دانلود تحقیق بررسی تنش آستانه ای بر روی فلزات

هدف اصلی از این بررسی اثر بسیار مهم دما برتنش آستانه ای است که با توجه به این موضوع اهمیت بحث حاضر مشخص می شود.

قبل از ورود به مبحث اصلی لازم است مروری بر فولادهای میکروآلیاژی داشته باشیم .

1-1- فولادهای کم آلیاژی:
فولادهای کربنی با یک یا چند عنصر کرم ، نیکل ، مس ، مولیبدن ، فسفر وانادیم، به مقادیر چند درصد یا کمتر از فولاد کم آلیاژی می نامند.

مقادیر بالا از عناصر الیاژی معمولاً برای خواص مکانیکی و سختی پذیری است .

1-1-1- اثرات افزودنی های میکروآلیاژ کننده :
این بخش بر روی فولادهای پرلیت – فریت میکروآلیاژ شده تاکید کرده است ، که از افزودنی های عناصر آلیاژ کننده مثل نیوبیوم و وانادیوم برای بالا بردن کربن و یا محتواهای منگنز استفاده می کند ( و به این ترتیب توانایی حمل بار بالا می رود ) بررسی های گسترده در طول دهه 1960 بر روی اثرات نیوبیوم و وانادیوم روی خصوصیات مواد یا مصالح درجه ساختمانی باعث کشف این موضوع گردید که مقادیر کم نیوبیوم، وانادیوم هر کدام (10/0% ) فولادهای استاندارد کربن – منگنز را بدون تداخل با بعمل آوری بعدی مستحکم و قوی می سازند مقدار کربن نیز می تواند کم شود تا هم قابلیت جوش را بالا ببرد و هم چقرمگی را ، چون اثرات مقاومت دهندگی نیوبیوم و وانادیوم بخاطر کاهش در استحکام ناشی از کاهش در مقدار کربن جبران می شوند .

خصوصیات مکانیکی فولادهای کم آلیاژ دارای استحکام بالای میکرو آلیاژ شده ، فقط در صورت افزایش عناصر میکرو آلیاژ کننده حاصل می شوند .

لازمه ی وجود آستنیت که به اثرات پیچیده طرح آلیاژ و تکنیک های نورد کاری بستگی دارد ، نیز یک فاکتور مهم در تصفیه دانه ای فولادهای کم آلیاژ دارای استحکام بالای نورد گرم است .

تصفیه دانه ای در صورت وجود آستنیت با روش های نورد کاری کنترل شده ، باعث چقرمگی بالا و استحکامهای تسلیم زیاد در رنج 345 تا 620 مگا پاسکال(ksi 90 تا 50) می شود.

این توسعه فرآیندهای نوردکاری کنترل شده همراه با طرح آلیاژ، سطوح استحکام تسلیم بالایی را تولید کرده است که با پایین آمدن تدریجی مقدار کربن توام می باشد بسیاری از فولادهای کم آلیاژ دارای استحکام بالا میکروآلیاژ شده اختصاصی ، مقادیر کربن به کمی 60/0% و یا حتی کمتر دارند ، با این حال هنوز می توانند استحکام تسلیم حدود 485 مگا پاسکال (ksi 70) را توسعه داده و ایجاد نمایند .

استحکام تسلیم بالا ، با اثرات ترکیبی اندازه دانه ریز ایجاد شده و در طول نورد کاری گرم کنترل شده و استحکام دهندگی رسوب حاصل می شود که این خصوصیت ناشی از حضور وانادیوم ، نیوبیوم و تیتانیوم است .]1[

1-1-2- انواع گوناگون فولادهای فریت – پرلیت میکروآلیاژ شده عبارتند از :
1-1-2-1-فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم
1-1-2-2-فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم
1-1-2-3-فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم – نیوبیوم
1-1-2-4- فولادهای مولیبدن – نیوبیوم
1-1-2-5-فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم – نیتروژن
1-1-2-6-فولادهای میکروآلیاژ شده تیتانیوم
1-1-2-7-فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم – تیتانیوم
1-1-2-8-فولادهای میکروآلیاژ شده تیتانیوم – وانادیوم






1-1-2-1- فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم :
تهیه و توسعه فولادهای حاوی وانادیوم مدت کوتاهی پس از تهیه فولادهای هوازدگی رخ می‌دهد و محصولات نورد شده صاف با بیش از 10/0% وانادیوم بطور وسیعی در شرایط نورد گرم بکار می روند فولادهای حاوی وانادیوم نیز در شرایط نورد کنترل شده ، نرمال شده و یا کوئنچ و تمپر شده بکار می روند .

وانادیوم با تشکیل ذرات رسوب ریز ( با قطر 5 الی 100 نانومتر ) V (CN) در فریت در طول سرد سازی پس از نورد گرم به قوی ساختن کمک می کند .

