بخشی از مقاله
بررسی اثر Li و Na بر ریزساختار مقاطع نازک کامپوزیت درجا Al-Mg2Si
چکیده
در این پژوهش اثرات افزودن لیتیم و سدیم بر ریزساختار کامپوزیت درجا %Mg2Siمقاطع.Al-15wt برروی نازک بررسی شده است. با استفاده از میکروسکوﭖ نوری، SEM و آنالیز تصویری نشان داده شد که افزایش لیتیم باعث تغییر مورفولوﮊی Mg2Si اولیه از حالت نامنظم (اغلب دندریتی) به چندوجهی شده و اندازه متوسط ذرات را تا حدود ۵۸% کاهش می دهد. لیتیم همچنین باعث تغییر مورفولوﮊی Mg2Si یوتکتیک از حالت تیغه ای به شکل مرجانی می گردد. با افزایش سدیم، مورفولوﮊی Mg2Si اولیه از نامنظم (اغلب دندریتی) به چندوجهی تبدیل شده و اندازه ذرات نیز به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد. از طرفی سدیم مورفولوﮊی Mg2Si یوتکتیک را از تیغه ای به الیاف بسیار ریز یا نقطه ای تبدیل می کند.
واﮊههای کلیدی: کامپوزیت Al-Mg2Si، ریزساختار، اصلاح ساختار، لیتیم، سدیم، زمینه شبه یوتکتیک
بررسی تاثیر Liو Naبر ...
مقدمه:
نیاز به کاهش مصرف انرﮊی در صنایع اتومبیل سازی و هوا‐فضا، لزوم استفاده از مواد جدید را در برداشته و اخیرا استفاده از کامپوزیت های زمینه فلزی١در صنایع فوق مورد توجه قرار گرفته است ]۱.[
آلیاﮊها و کامپوزیت های پایه آلومینیوم به دلیل دارا بودن خواصی از قبیل دانسیته کم، استحکام بالا و قابلیت ریخته گری خوب برای این منظور مناسب می باشد ]۲.[ آلیاﮊهای هیپویوتکتیک Al-Si با درصد بالای منیزیم، به صورت کامپوزیت های درجا٢ تهیه شده که دارای ذرات سخت Mg2Si در زمینه Al
می باشند ]۱.[ فاز بین فلزی Mg2Si دارای دمای ذوب بالا، دانسیته کم، سختی بالا، ضریب انبساط حرارتی کم و مدول الاستیک بالا می باشد و از اینرو کامپوزیت های Al-Mg2Si بعنوان یک نوع از مواد فوق سبک٣ فابلیت بالایی در کاربردهای مقاومت سایشی بخصوص در صنایع اتومبیل سازی و هوا‐ فضا دارند ]۳.[ عیب ذاتی Mg2Si تردی آن است و ذرات درشت Mg2Si تقویت کننده در یک کامپوزیت معمولی باعث کاهش خواص می شوند. بنابراین، کامپوزیت با ذرات درشت Mg2Si اولیه نیاز به اصلاح٤ دارد تا خواص مکانیکی و انعطاف پذیری مناسبی بدست آورد. یکی از راه های بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت های پایه فلزی افزودن عناصر آلیاﮊی در جهت بهبود ساختار به ویژه اندازه و شکل ذرات تقویت کننده است ]۴.[ بنابراین تحقیقات زیادی در جهت ریزکردن Mg2Si اولیه و یوتکتیکی جهت بهبود خواص مکانیکی صورت گرفته و روش های مختلفی نیز ارائه گردیده است ]۵.[
فرآیند درجا در کامپوزیت های زمینه فلزی، فرآیندی است که با ایجاد فصل مشترک تعادلی، محصول مقاوم در برابر شکست ایجاد می کند و در کاربرد های صنعتی هم با دارا بودن قیمت مناسب جایگزین مناسبی برای کامپوزیتهای دیگر (تهیه شده به روش گردابی) و چدن میباشد. به نظر می رسد که تحقیقات انجام شده بر روی فرآیند ریخته گری کامپوزیت های زمینه آلومینیمی با ذرات تقویت کننده Mg2Si به نسبت کمتر است. شاید به این دلیل که ریخته گری چنین کامپوزیت هایی معمولا منجر به تولید ذرات درشت Mg2Si و در نتیجه خواص مکانیکی ضعیف می شود. اگر کامپوزیت درجا با ذرات Mg2Si در آینده در کاربردهای مهندسی به کار رود، ریزساختار این ذرات در تعیین خواص نهایی کاملا تاثیرگذار است ]۶.[
مواد و روش تحقیق
ابتدا به منظور تهیه شمش های کامپوزیت اولیه Al-15%Mg2Si، مقداری آلومینیوم خالص تجاری در درون کوره گرافیتی حرارت داده شد و پس از رسیدن به دمای œC۰۰۸، مقادیر ۵/۵ درصد سیلیسیم و ۵/۹ درصد منیزیم به آن اضافه و کامپوزیت بدست آمده به درون قالب های فولادی آماده شده ریخته گری شد. میزان افت عناصر در حین ذوب برای سیلیسیم ۷ درصد و برای منیزیم ۷۱ درصد در نظر گرفته شد. در این بررسی، پس از ذوب مجدد شمشهای کامپوزیتی در کوره مقاومتی ۲ لیتری و نگهداری آن در درجه حرارت œC۰۵۷ به مدت ۰۱ دقیقه، مقادیر مختلف از لیتیم (۵۳/۰‐۰ درصد وزنی) و سدیم خالص (۲/۰‐۰ درصد وزنی) درون فویل آلومینیومی پیچیده شده و به مذاب اضافه شدند. میزان افت این عناصر ۰۲ درصد درنظرگرفته شد. پس از مدت ۵ دقیقه و سرباره گیری، مذاب با درصد های مختلف لیتیم و سدیم داخل قالب فولادی پیشگرم شده تا دمای œC۰۰۲ ریخته گری گردید. این قالب با توجه به استاندارد ASTM B 108-03a ساخته شده است. تصویر نمادین این قالب و ابـعاد نمونه تهیه شده به ترتیب در شـکل a۱ و b نشان داده شده است. مزیت اصلی این قالب، سیستم پرکردن و تغذیه رو به بالاست که با کاهش جریان اغتشاشی مذاب موجب کاهش حبس گاز و تخلخل در نمونه های ریختگی می شود.
