دانلود تحقیق عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم

در آلیاژهای Al-Cu ، رسوبات غیر تعادلی زیادی در دماهای کمتر از دمای جامد تشکیل می شود.در این آلیاژها، با سرد کردن محلول جامد فوق اشباع ،رسوبات تشکیل می شود.

این رسوبات با افزایش درجه حرارت و یا افزایش زمان بین دمای اتاق و دمای جامد گسترس می یابد.

توالی تشکیل رسوبات بصورت زیر است:

SSSS → GP zones → Ө ״ → Ө′ →Ө (Al2Cu)
دردماهای پیرسازی طبیعی (-20 ..

60 C) آرایش اتمهای مس از حالت تصادفی به حالت منظم دیسکی شکل تبدیل می شود.این صفحات در جهات کریستالوگرافیکی خاصی در زمینه تشکیل می شوند.

که به مناطق GP مشهورند.

این مناطق حوزه های کرنشی کوهئرنتی تشکیل می دهند که افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل را باعث می شوند.

در واقع عامل اصلی افزایش استحکام تشکیل مناطق GP می باشد.دردماهای بالا ، حالت گذرایی از Al2Cu تشکیل می شود که باز استحکام افزایش می یابد.

در حالت بیشترین استحکام، هر دو فاز ״Ө و ′Ө می توانند همزمان وجود داشته باشند.هر چه دما یا زمان افزایش یابد، نسبت فاز Ө ذر ریزساختار افزایش می یابد.

خواص مکانیکی کاهش می یافته و آلیاژ نرم می شود یا به عبارتی فراپیری Overage رخ می دهد.

آندسته از آلیاژهای کارشده که عملیات حرارتی باعث افزایش استحکام آنها می شودعبارتند از 7xxx,6xxx,2xxx (به غیر از 7072) و نیز آلیاژهای ریختگی 2xx.x,3xx.x و 7xx.x .برخی از این آلیاژها، علاوه بر عناصر اصلی آلیاژی، افزودنی های دیگری از جمله مس ، منگنز،منیزیم و روی نیز دارند.مقادیر کمی از منیزیم افزوده شده باعث بهتر شدن خاصیت رسوب سختی می شود.

در برخی از آلیاژها، دردمای اتاق و در مدت چند روز ، رسوبات کافی در ریزساختار تشکیل می شود تا محصولات پایدار و خواص معینی را سبب شود که برای کاربردهای مورد نظر مناسب باشد.

این آلیاژهای را گاها رسوب سختی انجام می دهند تا استحکام و سختی آنها افزایش یابد.در کنار این آلیاژها ، آلیاژهایی وجود دارند که واکنش رسوب سازی آنها بسیار کند رخ میدهد فلذا بایستی قبل از استفاده رسوب سختی شوند.

رسوبسختی از فرآیندهایی هست که در دماهای کم و زمانهای طولانی انجام می گیرد.

معمولا این فرآیند در دماهای 115-190 C و بمدت 5- 48 ساعت می باشد.سیکلهای دما- زمان باید با دقت انتخاب شود.در دماهای بالا و زمانهای زیاد رسوبات درشت تشکیل می شود.که تعداد این ذرات کم ولی فاصله زیادی دارند.هدف، انتخاب سیکل مناسب برای دستیابی به اندازه و الگوی توزیع مناسب بهینه است.متاسفانه سیکلی که برای افزایش یکی از خواص مثل استحکام نهایی استفاده می شود با سیکلی که برای افزایش خواص دیگر مثل استحکام تسلیم و مقاومت خوردگی بکار می رود، متفاوت است.

توالی تشکیل رسوبات بصورت زیر است: SSSS → GP zones → Ө ״ → Ө′ →Ө (Al2Cu) دردماهای پیرسازی طبیعی (-20 ..

آندسته از آلیاژهای کارشده که عملیات حرارتی باعث افزایش استحکام آنها می شودعبارتند از 7xxx,6xxx,2xxx (به غیر از 7072) و نیز آلیاژهای ریختگی 2xx.x,3xx.x و 7xx.x .برخی از این آلیاژها، علاوه بر عناصر اصلی آلیاژی، افزودنی های دیگری از جمله مس ، منگنز،منیزیم و روی نیز دارند.مقادیر کمی از منیزیم افزوده شده باعث بهتر شدن خاصیت رسوب سختی می شود.

