بخشی از مقاله
چکیده
فلزات آمورف توده خواص بسیار ویژه اي از قبیل استحکام تسلیم بالا تا 5 GPa، کرنش الاستیک بالا و بسیاري از خواص مطلوب دیگري را دارا می باشند. آلیاژهاي آمورف پایه آهن بدلیل خواص بسیار ویژه مهندسیشان از قبیل استحکام، سختی و مقاومت به خوردگی بسیار بالا و قیمت پایین تر نسبت به آلیازهاي دیگر و کاربردهاي گسترده در زمینه هاي مهندسی بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. این مواد در کشش بسیار ترد و همچنین در فشار نیز رفتار ترد یا تقریبا ترد را نشان می دهند که این مشکل می تواند کاربرد مهندسی این مواد را تحت تاثیر قرار دهد. در این تحقیق، تاثیر اضافه کردن مقدار جزئی مس بر روي خواص مکانیکی، ریز ساختار و قابلیت شیشه اي شدن آلیاژ آمورف توده که بیشترین قابلیت شیشه اي شدن را در میان آلیاژهاي پایه آهن با قابلیت ساخت نمونه کاملا آمورف با قطر 16 میلیمتر را دارد، بررسی شده است.
مقدمه
تاثیر اضافه کردن مقدار جزئی Cu بر ریزساختار، خواص مکانیکی و قابلیت شیشه اي شدن آلیاژ مذاب فلزات و آلیاژهاي معمولی ضمن سرد شدن، با تبدیل شدن به حالت جامد و رسیدن به ساختاري با کمترین سطح انرژي، یعنی یک شبکه بلوري، به تعادل می رسد. اما غالبا فلزات بجاي تشکیل تک بلور کامل، چند بلوري می شوند که حاوي مقادیر زیادي نقائص خطی - نابجایی - و صفحه اي - مرزدانه - می باشند.
شکست و خوردگی فلزات معمولا درمرزدانه ها بعلت وجود پیوند آزاد و تراکم اتمی کمتر نسبت به داخل دانه رخ می دهد. صفحات ناکامل اتمی - نابجایی ها - تحت تنش و حرارت، به آسانی لغزش نموده و حرکت کرده و در نتیجه فلزات استحکام خیلی کمتري از مقدار پیش بینی شده تئوریک دارند. در شیشه هاي فلزي به دلیل اختلاف اندازه اتمی، وجود آنتالپی منفی بین عناصر تشکیل دهنده آلیاژ و تعداد بالاي عناصر تشکیل دهنده آلیاژ، مذاب این آلیاژها ویسکوزیته بالاتري نسبت به آلیاژهاي معمولی دارند .[1]
بنابراین به دلیل نفوذ و جابجایی کندتر اتم ها، نرخ جوانه زنی و رشد بلور بقدري آهسته است که فلز مایع می تواند در دماي بسیار کمتر از دماي ذوب خود - دماي شیشه اي شدن، - Tg و قبل از بلوري شدن به یک فاز شیشه اي فوق تبرید - یک مایع با ویسکوزیته بسیار بالا که عملا در دماي محیط جامد است - تبدیل شود .[1-3] در این حالت توزیع اتم ها در ساختار درونی فلز، نامنظم و مشابه مذاب خواهد بود و نظم در دامنه بلند در آن وجود ندارد
بنابراین دانه، مرز دانه و نابجایی ها از ساختار حذف می شوند. ساختار ویژه فلزات آمورف باعث بوجود آمدن خواص و برتري هاي ویژه اي در مقایسه با نوع بلورین خود از قبیل درخشندگی و جلاي سطحی، نزدیک شدن استحکام واقعی به استحکام تئوري، سختی و مقاومت به سایش بالا، حد الاستیک عالی، افزایش نسبت استحکام به وزن - شکل - 1، مقاومت به خوردگی بالا و ..... در مقایسه با جامدات کریستالی شده است.
جدول : 1 زمینه هاي کاربرد فلزات شیشه اي.
شکل : 1 نسبت استحکام به وزن براي آلیاژهاي مختلف.