این رسوبات وانادیوم ، که به پایداری رسوبات نیوبیوم نیستند ، محلول در همه دماهای عادی نورد کاری هستند که برای ایجاد فریت دانه ریز مفید می باشند قوی ساختن به وسیله وانادیوم ، بین 5تا 15 مگا پاسکال ( ksi 2 و 7/0 ) در هر 01/0 ترکیب شیمیایی وانادیوم است و این حد متوسط به مقدار کربن و سرعت سرد سازی حاصل از نورد گرم بستگی دارد ( و بنابراین به ضخامت مقطع نیز بستگی دارد ) سرعت سرد سازی که با دمای نورد گرم و ضخامت مقطع معین می شود برروی قوی ساختن سطح رسوب در فولاد 15/0% وانادیوم تاثیر می گذارد که در شکل 1-1 نشان داده شده است .

شکل (1-1) اثر میزان سرد کاری روی افزایش استحکام تسلیم ناشی از قوی ساختن رسوب در یک فولاد 15/0 درصد وانادیوم ]1[



در سرعت های سرد سازی بالا بیشتر ذرات (CN) V در محلول باقی می ماند و بنابراین بخش کوچکتری از ذرات (CN) V رسوب کرده و قوی ساختن نیز کاهش می یابد در مورد یک ضخامت مقطع داده شده و محیط سرد سازی ، سرعت های سرد سازی می توانند با افزایش یا کاهش دما قبل ازسرد سازی به ترتیب افزایش یافته و یا کاهش یابند.

افزایش دما باعث بزرگتر شدن اندازه دانه ای آستنیت می شود در حالیکه کاهش دمای نورد کاری را دشوار تر می سازد .

مقدار منگنز نیز بر روی استحکام دادن فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم تاثیر می گذارد اثر منگنز روی فولاد وانادیوم نورد شده گرم در جدول (2-1) نشان داده شده است با افزایش 9/0 درصد منگنز که ناشی از قوی ساختن محلول جامد است .

قوی کردن رسوب وانادیوم نیز افزایش می یابد چون منگنز دمای تغییر شکل آستنیت به فریت را پایین می آورد به این ترتیب باعث پراکندگی رسوب ریزتر می شود .

این اثر منگنز روی قوی ساختن رسوب بزرگتر از اثرش در فولادهای نیوبیوم است با اینحال استحکام مطلق در یک فولاد نیوبیوم دارای Mn 2/1 % فقط حدود 50 مگا پاسکال (ksi 7) کمتر از فولاد وانادیوم است اما در سطح آلیاژی بسیار کمتری است ( یعنی nb 06/0 % در برابر 14/0% وانادیوم ) سومین عاملی که روی استحکام فولادهای وانادیوم تاثیر می گذارد اندازه دانه ای فریت تولید شده بعد از سرد سازی از دمای آستنیت کننده است .

اندازه های دانه ای فریت ریزتر (که نه تنها باعث استحکام های تسلیم بالاتر شده بلکه چقرمگی و شکل پذیری را نیز بالا می برند) می توانند با دماهای تغییر شکل کمتر آستنیت به فریت و یا با شکل گیری اندازه های دانه ای آستنیت ریز تر قبل از تغییر شکل تولید شوند پایین آوردن دمای تغییر شکل که روی قوی ساختن سطح رسوب تاثیر می گذارد می تواند با افزودن آلیاژ و یا با سرعت های سردسازی افزایش یافته ایجاد شود در مورد یک سرعت سرد سازی داده شده تصفیه اندازه دانه فریت و تصفیه اندازه دانه آستنیت در طول نورد کاری صورت می گیرد .

اندازه دانه آستنیت فولادهای نورد گرم با تبلور مجدد و رشد دانه ای آستنیت در طول نورد کاری معین می شود فولادهای نورد گرم وانادیوم معمولاً دستخوش نوردکاری قراردادی قرار می گیرند اما با نورد کنترل شده تبلور مجدد تولید می شود.

با نورد کاری قراردادی فولادهای وانادیوم قوی ساختن مناسب رسوب را تهیه کرده و قوی ساختن نسبتاً کمی را از تصفیه دانه ایجاد می کنند استحکام تسلیم حداکثر فولادهای وانادیوم نورد گرم قراردادی با 25/0 درصد کربن و 087/0 درصد وانادیوم حدود 450 مگا پاسکال (ksi 65) است .

حد عملی استحکام های تسلیم برای فولاد میکرو آلیاژ شده وانادیوم نورد گرم حدود 415 مگا پاسکال (ksi 60) است حتی وقتی تکنیک های نورد کاری کنترل شده بکار روند .

فولادهای وانادیوم که در معرض نورد کاری کنترل شده تحت تبلور مجدد قرار می گیرند نیاز به اضافه کردن تیتانیوم دارند بطوریکه رسوب ریزی ازTiN تشکیل می شود که رشد دانه آستنیت را بعد از تبلور مجدد محدود می سازد .

استحکام های تسلیم از نورد کاری کنترل شده قراردادی به حد عملی حدود 415 مگا پاسکال (ksi 60) محدود شده است که به دلیل فقدان تاخیر تبلور مجدد است وقتی هم استحکام و هم چقرمگی ضربه ای از جمله عوامل مهم باشند در این صورت فولاد نیوبیوم کم کربن و نورد کاری شده کنترل شده قابل ترجیح است ( مثل ورقه مقاوم به ترک خوردگی تحریک شده هیدروژن 60- X )]1[.