در برخی از آلیاژها، دردمای اتاق و در مدت چند روز ، رسوبات کافی در ریزساختار تشکیل می شود تا محصولات پایدار و خواص معینی را سبب شود که برای کاربردهای مورد نظر مناسب باشد.

رسوبسختی از فرآیندهایی هست که در دماهای کم و زمانهای طولانی انجام می گیرد.

عملیات حرارتی که برای افزایش استحکام بکار میرود(در آلیاژهای الومینیوم) از سه مرحله بنیادی زیر تشکیل می شود: عملیات حرارتی انحلالی: انحلال فازهای قابل حل کوئنچ: گسترش محلول فوق اشباع پیرسازی: رسوب اتمهای حل شده در دمای اتاق(پیرسازی طبیعی)یا در دماهای بالا(پیرسازی مصنوعی یا همان رسوب سختی) عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینوم-1در آلیاژهای آلومینیوم ، عملیات حرارتی برای آلیاژهای معینی بکار می رود که که می توان با آن استحکام و سختی را افزایش داد.این آلیاژها را عملیات حرارتی پذیر Heat treatable می گویند.در برابر این آلیاژهایی وجود دارند مه که با سیکل های حرارتی و سرد کردن نمی توان استحکام آنها را افزایش داد.برای مشخص کردن و تمییز قایل شدن با آلیاژهای قبلی ، این آلیاژهای را عملیات حرارتی ناپذیر None-heat treatable می نامند.تنها روش استحکام این آلیاژها، انجام کار سرد است.حرارت دادن هر دو نوع آلیاژ تا دمای مشخص برای افزایش داکتیلیتی و کاهش استحکام (آنیل) متداول بوده و با توجه به درجه نرم شدن ، واکنش هاس متالورژیکی مختلفی در ریزساختار رخ می دهند خاصیت بسیار مهم در سیستم های آلیاژی رسوب سختی شونده ، وابستگی قابلیت انحلالی تعادلی به دما است که با افزایش درجه حرارت ، قابلیت انحلالی نیز افزایش می یابد.این رفتار در اکثر سیستم های دوتایی Al مشاهده می شود هرچند که در برخی از آلیاژهای آن رسوب سختی کمتری دیده می شوند که همان آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر را تشکیل می دهند.به عنوان مثال، در آلیاژهای با سیستم دوتایی Al-Si,Al-Mn ، خواص مکانیکی بعد از عملیات حرارتی افزایش نمی یابد با این وجود رسوبات قابل توجهی تشکیل می شود رابطه دما – انحلال برای سیستمهای رسوب سختی Al-Cu توضیح داده میشود.

قابلیت انحلال مس در آلومینیوم با افزایش دما افزایش می یابد.(0.25 % در دمای 250 C به حداکثر 5.65 % در 548 C دمای یوتکیتیک) در آلیاژهای Al-Cu که دارای 0.2-5.6 % مس هستند،دو حالت تعادلی مجزا وجود دارند.در دماهای بالای منحنی solvus مس کاملا حل می شودو اگر در این دما نگه داشته شود و با فرض کافی بودن زمان ، مس کاملا وارد محلول جامد می شود.و در دماهای کمتر از solvus حالت تعادلی از دو فاز تشکیل می شود.محلول جامد α و فاز ترکیب بین فلزی Ө(Al2Cu) .

