دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 56 12 2025 02 19 Investigation of the effect of welding current intensity on the morphology and microstructure of IN738LC superalloy weld metal by GTAW method بررسی تأثیر شدت‌جریان جوشکاری بر مورفولوژی و ریزساختار فلز جوش آلیاژ IN738LC به روش جوشکاری قوسی گاز تنگستن 1593 1608 5705 10.22060/mej.2025.23562.7781 FA رضا نظری دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران اسلام رنجبرنوده دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران 0000-0002-6958-7044 Journal Article 2024 10 07 Nickel-based superalloys, such as IN738LC, are widely used in high-temperature applications due to their excellent mechanical properties and corrosion resistance. However, welding these alloys presents challenges due to rapid solidification, which affects the dendritic microstructure of the weld metal. In this study, the effect of welding current intensity on the secondary dendrite arm spacing (SDAS) and cooling rate in Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) of IN738LC was investigated through numerical modeling and experimental validation. A three-dimensional finite element heat transfer model was developed to predict the thermal distribution and cooling rates in the weld pool. Experimental welding was performed at three different current levels (95 A, 120 A, and 132 A), and the resulting microstructures were analyzed using metallographic techniques. The results showed that increasing the welding current leads to a significant reduction in the cooling rate and an increase in SDAS. A mathematical relationship between SDAS and the cooling rate was established, and the model predictions were validated with experimental measurements. The distance between the secondary dendritic arms was measured in different regions of the weld metal, and the constants a and n in the mathematical relationship between the distance between the secondary dendritic arms and the cooling rate were obtained, which were equal to 34.62 and 0.3, respectively. فاصله بازوهای ثانویه دندریتی یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های ریزساختاری در انجماد دندریتی آلیاژها، حین فرایندهای ریخته‎ گری و جوشکاری است و تأثیر قابل‌توجهی بر سختی و استحکام کششی آلیاژ دارد. آلیاژ دارد. عامل اساسی مؤثر بر فاصله بازوی دندریت ثانویه، سرعت سرمایش حین انجماد حوضچه مذاب است و اندازه ‎گیری عملی سرعت سرمایش فلز جوش در حین فرایند جوشکاری کاری بسیار دشوار است. از این ‌رو باید از روش‎ های عددی برای پیش‌بینی آن، استفاده نمود. در این پژوهش، ابتدا سه نمونه سوپرآلیاژ IN738-LC با جریان‌های 95، 120 و 132 آمپر تولید و یک مدل حرارتی المان محدود سه‌بعدی برای تحلیل جریان گرمای گذرا و محاسبه نرخ سرمایش در نقاط مختلف فلز جوش توسعه یافت. نتایج مدل با آزمایش‌های تجربی صحه‌گذاری شد. نتایج نشان داد که نرخ سرمایش در نمونه 95 آمپر در نزدیکی خط ذوب بین 650 تا 800 کلوین بر ثانیه و در نمونه 132 آمپر بین 270 تا 350 کلوین بر ثانیه است. سپس با استفاده از تصاویر میکروسکوپی، فاصله بازوهای ثانویه دندریتی در مناطق مختلف فلز جوش اندازه‌گیری و ثوابت a و n در رابطه ریاضی بین فاصله بازوهای ثانویه دندریتی و سرعت سرمایش به دست آمد که به ترتیب برابر با 34/62 و 0/3 شد. این مدل، ابزاری کارآمد برای پیش‌بینی ریزساختار و خواص مکانیکی در جوشکاری ارائه می‌دهد و می‌تواند در بهینه‌سازی فرآیندهای جوشکاری مورد استفاده قرار گیرد.

