این فایل در سایت های دیگر با قیمت های بالاتری به فروش می رسد.

فایل ورد قابل ویرایش

مكانيزم هاي استحكام دهي
تهيه مواد با استحكام بالا از جمله خواسته هاي صنايع مي باشد كه به خصوص از دهه هاي گذشته مورد توجه متالورژها قرار گرفته است. مكانيزم هاي متعددي روي استحكام مواد اثر مي گذارند كه اغلب آنها باعث توقف نابجايي هاي متحرك مي شوند. ساختار كريستالي فلز عامل تعيين كننده تعداد و نوع سيستم هاي لغزشي، بردار بر گرز نابجايي، تنش اصطكاكي و انرژي نقص چيدن است كه عامل اصلي و تعيين كننده قابليت تحرك نابجايي ها و استحكام و رفتار ماده مي باشند. افزودن عناصر حل شونده به عنصر اصلي حلال و تشكيل محلول جامد، ريز كردن اندازه دانه، افزودن و يا تشكيل فازهاي ثانويه و رسوب سختي، تشكيل ماده مركب يا كمپوزيت و انجام عمليات حرارتي و استحاله فازي از جمله روش هايي براي افزايش استحكام مواد به شمار مي آيند كه در اين فصل مورد بررسي و بحث قرار مي گيرند.

۱-۷) مقاوم كردن در اثر ريز كردن اندازه دانه ها
در يك پلي كريستال هر دانه يك تك كريستال است كه داراي آرايش اتمي مشخص در يك جهت مشخص است. اين دانه ها در حين انجماد به وجود مي آيند. فصل مشترك دانه هاي مجاور با همديگر را مرز دانه ها مي گويند. اين مرزها نواحي به هم ريخته شبكه اي هستند كه فقط چند قطر اتمي ضخامت دارند. آرايش كريستالوگرافي در دو طرف يك مرز دانه با همديگر متفاوت است. مرز دانه ها را به دو دسته با زاويه زياد و با زاويه كم تقسيم مي كنند. وقتي اختلاف آرايش صفحات اتمي در دو طرف مرز دانه بيش از حدود ْ۵ باشد به آن مرز دانه با زاويه زياد مي گويند. اگر اين اختلاف كمتر از حدود ْ۵ باشد به ان مرز دانه با زاويه كم مي گويند. هرچه اختلاف آرايش كريستالوگرافي در دو طرف مرز دانه كمتر باشد حالت نظم در مرز دانه بيشتر و انرژي آن كمتر خواهد بود. دانه هاي فرعي در اثر منظم شدن نابجايي ها و تشكيل دانه هايي كوچك درون دانه هاي اصلي كه با مرز دانه هايي با انرژي زياد احاطه شده اند به وجود مي آيند. مرز اين دانه هاي فرعي در شكل ۱-۷ نشان داده شده است.

چون انرژي مرز دانه هاي با زاويه زياد، زياد مي باشد به آساني اچ مي شوند ولي مرز دانه هايي با زاويه كم را به آساني نمي توان مشاهده كرد و بايد از روش هاي اشعه ايكس يا ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM) استفاده نمود.

مرز دانه ها به خاطر انرژي زيادشان محل هاي مناسبي براي نفوذ، استحاله فازي، رسوب گذاري، تجمع اتم هاي حل شونده و عيوب مي باشند. هرچه دانه ريزتر باشد مساحت كل مرز دانه ها در واحد حجم پلي كريستال بيشتر خواهد بود. بنابراين خواص ماده بيشتر تحت تأثير رفتار ماده ي حاشيه ي مرز دانه ها است. برعكس، در مواد پلي كريستال دانه درشت، خواص ماده بيشتر تحت تأثير رفتار ماده درون دانه ها قرار دارد. در دماهاي بالا، مناطق پرانرژي كه همان مرز دانه ها هستند ضعيف تر مي باشند و برعكس در دماهاي پايين مرز دانه ها به خاطر حالت كرنشي خاصي كه در اطراف مرز دانه ها نسبت به درون دانه ها وجود دارد قويتر هستند.

