بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، به بررسی تأثیر فرآیند SIMA بر کروی شدن دانههای آلیاژ Al2024 در روش نیمهجامد به روش SIMA پرداخته شده است . بدین ترتیب که نمونههای استوانهای شکل به طول 15cm و قطر 10cm، - H/D=1/5 - آنیل شده در دمای 415c به مدت 3 ساعت، ابتدا به صورت یک جهته کرنش فشاری داده شده است و پس از آن در دمای نیمهجامد و در زمانهای مختلف جهت کروی شدن ساختار نگهداری شدند. نتایج حاصل از بررسیها نشان داد که نگهداری در زمانهای مختلف بر میزان کروی شدن و همچنین بر همگنی ساختار اثر قابل توجهی دارد. به علاوه، مشاهده شد که ضخامت نمونهها و در نتیجه عمق متأثر از کرنش اثر قابل توجهی بر مقدار کروی شدن ساختار دارد.
واژههای کلیدی: فرآیندهای نیمهجامد، فرآیند SIMA، آلیاژAl2024، ریزساختار کروی
مقدمه
آلیاژهای کارشده سری 2xxx کهمعمولاً به روش فورج شکلدهی میشوند، به جهت داشتن خواص مکانیکی بسیار عالی در دمای محیط معروف هستند. این آلیاژها در هوافضا و دیگر کاربردهای ساختاری از جمله در صنعت خودروسازی به دلیل خواص بهتر از جمله نسبت استحکام به وزن تغییر شکلپذیری خوب و قابلیت پیرسختی مورد استفاده قرار میگیرند.[1] در این میان آلیاژ آلومینیوم 2024 مورد توجه قرارگرفته است این آلیاژ علاوه بر استحکام زیاد، بیشترین میزان سختی را در میان آلیاژهای آلومینیوم داراست. بالا بودن استحکام آلیاژهای قابل پیر سختی ناشی از وجود رسوبات است. عناصر آلیاژی موجود در آلیاژ2024 شامل مس و منیزیم است. عمده رسوباتی که در این آلیاژ به وجود میآید CuAl2 و CuMgAl2 - در صورت وجود منیزیم - است که درنتیجه استحاله فازی در محلول جامد فوق اشباع آلومینیم به دست میآید.
عمده خواص مکانیکی و فیزیکی آلیاژهای قابل پیر سختی به شدت تحت تأثیر ساختار و توزیع این رسوبات است.[4-2] در فرآیند نیمهجامد بیلت با کسر مذاب کمتر 40-30 - درصد - نسبت به فرآیند شکلدهی رایج در نیمه قالب پرس فورج قرار داده میشود عملیات شکلدهی با بسته شدن یک یا هر دو نیمه قالب انجام میشود .[6 ,5] در روش نیمهجامد تغییر شکل برشی سبب به وجود آمدن باندهای برشی میشود. این باندهای برشی سبب خردایش دانهها و باعث بهبود
خواص مکانیکی قطعه میگردند. همچنین در این روش دمای ایجاد فاز که عامل اصلی رسوب محسوب میشود، کاهش مییابد. علت بهبود خواص مکانیکی و کاهش دمای رسوب سختی، افزایش قابل توجه چگالی نابجاییها است.[8 ,7] لازمه اصلی شکل دادن در حالت نیمهجامد - - Thixoforming، ریزساختار غیر دندریتی هممحور و با به عبارت دیگر ریزساختار کروی - گلبولی - آلیاژ مورد نظر جهت کاهش تنش سیلان در حین فرآیند میباشد.
از جمله این روشها میتوان به روشی موسوم به SIMA1 اشاره کرد که در آن آلیاژ پس از اعمال کرنش - به وسیله فشار یک جهته، نورد، پرس و ... - و ذخیره انرژی پسماند، در محدوده نیمهجامد برای مدت زمان مشخص نگهداری میشود تا ساختار آلیاژ به وسیله مکانیزمهای Ostwald Ripening، تبلورمجدد به صورت هممحور در آید. با این روش این روش مشکلاتی که به خاطر فعالیت شیمیایی آلومینیوم به خصوص در ریختهگری معمولی و همچنین شکلدهی رایج برطرف میشود. در سالهای اخیر تولید قطعات آلومینیومی تولید شده به روش SIMA روند رو به رشدی داشته است.[9]همزمان با خرد شدن و شکستن ریزساختار تغییر شکل یافته به دانههای کوچکتر، در فرآیند SIMA مکانیزم کروی شدن دانهها و درشت شدن آنها فعال میگردد. نتایج بررسیهای منتشر شده بر روی تحولات ریزساختاری نمونههایی که مورد ذوب جزئی قرار گرفتهاند، نشان میدهد که تحولات ریز ساختاری در این عملیات، عمدتاً از طریق ضخیم شدن1 فاز جامد صورت میگیرد.
مرحله اول ضخیم شدن بصورت بههم پیوستن بازوهای دندریتی2 صورت میگیرد. از آنجا که بازوهای دندریتی جهات کریستالوگرافی مشابهی دارند، این مرحله ضخیم شدن بدون مانع صورت میگیرد. در مورد آلیاژهایی که ساختار دندریتی دارند ضخیم شدن بازوهای دندریتی منجر به حبس درصد قابل توجهی فاز مایع درون دانهها میشود. اما در مورد نمونههایی که دارای ساختار دندریتی ظریف هستند، بههم پیوستن بازوهای دندریتی کوتاه، برای مثال در نمونههایی با افزودن مواد جوانهزا دانههای ظریف پیدا کردهاند یا نمونههای ریختهگری شده با همزدن الکترومغناطیسی، منجر به گلبول-های منظم با درصد کمی مایع مبحوس درون ذرات جامد اولیه میشود. بعد از مرحله نسبتاً سریع بههم پیوستن، ضخیم شدن کلاسیک3 که آهستهتر است صورت میگیرد، میتواند رخ بدهد.[9-10 ] در نمونههایی که تحت فرآیند ذوب جزئی نظیر SIMA قرار گرفتهاند بسته میزان کرویت ذرات فاز جامد و میزان کسر حجمی در چه حد باشد یکی از مکانیزمهای فوق بر تحولات ریزساختاری آنها حاکم است. جهت محاسبه میزان دقیق کسرمایع - fL - در آلیاژ Al2024 در محدوده دمایی آن از رابطه شایل مطابق زیر استفاده میشود.[15-13]
که در آن TM نقطه ذوب آلومینوم خالص - - 660c، TL دمای لیکوئیدوس - - 646c، T دمای کسر مذاب و K نسبت ترکیب شیمیایی جامد به مایع در دمای یوتکتیک آلیاژ آلومینیوم 2024 میباشد.در نمونههایی که کرویت ذرات جامد در آنها بالاست، تحولات از مکانیزم Ostwald ripening تبعیت می-کند، از آنجا که در این حالت ذرات کوچکتر به نفع ذرات درشتتر ذوب میشوند، فاز مایع مبحوس شده در این ذرات به مذاب میپیوندد و در حقیقت از میزان فاز مایع مبحوس کاسته میشود. اما در مواردی که ذرات کرویت کاملی ندارند، مکانیزم Coalescence بر تغییرات حاکم است و در حیتن بههم پیوستن ذرات فاز جامد، نه تنها از میزان مایع مبحوس درون ذرات کاسته نمیشود، بلکه احتمال حبس شدن مقدار بیشتری فاز مایع هنگام بهم پیوستن ذرات جامد وجود دارد.[12 ,11] شکل 1 مکانیزمهای Coalescence، Ostwald ripening و میزان مایع مبحوس شونده را نشان میدهد.
