بخشی از مقاله
چکیده
فسفر به عنوان یک عنصر آلیاژی در متالورژی پودر بسیار رایج است. در این مطالعه به بررسی اثر افزایشی فسفر از مقدار 0/1 تا 0/4 درصد وزنی بر روی مشخصههای ریزساختاری و خواص مکانیکی قطعات فولادی با بهرهگیری از مشاهدات میکروسکوپ نوری و انجام آزمون کشش پرداخته شده است. در ادامه نیز به بررسی ارتباط مشخصههای نفوذپذیری مغناطیسی و میدان وادارندگی که از آزمون هیسترزیس مغناطیسی حاصل شدهاند، با میزان فسفر پرداخته شده است. بررسیها نشان میدهد که با افزایش میزان فسفر از حداقل به حداکثر، میزان کرنش شکست از 5 درصد به 3 و میزان تنش شکست از حدود 530 به بالاتر از 600 مگاپاسکال تغییر داشته است. علاوه بر تغییر الگوی شکست میزان سختی نیز افزایش 24درصدی را نشان میدهد. همچنین بررسیهای خواص مغناطیسی نشان داد که با افزایش درصد فسفر، نفوذپذیری مغناطیسی و میدان وادارندگی قطعات به طور خطی به ترتیب افزایش و کاهش پیدا نموده است که این مسئله را میتوان به بیشتر شدن درصد فاز نرم مغناطیسی فریت نسبت داد. نتایج حاصل از این پژوهش نشان میدهد که روشهای غیرمخرب پایه مغناطیسی قابلیت تعیین مشخصههای مکانیکی و ریزساختاری ناشی از تغییرات فسفر در قطعات فولادی متالورژی پودر را دارا میباشند.
مقدمه
در سالهای اخیر بررسی ارتباط بین ترکیب شیمیایی و خواص مغناطیسی منجر به اثبات قابلیت روشهای غیرمخرب پایه مغناطیسی در مشخصهیابی مواد شده است. در واقع از آنجا که در مواد فرومغناطیس به ویژه فولادها، هر گونه تغییر در ترکیب شیمیایی و یا ریزساختار ماده سبب تغییر در خواص مغناطیسی میشود، می-توان از روشهای غیرمخربی که بر پایه خواص مغناطیسی عمل میکنند، همچون روش جریان گردابی 1و آزمون هیسترزیس مغناطیسی2، تغییرات متالورژیکی را نیز شناسایی نمود .[1] به عنوان مثال، وجود ارتباط بین درصد کربن سطح و نفوذپذیری مغناطیسی3، سبب شده تا بتوان از روش جریان گردابی در تعیین کربن سطح قطعات کربوره شده بهره برد .[2] کشف ارتباط بین کسر حجمی فاز مارتزیت و خواص مغناطیسی ماده منجر به کاربرد روشهای جریان گردابی [3] و هیسترزیس مغناطیسی [4] در تعیین مشخصههای ریزساختاری و خواص مکانیکی فولادهای دوفازی شده است. در خصوص فولادهای مارایجینگ، راجکومار و همکارانش با استفاده از روشهای جریان گردابی و هیسترزیس مغناطیسی به شناسایی فاز آستنیت برگشتی حین عملیات پیرسازی پرداختهاند 5] و[ .6علت این شناسایی نیز مربوط به خواص مغناطیسی کاملاً متفاوت این فاز ناخواسته نسبت به زمینه، میباشد. همچنین محققین به مشخصهیابی غیرمخرب تغییرات ریزساختاری ناشی از فرایند بازپخت فولادهای ابزار به دلیل تغییرات قابل توجه در خواص مغناطیسی آنها پرداختهاند متالورژی پودر به عنوان یک روش مناسب برای تولید قطعات فولادی با استحکام بالا و هزینه پایین میباشد. از مزایای این روش میتوان به توانایی افزودن عناصر آلیاژی با شرایط مختلف به پودر اشاره کرد که این مسئله سبب توزیع یکنواخت مواد افزودنی و در نتیجه رسیدن به خواص مکانیکی یکنواخت در قطعه نهایی خواهد شد.[9] عناصر آلیاژی حلشده در فلز پایه موجب تشکیل ریزساختارهای مختلف شده، خواص مکانیکی را بهبود داده و بر روی تغییرات ابعادی قطعات در زمان پخت تأثیر میگذارند. کربن، مس و فسفر از عناصر مهم در افزایش استحکام هستند که معمولا برای کنترل تغییرات ابعادی و افزایش استحکام از طریق محلول جامد به فولاد اضافه میشود10]و.[11 همچنین یکی از پارامترهای مهم قطعات فولادی داشتن خواص مکانیکی بالا و در موارد خاص داشتن خواص مغناطیسی بالا میباشد .هدف از پژوهش حاضر بررسی اثر افزودن فسفر به فولاد تولید شده به وسیله متالورژی پودر بر مشخصههای ریزساختاری، مکانیکی و مغناطیسی میباشد. تا به این ترتیب پتانسیل روشهای غیرمخرب مغناطیسی در تعیین غیرمخرب میزان فسفر در این نوع از فولادها بررسی شود.