جدول(1-1)اثر مقدار منگنز روی قوی ساختن رسوب فولاد میکروآلیاژ شده وانادیوم با ترکیب پایه 08/0 درصد کربن و 30/0 درصد سیلیسیوم ]1[ 1-1-2-2- فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم : مثل وانادیوم ، نیوبیوم استحکام تسلیم را با سخت کردن رسوب ، بالا می برد ، میزان افزایش به اندازه و مقدار کاربیدهای نیوبیوم رسوب کرده بستگی دارد .

شکل(1-2) اثر کاربید نیوبیوم روی استحکام تسلیم برای اندازه های متفاوت ذرات کاربیدنیوبیوم ]1[ با این حال نیوبیوم نیز یک تصفیه کننده دانه ای موثر از وانادیوم است .

بنابراین اثر ترکیبی قوی کردن رسوب و تصفیه دانه فریت نیوبیوم، یک عمل قوی کننده موثرتر از وانادیوم می سازد .

اضافه کردن نیوبیوم معمولاً حدود 04/0% تا 02/0% درصد است .

استحکام دهی با نیوبیوم 35 تا 45 مگا پاسکال (5تا 6 ksi )در هر 01/0 درصد اضافه کردن است.

این استحکام دهی با نقص قابل توجهی از چقرمگی فاز توام می باشد .

تا اینکه روندهای نوردکاری ویژه ای تهیه شدند و مقادیر کربن برای جلوگیری از شکل گیری بینیت فوقانی پایین آورده شدند .

بطور کلی دماهای پرداخت کاری بالا و عبورهای تغییر شکل نوری در مورد فولادهای نیوبیوم بکار می روند چون ممکن است باعث افزایش اندازه های دانه های مخلوط و یا فریت و یدمن اشتاتن شود که چقرمگی را ناقص می کند .

فولادهای نیوبیوم با نورد کاری کنترل شده و سرد کردن مستقیم تولید می شوند.

نوردکاری کنترل شده تحت تبلور مجدد فولاد نیوبیوم می تواند بدون تیتانیوم موثر باشد و این در حالی است که نورد کاری تحت تبلور مجدد فولادهای وانادیوم برای تصفیه ی دانه ای به تیتانیوم نیاز دارد .

همچنین نیوبیوم بسیاری مورد نیاز است و فولادهای تیتانیوم – نیوبیوم می توانند در دماهای بالاتر نورد کنترل شده تحت تبلور مجدد بشوند.

در حال حاضر فولادهای سطح ساحلی با ضخامت بیش از 75 میلیمتر (in 3) و با استحکام های تسلیم 345 تا 415 مگا پاسکال (50 تا 60 ksi) بطور معمول تولید می شوند .

]1[ 1-1-2-3- فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم – وانادیوم : فولادهای میکروآلیاژ دارای نیوبیوم و وانادیوم استحکام تسلیم بالاتری در شرایط نورد گرم بطور قراردادی نسبت به فولادهای موجود را دارد .

مثل فولادهای نورد گرم ، فولادهای وانادیوم – نیوبیوم تقریباً همه از استحکام افزایش یافته اشان به دلیل استحکام دهی به رسوب مشتق می شوند و بنابراین دماهای انتقال بالای شکل پذیر شکننده دارند .

اگر فولاد نورد، کنترل شده باشد اضافه کردن نیوبیوم و وانادیوم با هم از جمله مزایایی برای افزایش استحکام تسلیم و پایین آوردن دماهای انتقالی شکل پذیر شکننده یا تصفیه دانه ای است .

معمولاً فولادهای نیوبیوم – وانادیوم با مقادیر کربن نسبتاً پایین شناخته می شوند .

( کربن کمتر از %10/0) این مقدار پرلیت را کاهش می دهد و چقرمگی ، شکل پذیری و قابلیت جوش را بالا می برد.

این فولادها، معمولاً به عنوان فولادهای کاهش یافته پرلیت شناخته می شوند.

]1[ 1-1-2-4- فولادهای میکروآلیاژ شده مولیبدن – نیوبیوم : ممکن است میکروساختمان پرلیت – فریت داشته باشند و یا یک میکرو ساختمان فریت سوزنی داشته باشند ، در فولادهای نیوبیوم، اضافه کردن مولیبدن ، استحکام و تسلیم و استحکام کششی را حدود 20 مگا پاسکال (ksi 3) تا 30 مگا پاسکال (ksi 5/4) به ترتیب در هر 1/0 درصد روی رنج تحقیق شده 27/0 درصد مولیبدن افزایش می دهد ، اثر اصلی مولیبدن روی میکروساختمان تغییر مورفولوژی پرلیت و معرفی بینیت فوقانی به صورت جانشینی جزیی برای پرلیت است .

با این حال ، چون مقادیر جداگانه استحکام پرلیت و بینیت تا حدی مشابهند از اینرو پیشنهاد شده است که افزایش استحکام ناشی از قوی ساختن محلول جامد و قوی ساختن زیاد رسوب (CN) Nb حاصله با نیوبیوم – مولیبدن باشد .

واکنش بین مولیبدن و نیوبیوم ( یا وانادیوم ( با اضافه کردن مولیبدن به صورت توزیعی برای افزایش قوی ساختن رسوب پیشنهاد شده است .

