بخشی از مقاله
بررسي تأثير عمليات حرارتي برگشت -پيرسازي مجدد بر خواص مکانيکي آلياژ آلومينيوم T6-7075
چکيده
يکي از معمولترين سيکل هاي عمليات حرارتي که بر روي آلياژ آلياژ آلومينيوم ٧٠٧٥ انجام مي شود عمليات حرارتـي T6 است که طي آن استحکام و سختي به هزينه مقاومت به خوردگي تنـشي افـزايش مـي يابـد. در کـار حاضـر، تـأثير عمليات حرارتي برگشت -پيرسازي مجدد (RRA) بر روي نمونه هاي آلومينيومي ٧٠٧٥ فورج شده در شرايط T6 مورد بررسي قرار گرفته است . بدين منظور عمليات بازگشت در درجه حرارتهاي ١٨٠، 2٠٠، 22٠، و2٤٠ درجه سـانتيگراد به مدت زمانهاي ٥، ١٠ و 2٠ دقيقه در حمام نمک و متعاقب آن مجـددا" سـيکل پيرسـازي در دمـاي ١2٠ درجـه سانتيگراد و زمان 2٤ ساعت در حمام روغن روي نمونه ها اعمال شده اسـت . ساختارميکروسـکوپي و خـواص مکـانيکي نمونه هاي RRA شده با نمونه هاي T6 مورد مقايسه قرار گرفته است . نتايج بدست آمده نشان مي دهد کـه در صـورت اعمال مناسب عمليات RRA (که باعث بهبود مقاومت به خوردگي تنشي آلياژ مي گـردد)، خـواص مکـانيکي قطعـات جدار نازک آلياژ ٧٠٧٥ به نحو مؤثري افزايش مي يابد.
واژه هاي کليدي: عمليات حرارتي RRA، آلومينيوم T6 -٧٠٧٥، خواص مکانيکي ، قطعات جداره نازک
١. مقدمه
آلياژ آلومينيم ٧٠٧٥ يکي از آلياژهاي با استحکام بالا است کـه در صـنايع مختلـف از جملـه صـنايع خودروسازي و هوا فضا کاربرد گسترده اي دارد [١-٣]. جهت بهبود خـواص مکـانيکي و متـالورژيکي آلياژ از روشهاي ترمومکانيکي و عمليات حرارتي رسوب سختي استفاده مي شود. بطور کلـي عمليـات ترمومکانيکي شامل تغيير فرم پلاستيکي آلياژ در دماي بالا و تبلـور مجـدد جهـت دسـتيابي بـه ريـز ساختار مناسب است و عمليات حرارتي رسـوب سـختي شـامل دو مرحلـه عمليـات انحـلال سـازي و پيرسازي مي باشد. هدف از عمليات انحلال سازي، حل کردن رسوبهاي AlCuMg2 و MgZn2 قابل حل که اصلي ترين آنها هستند در زمينه بوده که در نتيجه يـک محلـول جامـد فـوق اشـباع بـا پايـه آلومينيم ايجاد مي گردد [٤-٦]. مرحله پيرسازي که به روش مصنوعي يا طبيعي انجام مي شـود، بـا ايجاد رسوبهاي بسيار کوچک در ريز ساختار، استحکام و سختي آلياژ را افزايش مي دهد [٤]. از آنجـا که در هر صورت صفحات ضخيم اين آليا ژ در جهت کوتاه عرضي نسبت به خوردگي تنـشي حـساس بوده اند، بنابراين عمليات بازپخت T٧٣ و T٧٦ براي بهبود مقاومت در بر ابر خوردگي تنشي و ورقـه اي توسعه داده شدند [2و٨]. تحقيقات انجام شده نشان مي دهد که استفاده از آلياژ آلومينيم ٧٠٧٥ در شرايط پيرسازي T٧٣ باعث حذف شکستهاي ناشي ازخوردگي تنشي مـي گـردد، ولـي در عـوض استحکام نسبت به حالت پيرسازيT6 ، به ميزان ١٥ درصد کـاهش مـي يابـد [ 2 و ٤ و٧]. يکـي از سيکلهاي عمليات حرارتي پيشنهاد شده براي بهبود همزمان استحکام و مقاومـت خـوردگي ، عمليـات بازگشت -پيرسازي مجدد (RRA) مي باشد. عمليات حرارتي RRA کـه در سـال ١٩٧٤ م. توسـط CINA ارائه شده است ، نوعي عمليات سه مرحله اي مي باشد که