1
موضوع :
استحکام بخشی فلزات
با ذرات ریز
استاد :
مکانیزم استحکام دهی
در اصطلاح کلی هر عاملی که بتواند مانع حرکت نابجایی ها شود و بدین گونه تغییر فرم پلاستیکی را کاهش دهد، موجب افزایش استحکام مواد می شود.
2
حین استحکام بخشی یک آلیاژ معمولا داکتیلیته الیاژ کاهش میابد
درک صحیح از مکانیزمهای استحکام بخشی با درک ارتباط بین حرکت نابجایی و رفتار مکانیکی میسر میگردد
توانایی تغییر شکل پلاستیکی ماده منوط به قابلیت حرکت نابجاییهاست .
استحکام بخشی در این جمله خلاصه میشود:
ممانعت از جابجایی نابجایی ماده را سخت تر (harder) و مستحکم تر (stronger ) میکند
3
مکانیزمهای استحکام بخشی کاهش اندازه دانه محلول جامد رسوب سختی کار سرد
4
کاهش اندازه دانه
• مرز دانه سدی در برابر لغزش میباشند
• هر چه سایز دانه ریزترباشد سد های بیشتری در برابر لغزش ایجاد میگردد
Adapted from Fig. 7.14, Callister 7e.
(Fig. 7.14 is from A Textbook of Materials Technology, by Van Vlack, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ.)
5
اثر هال-پچ ( Hall-Petch effect ) استحکام بخشی مرزدانه ای نیز نامیده می شود، به پدیدهٔ افزایش تنش تسلیم مواد با کاهش اندازه دانه ای آنها گفته می شود. رابطهٔ بین این پارامترها اولین بار توسط هال پیشنهاد شده و سپس توسط پچ بسیار گسترش یافت. این رابطه بصورت زیر بیان می شود: که در آن تنش تسلیم و تنش اصطکاکی و k پارامتر قفل شدن و D قطر متوسط دانه ها است. اثر هال-پچ بر اساس پدیده انباشتگی -Pileup – نابجایی ها در مرزدانه ها توضیح داده می شود. این انباشتگی ها موجب ایجاد نواحی تمرکزتنش در مرز دانه ها می شوند که در فعال سازی چشمه های نابجایی در دانه های مجاور و انتقال آنها بین دانه ها نقش اساسی دارند. براین اساس، کوچک تر شدن اندازه دانه موجب محدود شدن این انباشتگی ها و در نتیجه محدودیت پخش نابجایی ها در حجم اجسام می شود. البته فعالیت فرآیند اشاره شده به مرز دانه های به ابعاد بالای نانومتر محدود می شود
6
7
تکنیکهای کاهش اندازه دانه :
افزایش نرخ انجماد از فاز مایع
انجام تغییر شکل پلاستیک با عملیات حرارتی مناسب
نکته:
کاهش اندازه دانه تافنس بسیاری از مواد را ارتقاء میدهد
مرز های بین دو فاز مختلف هم مانعی در برابر حرکت نابجایی ها عمل میکنند.
8
9
استحکام دهی از طریق ذرات ریز میکرونی ) اندازه کوچکتر از میکرون (
برای دانه های به ابعاد کوچکتر از میکرون با توجه به فعال شدن سایر مکانیزم های شکست ازجمله لغزش مرزدانه ای اثر هال-پچ دیگر صادق نخواهد بود.
ذرات ریز با ابعاد زیر میکرونی می توانند با نابجایی ها اندرکنش داشته باشند.
این استحکام بخشی در تولید کامپوزیتها نقش زیادی ایفا میکند
10
ه طور کلی دو نوع اندرکنش بین نابجایی و ذرات وجود دارد.
الف( در صورتی که ذرات فاز ثانویه نسبت به نا بجایی غیر قابل نفوذ باشند نابجایی در برابر ذره خم میشود.
(ماده ثانویه که می خواهد وارد شود نابجایی به آن فضا نمی دهد و شکل نابجایی را عوض و خود رادر ماده جا می دهد(.
این حالت زمانی رخ می دهد که اندازه اتم ثانویه که می خواهد وارد شود بزرگتر ازفضای خالی موجود باشد و نابجایی به آن فضا نمی دهد در این صورت شکل نابجایی را عوض می کند وفضا در آن ایجاد می کند تا بتواند خود را در آن جای دهد.
ب( در صورتی که ذرات فاز ثانویه نسبت به جابجایی قابل نفوذ باشند ذره به وسیله عبور نابجایی ازدرون آن برش می خورد.
