شبيه سازي تغييرشكل هاي پيروپلاستيك بدنه هاي سراميكي در هنگام فرايند زينتر حالت مايع به كمك آناليز اجزاي محدود

Finite Element Simulation of Pyroplastic Deformation for Ceramic Bodies During Liquid Phase Sintering Process

هرگونه تغييرشكل ناخواسته و برگشت ناپذير در بدنه هاي سراميكي در هنگام فرايند زينتر حالت مايع كه ناشي از اثر هم زمان تنش هاي مكانيكي و حرارتي است، به تغييرشكل هاي پيروپلاستيك مشهور هستند. اين تغييرشكل ها به صورت هاي مختلفي مانند كاهش دقت ابعادي، اعوجاج، ترك و يا انهدام قطعه سراميكي، خود را نشان مي دهند. اصلاح اين تغييرشكل ها پس از سينتر بدنه هاي سراميكي با فرايندهاي گران قيمتي مانند تراشكاري و پرداخت كاري در بعضي موارد امكان پذير خواهدبود ؛ در غيراين صورت، فرايند توليد بدنه سراميكي بايد از ابتدا به گونه اي تكرارشود تا از ايجاد مجدد اين تغييرشكل ها جلوگيري شود. بنابراين، پيش بيني و شبيه سازي مقدار و محل اين تغييرشكل ها همواره از اهميت بسيار زيادي در بين محققان و توليدكنندگان بدنه هاي سراميكي برخوردار بوده است. تغيير خواص فيزيكي و مكانيكي با دما براي بدنه هاي سراميكي در هنگام سينتر حالت مايع نقش اساسي در پيش بيني اين تغييرشكل هاي پيروپلاستيك و در نهايت دقت ابعادي بدنه نهايي دارد. در اين تحقيق، نخست بر اساس آزمون انحراف سنجي روي نمونه هاي سراميكي، يك مدل رياضي براي معادله ميزان تغييرشكل پيروپلاستيك با زمان سينتر و سپس، مدل رياضي ديگري براي معادله ضريب گرانروي ديناميك با دماي سينتر، به كمك روش AIC انتخاب شد. مدل هاي انتخاب شده در معادلات بنيادي فرايند سينتر حالت مايع، جايگزين و با روش آناليز اجزاي محدود به كمك زيربرنامه خزش در نرم افزار آباكوس، حل شدند. تطابق قابل قبول بين نتايج فرايند شبيه سازي و آزمون انحراف سنجي، حاكي از انتخاب صحيح مدل رياضي انتخاب شده در اين تحقيق است. تكرارپذيري، صحت و دقت سنجي مدل رياضي انتخاب شده با دو آزمون تجربي ديگر شامل آزمون سينترخمشي و سينترحالت آزاد، انجام شد. پس از تاييد تكرارپذيري، صحت و دقت فرايند شبيه سازي، به پيش بيني و مقايسه با شواهدتجربي براي چندين خاصيت مهم فيزيكي و مكانيكي بدنه سراميكي در هنگام سينتر حالت مايع پرداخته شد. از اين خواص مهم، مي توان به انقباض جهت دار، چگالي نسبي و توزيع آن، ضريب موثر برشي گرانرو، ضريب موثر حجمي گرانرو، تنش موثر زينتر و تنش هيدرواستاتيك اشاره نمود. نتايج حاكي از توزيع غيريكنواخت چگالي در نمونه هاي آزمون انحراف سنجي و زينترخمشي است؛ رفتار جهت دار انقباض براي نمونه هاي سراميكي ساخته شده به روش ريخته گري نيز مشاهده گرديد؛ تنش موثرسينتر همواره از تنش هيدرواستاتيك بزرگ تر است، كه منجربه ادامه و تكامل فرايند سينتر مي شود. تغييرات ضريب موثر حجمي گرانرو با زمان سينتر، توقف در شيب نزولي انقباض حجمي در مراحل پاياني فرايند سينتر را نشان مي دهد؛ كه اين رفتار نيز با آزمون ديلاتومتري ثابت شد.

Increasing the amount of vitreous phase formed in the ceramic body during the liquid phase sintering process، with decreasing in its viscosity leads to the pyroplastic deformation. It sometime causes to crack، failure or rejection of ceramic parts، so the prediction and modification of these deformation is the key factor for ceramic manufacturing process. Physical and mechanical behavior of the ceramic body during sintering process including the viscose flow deformation، anisotropic shrinkage، heterogeneous densification، as well as sintering stress، have significant influence on the both final body dimensional precision and densification process. In this paper، the finite element method has been developed to study pyroplastic deformation، physical، and mechanical behavior of hard porcelain ceramic body during liquid phase sintering process. After raw materials analysis، the standard hard porcelain mixture as a ceramic body was designed and prepared. The finite element method for the ceramic specimens during the liquid phase sintering process are implemented in the CREEP user subroutine code in ABAQUS. Densification results confirmed that the bulk viscosity was well-defined with relative density. Dilatometry، SEM، XRD investigations as well as bulk viscosity simulation results confirmed that the “mullitisation plateau” was presented as a very little expansion at the final sintering stage، because of the highly amount of mullite formation.