اگر چنین آلیاژی که در دمای بالای solvus کاملا بصورت محلول جامد است تا مای زیر این دما سرد شود محلول جامد فوق اشباعی تشکیل می شود که در این حالت آلیاژ شرایط تعادلی دو فازی را دنبال می کند و فاز دوم تمایل دارد که با رسوب در حالت جامد تشکیل شود.در آلیاژهای آلومینیوم ، عملیات حرارتی برای آلیاژهای معینی بکار می رود که که می توان با آن استحکام و سختی را افزایش داد.این آلیاژها را عملیات حرارتی پذیر Heat treatable می گویند.در برابر این آلیاژهایی وجود دارند مه که با سیکل های حرارتی و سرد کردن نمی توان استحکام آنها را افزایش داد.برای مشخص کردن و تمییز قایل شدن با آلیاژهای قبلی ، این آلیاژهای را عملیات حرارتی ناپذیر None-heat treatable می نامند.تنها روش استحکام این آلیاژها، انجام کار سرد است.حرارت دادن هر دو نوع آلیاژ تا دمای مشخص برای افزایش داکتیلیتی و کاهش استحکام (آنیل) متداول بوده و با توجه به درجه نرم شدن ، واکنش هاس متالورژیکی مختلفی در ریزساختار رخ می دهند خاصیت بسیار مهم در سیستم های آلیاژی رسوب سختی شونده ، وابستگی قابلیت انحلالی تعادلی به دما است که با افزایش درجه حرارت ، قابلیت انحلالی نیز افزایش می یابد.این رفتار در اکثر سیستم های دوتایی Al مشاهده می شود هرچند که در برخی از آلیاژهای آن رسوب سختی کمتری دیده می شوند که همان آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر را تشکیل می دهند.به عنوان مثال، در آلیاژهای با سیستم دوتایی Al-Si,Al-Mn ، خواص مکانیکی بعد از عملیات حرارتی افزایش نمی یابد با این وجود رسوبات قابل توجهی تشکیل می شود رابطه دما – انحلال برای سیستمهای رسوب سختی Al-Cu توضیح داده میشود.

اگر چنین آلیاژی که در دمای بالای solvus کاملا بصورت محلول جامد است تا مای زیر این دما سرد شود محلول جامد فوق اشباعی تشکیل می شود که در این حالت آلیاژ شرایط تعادلی دو فازی را دنبال می کند و فاز دوم تمایل دارد که با رسوب در حالت جامد تشکیل شود.

اثر فسفر در فولادها و چدنهافسفر عنصر ناخواسته ای است که در ترکیب هر عنصری وجود دارد.ساختمان مکعبی شکل و نقطه ذوب 45 C دارد.

وزن اتمی آن 31 است.

فسفر تمایل قوی به ترکیب با اکسیژن داشته و باید از رطوبت و اکسیژن محافظت شود.

برای افزودن به مذاب آهن ،از فروفسفاتهای با 20% فسفر استفاده می شود.

در حالت جامد ،آهن و فسفر تشکیل Fe3P می دهند.

فسفر در دمای اتاق در حدود 0.1% حل می شود و فسفر اضافی در زمینه باقی می ماند.

در کل فسفر فریت زای ضعیفی است .

لذا با توجه به دصد کم فسفر در فولاد ،تاثیر این عنصر بسیار ناچیز است.

در فولادسازی با روش شمش ریزی ، فسفر عنصر ناخواسته ای است.فسفر جدایش در ریزساختار را تشدید می دهد.

مناطق حاوی فسفر مناطقی هستند که در آخرین مرحله انجماد ، منجمد می شود و باعث می شودکه کربن از این مناطق پس زده شود.در نتیجه بعد از انجماد،این مناطق سمنتیت کمتری داشته و در عوض فریت بیشتری خواهد داشت.به این پدیده Ghost bond اطلاق می شود.هم چنین به خاطر ضریب دیفوزیون پایین این عنصر،امکان یکنواخت کردن ریزساختار بسیار مشکل است.

در عملیات حرارتی فولادها ،فسفر چقرمگی را می کاهد.بهمین خاطر درصد فسفر باید از 0.04% فراتر نرود.فسفر سختی پذیری را می افزاید فلذا کاهش چقرمگی و افزایش تردی را در پی خواهد داشت.فسفر با تشکیل محلول جامد جانشینی، تمایل بالقوه ای در افزایش استحکام فریت دارد.

اثر ترد کنندگی به میزان کربن فولاد بستگی دارد.

در گریدهای پر کربن ،تاثیر فسفر معکوس می شود.در بسیاری از فولادهای کم کربن درصد فسفر می تواند در محدوده 0.04-0.15 % باشد.

در فولادهای HSLA که کربن کمتری دارند، جهت افزایش استحکام و مقاومت خوردگی از فسفربا درصد بالا استفاده می کنند.فولادهای بسمر به خاطر ماهیت تولید دارای فسفر زیادی هستند.