https://mej.aut.ac.ir/article_5705_af87f7cdcda223c41c3f3ef05a3aaeea.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 56 12 2025 02 19 Analysis of the hydrogen production system using a polymer membrane electrolyzer and its transfer to the natural gas pipeline تحلیل سیستم تولید هیدروژن سبز به کمک الکترولایزر غشا پلیمری و انتقال آن به خط لوله گاز شهری 1609 1628 5710 10.22060/mej.2025.23403.7758 FA محمد رضا زاینده رودی گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران ابراهیم افشاری گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران مهدی مشرف دهکردی گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران Journal Article 2024 08 06 One of the methods for producing hydrogen is using a polymer membrane electrolyzer with photovoltaic panels. To avoid hydrogen storage and achieve decarbonization, injecting hydrogen into the urban gas pipeline is an effective solution. This study examines the injection of hydrogen into the urban gas pipeline and determines that to keep the injected hydrogen flow rate below 10% of the gas flow rate, a production of 20.69mole/s of hydrogen is required. According to mathematical modeling, to produce the necessary hydrogen, 3,230 cells with an area of 2,500cm2 should be used. The injection pressure of hydrogen is 17.23 bar. To achieve this pressure, an electrochemical compressor with 1,600 cells and an area of 2,500cm2 is used. The power consumption of the electrolyzer and compressor for injecting 9.5% hydrogen during maximum solar radiation, accounting for losses, is 6.64MW. To generate this power with a photovoltaic system, 12,991 STP550S-C72/Vmh panels are needed. Considering the electrolyzer pressure of 17.23 bar, the compressor can be eliminated, allowing the use of a high-pressure electrolyzer. هیدروژن سبز می‌تواند از مهمترین انرژی‌های قابل استفاده در مصارف خانگی، حمل‌و‌نقل و صنعت باشد. از روشهای تولید هیدروژن، استفاده از الکترولایزر غشا پلیمری با صفحات فتوولتائیک است. به منظور عدم ذخیرهسازی هیدروژن و کربن‌زدایی، تزریق هیدروژن به خط لوله گاز شهری راهکاری موثر است. در مطالعه حاضر، تزریق هیدروژن به خط لوله گاز شهری بررسی شده و برای این‌که دبی هیدروژن تزریق شده کمتر از 10 درصد دبی گاز باشد؛ نیازمند به تولید 20/69 مول بر ثانیه هیدروژن است. بر اساس مدل‌سازی ریاضی، برای تولید هیدروژن مورد نیاز، باید از 3230 سل با مساحت 2500 سانتی‌مترمربع استفاده شود. فشار هیدروژن تزریقی 17/23 بار است. برای رساندن هیدروژن به این فشار، از یک کمپرسور الکتروشیمیایی با 1600 سل و مساحت 2500 سانتی‌مترمربع استفاده می‌شود. توان مصرفی الکترولایزر و کمپرسور برای تزریق 9/5 درصد هیدروژن در زمان حداکثر تابش خورشیدی و با احتساب تلفات، 6/64 مگاوات است. برای تولید این توان با سامانه فتوولتائیک، 12991 پنل STP550S-C72/Vmh احتیاج است. با در نظر گرفتن فشار الکترولایزر برابر با 17/23 بار، کمپرسور میتواند حذف ‌شود و از الکترولایزر فشار بالا استفاده شود. افزایش فشار در ورودی کمپرسور منجر به کاهش توان مصرفی و در نتیجه افزایش بازده انرژی آن می‌شود

https://mej.aut.ac.ir/article_5710_810462d01f318bd13e628a77fc3f92c0.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 56 12 2025 02 19 Investigation on Tribological Behavior of CoCrMo Alloy Fabricated by Powder Bed Fusion of Metals Using a Laser Beam Process بررسی رفتار سایشی آلیاژ CoCrMo تولید شده به روش ذوب بستر پودری فلزات با استفاده از پرتوی لیزر 1629 1642 5711 10.22060/mej.2025.23789.7813 FA میثم نبی زاده دیزج پژوهشکده مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران مرتضی آذربرمس پژوهشکده مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران 0000-0003-3443-3827 عطا عبدی دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی خواجه نصیر، تهران، ایران. Journal Article 2024 12 31 CoCrMo alloys having good corrosion resistance and high mechanical properties as well as good biocompatibility, are widely used in biological applications such as implants. As wear resistance of these parts is important, in this work, the effects of applied load and wear distance on the tribological behavior of CoCrMo alloy produced by powder bed fusion of metals using a laser beam method have been evaluated. Results showed that by increasing the applied force, the amount of volume lost increases according to a two-degree polynomial equation. Also, it was observed that by increasing the sliding distance from 500 to 1000 m, the total volume loss increases from 1500 to 2500 mm3 and the wear mechanism changes from severe abrasion to adhesion and weak abrasion. آلیاژهای CoCrMo با داشتن مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی بالا و نیز سازگاری زیستی مناسب، به صورت گسترده‌ای در کاربردهای مختلف پزشکی از قبیل کاشتنی‌های داخل بدن مورد استفاده قرار می‌گیرند. اخیراً با توجه به مزایای روش ذوب بستر پودر لیزری در ساخت قطعات با شکل پیچیده و با سرعت بالا، تولید آلیاژهای CoCrMo با این روش، مورد توجه محققین قرار گرفته است. از آن‌جا که مقاومت به سایش قطعات در کاربردهای پزشکی از اهمیت بالایی برخوردار است، در این مقاله تاثیر پارامترهای بار اعمالی و نیز مسافت ساییدگی، روی رفتار سایشی آلیاژ CoCrMo تولید شده با روش ذوب بستر پودر لیزری بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان داد که با افزایش بار اعمالی، مقدار سایش صورت گرفته در قطعات به صورت تصاعدی افزایش می‌یابد. رگرسیون غیر خطی داده‌ها توانست یک چند جمله‌ای درجه 2 را با دقت بالایی برای بیان ارتباط بین مقدار سایش پدیدار شده نسبت به بار اعمالی ارائه دهد. همچنین ملاحظه شد که با افزایش مسافت طی شده در طول آزمایش سایش پین روی دیسک از 500 به m 1000، حجم اتلاف ماده از حدود 1500 به mm3 2500 افزایش می‌یابد و ساز و کار سایش از نوع خراشان شدید به نوع خراشان خفیف در کنار سایش چسبان تغییر می‌یابد.