مرز دانه ها داراي ويژگي هايي هستند كه روي تغيير فرم پلاستيك و يا استحكام مواد پلي كريستال تأثير مي گذارند. اين ويژگيها عبارتند از:
۱- در دماهاي پايين، كمتر از Tm5/0 (Tm دماي ذوب ماده در واحد كلوين است)، مرز دانه ها موانع قوي در برابر حركت نابجايي ها هستند زيرا به علت اختلاف آرايش كريستالوگرافي دانه هاي مجاور، نابجايي ها قادر به لغزش از يكي به ديگري نيستند. پس نابجايي هاي متحرك با رسيدن به مرز دانه ها تجمع كرده و از حركت باز مي مانند و استحكام را افزايش مي دهند. از طرفي باعث تمركز تنش و لغزش روي سيستم هاي مختلف (حتي سيستم هاي غير فشرده) مي گردند. اين كار نيز باعث كار سختي بيشتر در نواحي مرزدانه اي مي شود. شكل ۲-۷ اين حالت را نشان مي دهد.

شكل ۱-۷: تشكيل مرزدانه فرعي در اثر منظم شدن نابجايي ها.

شكل ۲-۷: رسيدن نابجايي هاي متحرك به مرز دانه ها و تجمع آنها.
۲- براي اينكه پيوستگي دانه هاي مجاور حفظ شود و حفره يا تَرَكهاي مرز دانه اي در اثر تغيير فرم پلاستيك به وجود نيايد مي بايست يك سازگاري بين دانه هاي مجاور در طي تغيير فرم پلاستيك وجود داشته باشد. در اين حال گرچه هر دانه سعي مي كند براي سازگاري با تغيير فرم دانه هاي ديگر (كل ماده) به طور همگن تغيير فرم دهد ولي مهارهاي اعمال شده توسط دانه هاي مجاور باعث اختلاف در تغيير فرم نواحي مرز دانه نسبت به درون دانه مي شود. مطالعه نرم در پلي كريستال هاي دانه درشت نشان مي دهد كه كرنش در نواحي مجاور مرزدانه به مقدار زيادي با كرنش در مرزدانه متفاوت است..

بنابراين يك شيب كرنشي پيوسته در دانه و مرزدانه وجود دارد. گفتني است به علت مهارهاي *** شده به وسيله دانه ها، لغزش روي چندين سيستم (حتي سيستم هاي غير فشرده) در نواحي اطراف مرز دانه صورت گيرد. مثلاً در آلومينيوم پلي كريستال در مجاورت مرزدانه ها لغزش روي صفحات {۱۱۳} , {۱۱۰} , {۱۰۰} هم *** شده است. بنابراين چون نواحي مرزدانه اي تغيير فرم بيشتري نسبت به مركز دانه دارند پس بيشتر هم دچار *** سختي مي شوند و سختي و استحكام در آن مناطق بيشتر است. هرچه اندازه دانه ريزتر باشد تأثيرات مرزدانه ها در مركز دانه ها هم احساس مي شود و بنابراين سختي و استحكام بالاتر مرزدانه ها در كل ماده مشاهده مي گردد. در *** كرنش سختي يك فلز دانه ريز از يك فلز دانه درشت بيشتر خواهد بود.

۳- در دماهاي بالا، مرز دانه ها به عنوان مكان هاي ضعيف عمل مي كنند و در نتيجه لغزش مرزدانه اي اتفاق مي افتد كه منجر به تغيير فرم پلاستيك يا تشكيل حفره در امتداد مرزدانه مي شود كه شكست قطعه را در پي دارد. دمايي كه در *** از آن لغزش مرزدانه اي صورت مي گيرد و مرزدانه ها ضعيف تر از دانه ها هستند دماي هم چسب يا هم پيوستگي گويند. شكل ۳-۷ استحكام دو ماده ريز و دانه درشت را بر حسب دما نشان مي دهد. اين نمودار مشابه نمودار *** استحكام دانه و مرزدانه با دما است. پايين تر از دماي هم پيوستگي، مرزدانه ها مناطق قوي تري نسبت به درون *** هستند و استحكام با كاهش اندازه دانه ها (افزايش مساحت مرزدانه اي) افزايش مي يابد.