تردی حاصل از فسفر با افزایش کربن ،دمای آبکاری ،اندازه دانه و کاهش درصد تغییر شکل در فورج افزایش می یابد.این تردی بصورت سردشکنندگی و حساس شدن در تنش های ضربه ای ظاهر می شود.

فسفر اندازه دانه های آهن را افزایش داده و لذا باعث تشکیل ترکیبات حجیم و نامطلوب می شود.

افزودن فسفر به فولادهای کم کربن ،ازدیاد استحکام و مقاومت خوردگی را در پی دارد.

هم چنین قابلیت ماشینکاری فولادهای خوش تراش را بهبود می بخشد.تا 0.07 % به فولادهای کم کربن خاص با 0.3 % مس افزوده شده تا مقاومت اتمسفری آنها بسیار خوب شود.

در چدن ، نقطه انجماد اولیه چدن را کاهش داده فلذا سیالیت و قابلیت ریخته گری آن را می افزاید.فسفر عنصر ناخواسته ای است که در ترکیب هر عنصری وجود دارد.ساختمان مکعبی شکل و نقطه ذوب 45 C دارد.

در چدن ، نقطه انجماد اولیه چدن را کاهش داده فلذا سیالیت و قابلیت ریخته گری آن را می افزاید.بر عنصرغیر فلزی است که وزن اتمی آن 11 و نقطه ذوب 2030 C است.بر در فولاد ، در ترکیب بین نشین آهن قرار می گیرد.

انحلال بر در آهن fcc یا bcc محدود است.

قابلیت انحلال آن در حالت جامد کمتر از 0.1 % است و مقادیر بر اضافی در ریزساختار بصورت برید آهن Fe2B در می آید.

عناصرآلیاژی دیگر مثل Alو Cr تاثیری در قابلیت انحلال بر نداشته و فقط در ذرات بین فلزی بر وارد می شوند.بر در مقادیر بسیار کمی تا حد % 0.003 به فولادهای آلیاژی اضافه می شود تا سختی پذیری را افزایش دهد.بر عنصر قدرتمندی در افزایش پیر سختی فولاد است ولی این تاثیر فقط در مقادیر حدود % 0.010 بدست می آید بیشتر از این مقدار تاثیری ندارد.

بر در فولادهای پرآلیاژی به عنوان عنصر آلیاژی بوده ولی در برخی از فولادها تا حدمعینی افزوده می شوند تا خواص کار گرم را زیاد کند.

مقادیر زیاد بر در محدوده 2.0-0.5 درصد در فولادهای زنگ نزن آستنیتی 8-18 یافت می شود که راکتورهای هسته ای استفاده می شود.

در فولادهای ساختمانی ، این عنصر باعث افزایش عمق سختی می شود و در نتیجه باعث افزایش استحکام مغز فولاد های سخت شونده سطحی می گردد و در فولادهای بر دار قابلیت جوشکاری پایین است.

در محدوده کم بر در سیستم آلیاژی آهن – بر – کربن ، یک یا چند نوع کاربید بر تشکیل می شوند.کربن تاثیر کمی بر پایداری و نرخ دیفوزیون بر در آستنیت دارد.

بر تمایل قوی به ترکیب با اکسیژن و نیتروژن دارد فلذا اگر بخواهیم که درصد مشخصی از بر فعال در ترکیب فولاد وجود داشته باشد، بایستی تمام اکسیژن و نیتروژن را با روشهای اکسیژن ردایی ونیتروژن زدایی حذف کنیم.

بر نرخ استحاله آستنیت به فریت و پرلیت را کند ساخته ولی با افزایش درصد کربن ، این روند مختل شده و اثر کربن بر سختی پذیری کاسته می شود.از اینرو اثر سختی پذیری بر در فولادهای هیپویوتکتوئید بیشتر است.

با وجود اینکه بر نرخ استحاله آستنیت را میکاهد ولی اثری بر نرخ رشد فریت و بینیت ندارد واثر سختی پذیری آن در فولادهای که بصورت سراسری سختی میشوند و معیار سختی پذیری در آنها درصد مارتنزیت تشکیل شده است، بیشتر خواهد شد.

در فولادها تجارتی درصد بسیار کمی از بر در ترکیب فولاد وجود دارد که بر دمای استحاله تاثیر چندانی ندارد و می توان دماهای استحاله برای این فولادها را مشابه دمای استحاله فولادهای بدون بر در نظر گرفت.