https://mej.aut.ac.ir/article_5711_c10f48884c9c7fdbd9a7959c59eebea8.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 56 12 2025 02 19 Microstructural evolution and mechanical properties of Mg alloys after processing by HPTE technique مطالعه و بررسی بهبود ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژهای منیزیم پس از فرایند اکستروژن پیچشی تحت فشار بالا 1643 1662 5721 10.22060/mej.2025.23670.7798 FA فرشاد اکبری پناه دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ملایر، ملایر، ایران بهنام خاکی پور دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ملایر، ملایر، ایران Journal Article 2024 11 17 This study investigates the effect of high-pressure torsion extrusion (HPTE) as a severe plastic deformation method on the mechanical properties and microstructure of AZ80 and ZK30 alloys. By inducing high strains, HPTE significantly improves the microstructure and mechanical properties of the samples. The alloys were initially produced by centrifugal casting and then subjected to HPTE at room temperature. Shear punch tests and Vickers hardness tests were conducted to assess mechanical properties, and the structure of the samples was examined using electron backscatter diffraction (EBSD). The average grain size of AZ80 alloy decreased from an initial value of 5.10 μm to 2.40 μm, 3.52 μm, and 3.33 μm for the v8ω0.6, v5ω1, and v1ω1 conditions, respectively. For ZK30 alloy, the grain size reduced from 30.87 μm to 6.51 μm under the v6ω0.6 condition. The final shear strength of AZ80 alloy in the extruded sample was 157 MPa, and under HPTE at the v8ω0.6 condition, it increased to 183 MPa. As the ω/v ratio increased, shear strength decreased. For ZK30 alloy, the shear strength in the extruded sample was 147 MPa, and under HPTE at the v6ω0.6 condition, it increased to 176 MPa, showing a 20% improvement. The results indicate that HPTE improves the mechanical properties of both alloys due to grain refinement during the process. این پژوهش به بررسی تأثیر فرآیند اکستروژن پیچشی تحت فشار بالا، به عنوان یکی از روش‌های تغییر شکل پلاستیک شدید، بر خواص مکانیکی و ریزساختار آلیاژهای AZ80 و ZK30 پرداخته است و با ایجاد کرنش‌های بالا، موجب بهبود ریزساختار و خواص مکانیکی نمونه‌ها شده است. ابتدا، آلیاژها با ریخته‌گری دورانی تولید و سپس در دمای اتاق تحت اکستروژن پیچشی فشار بالا قرار گرفتند. آزمون‌های پانچ برشی و سختی‌سنجی ویکرز برای بررسی خواص مکانیکی انجام شد و ساختار نمونه‌ها با پراش الکترون‌های بازگشتی بررسی شد. میانگین اندازه دانه برای آلیاژAZ80 از مقدار اولیه 5/10 به مقدار μm 2/40، μm 3/52 و μm 3/33 به ترتیب برای حالت‌‌های v8ω0.6، v5ω1و v1ω1 تغییر یافت و برای آلیاژ ZK30 از مقدار اولیه μm 30/87 به µm6/51 در حالتv6ω0.6 کاهش یافته است. استحکام برش نهایی آلیاژAZ80 در نمونه اکسترود شده MPa157/65 و تحت فرآیند اکستروژن پیچشی فشار بالا در حالت v8ω0.6 به MPa183/63 می‌رسد و هرچه نسبت ω/v افزایش یابد، مقداراستحکام برش نهایی کاهش می‌یابد. برای آلیاژZK30 در نمونه اکسترود شده MPa147/95و تحت فرآیند اکستروژن پیچشی فشار بالا در حالت v6ω0.6 بهMPa 176/33 می‌رسد که %20 افزایش یافته است. باتوجه به نتایج، استحکام برش نهایی نمونه‌ها پس از فرآیند اکستروژن پیچشی فشار بالا افزایش یافته و موجب بهبود خواص مکانیکی آلیاژها شده است که دلیل این امر ریزتر شدن اندازه دانه تحت فرآیند اکستروژن پیچشی فشار بالا است.