ضمن افـزايش ٥ تـا ١٥ درصـدي استحکام نسبت به T6 ، باعث بهبود خواص خوردگي تنشي نسبت به T٧٣ مي شود. در اين عمليات ابتدا عمليات حرارتي T6 بر روي نمونه ها انجام مي شود و سپس در محـدوده دمـايي ١٨٠ تـا 2٨٠ درجه سانتيگراد به مدت ٥، ١٠ و ١٥ و ... دقيقه نمونه ها حرارت داده مي شود و سپس کوئنچ شده و مجددا" به مدت 2٤ ساعت در دماي ١2١ درجه سانتيگراد قـرار مـي گيرنـد [2و٨]. دليـل افـزايش استحکام در عمليات RRA نسبت به T6 به افزايش حجم جزئي فاز ́η بـا ترکيـب MgZn2 نـسبت داده شده است . اين فازها که به صورت نيمه کوهيرنت درون ساختار وجود دارند، مانعي قوي در برابـر حرکت نابجايي ها مي شوند و بنابراين نابجايي ها براي عبور از اين فازها مجبور به برش آنها مي شـود که اين امر باعث افزايش نرخ کار سختي و اسـتحکام مـي گـردد [٩]. در زمينـه بکـارگيري عمليـات RRA تحقيقات قابل توجهي صورت نگرفته و مکانيزمهاي حاکم به طور کامل شناخته نشده اند.
در کار حاضر، تأثير عمليات حرارتي RRA در شرايط مختلف بر خواص مکانيکي قطعات آلـومينيمي ٧٠٧٥ ساخت داخل در حالت فورج شده مورد بررسي قرار مي گيرد. بررسيهاي خستگي مکانيکي اين آلياژ نيز در حال انجام مي باشد.
2. مواد و روش تحقيق
بيلت هاي اکسترود شده از آلومينيوم ٧٠٧٥ ساخت داخل در طي سه مرحله فورج به لوله هـايي بـه ضخامت mm ١٠ تبديل گرديد. آناليز شيميائي نمونه هـاي مـورد اسـتفاده بـا مقـادير اسـتاندارد در جدول ١ مقايسه شده است . ساختار ميکروسکوپي نمونه ها با استفاده از محلول اچ کلر و ميکروسکوپ نوري مورد بررسي قرار گرفت . عمليات حرارتي همگن سـازي در حمـام نمـک در دمـاي ٤٦٠ درجـه سانتيگراد به مدت 2 ساعت بر روي نمونه هايي به ابعـاد mm ١٠×١٠×٥ و نمونـه هـاي کـشش کـه طبق استاندارد [٦ ] تهيه گرديده است انجام شد و سپس عمليات حرارتي پيرسازي در حمـام روغـن در دماي ١2١ درجه سانتيگراد به مدت 2٤ ساعت مطابق شرايط استاندارد انجام شده است [٧]. براي عمليات حرارتي RRA ابتدا عمليات بازگشت براي دماي ١٨٠درجه سانتيگراد وسـه دمـاي متفـاوت 2٠٠، 22٠ و 2٤٠ درجه سانتيگراد و به مدت زمانهاي ٥، ١٠ و 2٠ دقيقه به ترتيب در حمام روغن و حمام نمک بر روي نمونه ها T6 انجام شده و سپس در آب کوئنچ شده اند. در ادامـه نمونـه هـا بـه کمک حمام روغن ، مجددا" در دماي ١2١ درجه سانتيگراد به مدت 2٤ ساعت پير سـازي شـده انـد.
جهت بررسي خواص مکانيکي ، آزمايشات سختي سنجي و آزمايش کشش انجام شد.
٣. يافته ها و بحث
٣-١- ساختار ميکروسکوپي
ساختار ميکروسکوپي نمونه هاي اوليه اکسترود شده داخلي با ساختار نمونه هاي خارجي آلياژ ٧٠٧٥ در شکل ١ نشان داده شده است . همچنانکه مـشاهده مـي شـود، سـاختار نمونـه هـاي داخلـي داراي جدايش شديدي بوده و بمراتب ريزتر از نمونه خارجي است . جدول 2 مقادير اندازه دانـه سـاختارهاي داخلي و خارجي را نشان مي دهد. متوسط اندازه دانه ساختار نمونه مورد استفاده حـدودا" ١٦ برابـر کوچکتر ار نمونه هاي خارجي تحت اين شرايط است .
