیم و آنها را با روش های دستی یا اتوماتیک هم می زنند و سپس دوباره دوغاب کامپوزیتی را حرارت می دهیم تا به حالت کاملا مایع برسیم.

براي بهبود توزيع ذرات مخلوط كردن مرحله دوم مورد نياز است. مثلاً، حرارت دادن دوغاب كامپوزيتي تا دمايي بالاتر از دماي ليكدوس پس چرخش مذاب به‌وسيله ابزار اتوماتيك، بهترين راه‌حل است. در نتيجه مخلوط كردن دو مرحله‌اي به توزيع هموژن ذرات كمك مي‌كند.هم زدن دو مرحله‌اي، تنها راه مناسب نيست. با توجه به آناليزهاي انجام شده هر روشي كه بتواند لايه‌هاي گازي را بشكند، مانند روش هم زدن از كف و پاشش ذرات و... مي‌تواند مؤثر باشد. 

هنگامی که ذرات در مذاب پخش می شوند دو نوع واکنش می تواند رخ دهد :

1-واکنش بین ذره و مذاب

2-واکنش بین خود ذرات

هر دو نوع واکنش باعث افزایش گرانروی ظاهری دوغاب می شوند.در محدوده دمایی که زمینه نیمه جامد است، تاثیر دما بر روی گرانروی دوغاب کامپوزیتی همانند تاثیر آن بر مذاب آلیاژ زمینه است. پس با افزایش دما گرانروی کاهش می یابد که علت آن کاهش کسر حجمی جامد است.به هر حال در دوغاب کامپوزیتی ، ممکن است تغییراتی در گرانروی و یا سیالیت بر اثر واکنش بین تقویت کننده و زمینه مشاهده شود. در ریخته گری آلیاژهای بدون تقویت کننده با افزایش دما سیالیت نیز افزایش می یابد ولی در آلیاژ ی (AA6061) از ALبا 15%  حجمی ذرات SiC با افزایش دما ، سیالیت نیز افزایش می یابد که علت آن تشکیل AL4C3 است که باعث افزایش گرانروی و تشویق انباشتگی ذرات با یکدیگر می شود. واکنش تشکیل AL4C3 با سرعت بسیار آهسته انجام می شود و تشکیل آن در دماهای پائین امکان ندارد.هنگامی که مقدار C افزایش می یابد،قابلیت انحلال آن در مذاب AL محدود می شود.تشکیل AL4C3 بوسیله انحلال SiC در مذاب AL و تشکیل  رسوب AL4C3 ،انجام می گیرد و این یعنی جوانه زنی غیر همگن کریستال های AL4C3 است.

در آلیاژSi  AL-7% سیالیت با افزایش دما تا 750ْC افزایش یافته وسپس با افزایش بیشتر دما کاهش می یابد.علت آن پایدار ماندن ذرات SiC تقریبا تا زیر دمای 750ْC است که در بالا آن با مذاب واکنش داده و سیالیت کاهش می یابد.

اگر چه سیالیت کامپوزیتها با افزایش ذرات کاهش می یابد اما چنانچه ترکیب کامپوزیت و نوع ذره به شکلی باشد که از واکنش در فصل مشترک جلوگیری کند، دوغاب کامپوزیتی با روشهای رایج ریخته گری قابل تولید خواهد بود.

مرحله نهایی:

   نحوه انجماد در کامپوزیتها می تواند تاثیر بسزایی در ساختار و خواص مکانیکی کامپوزیتها داشته باشد. استفاده مستقیم از قوانین و روابط برای کنترل ریزساختار فلزات برای MMC غیر ممکن است، زیرا فاز تقویت شده پیوسته باعث اصلاح و تغییرات در انجماد زمینه می شود.