آلیاژهاي شیشه اي در سال 1960 توسط داویز کشف و پس از آن توسعه پیدا کردند. آلیاژهاي شیشه اي معمولا ترکیبات چندتایی ار عناصر با اختلاف اندازه اتمی زیاد هستند که تشکیل یوتکتیک هاي چند تایی و عمیق می دهند و داراي نقطه ذوبی بسیار کمتر در مقایسه با اجزاء سازنده خود هستند. در نتیجه امکان طراحی و ساخت قطعات دقیق از آن ها در اشکال پیچیده اي وجود دارد. بعضی از خواص و موارد کاربرد فلزات شیشه اي در جدول 1 ذکر شده است
در میان سیستم هاي آلیاژي شیشه اي حجیم، از لحاظ اقتصادي آلیاژهاي پایه آهن به علت منابع طبیعی فراوان، قیمت ارزان و ترکیبی از خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی منحصر به فرد بسیار مورد توجه قرار گرفته اند .[6] در مقایسه با دیگر سیستم هاي تشکیل دهنده شیشه - شکل - 2، آلیاژهاي شیشهاي پایه آهن استحکام شکست - در محدوده - 2/8 -4 GPa و سختی - 800-1300 HV - بسیار بالایی را نشان میدهند 7] و .[ 8 استحکام بسیار بالاي این آلیاژها امکان ساخت قطعات با نسبت استحکام به وزن بسیار بالا را میسر می سازد. هدف از این تحقیق بهبود خواص مکانیکی آلیاژهاي شیشه اي پایه آهن می باشد.
شکل : 2 رابطه بین استحکام کششی و - الف - سختی ویکرز - ب - مدول یانگ - E - براي آلیاژ هاي شیشه اي حجیم و آلیاژهاي کریستالی.
روش تحقیق
آلیاژ پایه Fe41Co7Cr15Mo14Y2C15B6 از ذوب مواد اولیه با درصد خلوص بالا شامل آهن - 99/9% - ، کبالت - 99/9% - ،کرم - % - 99/99، مولیبدن - 99/9% - ، ایتریم - % - 99/9، بر کریستالی - 99/5% - و همچنین فروآلیاژ کربن - ساخته شده به کمک آسیاب پرانرژي و ذوب القایی - بروش قوسی تحت محیط خنثی - VAR1 - تهیه شد. شمش هاي آماده شده آلیاژ، به منظور همگن شدن کامل چندین بار ذوب مجدد شدند.
مقداري از آلیاژ آماده شده، درون محفظه دستگاه ریخته گري مکشی تحت گاز خنثی و شرایط کنترل شده ذوب و در داخل قالب مسی آبگرد به شکل میله هایی با ضخامت هاي مختلف و با طول 60 میلیمتر بروش مکشی2 ریخته گري شدند. ترکیب شیمیایی آلیاژ بروش ICP3 و EDX4 تعیین شد. به منظور بررسی ریزساختاري ، نمونه ها از میله هاي ریخته گري شده اولیه به صورت دیسک هایی عمود بر محور طولی بریده شدند. نمونه هاي تهیه شده بوسیله رزین اپوکسی مانت و پس از آماده سازي اولیه، نمونه ها توسط خمیر الماسه با اندازه ذرات 0/25 پولیش شدند. ریزساختار نمونهها توسط میکروسکوپ نوري - Ziees Axioskop 2 MAT - مورد بررسی قرار گرفت.
به منظور محاسبه کسر حجمی تخلخل ها از سیستم پردازش اتوماتیک تصاویر و از نرمافزار MIP استفاده شد. فازهاي تشکیلی میله هاي سیلندري شکل ریخته گري شده، بوسیله پراش اشعه ایکس - XRD, Philips X’Pert PRO - 5 با استفاده از اشعه kα مس - λ = 1.54 Å - مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش فشار در دماي محیط، توسط دستگاه مدل 5869 Instron مجهز به افزایش طول سنج لیزري - Fiedler - و با نرخ کرنش 1 10 براي نمونه هایی با قطر 2 میلیمتر و نسبت طول به عرض 2 به 1 انجام شد. به منظور اطمینان از موازي بودن دو سطح نمونه هاي آزمایش فشار، دو سطح به دقت صیقلی و کنترل شدند.