این اثر به رسوب کاهش یافته در آستنیت به دلیل افزایش در قابلیت انحلال ناشی از کاهش در فعالیت کربن ایجاد شده با مولیبدن نسبت داده شده است .

با رسوب کمتر در آستنیت ، رسوبات بیشتری می توانند در فریت تشکیل شوند که باعث بالا رفتن استحکام می شود ، همچنین مولیبدن در خود رسوبات شناسایی شده است ، حضورش ممکن است ، کارآیی قوی شدن را با افزایش و تنش های چسبندگی ( پیوستگی ( و یا با افزایش کسر حجم رسوب ، بالا برد ، این فاکتور های متالوژیکی وقتی در رابطه با کارآیی نورد کنترل شده برای دماهای زیر دمای AR3 در نظر گرفته می شوند، منجر به تهیه فولاد خط لوله نیوبیوم- مولیبدن 70-X مقرون به صرفه تر می شوند .

]1[ 1-1-2-5- فولادهای میکرو آلیاژ شده ی وانادیوم – نیتروژن : وانادیوم ، به طور قوی تر از نیوبیوم ، با نیتروژن ترکیب می شود و رسوبات نیترید وانادیوم در فولاد نیتروژن – وانادیوم تشکیل می دهند .

افزودنی های نیتروژنی به فولادهای دارای استحکام بالا و حاوی وانادیوم ، از لحاظ تجاری مهم شدند چون افزودنی ها ، سخت کاری رسوب را بالا می برند .

سخت کاری رسوب ممکن است با کاهش در چقرمگی فاز همراه باشد ، اما این کاهش اغلب با کم کردن محتوای کربن دیگر صورت نمی گیرد ، رسوب نیترید وانادیوم نیز به صورت یک تصفیه کننده دانه ای عمل می کند .

بعضی از تولید کنندگان از افزودنی های نیتروژن استفاده می کنند تا به قوی ساختن رسوب ورقه سرد و کنترل شده با ضخامت بالای 5/9 میلیمتر (in 375/0) کمک کنند ورقه های نورد گرم دارای وانادیوم و دارای 022/0% تا 018/0% درصد نیتروژن باسرد سازی کنترل شده با ضخامت بالای 16 میلیمتر ( in 625/0 ) و دارای استحکام های تسلیم 550 مگا پاسکال (ksi 80)تولید شده اند .

با این حال ، ترک خوردگی به تاخیر افتاده ، یک مشکل اصلی در این فولادهاست .

استفاده از نیتروژن ، برای فولاد هایی توصیه نمی شود که جوش پذیرند چون اثر مخربی روی چقرمگی فاز در ناحیه ی تحت تاثیر گرما دارد.]1[ 1-1-2-6- فولادهای میکروآلیاژ شده ی تیتانیوم : تیتانیوم در فولاد های کم کربن به صورت ترکیباتی شکل می گیرد که تصفیه دانه ، قوی ساختن رسوب و کنترل شکل سولفید را فراهم می آورد .

با اینحال ، چون تیتانیوم نیز یک دی اکسید کننده قوی است ، از این رو ، تیتانیوم می تواند فقط در فولادهای کاملاً کشته شده به کار رود ( آلومینیوم دی اکسید شده ) به طوری که تیتانیوم برای شکل دهی ترکیباتی غیر از اکسید تیتانیوم موجود است .

از لحاظ تجاری ، رسوب فولاد های قوی شده با تیتانیوم با ضخامت بیش از 9/5 میلیمتر (in 375/0 ) و با استحکام تسلیم حداقل متغیر از 345 تا 550 مگا پاسکال (50 تا 80 ksi) با نورد کاری کنترل شده مورد نیاز برای به حداکثر رساندن استحکام و بالا بردن چقرمگی ، تولید می شوند .

مثل فولادهای نیوبیوم و یا وانادیوم ، فولادهای میکروآلیاژ شده تیتانیوم ، با مکانیزم هایی مستحکم می شوند که با ترکیبی از تصفیه دانه و استحکام دهی رسوب توام می باشند ، ترکیبی که به مقدار افزودنی های آلیاژ و روشهای به عمل آوری بستگی دارد .

در فولادهای ریختگی پیوسته و یا مجدداً حرارت داده شده ، مقادیر کمی از تیتانیوم ( تیتانیوم 025/0 درصد> ) از جمله تصفیه کننده های دانه موثرند .

چون ریشه دانه آستنیت با نیترید تیتانیوم به تاخیر می افتد (شکل الف1-3).

شکل (الف 1-3) در زبری دانه آستنیت طی گرم کردن مجدد و بعد از نورد گرم برای نگهداری به مدت 30 دقیقه که مقدار تیتانیوم بین080/0% و 022/0% درصد می باشد.]1[ مقادیر کم تیتانیوم در نورد کاری کنترل شده تحت تبلور مجدد نیز موثر است ، چون نیترید تیتانیوم، رشد دانه آستنیت باز متبلور شده را به تاخیر می اندازد .

