بخشی از مقاله
بهينه سازي خواص پيرسازي آلياژ آلومينيوم ٣٥٧
چکيده
يکي از معايب اصلي آلومينيوم ٣٥٧ ريختگري شده شکست هاي متناوب ناشي از تنش هاي کششي و درصد کل ازدياد طول زير حداقل ميزان تنش کششي است .عمليات حرارتي هاي متفاوتي براي مطالعه اثر تنوع پارامترها بر روي خواص مکانيکي و در پي آن کاهش يافتن ميزان شکست در مراحل مختلف طراحي شده است .
در اين تحقيق تاثير عمليات پير سازي بر روي خواص مکانيکي آلياژ ٣٥٧ ريختگري شده بااستفاده از تست سختي و آزمون کشش مورد بررسي قرار گرفت . هدف اصلي اين تحقيق فراهم نمودن عمليات حرارتي مناسب براي به حداقل رساندن ناتواني هاي کششي آلياژ٣٥٧ است . نتايج نشان داد که بهترين درجه حرارت انحلال و زمان نگهداري براي اين آلياژ به ترتيب c٥٦٠ و٨ ساعت است . بهترين سختي و استحکام بعد از عمليات پيرسختي براي آلياژ فوق اشباع در دمايoc١٦٠ بدست آمد.
مقدمه :
آلياژهاي ريختگري شده Al- Si- Mg به طور گسترده اي در کاربردهاي بحراني هوا فضا، صنايع اتومبيل سازي، ساير استفاده هاي مورد نياز در موارد عمليات حرارتي پذير، قالب هاي ريختگري دائمي که قابليت جوش پذيري مستعد با استحکام بالا و چقرمگي خوب دارند مورد استفاده قرار گرفته است ، تا جايي که اين آلياژها بطور پيوسته جاگزين بسياري از آلياژهاي آهني مرسوم مي شوند. از جمله ويژگي هاي مطلوب اين آلياژ قابليت ريختگري مناسب وعالي بودن خصوصيات مقاومت به خوردگي خستگي و استحکام مخصوص آن ها است . [٧]
در سالهاي اخير فرايندهاي عمليات حرارتي براي آلياژهاي پايه ALکه حاوي عناصري مانند Si و Mg هستند توسعه يافته است .مکانيزم پيرسختي علتي است براي افزايش استحکام به دليل تشکيل ترکيبات بين فلزي که در طي فرايند تجزيه از يک محلول فوق اشباع نيمه پايدار بوجود مي آيند و سپس تحت عمليات محلول سازي و کوئنچ (رسوب سختي) قرار مي گيرند. خواص مکانيکي اين آلياژها بطور قابل توجهي از تشکيل رسوبات تاثير مي پذيرد.تعادل بهينه در خواص استحکامي و انعطاف پذيري بعد از عمليات حرارتي از نسبت دادن تغيير در خصوصيات ذراتSi کهنتيجه عمليات حرارتي محلول سازي است . تشکيل ذرات غير تعادلي فاز βکه شامل MgSi٢ که نتيجه ي عمليات سرد کردن است بدست مي آيد.آلياژ AL٣٥٧جزء دسته آلياژهاي هيپويوتکتيک مي باشد که يوتکتيک در MgSi٢، ١٣% تشکيل مي شود. در ترکيب اين آلياژ فاز Si Mg٢ رسوب اصلي سخت کننده به شمار مي آيد. اين ترکيب در حضور مقدار کاقي Si و Mg %٢ قابل تشکيل است .در اين آلياژ اجزاء ساختماني تمايل دارند در مذابي که در آخرين لحظات در خلال انجماد منجمد مي شود متمرکز گردد. بالا بودن درصد Si در ترکيب اين آلياژ باعث افت درجه حرارت انجماد مي گردد.[٤] در بررسي هاي ميکروسکوپي زير ساختار نمونه هاي AL٣٥٧ فازهاي تشکيل شده شامل : آلومينيوم ، سيليکون يوتکتيک ، Si Mg٢ مي باشد. ترکيب شيميايي،سرعت انجماد، عمليات حرارتي مي تواند ريزساختار اين آلياژ را تحت تأثير قرار دهد. [٥]هدف از انجام اين تحقيق فراهم نمودن عمليات حرارتي مناسب براي بهبود خواص کششي AL٣٥٧است . همچنين تأثير تغييرات در دماهاي محلول سازي و پيرسازي در ايجاد خواص استحکامي بهتر مورد بررسي قرار گرفت .