نمونه هاي فوق ابتدا فورج و سپس تحت عمليات T6 و RRA در دماهـاي ١٨٠، 2٠٠، 22٠ و2٤٠ درجه سانتيگراد در مدت زمان ٥ دقيقه قرار گرفتند. شکل 2 توزيع رسوبات در ساختار اين نمونه ها را نشان مي دهد. مقادير اندازه گيري شده درصد فازها توسط نرم افزار Image Tools نيز در جـدول ٣ آورده شده است . رسوبات فوق عمدتاً حاوي سيليسم بوده و توزيع يکنواخـت و ريزتـر آنهـا مطلـوبتر مي باشد [٤]. ديده مي شود که با افزايش دماي بازگشت ، درصـد فـاز کـاهش يافتـه و در دمـاي 22٠ درجه سانتيگراد مقدار آن معادل T6 مي باشد. تغييـرات خـواص مکـانيکي در نمونـه هـاي عمليـات حرارتي T6 و RRA شده به شرح زير مي باشد.
٣-2- تغييرات سختي در بازگشت
همانطور که از نمودارهاي شکل ٣ مشخص است ، تقريبا" در کليه دماهاي 2٠٠، 22٠ و 2٤٠ درجـه سانتيگراد، سختي با گذشت زمان افت مي کند و اين کاهش با افزايش دما بيـشتر مـي شـود. بـا ايـن حال، در درجه حرارت 2٠٠ درجه سانتيگراد، ابتدا سختي تا يک مقدار افت کرده و سپس با گذشـت زمان تا 2٠ دقيقه (همانند نمونه بازگشت داده شده در دماي ١٨٠ درجه سانتيگراد) سختي افـزايش مي يابد. کاهش سختي در تمام دماها تا زمان ٥ دقيقه را مي توان به انحلال رسوبات GP نسبت داد
[١٠]. اوگر و همکارانش نشان داده اند که در آلياژ هايي که مقدار Zn و Mg آنها به ترتيب بـالاتر از ٥.٥ و ١ درصد باشد، مناطق GP به طور کامل حل نخواهند شد [٩]. با توجه به جدول ١ مقدار Zn و Mg آلياژ مورد استفاده، در اين محدوده مي باشد. در نتيجه رسوبات GP در مرحلـه بازگـشت بـه طور کامل حل نشده اند. از سوي ديگر، در مدت زمان انحـلال GP، مقـدار کمـي فـاز ́η نيـز جوانـه مي زند. با گذشت زمان در دماي 2٠٠ درجه سـانتيگراد، بـه واسـطه افـزايش جزئـي درصـد حجمـي رسوبات ́η و کمي η، سختي آلياژ افزايش يافته است [ ٩]. پارک و آردل انحلال در زمان هاي بالاتر از ٥ دقيقه را براي دماهاي بالاتر از 22٠ درجه سانتيگراد مشاهده کردند [١١]. نتـايج آنهـا نـشان مـي دهد که در زمانهاي بيشتر از ٥ دقيقه ، رسوبات کوچک حل شده و رسوبات بزرگتر رشد مي کننـد. در نتيجه ساختار نهايي شامل مقدار کمي ́η و بيشتر η مي باشد. بنابراين طبق مکانيزم اروان، با افـزايش زمان برگشت در دماهاي 22٠ و 2٤٠ درجه سانتيگراد، سختي کاهش خواهـد يافـت . البتـه مطـابق شکل ٣، در دماي 2٤٠ درجه سانتيگراد، سختي پس ١٠ دقيقه افزايش يافته است . ايـن امـر مـي تواند ناشي از مقدار جزئي از جوانه زني ́η باشد.
