مکانیزم SSH و اتم
مکانیزم SSH
قبلا گفته شد که اتم ناخالصی که به صورت بین نشین یا جانشینی در زمینه حل شده باشد اطراف خود شبکه اتمی زمینه را دچار تغییر شکل کرده و باعث ایجاد تنش در اطراف خود در ساختار کریستالی می شود.
نوع و مقدار این تنش به اندازه و نوع اتم جانشین یا بین نشین بستگی دارد.
از طرف دیگر اطراف نابجایی هم تنش ایجاد می شود.
بنابر این هنگامی یک نابجایی به حوزه تنشی یک اتم حل شده می رسد بین حوزه های تنشی اطراف نابجایی و اتم حل شده نیروهای جاذبه و دافعه ایجاد می شود که این باعث ممانعت از حرکت نابجایی و افزایش تنش تسلیم می شود. چگونه؟
اتم جانشین شده بزرگتر اطراف خود تنش فشاری ایجاد می کند و اگر با حوزه تنش کششی نابجایی مواجه شود نابجایی و اتم حل شده هم دیگر را جذب می کنند و برای اینکه بخواهیم نابجایی را از اتم حل شده جدا کنیم باید تنش بیشتری اعمال کنیم بنابراین تنش لازم برای حرکت نابجایی یا همان تنش تسلیم زیاد می شود.
در مورد سایر حالات ممکن برای مواجه نابجایی با اتم های بین نشین و اتم های جانشین بزرگتر و کوچکتر از اتم های شبکه زمینه بحث کنید.
تغییرات خواص بعد از SSH
تغییرات استحکام کششی در آلیاژ مس – نیکل
تغییرات تنش تسلیم در آلیاژ مس – نیکل
تغییرات تDuctility تسلیم در آلیاژ مس – نیکل
کرنش سختی Strain hardening
کرنش سختی یا کار سختی قبلا توضیح داده شد.
تعریف: اگربه ماده ای مقداری کرنش بدهیم تنش تسلیم ماده زیاد می شود.
به عبارت دیگر انچه در منحنی تنش – کرنش به صورت افزایش تنش بر حسب کرنش مشاهده می شود مربوط به پدیده کرنش سختی یا کار سختی است
تغییرات خواص بعد از کرنش سختی
با افزایش درصد کار سرد تنش تسلیم و استحکام کششی زیادتر می شود و سختی ماده افزایش می یابد اما Ductility آن کاهش می یابد به عبارت دیگر ماده ترد می شود.
کار گرم – کار سرد – پدیده انیل شدن
همان طور که قبلا گفته شد انجام کار سرد باعث افزایش تنش تسلیم و استحکام کششی و کتهش Ductility می شود .
از طرف دیگر می دانیم که افزایش دما باعث کاهش تنش تسلیم و استحکام کششی و افزایش Ductility می شود . بنابراین
اثر افزایش دما و انجام کار سرد بر روی ماده اثراتی کاملا متضاد دارند
سوال
اگر ماده را هم زمان گرم کنیم و تغییر شکل روی ماده انجام شود چه اتفاقی می افتد؟
اهداف فصل
1- بررسی اثرافزایش دما بر روی خواص ماده ای که قبلا کار سرد دیده چیست؟
2- هنگامی که ماده ای را که کار سرد روی آن انجام شده گرم کنیم چه پدیده هایی در ماده روی می دهد و علت تغییرات خواص چیست؟
3- آشنایی با شکل دادن فلزات در دما های پایین (سرد) و در دماهای بالا (گرم) و مزایا و معایب آنها
1- اثر دما بر روی خواص مادهای که قبلا دچار تغییر شکل پلاستیک شده است.
اگر ماده ای را دچار تغییر شکل پلاستیک شده گرم کنیم بسته به دمای تغییر شکل تنش تسلیم و استحکام کششی کاهش می یابد و Ductility زیاد می شود.
آنیل کردن : گرم کردن ماده تا دمایی خاص به منظور بازگرداندن خواص ماده به شرایط قبل از تغییر شکل پلاستیک یا
عملیاتی است که برای حذف کردن اثرات کار سرد بر روی خواص ماده به کار می رود
مراحل و مکانیزم عملیات آنیل (Annealing)
انیل کردن در کل 3 مرحله دارد
1- بازیابی(Recovery)
2- تبلور مجدد (Recrystallization)
3- رشد دانه (Grain Growth)
این 3 به ترتیب با افزایش دما انجام می شوند . در دماهای که عملیات بازیابی انجام می شود و با افزایش دما غملیات تبلور مجدد
تغییرات خواص حین آنیل کرن
مکانیزم مراحل آنیل شدن
هنگامی که ماده ای دچار تغییر شکل پلاستیک شود تعداد عیوب شامل جاهای خالی و نابجایی ها زیاد می شود که عامل تغییرات خواص نیز همین افزایش عیوب است
قبل از تغییر شکل پلاستیک
بعد از تغییر شکل پلاستیک
بعد از تغییر شکل پلاستیک
مراحل آنیل کردن
1- بازیابی(Recovery)
مکانیزم :در این مرحله که در دما های پایین صورت می گیرد دانسیته عیوب نقطه ای کاهش می یابد
دانسیته نابجایی ها در این مرحله تغییری زیادی نمی کند اما به علت افزایش دما و در نتیجه افزایش قابلیت تحرک اتمها یک سری آرایش های خاص از نابجایی ها ایجاد می شودکه باعث کم شدن تنش بین نابجایی ها می شود.