مواد و روش تحقيق :
در اين تحقيق از آلياژ AL٣٥٧ که جزء گروه آلياژهاي ريختگري Al است استفاده شد.مذاب اوليه در کوره هايي با دماي c٧٢٠ و نسبت وزني اجزاء شامل : gr Al٣٠٠ و gr٤٠٠ آلياژ پيستون تهيه و سپس در قالب هاي فلزي ريختگري شد. ترکيب شيميايي نمونه هاي کشش ريختگري شده آلياژ AL٣٥٧ در جدول شماره (١) بيان شده است :
در اين بررسي از نمونه هاي کشش دمبلي شکل با ابعاد cm ١١.٧ طول و cm ١.٦ قطر استفاده شد.
جهت انجام عمليات پيرسازي در مرحله ي اول نمونه ها در دماهاي ٥٤٠و c٥٦٠ به مدت زمان ٨ ساعت محلول سازي شدند. نمونه هايي که عمليات محلول سازي روي آن ها انجام شده بود خيلي سريع تر تا دماي اتاق سرد شده در آخرين مرحله براي بهبود خواص مکانيکي تحت عمليات پيرسازي قرار گرفتند. در اين نوع پژوهش از دو نوع عمليات حرارتي پيرسازي طبيعي و مصنوعي استفاده شد. در عمليات حرارتي پيرسازي طبيعي نمونه هاي محلول سازي شده تا دماي اتاق سريع سرد شدند و محلول فوق اشباع به مدت زمان طولاني براي توليد رسوبات در دماي محيط قرار گرفتند. در عمليات پيرسازي مصنوعي نمونه هاي محلول سازي شده در دماي اتاق سريع سرد شدند و محلول فوق اشباع توليد شده در دماي c١٦٠ به مدت زمان ٨ساعت قرار گرفت . سريع سرد کردن در دماي اتاق سبب ايجاد محلول فوق اشباعي از مذاب مي شود و فرآيند پيرسازي امکان ترسيب رسوبات را فراهم مي کند.[١]
در مرحله ي بعد نمونه ها با کاغذهاي سمباده Sic با اندازه ذارت mesh ٦٠٠ ,٤٤٠ ,٢٢٠ ,١٨٠ در حالت مرطوب سمباده زده شد و سپس تحت عمليات پوليش مکانيکي قرار گرفتند. براي جلوگيري از فرو رفتن ذرات ساييده شده به داخل سطح به طور تناوبي از محلول ٥٠ گرم پارافين در يک ليتر نفت استفاده شد اين محلول علاوه بر حفظ جلاي سطحي از اکسيداسيون سطح نمونه ها نيز جلوگيري مي کند. بعد از پايان پوليش نهايينمونه ها در نهايت با محلول keller شامل اسيدسيتريک (HNo٣)cc ٢٥، اسيد کلريدريک (HCl)cc ١.٥، فلوئوريک cc ١، آب مقطر cc ٩٥ به مدت زمان ١٠ ثانيه اچ شدند.[٦,٨] بعد از مراحل آماده سازي سطح جهت بررسي زير ساختار از ميکروسکوپ نوري استفاده شد. براي اندازه گيري سختي نمونه ها AL٣٥٧ از دستگاه سختي سنج نوين ابزار با اينورتور گلوله اي فولادي با قطر mm١ و اعمال نيروي kg٣٠٠ تا kg ٥٠٠ استفاده شد. و استحکام اين نمونه ها توسط دستگاه کشش Shenk با نرخ سرعت کشش mm ١.٢٥ در دقيقه اندازه گيري شد.
ارائه نتايج و تحليل يافته ها:
تحليل داده هاي متالوگرافي ميکروسکوپ نوري:
شکل (١) ساختار ريختگري شده AL٣٥٧ را نشان مي دهد که شامل زمينه ي آلومينيومي، به رنگ کاملا روشن ، غني شده از دندريت هاي گسترش يافته ذرات سيليکون يوتکتيک ، به رنگ خاکستري، مي باشد.
