بخشی از مقاله
چکیده
آلیاژ قلع- سرب از آلیاژهای مهم صنعت میباشد که کاربردهای فراوانی در زمینه های مختلف از جمله نظامی، هواپیمایی و نیروگاهی دارد . این آلیاژ بخاطر نقطه ذوب نسبتا پایین، فرایند خزش را در دمای محیط تحت تنش مشخص تجربه میکند . در فرایند خزش، نمونه تحت تنش ثابت و دمای معین که به طور کلی برای تمام فلزات و آلیاژها تقریبا بالاتر از 0/4 TM در نظر گرفته میشود، دچار تغییر شکل پلاستیک میشود.
برای دست یابی به داده های خزشی، آزمونهای متعددی در دماها و سطوح تنشی مختلف انجام میشود که این مسئله علاوه بر زمان بر بودن، نیاز به تعداد زیاد نمونه و هزینه های انجام آزمونهای متداول خزش دارد. با آزمون نوین خزشی، تحت گرادیان حرارتی میتوان در تعداد آزمونها، تعداد نمونه های مورد نیاز، زمان آزمون و هزینه ها صرفه جویی قابل ملاحظه ایی به عمل آورد. در این مقاله به رفتار خزشی آلیاژ یوتکتیک قلع- سرب در آزمون های خزشی متداول و نیز آزمون های نوین خزش پرداخته شده است. رابطهی معناداری که بین داده های خزشی متداول با داده های آزمون نوین خزش وجود دارد، نشان می دهد که آزمون نوین خزش - خزش با گرادیان حرارتی - را میتوان جایگزینی مناسبی برای آزمون خزش متداول دانست.
مقدمه
تغییرشکل برگشت ناپذیر و وابسته به زمان فلزات و سرامیکها در دمای بالا که اغلب با استفاده از نیروی ثابت یا تنش ثابت مشخص میشود، آزمون خزش همدما یا ایزوترم نام دارد که در آن کرنش به عنوان تابعی از زمان گزارش می شود .[1] به تعبیر دیگر، خزش مواد به طور کلاسیک با پلاستیسیته وابسته به زمان تحت یک تنش ثابت در دمای بالا همراه میشود که این دما تقریبا بیشتر از 0/5 TM است .[2] برای فلزات کریستالی تا زمانی که دمای عملیات به طور تقریبی به 0/3 TM یا بالاتر از آن نرسد، فرایندهای تغییرشکلی وابسته به زمان به طور قابل ملاحظهای خود را نشان نمیدهند.
در رابطه با سرامیک ها نیز تا زمانی که دمای فرایندی به 0/4 -0/5 TM نرسد رفتار تغییر شکلی وابسته به زمان خود را بروز نخواهد داد .[1] تعیین دقیق میزان کرنش و حداقل نرخ خزش مرحله دوم از اهداف آزمون خزش است .[3] که در نتیجه به منظور دست یابی به این داده ها، از آزمون خزش استفاده میشود. زمان سپری شده در چنین آزمونهایی ممکن است به چندین ماه هم برسد در حالی که برخی از آزمونها بیش از ده سال طول میکشند .[4] از آنجایی که آزمون خزش در یک دمای ثابت مورد ارزیابی قرار میگیرد یکی از راه های پیشنهادی برای کاهش زمان مصرف شده در طی آزمون میتواند بهره گیری از طیفی از دما باشد که در آن گستره دمایی - بالاتر از - 0/5 TM نمونه تحت تنش مشخص مستعد به تغییرشکل خزشی باشد. منظور از تنش مشخص، تنشی کمتر از حد الاستیک مشخص شده در نمودار تنش-کرنش میباشد .[3] زیرا تحت این شرایط نسبت به شرایطی که دما ثابت است، ترک نرخ رشد بالاتری را نسبت به شرایط ایزوترم از خود نشان میدهد .
مواد و روش تحقیق
آلیاژ یوتکتیک قلع- سرب، دارای نقطه ذوب پایینی به اندازه 183 ℃ میباشد. به عنوان یک قاعده کلی خزش یا تغییرشکل فعال شده با دما، در دماهای همسانی - نسبت دمای کاری به دمای ذوب - بالاتر از 0/5 TM ملاحظه میشود. حتی در دمای -50 ℃ ، آلیاژ یوتکتیک لحیم قلع- سرب به نصف دمای ذوب مطلق خود نزدیک است. از این رو، با اینکه درجه خرابی خزشی و مکانیزم تغییرشکل مربوطه، با دما متفاوت است خرابی خزشی در آلیاژ لحیم در دماهای بسیار پایین میتواند اتفاق بیفتد .
در نتیجه این آلیاژ آمادگی آن را دارد که در دمای محیط تحت تنش مشخص از خود تغییرشکل خزشی نشان بدهد. از طرفی دیگر این آلیاژ علاوه بر کاربرد در صنایع الکترونیک، در زمینه های معینی همچون: صنایع نظامی، هواپیمایی و سلامت مورد استفاده قرار میگیرد .[8] که همه این موارد به نوبه خود بررسی و ارزیابی خواص خزشی این آلیاژ را مهم و مورد توجه میسازند.
بررسی رفتار خزش ایزوترم آلیاژ یوتکتیک قلع - سرب منحنی کرنش - زمان
در تمام آزمون های خزش، منحنی خزش- زمان، سه مرحله به نام های : خزش اولیه، ثانویه و خزش مرحله سوم را نشان میدهد. یک منحنی معمول خزش برای آلیاژ لحیم یوتکتیک قلع- سرب - 63Sn-37Pb - در شکل 1 نشان داده شده است. توجه و تمرکز روی خزش حالت پایدار - خزش مرحله - 2 میباشد، چون این مرحله بر عمر گسیختگی آلیاژ یوتکتیک مسلط میباشد. شیب منحنی - - d / dt or نرخ کرنش نام دارد .
شکل.1 منحنی خزش-زمان آلیاژ 63Sn-37Pb در 30Mpa و .[9 ] 25 ℃
زمانی که تنش برای اولین بار به نمونه در طی آزمون خزش اعمال میشود یک مرحله کوچک گذرا - کرنش آنی - روی میدهد. پس از افزایش یافتن تنش اعمالی بعدی، مرحله آنی مطابق شکل 1، مشاهده نمیشود. لازم به ذکر است که تنش و کرنش کششی با استفاده از معیار تسلیم فون میسز به تنش و کرنش برشی مبدل میشوند .
برای کشش ساده، و s به ترتیب نرخ کرنش برشی و تنش برشی هستند که به تنش کششی و نرخ کرنش کششی - - به وسیله معادلات 1 و 2، مربوط میشوند :