در نورد کاری کنترل شده قراردادی ، تیتانیوم ، تصفیه کننده دانه متوسط است ، که تصفیه کمتر از نیوبیوم را ایجاد می کند اما بیشتر از وانادیوم است .

بنابراین برای قوی کردن رسوب ( شکل1-3-ب ) مقدار کافی تیتانیوم برای تشکیل کاربید تیتانیوم مورد نیاز است، درصد های کم تیتانیوم ( تیتانیوم 025/0درصد > ) اساساً نیترید تیتانیوم تشکیل می دهند ، که روی رشد دانه آستنیت تاثیر دارند اما اثر کم روی قوی کردن رسوب دارند چون رسوب های تشکیل شده در مایع ، درشت و ناهموار هستند .

افزایش مقدار تیتانیوم منجر به تشکیل آخال های سولفید منگنز حاوی تیتانیوم (Mn,Ti)S می شود و سپس کربوسولفیدهای کروی ، Ti4,C2,S2 تشکیل می شوند ( که کنترل شکل سولفید را انجام می دهند) ]1[.

شکل (1-3-ب ) وابستگی استحکام دهی رسوب روی اندازه متوسط رسوب (X) و کسر آن مطابق با تئوری و مشاهدات آزمایشی برای افزودنی های میکروآلیاژ کننده ی داده شده]1[ شکل گیری Ti4,C2,S2 همراه با شکل گیری کاربید تیتانیوم (TiC ( است و با آن دنبال می‌شود ، که می تواند برای قوی کردن رسوب فولادهای کم کربن به کار رود .

برای تعیین مقدار تیتانیوم که برای قوی کردن رسوب موجود است ، مقدار کامل تیتانیوم باید برای شکل گیری نیترید تیتانیوم و کربوسولفیدهای نامحلول و درشت تنظیم شود .

این نمونه ها در قوی ساختن رسوب ، ته نشین نمی شود .

استحکام مشاهده شده از لحاظ آزمایشی که از رسوب TiC افزایش می یابد، برای هر ذره بسیار ریزی ( کمتر از 30 آنگستروم) تا بالای 440 مگا پاسکال متغیر است (شکل1-3-ب ).

اگر مقدار کافی تیتانیوم به کار رود ، تیتانیوم بعداً می تواند استحکام دهی رسوب بیشتر از نیوبیوم و یا وانادیوم فراهم کند .

با این حال چون سطوح بالاتر استحکام دهی رسوب ، معمولاً توام با چقرمگی کم شده است ، از این رو تصفیه دانه برای توسعه و بالا بردن چقرمگی ضروری می شود.

تیتانیوم یک تصفیه کننده دانه ای متوسط است ( در مقایسه با نیوبیوم و وانادیوم در فولادهای نورد گرم شده ) و سطوح بالای استحکام دهی رسوب فولادهای میکروآلیاژ شده تیتانیوم باعث کاهش شدید در چقرمگی می شود .

استفاده از فقط تیتانیوم به عنوان یک استحکام دهنده در نوار نورد گرم پر استحکام منجر به تغییر پذیری غیر قابل قبول در خصوصیات مکانیکی می شود .

(شکل1-3-ب ).

]1[ 1-1-2-7- فولادهای میکروآلیاژ شده ی تیتانیوم – نیوبیوم : گرچه فولادهای تیتانیوم رسوب قوی شده محدودیت هایی بنا بر چقرمگی و تغییر پذیری خصوصیات مکانیکی دارند ، اما تحقیق نشان داده است که اضافه کردن تیتانیوم به فولادهای نیوبیوم کم کربن باعث پیشرفت در خصوصیات اشان می شود .

تیتانیوم ، کارآیی نیوبیوم را افزایش می دهد .

چون آن با نیترید تیتانیوم تشکیل دهنده ترکیب نیتروژن است ، بنابراین از شکل گیری نیوبیوم جلوگیری می کند و قابلیت افزایش انحلال نیوبیوم را در آستنیت میسر می سازد که باعث رسوب افزایش یافته ای از ذرات Nb(C,N) در فریت می شود اضافه کردن 04/0 درصد تیتانیوم به نوار فولاد حاوی مقادیر متفاوت نیوبیوم ، به طور ثابت ، افزایش استحکام حدود 105 مگا پاسکال (ksi 15) را برای دمای 675 درجه ی سانتیگراد (1250 درجه ی فارنهایت ) تولید می کند.

نوار فولاد تیتانیوم – نیوبیوم نورد گرم شده در ایجاد استحکام های تسلیم حدود 550 مگا پاسکال (ksi 80) موثر است .

افزودن وانادیوم و یا مولیبدن می توان استحکام ها را تا 690 مگا پاسکال (ksi 100) بالا ببرد .

]1[ 1-2-نکته : باتوجه به بررسی های انجام شده در مقالات وکتب تا کنون هیچ گونه بررسی در مورد تنش آستانه ای برروی فولادهای میکروآلیاژی انجام نشده لذا در این پروژه جایی برای بحث ندارد.

فصل دوم مروری بر منابع 2-1- معرفی معادلات خزش: آلیاژهای آلومینیوم برای کار در دمای بالا در رنج دمایی 423-443 درج کلوین را می توان به کار گرفت .بالاتر از این ،مقاومت آلیاژبا زمان به سرعت تنزل می کند.