اين ذرات خشن و خار شکل به هم وصل شده مانند جوانه هاي ترک عمل کرده و آغازگر شکاف مي باشند در نهايت سبب افت خواص مکانيکي قابل تحسين اين آلياژ مي گردد.
شکل (a-٢) نمونه ٣٥٧ Al محلول سازي شده در دماي c٥٤٠ در مدت زمان ٨ساعت را نشان مي دهد که اين نمونه بعد از فرآيند محلول سازي تحت عمليات پيرسازي طبيعي قرار گرفته است . با انجام فرآيند محلول سازي ذرات Si Mg٢، به رنگ آبي/خاکستري، موجود در مرز دانه ها که به صورت فيلم هاي پيوسته و گسترش يافته خار شکل رسوب کرده اند شروع به انحلال مي کنند و ساختار يکنواخت تر و همگن تري را ايجاد مي کنند.
شکل (b-٢) سطح متالوگرافي آلياژ ٣٥٧ Al محلول سازي شده در دماي c٥٤٠ در مدت زمان ٨ساعت را نشان مي دهد که سپس تحت عمليات پيرسازي مصنوعي در دماي c١٦٠ به مدت زمان ٨ساعت قرار گرفته است . ذرات سيليکوني که در مرحله ي محلول سازي دستخوش necking شده اند و فرسايش پيدا کرده اند در اثر سريع سرد کردن در دماي اتاق ايجاد محلول فوق اشباعي را در مرز دانه مي دهند و در نهايت با انجام پيرسازي مصنوعي محلول فوق اشباع به صورت رسوبات ريز و پراکنده در نمونه ظاهر مي شود و با حرارت دهي تا دماي c١٦٠ و تا مدت زمان ٨ساعت رسوبات بيشتر شده و خواص مکانيکي بهبود مي يابند.
شکل (a-٣) سطح متالوگرافي شده آلياژ AL٣٥٧ محلول سازي شده در دماي c٥٦٠ در مدت زمان ٨ ساعت را نشان مي دهد و سپس تحت عمليات پيرسازي طبيعي قرار گرفته است .
با سريع سرد کردن تا دماي اتاق که جلوي نفوذ اتمي گرفته شده و امکان خروج تعادلي اتم هاي محلول سلب مي شود و در نهايت محلول فوق اشباعي تهيه مي گردد. چون جاهاي خالي مکان هاي جوانه زني Gp هستند. وجود تعداد زياد اين نواحي باعث تشکيل Gp هاي ريز و پر تعداد با سرعت زياد مي شود. دو عامل سبب افزايش سرعت تشکيل مناطق Gp مي گردد. اين دو عامل عبارتند از: افزايش دماي محلول سازي و افزايش سرعت سرمايش .[٨]با توجه به اين که سرعت سرمايش براي همه ي نمونه ها يکسان است با افزايش دماي محلول سازي تا c٥٦٠ رسوبات پر تعدادتر مي شوند و با شروع فرآيند ترصيب هم دما، مناطق Gp کردن ايجاد شده و به صورت صفحه اي و يا جاده اي رشد مي کنند.
شکل (b-٣) سطح متالوگرافي آلياژ AL٣٥٧ محلول سازي شده در دماي c٥٦٠ به مدت مدت ٨ساعت را نشان مي دهد که سپس تحت عمليات پيرسازي مصنوعي در دماي c١٦٠ به مدت زمان ٨ساعت قرار گرفته است . مناطق Gp کروي ايجاد شده با انجام فرآيند ترصيب در مرحله ي پيرسازي در جهت [١٠٠] کشيده شده و اشکال سوزني شکلي پيدا مي کنند. حداکثر استحکام قبل از تشکيل اين صفحات سوزني شکل امکان پذير است . فاز (Si Mg٢) َکه تقويت کننده مي باشد در زمينه به صورت نيمه پيوسته ايجاد مي شود. و فاز نهايي تعادلي روي ذراتَ جوانه زني مي کند.[٧] رسوبات گسسته و پراکنده در زمينه باعث بهبود خواص مکانيکي ساختار مي شود.