علیرغم اینکه بر دمای تشکیل مارتنزیت را تغییر نمیدهد ، ولی سختی پذیری را می افزاید و ترک برداری د رکوئنچ را ارتقا نمی دهد.

برخلاف فولادهای آلیاژی ، اگر فولادهای حاوی بر را دردماهای بالاتر از دمای آستنیته کردن معمولی ،آستنیته کنیم، سختی پذیری آن کم می شود فلذا با افزایش درجه حرارت آستینته کردن سختی پذیری این فولادها کاسته می شود.اختلاف دیگری که فولادهای بر دار با فولادهای پرآلیاژی با سختی یکسان دارند ، اینست که فولادهای بر دار مقاومتی در برابر تمپر از خود نشان نمی دهند.حرارت دهی آرام در محدوده دمایی 400-600 C چقرمگی فولادهای بر را می کاهد.

بر خواص مکانیکی فولادهای سخت شده یا فولادهای با سختی بالا را می افزاید ولی در فولادهای باسختی کم یا سخت نشده تاثیر کمی معکوسی دارد.استثناء در این مورد ، فولاد بسیار کم کربن با مولیبدن 0.5 % است.در شرایط نورد یا نرمال شده و با بر 0.0015-0.0035 % استحکام تسلیم دو برابر داشته و کم بودن درصد کربن ، داکتیلیتی و مقاومت ضربه مناسبی را برای این فولاد فراهم آورده است.چنین فولادی قابلیت جوشکاری خوبی داتشه و در ورقهای تا ضخامت حداکثر 2 اینچ در شرایط نورد ونرمال شده استفاده میشود.این فولاد را می توان بدون ترس از ترک برداری با سرعت بالا سردکرد .

بنابراین در ساختار های جوشکاری شده تحت تنش کاربرد خوبی پیدا کرده اند.

بر در قطعات کربوریزه شونده استفاده میشود و سختی پذیری سطحی را می افزاید.

در طی فرآیند کربورایزینگ ، کربن سطح افزایش می یابد و متعاقب آن اثر سختی پذیری بر کاهش می یابد.برای بهبود اثر بر، مرسوم است که درصد کربن سطح تا 0.7 % محدود شود.

بنابراین در بالاتر از 0.9 % C اثر بر قابل چشم پوشی است.از اینرو می توان این نوع فولادها را بجای فولادهای پرآلیاژی کربوریزه شونده استفاده کرد.اگر فولادهای بر تا دمای بالا حرارت داده شوند و یا دمای کربورایز بالا باشد، اثر بر کاهش خواهد یافت.بنابر این اگر قطعات کربورایز به آرامی سرد شوند و سپس دوباره تا دمای 840 C قبل از کوئنچ حرارت داده شوند، سختی پذیری و مقدار سختی اولیه مجددا بدست خواهد آمد.اغلب در قطعات کربورایز بر بجای نیکل می نشیند و زمان لازم برای ماشینکاری را می کاهد و درصد آستنیت باقیمانده را بعد از آبکاری خواهد کاست.

در مقادیری که بر در فولادهای مهندسی بکار می رود ، خواص کار گرم و سرد فولاد را تحت تاثیر قرار نمی دهد.

با این وجود ، سختی پذیری آنها را اصلاح می کند و در غیر اینصورت همانند فولادهای گربنی ساده عمل می کنند.اگر این فولادها بعد از آهنگری بطور صحیح عملیات حرارتی شوند، می توان با سرعت بالاتر از فولادهایی که درصد مشابهی از کربن را دارند، ماشینکاری شوند.

علاوه بر آن، پوسته تشکیل شده چندان چسبنده و محکم نبوده و عمر قالبهای آهنگری بهتر می شود.

ادعا بر اینست که افزودن بر به فولاد تند بر 18-4-1 سختی پذیری را می افزاید و در نتیجه میزان سختی و راندمان برش اصلاح خواهند یافت.

آلیاژهای آهن –بر که نسبت بالایی از بر دارند، بی نهایت ترد بوده و در فولادهای مهندسی استفاده ای ندارند.