شكل ۳-۷: استحكام دو ماده دانه ريز و دانه درشت بر حسب دما.
براي افزايش استحكام خزشي، مقاوم كردن مرزدانه ها، در مقايسه با دانه ها، يك اقدام اساسي است. كاربيدها يك نقش اساسي در قفل كردن مرزدانه ها و جلوگيري از لغزش يا مهاجرت آنها ايفا مي كنند. گرچه ذرات كاربيدي مكان هاي مناسبي براي تشكيل حفره در طي مرحله سوم خزش مي باشند. بنابراين معمولاً يك حد مطلوبي از درصد كربن در حدود ۰۵/۰ تا ۱۵/۰ درصد وزني در آلياژهاي دماي بالاي كار شده و كمي بيشتر در آلياژهاي ريختگي وجود دارد تا بهترين مقاومت خزشي را همراه با كمترين مكان جوانه زني حفره فراهم نمايند.
بسته به تركيب شيميايي و عمليات حرارتي آلياژ، كاربيدهاي مختلفي ممكن است در مرزدانه ها و يا درون دانه ها رسوب نمايند. كاربيدهاي ريز و مجزا در مرزدانه ها موجب استحكام بيشتر آنها مي شوند و برعكس كاربيدهاي سلولي يا فيلم هاي پيوسته كاربيدي موجب كاهش استحكام خزشي و قابليت تغيير فرم پلاستيكي مي گردند. بعضي اوقات واكنش هاي كاربيدي منجر به جذب عناصر تشكيل دهنده رسوب مي شود كه اين باعث به وجود آمدن ناحيه بدون رسوب در نواحي مجاور مرزدانه ها مي گردد. با توجه به اينكه چنين مناطق عاري از رسوب ضعيف هستند و مسير مناسبي براي تغيير فرم و تشكيل ترك مي باشند بايد از اتفاق افتادن چنين واكنش هايي جلوگيري نمود.

ناپايداري هاي فازي كه در اثر در معرض حرارت قرارگرفتن در دماهاي بالا به وجود مي آيند نيز موجب افت خواص آلياژ مي گردد. يك نوع از اين ناپايداري ها، درشت شدن ذرات رسوبي مي باشد كه در اثر حل شدن ذرات ريزتر و رشد ذرات درشت تر اتفاق مي افتد. درشت شدن رسوبها يا كاربيدهاي مرزدانه اي مي تواند موجب ضعيف شدن مرزدانه ها و ترك مرزدانه اي گردد.
۴- مرزدانه ها در دماهاي بالا منابع توليد و محل تجمع جاهاي خالي اتمي هستند كه موجب نفوذ مرزدانه اي مي شوند. اين باعث تغيير فرم بيشتر و كاهش استحكام مواد دانه ريز در دماهاي بالا مي گردد.

۵- در دماهاي بالا مهاجرت مرزدانه اي نيز اتفاق مي افتد كه باعث كاهش استحكام ماده پلي كريستال مي گردد. مهاجرت مرزدانه اي يكي از فرآيندهاي بازيابي و آزادسازي كرنش و تنش است. در اين حالت مرزدانه ها در جهت عمود به امتداد خود تحت اثر تنش برشي و به منظور كاهش تمركز تنش جابه جا مي شوند كه باعث موجي شدن مرزدانه ها مي گردند.
Hall و Petch [30 و ۲۹] رابطه اي تجربي را بين تنش تسليم و اندازه دانه براي مواد پلي كريستال پيشنهاد دادند كه به نام رابطه Petch-Hall معروف است و به صورت زير مي باشد:
معادله ۱-۷

در اين رابطه، استحكام تسليم ماده، تنش اصطكاكي است كه با حركت نابجايي، در غياب هرگونه عيبي، مي كند و همان تنش پيرلز مي باشد، K يك ثابت است و ميزان تجمع نابجايي ها را در پشت موانع مشخص و D قطر دانه مي باشد. K و براي مواد مختلف متفاوت است و از خصوصيات هر ماده مي باشد. جدول ۱-۷ دير را براي چند ماده نشان مي دهد. [۶]
جدول ۱-۷: مقادير K و براي چند ماده [۶].