در این مرحله خواص مکانیکی ماده تغییری نمی کند اما اما فیزیکی دچار تغییرات مشود به عنوان مثال رسانایی الکتریکی افزایش می یابد.
به عنوان مثال نابجایی ها سعی می کنند با قرار گرفتن زیر هم مقداری از تنش موجود را خنثی کنند و انرژی سیستم را خنثی کنند..
آرایش کم انرژی از نابجایی ها که به صورت دیواره هایی در می آیند.
دانسته نابجایی در بین این دیواره ها بالا است
ساختار جسم بعد از تغییر شکل پلاستیک و افزایش دانسیته نابجایی ها
مرز های فرعی
ساختار فلز قبل و بعد از انجام مرحله بازیابی
نیروی محرکه تبلور مجدد recovery
کاهش عیوب نقطهای ایجاد شده و تاحدودی کاهش انرژی کرنشی حاصل از نابجایی ها است.
2- مرحله تبلور مجدد
در این مرحله که در دمای بین 0.3 Tm – 0.5Tm صورت می گیرد قابلیت دانسیته نابجایی ها درون دانه کاهش می یابد که این از طریق بر هم کنش نابجایی ها که در شکل زیر ارائه شده انجام می شود
دو پدیده مهم که دراین قسمت رخ می دهد عبارت است از
1- کاهش تعداد نابجایی ها
2- پیوستن نابجایی های بیشتر به برخی مرزها ی فرعی تشکیل شده در مرحله قبل(بازیابی) و تبدیل شدن انها به مرز دانه (با افزایش تعداد نابجایی در این مرز ها ضخامت انها زیاد شده و به مرز دانه تبدیل می شوند)
نابجایی های تشکیل شده حین تغییر شکل پلاستیک
مرزدانه های ماده اولیه
مرزدانه ها ی تشکیل شده از مرز های فرعی پس ار پایان تبلور مجدد
دانه های تشکیل شده که درون انها تعداد نابجایی کم است
در شکل قبل
a) ماده پس از تغییر شکل پلاستیک
b) ماده پس از مرحله بازیابی
c ) ساختار ماده حین انجام تبلور مجدد
d) ساختار ماده پس از تبلور مجدد
نیروی محرکه تبلور مجدد
کاهش انرژی کرنشی ناشی از حضور نابجایی ها است .
با حذف نابجایی ها انرژی کرنشی حاصل از ان ها حذف شده و انرژی آزاد جسم کاهش می یابد و ماده به سمت تعادل می رود.
3- رشد دانه
پس از انجام مرحله تبلورمجدد اندازه دانه ماده ریز می شود که ناشی از به وجود امدن مرز دانه های جدید است. حال اگرعملیات انیل کردن ادامه یابد جند دانه به هم پیوسته و یک دانه بزگتر تشکیل می دهند. یا به عبارت دیگر بعضی دانه دانه های مجاور را می خورند و خود رشد کرده دانه های مجاور کوچک شده و ممکن است ناپدید شوند. در نهایت پس ا زپایان این مرحله اندازه متوسط دانه ها بزرگ می شود
دانه در حال رشد
نیروی محرکه رشد دانه
کاهش سطح مرزدانه است . یه عبارت دیگر وجود مرزدانه هاانرژی سیستم را بالا می برد و بنابر این این تمایل وجود دارد که این مرزدانه ها حذف شوند تا انرژی سیستم کاهش پیدا کند.
کاربرد عملیات انیل کردن در شکل دادن فلزات
یکی از کاربرد های انیل کردن در شکل دادن فلزاتع است . فرض کنیم لازم است ماده خام اولیه به یکمحصول نهایی تبدیل شود وبرای اینکار لازم است ماده 15% کرنش را تحمل کند. اگر ductility ماده در دمای اتاق 10% باشد در این صورت این امکان وجود ندارد که بتوان در دمای اتاق این عملیات را انجام داد چونماده قبل از رسیدن به شکل نهایی می شکند. اما یک راه حل وجود دارد
می توان تغییر شکل را در دو مرحله انجام داد و در بین دو مرحله از عملیات انیل کردن استفاده کرد
مرحله اول : شکل دادن تا 7 درصد کرنش
مرحله دوم : آنیل کردن
مرحله سوم : شکل دادن تا 8 درصد کنش که با توجه به کرنش مرحله اول ماده به شکل نهایی تبدیل می شود بدون اینکه بشکند.