فولاد با 4%B در تولید میله های کنترل پایلهای اتمی و تجهیزات محافظ نوترونی بکار می روند.شرط اصلی در اینگونه موارد اینست که ماده توانایی بالایی در جذب نوترون داشته باشد.بر مقدار سطح مقطع با جذب بالایی از نوترون دارد وارزان نیز است فلذا کاربرد خوبی پیدا کرده است.در حالیکه تحقیقات روی فولاد 4% B ادامه داشت، به این نکته پی بردند که فولاد 2% B در حضور مقداری آلومینوم قابل آهنگری است ولی اگر آلومینوم نباشد، فورج پذیر نخواهد بود.

در بیشتر از 2 % B ، منطقه بحرانی برای آلومینوم در مقدار مشخصی از بر وجود دارد که می توان فولاد را فورج کرد.

در بیشتر از 4.75 % B فولاد دیگر فورج نمی شود و با ریخته گری می توان فولاد تا 6 % B ریخته گری کرد.

فولادهای بر دار دارای مقاومت خوردگی و اکسیداسیون کمتری بوده و لذا گام بعدی ، تولید فولادهای زنگ نزن با مقدار مشخصی از بر است.فولادهای فریتی و آستنیتی می توانند بدون اینکه خواص مکانیکی و فورج پذیری کاهش یابد، تا حدی بر داشته باشند.درصد بر بین 1.25 تا 1.5 درصد در فولادهای زنگ نزن 18/8 و 13 % Cr متغیر است.در این ممحدوده فولاد فورج پذیر بوده و در اینمقدار خواص مکانیکی ضعیف است.به عنوان مثال فولادی که 19 % Cr,14 % Ni,1.5 % Nb,1 % B دارد، استحکام کششی در حدود 43 ton/in2 و ازدیاد طول 25 % دارد.

اگر بر این فولاد از نوع ایزوتوپ B10 باشد( که قابلیت جذب نوترون بالایی دارد) فورج پذیر بوده و نیز قابلیت جذب نوترون بالایی خواهد داشت.

اگر بر به ترکیب فولاد زنگ نزن 8/18 اضافه شود و سپس از دمای 1200 C کوئنچ شود و بمدت طولانی در دمای 700 یا 800 C برگشت داده شود، رسوب سختی در آن اتفاق می افتد.در هنگام کوئنچ ، آستنیتی که از بر اشباع شده است، بدون استحاله باقی مانده و عملیات برگشت بعدی سبب رسوب ذرات ریز بر خواهد شد.ادعا شده است که چنین فولاد رسوب سختی شده ای دارای استحکام در دماهای بالای خوب و سختی بالا بوده ولی داکتیلیتی و مقاومت خوردگی پایینی دارند.

برای بهبود کارپذیری فولادهای زنگ نزن فریتی و مقاومت حرارتی ،پیشنهاد شده است که تا 0.003% بر به ترکیب فولاد اضافه شود.

درصد بر بندرت در آهن خام از 0.005 % فراتر می رود.در چدن ، بر از گرافیت زایی جلوگیری میکند و عمق چیل را می افزاید.اگر درصد بر از 0.01% فراتر رود، پایدار کننده بسیار قوی کاربید بوده و بهمین دلیل مقاومت سایشی جدنهای سفید سخت را می افزاید.چدنهای سفید حاوی نیکل و بر به عنوان آلیاژ با سطح سخت که در معرض سایش شدید می باشند، استفاده می شوند.چدنی که در غلطک ها استفاده می شوند، ممکن است از 0.02 تا 0.1 درصد بر داشته باشند که به خاطر کنترل عمق چیل و افزایش سختی سطح می باشد.

در چدنهای مالیبل تا 0.001-0.005 % B جوانه زنی کره های گرافیت را می افزاید.

بنابراین تعداد و توزیع آنها را یکنواخت تر می کند.

این اثر آنیل پذیری چدن را می افزاید و مقادیر کم بر در چدن مالیبل اثر مضر کروم که به احتمال قوی در قراضه یافت می شود را از بین می بردبر عنصرغیر فلزی است که وزن اتمی آن 11 و نقطه ذوب 2030 C است.بر در فولاد ، در ترکیب بین نشین آهن قرار می گیرد.

این اثر آنیل پذیری چدن را می افزاید و مقادیر کم بر در چدن مالیبل اثر مضر کروم که به احتمال قوی در قراضه یافت می شود را از بین می برد