روش تحقیق
در این بررسی 10 قطعه فولادی با ابعاد 80 × 10 × 5 میلیمتر مکعب آمادهسازی و به وسیله کارخانه متالورژی پودر مشهد تولید شدند. قطعات شامل پودرها با درصد فسفر متفاوت - از صفر تا 0/45 درصد وزنی با فاصلههای - 0/05 و مقادیر ثابت به ترتیب 1/5 و 0/6 درصد وزنی مس و کربن بوده که توسط پرس هیدرولیک تولید شدند. سپس تمامی آنها به مدت 45 دقیقه در دمای 1120 درجه سانتیگراد تحت اتمسفر به ترتیب 10% و %90 هیدروژن و ازت تحت عملیات تفجوشی قرار گرفتند. دانسیته تمامی نمونهها در محدوده 7/10 تا 7/15 گرم بر سانتیمتر مکعب حاصل شد. در ابتدا نمونههای آزمون کشش - برای هر حالت 3 نمونه - بر طبق استاندارد MPIF Standard No. 10 با طول و فاصله سنجه به ترتیب 89/46 و 25/40 میلیمتر تهیه شده و در کنار نمونههای آزمایش، تحت عملیات حرارتی قرار گرفته و نهایتاً توسط دستگاه کشش SANTAM مدل STM-150 با نرخ کرنش 0/002 S-1 تا شکست کامل، تحت بار قرار گرفتند. سپس قطعات برش داده شده و پس از عملیات متالوگرافی، در دو حالت بعد از پولیش و بعد از اچ - توسط محلول %2 نایتال - از آنها تصاویری توسط میکروسکوپ نوری Motic مدلBA310 در بزرگنمایی 100 برابر گرفته شد. پس از تعیین مشخصههای ریزساختاری و خواص مکانیکی، آزمون غیرمخرب هیسترزیس مغناطیسی در آزمایشگاه بررسیهای غیرمخرب پیشرفته مواد دانشگاه صنعتی سجاد بر روی تمامی نمونهها اعمال شد. اجزای تشکیل دهنده سیستم رسم حلقه هیستریس به طور شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است. برای این منظور ابتدا امواج مثلثی شکل با فرکانس 0/1 هرتز توسط کارت آنالوگ به دیجیتال مدل PCI-1720U-AE تولید و پس از تقویت به دامنه ولتاژ +10V/-10V و 1 آمپر رسیده و به دو سر سیم پیچهای تحریک - با تعداد هر کدام 1500 دور سیم مسی با قطر 0/45 میلیمتر - اعمال شد. در اثر عبور جریان از سیم پیچ تحریک، شار مغناطیسی تولید و در یوک مغناطیسی و همچنین قطعه مورد آزمایش انتشار مییابد. بسته به میزان شار تولیدی در نمونه، در سیم پیچ های حسگر - با تعداد هر کدام 1000 دور سیم مسی با قطر 0/1 میلیمتر - که در دوسر پل به دور یوک پیچانده شدهاند، القا صورت میپذیرد. ولتاژ القایی به کارت آنالوگ به دیجیتال به مدل PCI-1714UL-BE وارد شده و سپس در کامپیوتر مورد پردازش قرار میگیرد. پردازش روی خروجیهای کارت با استفاده از نرم افزار متلب انجام شد. به این ترتیب که از ولتاژهای القایی که به صورت تابعی از زمان ثبت شدند، انتگرال گرفته و نهایتاً به چگالی شار مغناطیسی تبدیل میشوند. با داشتن چگالی شار مغناطیسی به صورت تابعی از زمان - B - t - - و تبدیل جریان به شدت میدان اعمالی - H - t - - ، نهایتاً امکان رسم منحنی هیسترزیس مغناطیسی فراهم میشود. پس از رسم منحنی هسترزیس مغناطیسی، میدان وادارندگی:Hc - 1 میدان مغناطیسی معکوس مورد نیاز جهت صفر کردن چگالی شار مغناطیسی - استخراج شد. همچنین با رسم مشتق لحظهای B نسبت به - dB/dH - H