٣-٣- تغييرات سختي در پير سازي مجدد
همانطور که در شکل ٤ نشان داده شده است ، پير سازي مجدد بعد از عمليات بازگشت در تمام دماها پس از گذشت زمان ٥ دقيقه باعث ايجاد بيشترين مقدار سختي مي شود. روام پيـشنهاد کـرد کـه در پيرسازي مجدد هر دو فاز GP و ́η هم مي توانند جوانه زني کنند و هم رشد نمايند، اما جوانه زني و رشد ́η بر جوانه زني و رشد GP غالب مي باشد. در نتيجه تا زمان ٥ دقيقه افزايش سختي را خواهيم داشت [١2]. همانطور که در شکل ٣ نشان داده شـده اسـت در نمونـه هـاي RRA شـده در دمـاي
١٨٠و 2٠٠ درجه ساتيگراد سختي افزايش يافته است . مشاهدات ميکروسکوپ الکتروني عبوري تاييد مي کند که اين افزايش سختي به واسطه افزايش در حجم جزئـي رسـوبات نـسبت بـه عمليـات T6 و بازگشت مي باشد [٩]. همانطور که در شکل ٤ نشان داده شده است ، با گذشت زمان بازگشت بيشتر از ٥ دقيقه در تمام دماها سختي بعد از پير سازي مجددا" کاهش مي يابد. دليل اين کاهش سـختي بـه علت درشت شدن رسوبات با افزايش زمان مي باشد. نتايج ارائه شده در کار حاضر نشان مي دهـد کـه چنانچه مرحله بازگشت در درجه حرارت ١٨٠ تا 2٠٠ درجه سانتيگراد انجام شده باشد، سختي نمونه پيرسازي مجدد شده در زمانهاي مختلف بازگشت کـاهش نمـي يابـد و در حـدود ١٧٠ برينـل بـاقي مي ماند.
٣-٤- تغييرات خواص کششي نمونه هاي عمليات حرارتي شده T6 و RRA
در شکل هاي a٥ تا c٥ به ترتيب درصد ازدياد طـول، اسـتحکام تـسليم و اسـتحکام کشـشي نهـائي نمونه هاي RRA شده براي سه دماي ١٨٠، 2٠٠ و 22٠ درجه سانتيگراد در مدت زمان ٥ دقيقه بـا نمونه هاي T6 مقايسه شده است . مطـابق شـکل در دمـاي 2٠٠ درجـه سـانتيگراد، بـالاترين مقـدار استحکام تسليم و استحکام کششي بدست آمده است . در نمونـه RRA شـده در دمـاي 2٠٠ درجـه سانتيگراد، بيشترين مقدار ́η وجود دارد و از آنجا که بر طبق مکانيزم اروان، براي تغيير فرم پلاستيک نابجايي ها بايد رسوبات را برش دهند، لذا بيشترين مقدار استحکام تسليم در نمونـه RRA شـده در دماي 2٠٠ درجه سانتيگراد که بيشترين مقدار از فاز ́η وجود دارد مشاهده مي شود [٩].
به طور خلاصه نتايج ارائه شده در شکل هاي ٣ تا ٥ نشان مي دهد که انجام عمليات حرارتـي RRA در درجه حرارت 2٠٠ درجه سانتيگراد و به مدت ٥ دقيقه ، سختي و استحکام آلياژ ٧٠٧٥ را افزايش مي دهد. بديهي است براي انجام موفقيت آميز اين عمل ، ضخامت قطعه نمي تواند زياد باشد. بنابراين فرآيند فوق بيشتر براي قطعات آلومينيمي جدار نازک توصيه مي گردد. بررسي خواص خستگي همراه با بررسي مکانيزم حاکم و ساختار رسوبات مختلف در طي اين عمليات در حال انجام مي باشد.
نتيجه گيري
به طور کلي نتايج زير از کار حاضر قابل ارائه است :
١- سختي و استحکام قطعات جدار نازک آلومينيم ٧٠٧٥ را مي توان به نحو موفقيت آميـزي توسـط عمليات برگشت -پيرسازي مجدد به ميزان ٥ تا ١٥ درصد بهبود بخشيد.
2- بهترين حالت افزايش خواص مکانيکي براي عمليات RRA ، درجه حرارت بازگـشت 2٠٠ درجـه سانتيگراد و مدت زمان ٥ دقيقه مي باشد.
٣- انتخاب درجه حرارت هاي بالاتر و مدت زمان هاي طولاني تر باعث کاهش خواص حتي به کمتر از مقدار عمليات T6 منجر مي شود.
٤- به علت کم بودن زمان بازگشت ، براي محيط گرم کننـده و ضـخامت قطعـه محـدوديت داشـته و عمليات فوق براي قطعات جدار نازک کاربرد خواهد داشت .
سپاسگزاري