این اندرکنش نانو ذرات با نابجایی منجر به ایجاد موانع متعدد بر سر راه نابجایی ها و مشکل نمودن حرکت نابجایی گردیده و نهایتا منجر به افزایش استحکام ماده میگردد
11
اتم ناخالصی باعث اعوجاج در شبکه کریستالی و نهایتا تولید تنش مینماید
تنش حاصله ایجاد سد در برابر حرکت نابجایی میکند
محلول جامد
محلول جامد جانشینى بزرگ
12
تمرکز تنش در نابجایی
Adapted from Fig. 7.4, Callister 7e.
13
استحکام بخشی با الیاژ سازی
عناصر خارجی کوچک باعث تجمع نابجایی بصورت تنش فشاری میگردد
کاهش تحرک نابجایی باعث افزایش استحکام میگردد
Adapted from Fig. 7.17, Callister 7e.
عناصر خارجی بزرگ باعث تجمع نابجایی بصورت تنش کششی میگردد
14
که در آن ذرات فاز ثانویه همچون کاربیدها، نیتریدها و ترکیبات بین فلزی در زمینه یا مرزدانه فولاد آستنیتی پخش و این ذرات فازهای ثانویه حرکت نابجایی ها را محدود می کندواگر ذرات ریز به طور دقیقی در زمینه توزیع شده باشند استحکام افزایش می یابد. بنابراین شرایط ایده آل ایجاد کسر حجمی بالا از ذرات ریز فاز ثانویه است.
برش رسوب های سخت بسیار مشکل میباشد و برای حرکت دادن نابجایی و عبور از رسوب نیاز
به تنش برشی بالایی میباشد .
)SiC in Iron or Aluminum(مانند ترکیبات سرامیک در فلزات (
• Result:
استکام بخشی از طریق رسوب سختی
Slipped part of slip plane
Large shear stress needed to move dislocation toward precipitate and shear it.
Dislocation “advances” but precipitates act as “pinning” sites with spacing S. which “multiplies” Dislocation density
15
Boeing 767کاربرد رسوب سختی در سازه داخلی بال هواپیمای
ساختار آلیاز استحکام یافته با رسوب سخت و عملیات حرارتی
Adapted from Fig. 11.26, Callister 7e.
(Fig. 11.26 is courtesy of G.H. Narayanan and A.G. Miller, Boeing Commercial Airplane Company.)
Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 11, Callister 5e. (courtesy of G.H. Narayanan and A.G. Miller, Boeing Commercial Airplane Company.)
16
17
استحکام بخشی با کار سرد( CW% )
•.تغییر شکل در دمای اتاق
• تغییر سطح مقطع و ضخامت با فرایند شکل هی پیوسته
18
نتیجه کار سرد
دانسیته نابجایی rd =
Carefully grown single crystal
ca. 103 mm-2
Deforming sample increases density
109-1010 mm-2
Heat treatment reduces density
105-106 mm-2
• Yield stress increases as rd increases:
19
آلیاژ تیتانیوم بعد از کار سرد:
• محصور و ترکیب و پیچیده شدن نابجایی ها
نهایتا منجر به توقف یا کاهش نابجایی ها میگردد
Adapted from Fig. 4.6, Callister 7e.
(Fig. 4.6 is courtesy of M.R. Plichta, Michigan Technological University.)
20
خلاصه تاثیر کار سرد :
کار سرد این پارامتر ها را افزایش و یا کاهش میدهد
(sy) افزایش استحکام تسلیم
(TS) افزایش استحکام کششی
(%EL or %AR) کاهش داکتیلیته
Lo-Carbon Steel!
Adapted from Fig. 7.20, Callister 7e.
21
•یک ساعت عملیات حرارتی در دمای آنیل منجر به کاهش استحکام کششی TS و افزایش داکتیلیته %EL میگردد
•
Adapted from Fig. 7.22, Callister 7e. (Fig.
7.22 is adapted from G. Sachs and K.R. van Horn, Practical Metallurgy, Applied Metallurgy, and the Industrial Processing of Ferrous and Nonferrous Metals and Alloys, American Society for Metals, 1940, p. 139.)
%CWتاثیر اعمال حرارت بعد از کار سرد
22
• Dislocations are observed primarily in metals
and alloys.
• Strength is increased by making dislocation
motion difficult.
• Particular ways to increase strength are to:
–decrease grain size
–solid solution strengthening
–precipitate strengthening
–cold work
• Heating (annealing) can reduce dislocation density
and increase grain size. This decreases the strength.
Summary
با تشکر از توجه شما
23