در واقع انجام انیل باعث می شود ductility ماده که در مرحله اول به خاطر تغییر شکل پلاستیک کم شده بود به حالت اولیه برگردد و توانایی تغییر شکل در مرحله دوم را داشته باشد.
مثال : کشش سیم Wire Drawing
کار گرم Hot work
معرفی : برای شکل دادن فلزات می توان از پروسه های مربوطه در دمای اتاق استفاده کرد مثلا می توان عملیات نورد را در دمای اتاق انجام داد
. اما می توان این عملیات را در دمای بالا نیز
(T>0.5 Tm) انجام داد. در این صورت هنگام شکل دادن عملیات انیل شدن هم صورت می گیرد. به این عملیات کار گرم (hot work) گفته می شود .
تعریف کار گرم
انجام عملیات تغییر شکل پلاستیک دردمای بالا( دمایی بالاتر از دمای تبلور مجدد ماده)
مزایای انجام تغییر شکل فلزات به صورت گرم
1- کاهش تنش تسلیم : بنابر این برای شکل دهی ماده نیروی کمتری لازم است
2- افزایش ductility : بنابراین قابلیت تغییر شکل ماده قبل از شکست زیادتر است و به عبارت قابلیت شکل دهی ماده زیاد شده است
3- ارزان بودن
معایب کار گرم
1- تغییر ترکیب شیمیایی قطعه
2- اکسید شدن سطح
3- کاهش دقت ابعاد نهایی
4- سطح نامناسب نهایی
مزایای کار سرد
1- قطعه نهایی تنش تسلیم و استحکام نهایی بالاتری دارد
2- سطح نهایی قطعه بهتر است
3- دقت ابعادی بالاتر است
معایب کار سرد
1- گران قیمت است
2- محصول به دست امده ترد است
رسوب سختی Precipitation Hardening
قبل از بحث در مورد پدیده رسوب سختی بتدا به بحث در مورد پدیده حلالیت و سپس فهم رسوب می پردازیم.
حل شدن : وقتی دو ماده با هم مخلوط شوند به طوری که ترکیب انها یکنواخت شود و تغییر ساختاری اتفاق نیافتد و هیچ گونه مرزی بین دو ماده به وجود نیاید. ماده ای که مقدار بیشتری دارد حلال(solvent) و ماده ای که مقدار کمتری دارد حل شونده(Solute) نامیده می شود و به مجموعه هر دو محلول (solution ) گفته می شود.
مثال : محلول الکل در اب یا شکر در آب
حل شدن در سایر حالات ماده نظیر گاز یا جامد هم امکان پذیر است .
وقتی دو جامد در هم حل شوند محول جامد ایجاد می شود Solid Solution))
انواع محلول جامد:
1- محلول جامد جانشینی substitutional Solid solution : در این حالت اتم های ماده حل شده به جای اتمهای ماده حلال قرار می گیرند
2-محول بین نشینی Interestitial Solis Solution
در این حالت اتم های حل شده در مکان های بین نشین ماده زمینه (حلال) قرار می گیرند.
میزان حلالیت دو جامد درهم به عوامل زیر بستگی دارد
1- تفاوت اندازه دو ماده : هنگامی که تفاوت اندازه اتمی دو اده کمتر از 15% باشد دو ماده حلالیت زیادی در هم دارند در غیر این صورت حلالیت محدود خواهد بود
2- ساختار کریستالی : تفاوت ساختار کریستالی باعث کاهش حلالیت دو ماده در هم می شود.
3- الکترونگاتویته : هر چه تفاوت الکترونگاتویته دو ماده بیشتر باشد حلالیت دو ماده درهم کمتر است و دو ماده تمایل به تشکیل ترکیب دارند
4- ظرفیت (Valence)
وقتی 3 عامل ذکر شده در بالا یکسان باشد ماده تمایل دارد عناصر با ظرفیت بالاتر را در خود حل کند.
مثال :Cu-Ni
حد حلالیت solubility limit
بیشترین میزان حل شدن یک حل شونده (solute) در یک حلال (Solvent)
اگر بیش از حد حلالیت اتم حل شونده در حلال به حلال اتم حل شونده اضافه شود مقدار اضافه به صورت یک ماده با ساختار و ترکیب خاص در بین اتمهای زمینه رسوب می کند و یک مرز مشخص بین دو ماده ایجاد می شود.
اگر دو اده در هم حلالیت نداشته باشند یا حلالیت محدودی در هم داشته باشند امکان تشکیل رسوب وجود دارد . رسو بها به عنوان مانعی در سر راه نابجایی می توانند عمل کنند که باعث افزایش تنش تسلیم و استحکام کششی ماده می شود. به این پدیده رسوب سختی گفته می شود.
رسوب سختیPrecipitation Strengthening
افزایش تنش تسلیم به علت حضور رسوب
از مهمترین روشهای استحکام بخشی مواد است