K(MN/m3/2) 
ساختار كريستالي ماده
۰/۷۴
۱/۳۰
۰/۹۰
۰/۷۹
۰/۳۱
۰/۲۶
۰/۱۷
۰/۴۰
۰/۲۲
۰/۴۱
۰/۲۸ ۷۰/۶

۸۴۳/۳۲
۱۷۸/۴۷
۶۴۰/۳۳
۴۵/۱۱
۴۹/۰۳
۲۳/۵۳
۷۸/۴۵
۳۲/۳۶
۲۱/۵۷
۶/۸۶ bcc

bcc
bcc 
bcc
fcc
fcc
fcc
hcp
hcp
hcp
hcp فولاد ساده كربني

Fe-18%Ni(-1960C)
Cr
W
Cu-30%Zn
Al-3.5%Mg
Ag
Ti
Zn
Be
Mg

براي دستيابي به اين رابطه، Hall و Petch استدلال كردند كه يك تجمع نابجايي مي تواند در اثر تمركز تنش *** كه در نوك تجمع ايجاد مي شود از مرزدانه عبور كند. اين تنش همان طور كه قبلاً نيز گفته شد برابر با است و *** نابجايي هاي موجود در تجمع، نيز از رابطه:
معادله ۲-۷ 
به دست مي آيد. در اين رابطه فرض بر اين است كه منبع توليد نابجايي در وسط دانه قرار دارد (L=D/2) و تأثير تنش *** روي منبع توليد نابجايي نيز ناديده گرفته شده است. اگر تنش برشي بحراني لازم براي فائق آمدن بر مانع *** باشد، وقتي نابجايي ها قادر به عبور از مرزدانه خواهند بود كه تنش در نوك تجمع به آن مقدار برسد. يعني:
معاله ۳-۷

معادله ۴-۷ 
اگر آن گاه به اين عبارت بايد مقدار يا تنش برشي اصطكاكي مورد نياز براي حركت نابجايي ها در غياب هر مانعي نيز اضافه شود. در اين صورت خواهيم داشت:

معادله ۵-۷ 
اين رابطه همان است كه در آن تنش عمودي به تنش برشي تبديل شده است. جالب توجه است كه رابطه:

معادله ۲-۷ 
درخصوص تعداد زياد نابجايي هاي تجمع كرده معتبر است بنابراين Hall-Petch وقتي كه اندازه دانه از چند ميكرومتر بزرگتر است صادق مي باشد. نمودار ۴-۷ اين رابطه را براي چند آلياژ نشان مي دهد [۶].

۲-۷) كرنش سختي يا كارسختي 
كرنش سختي يا انجام كار سرد يكي ديگر از فرآيندهايي است كه براي سخت كردن فلزات يا آلياژهايي كه نمي توان آنها را با عمليات حرارتي سخت كرد به كار مي رود. سرعت كارسختي را مي توان از شيب منحني سيلان (تنش-كرنش) محاسبه نمود. فلزات bcc و fcc سرعت كارسختي بيشتر نسبت به فلزات hcp دارند. همچنين افزايش دما، سرعت كارسختي را كاهش مي دهد. براي نشان دادن كرنش سختي، شكل ۵-۷ مورد مطالعه قرار مي گيرد. منحني تنش-كرنش مهندسي يك فلز خالص پلي كريستال در آن شكل نشان داده شده است. اگر نمونه تحت تنش قرار گيرد پس از رسيدن به نقطه a دچار تغيير فرم پلاستيك مي گردد.