پژوهشگران سعی دارند که آلیاژ جدیدی از آلومینیوم را برای دمای بالا طراحی کنند.یکی از عناصری که در تقویت این مهم به آلومینیوم کمک می کندSc است.که چسبندگی خوبی ایجاد میکند.دانشمندان با ترکیب عناصر دیگری همچون منیزیم وزیرکونیوم به آلومینیوم آلیاژ مورد مبحث را طراحی کردند .اما آن چیزی که برای ما مطرح است آزمایش انجام شده برروی نمونه با ابعاد استاندارد تهیه شده است که تحت بار ویا تنش ثابت در محیط ودماهای مورد نظر بررسی شده است.

یکی از نتایجی که از این آزمایش بدست می آید نمودارمی باشد.شکل (2-1) نمودار خزش مربوط به آلیاژ Al-6Mg-2Sc-1Zr را نشان می دهد.

[2] شکل (2-1) : نمودار خزش- تنش آلیاژ Al-6Mg-2Sc-1Zr [2] این نمودار ازسه مرحله تشکیل شده است .مرحله اول تحت عنوان خزش اولیه بوده که ناشی از مکانیزم کارسختی است .مرحله دوم خزش ثانویه ومرحله سوم خزش ثالثیه که در مرحله دوم مکانیزم کارسختی وبازیابی به تعادل رسیده ودر مرحله سوم مکانیزم تشکیل حفره یا ترک باعث کاهش ناگهانی سطح مقطع شده ونرخ کرنش یکباره زیاد می شود.

اما باتوجه به این که خزش ثانویه از نظر زمانی طولانی تر از سایر مراحل است، بسیار پر اهمیت است وعهده فعالیت ها برای بهبود خواص خزشی در این مرحله متمرکز شده است.شیب منحنی مذکور بیانگر آهنگ ونرخ کرنش می باشد که در طی مرحله اول بتدریج کاهش یافته ودر مرحله دوم به یک مقدار ثابت رسیده ،که این مقدار کمترین مقدار نرخ کرنش خزش مشاهده شده در نمودار است ودر مرحله سوم نرخ خزش به سرعت افزایش می یابد .

رابطه زیر به نام قانون پاور1 یکی از روابطی است که برای نرخ خزش ثانویه ارایه شده است.

[2] (معاله 2-1) که در این رابطه َAیک مقدار ثابت ،تنش اعمالی ، Qa انرژی اکتیواسیون برای خزش ،R ثابت گازها وTدما برحسب کلوین است.

اما روابط دیگری نیز برای این مرحله ارایه شده است.یکی از این روابطی که در اصلاح قانون پاور معادله (2-1) ارایه شده است ودر آلیاژهایی که به وسیله رسوبات تقویت شده اند ،کاربرد دارد ،به صورت زیر است: (معادله 2-2) که در این رابطه Aثابت بدون بعد ،D ضریب نفوذ در شبکه ،G مدول برشی ، bبردار برگرز،K ثابت بولتزمن ، تنش آستانه ای و n توان تش حقیقی می باشد.

na توان تنش ظاهری در مینیمم نرخ کرنش خزشی بوده وازرابطه زیر بدست می آید: (معادله 2-3) این توان با کاهش تنش اعمالی افزایش می یابد که این دلالت بر رفتار تنش آستانه ای حقیقی می کند [2] .

اما رابطه دیگری که برای نرخ خزش مرحله دوم ارایه شده بصورت زیر است: (معادله 2-4) که در آن 5=n برای فلزات fcc، Dsd ضریب خودپخشی شبکه، A یک ثابت حساس به ساختار، χ انرژی نقص چیدمان ، σss تنش واقعی در حالت پایدار، k ثابت بولتزمن، T دما به صورت کلوین ، b بردار برگرز و G مدول برشی.

σss در معادله(2- 4 )هما ن است که در معادلات (2-1و2-2)مشاهده شدوهمچنین آن را در بسیاری از مواد می‌توان با یک تنش موثر برابر (σss - σth) جایگزین کرد که در آن σth تنش آستانه‌ای برای تغییرشکل خزشی است.

تنش آستانه‌ای می‌تواند در نتیجه وجود ذرات فاز دوم بوجود بیاید، مثل سوپرآلیاژها با پایه نیکل و آلیاژهای تقویتی با پخش اکسیژن یا ساختار نابجایی در مورد فولاد زنگ نزن 20%Cr-25%Ni.

تنش آستانه‌ای به میکرومکانیسم سببی وابسته است و بنابراین در صورت غیرمتغیر بودن میکرومکانیسم، باید نسبت به تنش ثابت باشد.

تنش آستانه‌ای ظاهری بیشتر با توجه به تاثیر ساختار ناب‌جایی بر روی A ثابت در معادله سرعت خزش در حالت پایدار توجیه می‌شود.

آزمایش تغییر تنش که در آن تنش به طور پیوسته بیشتر می‌شود، یک تنش آستانه‌ای بدست می‌دهد که با آزمایشهای خزشی متعارف برابر است.

این نشان می‌دهد که ساختار حالت پایدار در یک تنش خاص مستقل از مسیر است مادامیکه تنشهای فعلی کوچکتر باشد.