-جوانه زنی فلز تقویت شده: : این باور وجود دارد که ذرات سرامیکی معلق بندرت به صورت مناسبی با فشار منجمد شده همجهت شده و تشکیل یک فصل مشترک با انرژی کم را می دهند. فاز تقویت شده جامد اگر باعث تسریع در جوانه زنی ناهمگن فاز جامد اولیه شود، می تواند باعث کاهش اندازه دانه زمینه شود. اگر تقویت کننده باعث جوانه زنی فاز اولیه زمینه توسط تسریع کردن و یا انتقال حرارت نشود، اندازه دانه کامپوزیت قدری بیشتر از نمونه مشابه بدون تقویت کننده می شود، زیرا تقویت کننده مانع جابجایی فلز مذاب خواهد شد.

ذرات در مذاب خواص ترمو فیزیکی متفاوتی نسبت به مذاب دارند آنچه مسلم است كمتر بودن هدايت حرارتي و نفوذپذيري ذرات SiC نسبت به AL مذاب است. بنابراين، ذرات SiC نمي‌توانند به سرعت مذاب سرد شوند. در نتيجه، دماي ذرات بالاتر از دماي مذاب است .ذرات SiC در داخل مذاب شناورند. حرکت ذرات در مذاب یک لایه مرزی حرارتی در اطراف ذره ایجاد می کند.دمای لایه مرزی ایجاد شده در مذاب بر دمای ذره در مذاب تاثیر می گذارد.

 

   در کامپوزیتهای مذاب عناصر آلیاژی در یک لایه مرزی در تماس با سطح ذره قرار می گیرند.به دلیل انرژی سطحی بین ذره و مذاب انرژی آزاد عناصر آلیاژی در تماس با سطح ذره بالاتر از انرژی آزاد این مواد در سایر قسمتهای مذاب است، این امر منجر به این می شود که مذاب اطراف سطح ذرات غنی از عناصر آلیاژی شود. (شکل 4) مواد محلول به یک فاصله شعاعی از سطح ذره مهاجرت می کنند و یک لایه غنی از مواد محلول بر سطح ذره تشکیل می شود، پس یک تغییر در توزیع مواد حل شده در اطراف ذره ایجاد می شود.(شکل 5) غلظت تعادلی عناصر آلیاژی  در تماس با سطح ذره به دمای ذره و انرژی سطحی بین ذره/مذاب و ذره/عناصر آلیاژی بستگی دارد.

زمان لازم برای اینکه دمای ذره معادل دمای مذاب شود با کسر حجمی و اندازه ذره افزایش می یابد.چون ذرات SiC هدایت حرارتی پائین تر از فلز مذاب دارند،هنگامی که اندازه ذره به اندازه کافی بزرگ باشد ، دمای قسمت مرکزی ذره ممکن است ثابت نباشد.در این نمونه ها دمای ذره در مذاب به نرخ هدایت حرارتی مذاب بستگی دارد.

 

    -اثر نوع آلیاژ AL بر جوانه زنی مذاب بر روی سطح ذره: در آلیاژهای هیپو یوتکتیک دمای مذاب در تماس با سطح ذره نسبت به مذابی که در فاصله دورتری از سطح ذره قرار گرفته بیشتر است.ولی در ترکیبات هیپریوتکتیک دمای مذاب در تماس با سطح ذره نسبت به مذابی که در فاصله دورتری از سطح ذره قرار گرفته است کمتر است. بنابراین در آلیاژهای هیپو یوتکتیک مذاب تمایل دارد تا در نقاط دور از ذره جوانه زنی زودتر شروع شود، چون دمای آن نقاط کمتر است. در آلیاژهای هیپر یوتکتیک مذاب تمایل دارد تا در نواحی نزدیک به سطح ذره ابتدا جوانه زنی انجام دهد زیرا دما در این نقاط از مذاب کمتر است.پس در آلیاژهای هیپریوتکتیک جوانه زنی بر روی سطح ذره به نحو مطلوبی صورت می گیرد.تغییر انرژی آزاد شیمیایی برای جوانه زنی(نیرو محرکه جوانه زنی) بر روی ذره با دمای مذاب افزایش می یابد.هنگامی که غلظت عناصر آلیاژی اولیه در ترکیبات هیپو و هیپر یوتکتیک افزایش می یابد ، تغییر انرژی آزاد نیز افزایش می یابد.تغییر انرژی آزاد در مذاب هیپو یوتکتیک کمتر از مذاب هیپریوتکتیک است.بنابراین جوانه زنی بر روی سطح ذره در مذاب هیپر یوتکتیک مناسب تر است.این می تواند ناشی از غلظت بالای عناصر آلیاژی در تماس با سطح ذره باشد زیرا تحت تبرید موضعی در مذاب در تماس با سطح ذره در آلیاژهای هیپریوتکتیک افزایش می یابد. در واقع از نظر ترمودینامیکی جدایش عناصر آلیاژی اطراف سطح ذرات انرژی سطحی بین ذره و مذاب را کاهش می دهد. 