با تحت تنش قرار دادن نمونه تا نقطه b، ماده مقداري دچار كرنش پلاستيكي شده است. اگر نمونه باربرداري شود، منحني به نقطه O2 مي رسد كه نشان مي دهد در ماده مقداري تغيير فرم پلاستيك باقي مانده است. اگر اين نمونه مجدداً تحت بارگذاري قرار گيرد منحني تا نقطه b ادامه پيدا مي كند و سپس ماده مجدداً دچار تغيير فرم پلاستيك مي گردد يا به عبارتي تسليم مي شود. افزايش استحكام تسليم يا سيلان از نقطه به در اثر تغيير فرم پلاستيك را كارسختي يا كرنش سختي مي گويند. اگر اين كار تكرار شود و نمونه تا نقاط c و بالاتر از آن نيز تحت تنش قرار گيرد و سپس باربرداري شود ملاحظه مي گردد كه با اعمال كرنش هاي بيشتر، *** تسليم يا سيلان ماده نيز افزايش مي يابد. اين افزايش استحكام، ناشي از تغيير در ساختار نابجايي هاي فلز در اثر *** فرم پلاستيك است. [۷-۱ و ۱۰ و ۱۶ و ۲۸].

شكل ۵-۷: كرنش مهندسي يك فلز خالص پلي كريستال در اثر بارگذاري و باربرداري متوالي [۱۲].
در اثر انجام كار سرد، دانسيته نابجايي ها با افزايش تغيير فرم افزايش مي يابد. در نتيجه، برخورد آنها بيشتر مي شود كه اين خود باعث ايجاد جاگ هاي متعدد روي نابجايي ها و متوقف شدن يا كند شدن حركت آنها مي گردد. از طرفي واكنش نابجايي ها با همديگر و تشكيل نابجايي هاي غيرمتحرك نيز صورت مي گيرد. همچنين، فاصله متوسط بين نابجايي ها كاهش مي يابد و ميادين كرنشي نابجايي ها بيشتر تحت تأثير ميادين كرنشي ديگر نابجايي ها قرار مي گيرد كه اين نيز موجب كندي حركت نابجايي ها از طريق افزايش مقاومت آنها به حركت توسط ديگر نابجايي ها مي گردد. پس براي تغيير فرم به تنش بيشتري نياز است. تأثير كرنش سختي با آنيل كردن نمونه از بين مي رود.

كارسختي علاوه بر افزايش استحكام، موجب تغييرات ديگري نيز در خواص فيزيكي، شيميايي و مكانيكي مي گردد. قابليت ميزان تغيير فرم با افزايش كارسرد كاهش مي يابد. كارسرد چون معمولاً با كاهش ابعاد يك يا دو بعد از نمونه به خاطر افزايش ابعاد ديگر انجام مي شود لذا باعث كشيدگي دانه هاي فلز مي گردد. حتي تغيير فرم شديد مي تواند آرايش صفحات اتمي دانه ها را نيز در يك جهت مرجح قرار دهد وساختاري را به وجود آورد كه به نام بافت معروف است.

برخي خواص فيزيكي نظير دانسيته، هدايت الكتريكي و ضريب انبساط حرارتي نيز تحت تأثير كارسختي قرار مي گيرند. دانسيته در حد چند دهم درصد كاهش مي يابد. هدايت الكتريكي به مقدار قابل ملاحظه اي كاهش مي يابد زيرا مراكز پراكندگي الكتريكي، نظير جاهاي خالي اتمي، افزايش مي يابند. ضريب انبساط حرارتي نيز كمي افزايش مي يابد. همچنين به علت افزايش انرژي داخلي در اثر كارسرد، فعاليت شيميايي ماده افزايش مي يابد. اين باعث مي شود كه مقاومت خوردگي كاهش يابد و يا احتمال خوردگي تنش SCC افزايش يابد.

تأثير مقدار كارسرد روي خواص مكانيكي يك فولاد كم كربن، مانند: درصد افزايش طول، كاهش سطح مقطع، استحكام تسليم و استحكام نهايي آن، در شكل ۶-۷ نشان داده شده است.
پيركرنشي عملياتي است كه در طي آن استحكام ماده افزايش و داكتيليتي كاهش مي يابد. تفاوت اين مكانيزم با مكانيزم كرنش سختي در نگهداشتن نمونه در يك دمايي پس از اعمال مقداري تغيير فرم پلاستيك در نمونه است. در كرنش سختي نمونه بلافاصله پس از اعمال كرنش، تحت تنش مجدد قرار مي گيرد