زیرساختار نابجایی هم نشان می‌دهد که تغییرشکل خزشی توسط مکانیسم شبکه نابجایی ایجاد می‌شود.

تنش آستانه‌ای برای این مکانیسم، نشان‌دهنده تنش لازم برای فعالسازی پیوندهای نابجایی است که شبکه را تشکیل می‌دهند [3].

2-2- بررسی تنش آستانه ای در آلیاژAl-0/03wt%Sc: بررسی ها نشان می دهد که تنش آستانه ای به وسیله مکانیزم هایی هم چون برش ذرات وصعود نابجایی ها قابل تشریح است.در واقع تنش آستانه ای به دلیل واکنش واثر متقابل نابجایی وذرات تقویت کننده برروی یکدیگر ایجاد می شود .تحقیقاتی که برروی این زمینه انجام شده علت وجود تنش آستانه ای را مشخص می کند.در این مدل فرض می شودکه ذره ای استوانه ای شکل بوده که شعاع آن برابر r و ارتفاع آن برابر2r می باشد.

نمونه مورد بررسی آلیاژی از آلومینیوم است که حاوی 03/0 درصد Sc است.Sc با Al ترکیب شده وساختار بین فلزی Al3Sc تشکیل می دهد.شکل استوانهای، تقریبی منطقی از شکل کروی ذرات است که کار با آن در این مدل بیش از حد پیچیده است.شکل (2-2) شکل (2-2) :هندسه مدل صعود برای آلیاژ آلومینیوم [3] آنچه برای ما درنتیجه این آزمایش اهمیت دارد اثر تنش اعمالی بر سرعت حرکت نابجایی ها است که در شکل (2-3) مشخص است [3].

شکل (2-3): اثر تنش اعمالی بر سرعت حرکت نابجایی ها [3] نابجایی هایی که صفحه لغزش آنها بالاتر از مرکز ذرات است با h مثبت ونابجایی هایی که صفحه لغزش آنها پایین تر از مرکز است با h منفی مشخص شده اند.

برای یک نیمه از ذره ،مجموع کارانجام شده بوسیله نیروهای الاستیک مثبت است وبه عبور نابجایی کمک می کند .وقتی نابجایی به بالای ذره می رسد، لغزش کرده واز ذره دور می شودکه در اینجا نیروی لغزش مثبت است و تنش آستانه ای مقدارناچیزی است.برای نیمه دیگر ذره ،مجموع کار انجام شده به وسیله نیروهای الاستیک منفی است،بطوری که نابجایی از فصل مشترک ذره دفع می شودوتنها زمانی می تواند عبور کند که تنش اعمالی بیش از تنش آستانه ای باشد.

عدم تقارن نیروی صعود ناشی از عدم تقارن شبکه ، علت اصلی پیدایش تنش آستانه ای است .البته این عامل به تنهایی باعث ایجاد تنش آستانه ای نمی شود ،زیرا نیروی صعود همواره به حرکت روبه بالای نابجایی کمک می کند.باید توجه کرد که تاثیر اصلی نیروهای الاستیک ،اصلاح پتانسیل شیمیایی جاهای خالی در مقطعی است که نابجایی صعود می کند،بطوری که هم تنش آستانه ای وهم سرعت صعود تغییر می کنند.این مدل تنش آستانه ای حقیقی را برای نابجایی ها پیش بینی می کند ،زیرا وقتی پتانسیل شیمیایی جاهای خالی مثبت می شود ،فرآیند صعود نمی تواند رخ دهد.

لذا تحت شرایط خزشی در 300 درجه سانیگراد، آلیاژهای Al-0/03wt%Scرفتار تنش آستانه ای از خود نشان می دهند [3].

2-3_ بررسی تنش آستانه ای در آلومینیوم 5083 اصلاحی : مشخص شده که آلیاژهای آلومینیومی حاوی پراکندگی‌های غیرقابل برش به طور طبیعی مقاومت خزشی چشمگیری را در دماهای معین از خود نشان می‌دهند که این در نتیجه وجود تنش آستانه‌ای است که در کمتر از آن سرعت کرنش ناچیز تلقی می‌شود.

رفتار آستانه‌ای آلیاژهای آلومینیوم تقویتی ناشی از ذرات بسیار ریزی است که از حرکت نابجایی شبکه جلوگیری می‌کند.

در آلیاژهای آلومینیومی و کامپوزیت‌های زمینه ناپیوسته آلومینیوم که با متالوژی پودر1 (PM) تهیه شده‌اند، این پراکندگی‌ها ممکن است اکسیدهایی باشند که از روش تکنولوژیکی بدست آمده‌اند.

این اکسیدها به عنوان موانعی طبیعی برای حرکت ناب‌جایی عمل می‌کنند و باعث پیدایش تنش آستانه‌ای برای خزش می‌شوند.

در نتیجه سرعت کرنش خزشی در این مواد به میزان زیادی کمتر از آلیاژهای محلول جامد آلومینیوم است که با متالوژی شمش‌ریزی2 (IM) در مقادیر مشابه دما و تنش وارده تولید می‌شوند.