https://mej.aut.ac.ir/article_5721_5a66b9200f29ac3fa0ae244cc2a51b39.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 56 12 2025 02 19 Performance Analysis of Non-Reacting Flow of a Single and Double Swirler in a Microchamber Using Numerical Simulation Method بررسی عملکرد جریان غیر احتراقی ناشی از چرخاننده یک‌طبقه و دوطبقه در یک میکرومحفظه با استفاده از روش شبیه‌سازی عددی 1663 1690 5723 10.22060/mej.2025.23813.7816 FA اسماعیل یدالهی افرا دانشکده مهندسی هوافضا، پردیس علوم و فناوری‌های نوین، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران الیاس لکزیان دانشکده مهندسی هوافضا، پردیس علوم و فناوری‌های نوین، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران 0000-0001-9287-5127 Journal Article 2025 01 06 Creating swirl flow in combustion chambers is a method to enhance combustion efficiency. One way to achieve this is through the use of a swirler, which generates swirling flow using angled vanes. This swirling flow leads to better mixing and subsequently improves the combustion process. Researchers have explored various methods to increase the mixing of the flow passing through the swirler, with one of the most challenging and significant methods being changes in swirler geometry. Using a double swirler is a novel approach in swirler design. This paper examines the interaction between inner and outer swirlers, identifies recirculation zones, and studies changes in swirl number. The comparison between single and double swirlers in this paper shows that a single swirler creates a larger recirculation zone and higher swirl intensity, contributing to flame stability. Additionally, four new recirculation zones are formed after the double swirler, which also enhances flame stability. The use of a double swirler increases turbulent kinetic energy by up to 75% and turbulence intensity by up to 60%, resulting in better fuel-air mixing and achieving a uniform axial velocity distribution in a shorter distance from the combustion chamber. ایجاد جریان چرخشی در محفظه‌های احتراق یکی از روش های افزایش بازده احتراق محسوب می‌گردد. استفاده از چرخاننده یکی از روش های ایجاد جریان چرخشی در محفظه‌های احتراق می‌باشد. اساس کار چرخاننده، ایجاد یک جریان چرخشی با استفاده از پره‌های زاویه‌دار بوده که با ورود به محفظه موجب ایجاد یک ناحیه جریان چرخشی می‌شود. این جریان چرخشی، به نوبه خود سبب اختلاط بهتر می‌شود و متعاقبا موجب بهبود فرایند احتراق می‌شود. مهمترین و چالش‌برانگیزترین روش، تغییر در هندسه چرخاننده می‌باشد. استفاده از چرخاننده دوطبقه، نوآوری جدیدی در طراحی چرخاننده شناخته می‌شود. تعامل بین چرخاننده داخلی و بیرونی، شناسایی نواحی گردش مجدد تشکیل شده و تغییرات شدت آشفتگی در استفاده از چرخاننده دوطبقه و بررسی تغییرات عدد چرخش از جمله مواردی می‌باشد که در این مقاله مورد بررسی قرار می‌گیرند. نتایج مقایسه بین چرخاننده یک‌طبقه و دوطبقه نشان می‌دهد که چرخاننده تک‌طبقه ناحیه گردش مجدد بزرگتر و شدت چرخش بیشتری نسبت به چرخاننده دوطبقه ایجاد می‌کند. علاوه بر نواحی گردش مجدد موجود در محفظه احتراق دارای چرخاننده تک‌طبقه، چهار ناحیه گردش مجدد دیگر بعد از چرخاننده دوطبقه تشکیل می‌شود که می‌تواند موجب پایداری شعله گردد. از طرفی استفاده از چرخاننده دوطبقه، انرژی جنبشی آشفتگی را تا 75 % و همچنین شدت آشفتگی را تا 60 % افزایش می‌دهد. افزایش این دو پارامتر موجب افزایش میزان اختلاط، و دستیابی به توزیع یکنواخت سرعت محوری در فاصله کوتاه‌تری از محفظه می‌گردد.