  جدایش عناصر آلیاژی در مذاب در تماس با سطح ذره ممکن است باعث ایجاد یک فوق تبرید اساسی در اطراف ذره در مذاب های هیپر یوتکتیک شود.در شکل6 هنگامی که دمای مذاب برابر Tx است،یک تحت تبرید در فلز مذاب اطراف ذره وجود دارد.هنگامی که هیچ جدایشی وجود ندارد، تحت تبرید نیز اطراف ذره وجود ندارد. وجود تحت تبرید در یک لایه مذاب که غنی از عناصر آلیاژی است در اطراف ذره منجر به سرعت جوانه زنی بالاتری در این مذاب نسبت به مذاب دور از ذره می شود.وقتی به یک تحت تبرید بحرانی می رسیم،انتظار می رود جوانه زنی از سطح ذره شروع شود.پس در این شرایط جوانه زنی بر سطح ذره مناسبتر از سایر نقاط است ،که هیچ سطح غیر همگنی ، شبیه سطح ذرات وجود ندارد و هیچ تحت تبریدی نیز نداریم.

                                                                                                               

-رشد فلز جامد آلیاژ AL با تقویت کننده متحرکSiC : هنگامی که یک فصل مشترک متحرک جامد-مذاب به یک ذره خارجی معلق در فاز مذاب برخورد می کند، ذره یا به دام می افتد ویا توسط فصل مشترک پس زده می شود. اگر ذره توسط فلز جامد در حال رشد به دام افتد، توزیع مجدد ذرات را نخواهیم داشت واز این رو توزیع ذره در حالت جامد مانند یکنواختی حالت مذاب خواهد بود. از طرفی اگر ذره توسط جبهه انجماد پس زده شوند، آنها دوباره توزیع شده تا در نهایت در فاز مذاب جدایش یابند.

اطلاعات وسیع تجربی به دست آمده به نتایج زیرمنتهی می شود:

الف) در آلیاژهای هایپر یوتکتیک و یوتکتیک آلومینیوم - سیلیسیم با تقویت کننده SiC  تغییر انرژی آزاد شبکه در انتقال ذره از جامد به مذاب منفی است.پس شرایطی بین ذره و زمینه وجود دارد که باعث می شود ذرات توسط فصل مشترک جامد – مذاب به دام افتند پس توزیع مجدد ذرات را نخواهیم داشت واز این رو توزیع ذره در حالت جامد مانند یکنواختی حالت مذاب خواهد بود.

ب) شرایطی بین زمینه وجود دارد که ذرات در سرعتهای رشد کمتر از سرعت بحرانی پس زده شده و در بیشتر از سرعت رشد بحرانی به دام می افتند.

ج) شرایطی بین زمینه وجود دارد که ذرات در هر شرایطی از رشد پس زده می شوند. بیشتر آلیاژهایAL هیپویوتکتیکی که دارای فصل مشترک غیر صفحه ای باشند در این گروه قرار می گیرند 

 

اثر سرعت انجماد بر روی ریز ساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت

 AL-SiC:

  مواد قالب اثر خاصی بر توزیع ذرات تقویت کننده در طی انجماد زمینه دارند. با کاربرد یک قالب گرافیتی مناسب می توان شکل ساختار ریختگی و توزیع ذرات در قطعه ریختگی را تعیین نمود. قالب هایی که باعث انتقال سریع حرارت می شوند مثل قالب گرافیتی یا دائمی مطمئنا یک توزیع یکنواخت ذرات سرامیکی در زمینه بدست می آید. و هر چه زمان انجماد افزایش یابد، سیالیت و جدایش ذرات تقویت کننده تسهیل می شود. بنابراین به کار بردن قالب هایی که منجر به طولانی شدن زمان انجماد می شوند مثل قالب ماسه ای ، باعث ایجاد یک کامپوزیت با ساختار لایه ای که هر لایه شامل یک فاز است و به تناوب لایه ها تکرار می شوند ، می شود.  

نتایج نشان می دهد که با افزایش سرعت انجمادیک توزیع یکنواخت تر از ذرات SiC  در ساختار نمونه بوجود می آید.و بدین ترتیب ریزساختار تصحیح می شود. هر چه دمای قالب کمتر باشد یعنی سرعت انجماد افزایش یابد استحکام قطعه بدست آمده نیز افزایش می یابد.پس خواص مکانیکی نمونه ریخته گی به طور زیادی به وسیله ریز ساختار و توزیع ذرات SiC و سرعت انجماد کنترل می شود.تزیع یکنواخت ذرات SiC و یک DAS مناسب باعث ایجاد استحکام و داکتیلیته مناسب می شود.

                                     

   جمع بندی :

·       ترشوندگی توسط واکنش شیمیایی میان سطوح فلز و تقویت کننده و یا با از بین بردن اکسید روی زمینه فلز مذابAL بهبود یافته است.

·       در طول رشد دندريت‌ها ذرات معلق SiC موجود در مذاب يا درون شاخه‌هاي دندريتي گير مي‌كنند يا به وسيله جبهه دندريتي به جلو رانده مي‌شوند. اين امر به سرعت رشد جبهه، شكل هندسي جبهه، فضاي بازوهاي دندريتي( DAS )و ذرات وابسته است.

·       در آلیاژهای هیپریوتکتیک جوانه زنی بر روی سطح ذره به نحو مطلوبی صورت می گیرد.

·       با افزایش سرعت انجمادیک توزیع یکنواخت تر از ذرات SiC  در ساختار نمونه بوجود می آید

 

 

 

منابع مراجع:

[1] J. Braszczyn´ski, A. Zyska , Analysis of the influence of ceramic particles on the solidificationprocess of metal matrix composites ,Materials Science and Engineering A278 (2000) 195–203

[2] A. Dolata-Grosz*, M. Dyzia, J. Oeleziona, The solidification process of the AK12/SiC+Ccomposite suspension in various heatexchange conditions Department of Alloys and Composite Materials Technology, Volume 34, December 2008, Pages 75-80.

[3] J.K. KIM and P.K. ROHATGI, Nucleation on Ceramic Particles in Cast Metal-Matrix, METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A, VOLUME 31A, APRIL 2000.

[4] A. Labib, H. Liu and E H. Samuel, Effect of solidification rate (0.1-100 °C s- 1 ) on the microstructure,mechanical properties and fractography of two A1-Si10vol.%SiCparticle composite castings, Materials Science and Engineering, A160 (1993) 81-90.

[5] A. UREIN˜ A¤, P. RODRIGO, L. GIL, Interfacial reactions in an Al-Cu-Mg (2009)/SiCwcomposite during liquid processing, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 36 (2001) 419– 428.

] 6[ منشی،احمد،انجماد فلزات، 1383.

 

                                                                     

+ نوشته شده در  88/11/04ساعت 8:44 بعد از ظهر  توسط fatemeh piyadeh  |