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

در این مطالعه سعی شده است تا تاثیر 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 خلا، 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 92.5 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 تایید شد. طبق نتایج آزمایشگاهی آزمون نانوفرورونده (nanoindentation)، حداکثر سختی و مدول الاستیک در نرخ بارگذاری تا 0.8 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 0.2، 0.4 و 0.8 میلی‌نیوتن بر ثانیه انجام شد، تطابق قابل توجهی بین یافته‌های آزمایشگاهی با نتایج شبیه‌سازی حاصل شد.

characterization of tin-5wt%ti ceramic and simulation of its mechanical behavior based on nanoindentation analysis

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