شکل۱. تصویری شماتیک از (a قالب ریخته گری و (b نمونه تهیه شده برای بررسی های ریزساختاری.
بررسی تاثیر Liو Naبر ...
جهت بررسی ریزساختار، نمونه ها از مقطع با قطر ۶ میلی متر (وسط نمونه) بریده شدند. نمونه های متالوگرافی شده به روشهای استاندارد تا سمباده ی ۰۰۵۲ پولیش شده و از محلول آبی ۵/۰ درصد اسید
HF به عنوان اچ کننده برای نمونه های پولیش شده استفاده گردید. اچ عمیق توسط محــلول ۵۱ درصد
NaOH جــهت حذف α-Al زمیـــنه و آنــالیز تصــویر توســط میکروســکوﭖ الکتــرونی روبــشــی (Vega«Tescan ) مجهز به سیستم آنالیز (EDAX) X-Ray استفاده شد. برای استخراج داده های کمی از نرم افزار تصویری (Clemex Ver .3.5.025) استفاده شد.
نتایج و بحث
بررسی تاثیر لیتیم
تصاویر میکروسکوپی مربوط به نمونه های کامپوزیت Al-15%Mg2Si با ۰، ۵۰/۰، ۵۱/۰ و ۵۲/۰
درصد وزنی لیتیم در شکل ۲ نشان داده شده است. شکل a۲ نشان می دهد که مورفولوﮊی ذرات Mg2Si اولیه در کامپوزیت اصلاح نشده نامنظم١ (اغلب دندریتی) است و اندازه متوسط ذرات ʽm۲۳ می باشد. مورفولوﮊی دندریتی به دلیل سرعت نسبتا بالای سردشدن در این آزمایش حاصل می شود ]۶.[
با افزودن ۵۱/۰ درصد لیتیم، مورفولوﮊی ذرات Mg2Si اولیه به چندوجهی٢ تبدیل شده و اندازه ذرات به ʽm۴ کاهش می یابد (شکل b۲). شکل d۲ نشان می دهدکه افزایش بیشتر در مقدار لیتیم (بیش از ۵۱/۰ درصد) مورفولوﮊی ذرات را تغییر نمی دهد اما اندازه ذرات به مقدار بسیار ناچیزی افزایش می یابد.
شکل ۳ به طور واضح نشان می دهد که با افزایش لیتیم، یک کاهش قابل توجه (بیش از ۵۸%) در اندازه ذره Mg2Si دیده می شود درحالیکه کسر حجمی Mg2Si اولیه ثابت باقی می ماند. بعلاوه، بعد از افزودن لیتیم توزیع ذرات Mg2Si اولیه در زمینه بطور قابل توجهی بهبود می یابد.در مورد اثر لیتیم بر ذرات اولیه می توان گفت که لیتیم روی فرایند جوانه زنی و رشد ذرات Mg2Si تاثیر می گذارد. از آنجاییکه با افزایش لیتیم کسر حجمی ذرات Mg2Si ثابت باقی می ماند، کاهش اندازه ذرات به معنی افزایش تعداد ذرات است. افزایش تعداد ذرات با اندازه کوچک، نشان دهنده اثر مناسب لیتیم بر روی فرایند جوانه زنی و رشد ذرات Mg2Si اولیه است و بنابراین افزایش لیتیم به مذاب، توزیع یکنواختی از ذرات Mg2Si را در زمینه شبه یوتکتیک ایجاد می کند.
شکل۲. تصاویر میکروسکوﭖ نوری کامپوزیت درجا Al-15%Mg2Si با مقادیر مختلف لیتیم: (a ۰ درصد، (b ۵۰/۰ درصد، (c ۵۱/۰ درصد و ۵۲/۰ درصد وزنی.
مورفولوﮊی Mg2Si یوتکتیک در کامپوزیت قبل و بعد از افزودن لیتیم در شکل ۴ آورده شده است.
همانطورکه شکل ۴ نشان می دهد، ساختار شبه یوتکتیک اصلاح نشده عمدتا تیغه ای است. این مورفولوﮊی به سبب سرعت بالای سردشدن در مقطع با قطر ۶ میلی متر است. اما، بعد از افزودن ۵۱/۰
درصد لیتیم، فاز یوتکتیک Mg2Si ریزتر شده و مورفولوﮊی از تیغه ای به مرجانی١ (شکل b۴) تبدیل می شود.
بررسی تاثیر سدیم
تصاویر میکروسکوپی مربوط به نمونه های کامپوزیت درجا Al-15wt.%Mg2Si با ۰، ۵۰/۰، ۱/۰ و ۵۱/۰ درصد سدیم در شکل ۵ نشان داده شده است. مورفولوﮊی ذرات Mg2Si اولیه درکامپوزیت اصلاح نشده به صورت دندریتی و یا نامنظم با اندازه ی حدود ʽm۲۳ می باشد (شکل a۵).