در همین زمان آلیاژهای آلومینیوم IM به خاطر ترکیب مناسب مقاومت خزشی، مقاومت، و سختی موادی جذاب برای کاربردهای دمای بالا هستند.

اخیراً مشخص شده که کامپوزیت با پایه آلومینیوم IM علاوه بر آلیاژهای آلومینیوم، هم می‌توانند رفتار آستانه‌ای داشته باشند.

با این حال، در حال حاضر منشا تنش آستانه‌ای در این مواد تحت بررسی است.

مشخص شد که یک آلیاژ آلومینیوم 2219 با متالوژی شمش‌ریزی (IM) رفتار آستانه‌ای از خود نشان دادند.

مقادیر تنش آستانه‌ای در این ماده و در دو آلیاژ (PM) Al-Cu-Mg-Mn به میزان زیادی با هم مشابه بودند.

بنابراین می‌توان انتظار داشت که ذرات نرم فاز دوم در عناصر می‌توانند نقش مشابهی را در آلیاژهای آلومینیوم IM ایفا کنند و مقاومت خزشی را در تغییرشکل دمای بالا (مثل اکسیدهای نانومقیاس آلیاژهای آلومینیوم PM) تقویت کنند.

آلیاژ مورد نظر آلیاژ آلومینیوم 5083 است که با wt.% Zr 2/0 آلیاژی شده است.

این ماده با متالوژی شمش‌ریزی تولید شده که حاوی پراکندگی‌های Al3Cr و Al3Zr هستند و دارای رفتار آستانه‌ای است.

نسخه آزمایشی آلیاژ آلومینیومی 5083 با ترکیب شیمیایی Al–4.7% Mg–1.6% Mn–0.2% Zr–0.18% Cr–0.1% Fe (in wt.%) در «شرکت شیمیایی و آلومینیومی کایزر» تولید شد.

منحنی‌های نمادین تنش واقعی- کرنش واقعی برای دماهایی در محدوده 250-570 در جه سانتیگراد در شکل (2-4) نشان داده شده است.

منحنی‌های σ-ε که نشان دهنده تمام شرایط آزمایشی هستند، یک جریان حالت پایدار را پس از یک مرحله بسیار کوتاه تغییرشکل پلاستیک ازخود نشان داد.

شکل(2-5) نموداری از سرعت خزش حالت پایدار را در برابر کرنش بدست آمده از آزمایش نامنقطع (منحنی I) و آزمایش با تنش متغیر (منحنی II) را نشان می‌دهد.

مشاهده می‌شود که منحنی خزش I مرحله بسیار کوتاهی از خزش اولیه را نشان می‌دهد.

جریان حالت پایدار در مقادیر کرنش واقعی در004/0حفظ شد.

در حین آزمایشهای تغییر تنش یک حالت پایدار جدید پس از یک دوره موقتی بسیار کوتاه بدست آمد.

(شکل 2-5، منحنی II) توجه کنید که داده‌های بدست آمده از آزمایشهای نامنقطع هماهنگی خوبی با آنهایی دارد که از آزمایشهای منقطع در فشار و کشش بدست آمده است.

شکل2-4: منحنی‌های تنش واقعی- کرنش واقعی برای 5083Al [5] شکل2-5: مثال آزمایش‌های افزایش تنش و منحنی خزش برای 5083Al [5] 2-3-1- وابستگی سرعت کرنش حالت پایدار به تنش: شکل(2-6 )تغییرات سرعت کرنش تحمیلی را با تنش حالت پایدار برای آزمایش ووابستگی سرعت خزش حالت پایدار به تنش وارده برای آزمایش خزش را در محدوده دمای 250-570 درجه سانتیگرادنشان می‌دهد.

شکل (2-6):نمودار کرنش در برابر تنش جریانی در حالت پایدار درمقیاس لگاریتمی[5] می‌توان مشاهده کرد که داده‌های بدست آمده از آزمایش هماهنگی عالی با موارد بدست آمده از آزمایشهای ماشین خزش دارد.

می‌توان سه ناحیه دما- کرنش را بنا به تغییر توان تنش ظاهری (na) با سرعت کاهشی کرنش، تشخیص داد.

در MPa130-100 (ناحیه تنش زیاد) مقدار na با کاهش سرعت کرنش از حدود 26 به حدود 7 کاهش می‌یابد که نشان می‌دهد رفتار تغییرشکل را در این ناحیه می‌توان با رابطه‌ای نمایی نشان داد: (معادله 2-5) که در آن ε سرعت کرنش، B یک ثابت، β ضریب، σ تنش جریانی در حالت پایدار، Q انرژی فعالسازی برای تغییرشکل پلاستیک، R ثابت گازی و T دمای مطلق است.

برای تایید اعتبار معادله 2-5، نقطه مبنا در ناحیه تنش زیاد در مقیاسی نیمه لگاریتمی ترسیم شده است.

مشخص شد که این نمودار بهترین هماهنگی خطی را با ضریب برگشت 98/0 دارد.

در ناحیه تنش متوسط (MPa130-1004) بهترین هماهنگی با داده‌های تجربی، به واسطه رابطه قانون نیرو به شکل معمول بدست می‌آید: