مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مشخصه یابی سرامیک نیترید تیتانیم – پنج درصد وزنی تیتانیم و شبیه‌سازی رفتار مکانیکی آن بر اساس آنالیز نانوفرورونده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه علوم مهندسی، دانشکده فن آوری‌های نوین، دانشگاه محقق اردبیلی،اردبیل، ایران.
2 گروه مهندسی متالورژی و مواد، دانشکده مهندسی متالورژی و مواد، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، ایران.
10.48311/mme.2025.96891.0
چکیده
در این مطالعه سعی شده است تا تأثیر افزودن 5 درصد وزنی تیتانیم به طور جامع بر مشخصات ریزساختاری، خواص مکانیکی و فیزیکی سرامیک بر پایه نیترید تیتانیم بررسی گردد. تف‌جوشی (sintering) سرامیک TiN-5wt%Ti با استفاده از فرایند تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای (SPS) در اتمسفر خلأ، تحت فشار 50 مگاپاسکال، در دمای 1900 درجه سانتی‌گراد به مدت 7 دقیقه انجام گرفت. نتایج به دست آمده نشان دادند که عدم ترشوندگی کافی بین ذرات افزودنی تیتانیم و فاز زمینه نیترید تیتانیم و به دام افتادن گازهای ناشی از واکنش‌های احتمالی بین ذرات و اکسیژن باقی‌مانده در طول فرایند تف‌جوشی‌، دلایلی برای چگالی نسبی 5/92 درصد بوده‌اند. تشکیل فاز اکسید تیتانیم در طول تف‌جوشی طبق واکنش‌های تیتانیم با نیترید تیتانیم و اکسیژن باقی‌مانده با استفاده از نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی (FESEM)، پراش پرتو ایکس (XRD) و ارزیابی‌های ترمودینامیکی تأیید شد. طبق نتایج آزمایشگاهی آزمون نانوفرورونده (Nanoindentation)، حداکثر سختی و مدول الاستیک در نرخ بارگذاری تا 8/0 میلی‌نیوتن بر ثانیه حاصل گردید. علاوه بر آن، رویدادهای pop-in در منحنی‌های آزمون نانوفرورونده به دلیل تشکیل ریزترک‌ها و جوانه‌زنی نابجایی‌ها در نواحی فرورفتگی مشاهده شدند. همچنین، شبیه‌سازی المان محدود آزمون نانوفرورونده با استفاده از نرم‌افزار آباکوس (Abaqus) در همان نرخ‌های بارگذاری تجربی یعنی 2/0، 4/0 و 8/0 میلی‌نیوتن بر ثانیه انجام شد، تطابق قابل توجهی بین یافته‌های آزمایشگاهی با نتایج شبیه‌سازی حاصل شد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Characterization of TiN-5wt%Ti Ceramic and Simulation of its Mechanical Behavior Based on Nanoindentation Analysis

نویسندگان English

Mehrdad sheikhlou 1
Ramin Meshkabadi 1
Shahin Keyvani Somarin 2
Abbas Sabahi namini 1
1 Department of Engineering Sciences, Faculty of Advanced Technologies, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.
2 School of Metallurgy and Materials Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.
چکیده English

In this study, an attempt has been made to comprehensively investigate the effect of adding 5 wt% titanium on the microstructural characteristics, mechanical and physical properties of titanium nitride-based ceramics. The sintering of TiN-5wt%Ti ceramics was carried out using the spark plasma sintering (SPS) process in a vacuum atmosphere, under a pressure of 50 MPa, at a temperature of 1900 °C for 7 minutes. The results showed that the lack of sufficient wettability between the titanium additive particles and the titanium nitride matrix phase and the trapping of gases resulting from possible reactions between the particles and residual oxygen during the sintering process were the reasons for the relative density of 92.5%. The formation of the titanium oxide phase during sintering was confirmed by the reactions of titanium with titanium nitride and residual oxygen using the results of field emission scanning electron microscopy (FESEM), X-ray diffraction (XRD) and thermodynamic evaluations. According to the laboratory results of nanoindentation test, the maximum hardness and Young's modulus were obtained at loading rates up to 0.8 mN/s. In addition, pop-in events were observed in the nanoindentation test curves due to the formation of microcracks and dislocation nucleation in the indentation areas. Also, finite element simulation of the nanoindentation test was performed using Abaqus software at the same experimental loading rates, i.e. 0.2, 0.4 and 0.8 mN/s, and a significant agreement was obtained between the laboratory findings and the simulation results.

کلیدواژه‌ها English

Titanium nitride
nanoindentation
ceramic
simulation
microstructure

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 25 آبان 1404