https://mej.aut.ac.ir/article_5723_d94fd74dcde1aa553be72c1006578b23.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 56 12 2025 02 19 Effect of residual stress on high cycle fatigue life of coated piston اثر تنش پسماند بر عمر خستگی پرچرخه پیستون پوشش داده شده 1691 1708 5722 10.22060/mej.2025.23823.7817 FA حجت عاشوری دانشکده مهندسی مکانیک، واحد ورامین-پیشوا، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران 0000-0002-0983-4795 Journal Article 2025 01 08 The piston is the heart of the engine that undergoes thermal and mechanical loading. Fatigue due to thermo-mechanical stresses plays an effective role in causing damage and reducing piston fatigue life. This study aims to evaluate the effect of residual stress on the high cycle fatigue (HCF) life for the XU7JP/L3 engine-coated piston. In this paper, HCF life analysis of the piston is performed by using the finite element method and ANSYS software to predict the temperature and stresses, and then HCF life by using Goodman theory and ANSYS nCode Design Life software. The numerical results showed that the temperature maximum occur at the piston crown center. The obtained thermo-mechanical analysis results proved that the thermal barrier coating system reduces the stress distribution in the piston by about 9 MPa or 10%. The results of finite element analysis (FEA) indicated that the stress and number of cycles to failure have the most critical values at the upper portion of the piston pin. The high cycle fatigue life of the uncoated and coated piston predicted 2.51*108 and 3.415*108 cycles, respectively. The HCF life results showed that the number of cycles of failure for the coated piston is approximately 36% higher than for the uncoated- piston. According to the fatigue life analysis results, neglecting the residual stress effect led to estimating about 6.4% higher than the limit. The results of finite element analysis showed that the residual stress is significant which is not negligible. Therefore, it is necessary to consider the residual stress effect in the thermo-mechanical analysis and HCF life of the coated piston. Thermo-mechanical analysis and HCF life results are compared with experimentally damaged pistons to evaluate the results appropriately. It has been shown that the critical identified area matches well with the area of failure in the experimental sample. پیستون قلب یک موتور است که تحت بارگذاری حرارتی و مکانیکی قرار دارد. خستگی ناشی از تنش‌های ترمومکانیکی نقش موثری در ایجاد آسیب و کاهش عمر خستگی پیستون دارد. هدف این پژوهش ارزیابی اثر تنش پسماند بر عمر خستگی پرچرخه پیستون پوشش داده شده موتور XU7JP/L3 است. در این پژوهش، تحلیل عمر خستگی پرچرخه پیستون با استفاده از روش اجزای محدود و نرم‌افزار انسیس به منظور پیش‌بینی دما و تنش و سپس عمر خستگی پرچرخه با استفاده از تئوری گودمن و نرم‌افزارانسیس ان‌کددیزاین انجام شده است. نتایج تحلیل ترمومکانیکی نشان داد که سیستم پوشش حائل حرارتی باعث کاهش تنش در پیستون در حدود 9 مگاپاسکال یا 10 درصد می‌شود. نتایج تحلیل اجزای محدود نشان داد که تنش و تعداد سیکل‌های گسیختگی در ناحیه بالای پین پیستون بحرانی هستند. عمر خستگی پرچرخه پیستون بدون پوشش و پوشش داده شده بترتیب 108*2/51 و 108*3/415 سیکل پیش‌بینی گردید. نتایج تحلیل عمر خستگی پرچرخه نشان داد که تعداد سیکل‌های گسیختگی پیستون پوشش داده شده حدود 36 درصد بیشتر از پیستون پوشش داده نشده است. باتوجه به نتایج تحلیل عمر خستگی پرچرخه، درنظر نگرفتن اثر تنش پسماند باعث می‌شود که تعداد سیکل‌های گسیختگی حدود 6/4 درصد بیشتر از میزان مجاز تخمین زده شود. بنابراین لازم است اثر تنش پسماند در تحلیل ترمومکانیکی و عمر خستگی پرچرخه پیستون پوشش داده شده درنظر گرفته شود.

https://mej.aut.ac.ir/article_5722_c94a589bdd47870b1d74b258d1ce3b33.pdf