ولي در پيركرنشي يك فاصله زماني بين باربرداري و بارگذاري مجدد وجود دارد. شكل ۷-۷ رفتار پيركرنشي و تفاوت آن را با كرنش سختي نشان مي دهد. وقتي نمونه تا نقطه x كشيده مي شود (ناحيه A) اگر باربرداري شود و بلافاصله تحت تنش قرار گيرد، در همان نقطه x مجدداً دچار تغيير فرم پلاستيك مي گردد بدون اينكه پديده نقطه تسليم به دست آيد. دليل اين اتفاق اين است كه در *** اتم هاي حل شونده N و C نتوانسته اند به محل نابجايي ها حركت و آنها را قفل كنند. زيرا رها شدن نابجايي از اتم هاي حل شونده باعث بروز پديده نقطه تسليم مي گردد [۱].

شكل ۶-۷: تأثير مقدار كارسرد روي خواص مكانيكي يك فولاد كم كربن.

شكل ۷-۷: رفتار پيركرنشي و تفاوت آن با كرنش سختي [۱].
حالا اگر نمونه تا نقطه y تحت كرنش قرار گيرد (ناحيه B) و سپس باربرداري گردد، پس از بارگذاري مجدد بعد از قرار دادن در دمايي به مدت طولاني (پيرسازي)، مثلاً چندين روز در دماي محيط با چند ساعت در دمايي حدود Cْ۱۵۰، نمونه در تنشي بالاتر از نقطه y تسليم خواهد شد و پديده نقطه تسليم مشخصي (با دندانه اره اي شدن منحني) را نشان خواهد داد[۳۱]. علت اين رفتار، نفوذ اتم هاي كربن و نيتروژن به نابجايي ها در طي پيرسازي و تشكيل مجدد اتمسفر در اطراف نابجايي ها مي باشد. دليل انجام چنين مكانيزمي اين است كه مشخص شده است كه انرژي محركه براي برگرداندن پديده نقطه تسليم در اثر پيرسازي با انرژي محركه براي نفوذ كربن در فولاد كم كربن bcc برابر است.
تأثير نيتروژن در پيركرنشي حتي از كربن نيز بيشتر است زيرا حد حلاليت و ضريب نفوذ بيشتري دارد و از طرفي رسوب كمتري نيز به وجود مي آورد. يا به عبارتي بخش اعظمي از نيتروژن آلياژ به صورت حل شده باقي مي ماند.

در فرآيندهاي شكل دهي فلزات معمولاً پيركرنشي مسئله ساز است. براي كنترل پيركرنشي و حذف اثرات مضر آن راه هايي وجود دارد كه برخي از آنها عبارتند از:
۱- استفاده از فولادهايي كه درصد كمتري كربن و بخصوص نيتروژن دارند.
۲- افزودن عناصري نظير: آلومينيوم، واناديم، تيتانيم، نايوبيوم و بر به منظور جذب كردن كربن و نيتروژن محلول در فولاد و تشكيل كاربيد يا نيتريدهاي پايدار.
۳- اعمال قدري تغيير فرم پلاستيك بوسيله نورد و سپس استفاده فوري از آن قبل از آنكه دچار پيري شود. اين تغيير فرم باعث عبور از نقطه تسليم و مثلاً رسيدن به نقطه x مي شود كه پس از استفاده فوري از ورق و تغيير فرم پلاستيك آن، ديگر نقطه تسليم مشاهده نخواهد شد.

اثر پورتوين-لوشاتليه كه به صورت زيگزاگي شدن منحني تنش-كرنش در محدوده تغيير فرم پلاستيك ظاهر مي شود خود نوعي از پيركرنشي است كه به نام پيركرنشي ديناميكي معروف است (شكل ۸-۷). اين اثر مربوط به تسليم شدن و پيرسازي متوالي در طي آزمايش مي شود كه در مورد فولاد كم كربن در محدوده اي از دما (Cْ۳۰۰-۹۰) مشاهده مي شود. در دماي پايينتر، سرعت نفوذ اتم هاي حل شونده به اندازه اي نيست كه بتواند به طرف نابجايي ها حركت كند و آنها را قفل نمايد. در دماهاي بالاتر نيز ارتعاشات اتمي آن قدر زياد ا