دانلود مقاله بررسی تأثیر عملیات حرارتی همگنسازی به روش ذوب جزئی بر خواص مکانیکی و ریزساختار چدنهای نشکن آس تمپر شده

word قابل ویرایش
12 صفحه
9700 تومان
97,000 ریال – خرید و دانلود

مقدمه

ویژگیهـای چـدنهـای نـشکن آستمپـر شـده

(Austempered Ductile Irons, ADIs) از جملــه خواص مکانیکی مطلوب، مقاومت بـه سـایش خـوب،

قابلیت ریختهگری و قیمت مناسب و ماننـد آن، باعـث

استفادهی گسترده ار آنها در صـنایع مختلـف از قبیـل خودروسازی، ساخت تجهیزات نظامی، ساختمانسازی

و نظیر آن شده است .[۱]

برای تولید این چدنها، چدن نشکن ریخته شده مطابق با نمودار ITT در شکل (۱)، آستمپر مـیشـود.

عملیات آستمپر از چهار مرحلهی آسـتنیته کـردن (I)،

کوئنچ کردن تا دمای آستمپـر (II)، نگـهداری در ایـن دما برای تبدیل فاز آستنیت به آسفریت (مخلوط فریت و آستنیت) (III)، و سرد کردن تـا دمـای محـیط (IV)،

تشکیل شده است . [۲,۳]

مطالعات انجام شده در زمینهی تـشکیل سـاختار آسفریت حین عملیات حرارتی آستمپر نشان میدهنـد که واکنش تشکیل آن دو مرحلـهای اسـت (شـکل .(۲

مدت زمان نگهداری نمونه در دمای آستمپـر مـیبایـد بــهگونـهای انتخـاب شـود تـا مرحلـهی اول واکـنش

( γ → γhc + α ) کامـل انجـام شـده و از شـروع مرحلهی دوم واکنش (γhc → α + carbide) جلوگیری بهعمل آید .[۳,۴]
بهبود خواص چدن نشکن پس از مرحلـهی اول واکنش آستمپر، به توزیع یکنواخت فاز فریت سوزنی شکل در زمینهی فاز آستنیت پایدار بـستگی دارد. ایـن در حالی است کـه در مرحلـهی دوم واکـنش، تـشکیل ذرات کاربیدی در فصل مشترک فازهای زمینـه باعـث ایجاد مسیر آسان برای رشد ترک و کـاهش چـشمگیـر انعطافپذیری آلیاژ میشود .[۵,۶]

سختیپذیری مناسب چدن نشکناولیه، یکـی از

مهمترین عوامل کنترل کننـدهی ریزسـاختار و خـواص

مکانیکی آن است. بهاین دلیل، ترکیب شـیمیایی چـدن

نشکن میبایددقیقـاً انتخـاب شـود. از عناصـر آلیـاژی

افزوده شده به ترکیب شیمیایی چدن نشکن میتوان بـه مولیبدن، منگنز، نیکل، مس و غیره اشـاره کـرد کـه بـا

جلوگیری از وقوع استحالهی آستنیت بـه پرلیـت حـین

سرد کردن از دمای آستنیته کردن تـا دمـای آستمپـر و نیز، با افزایش فاصلهی زمانی میان دو مرحله از واکنش

تـشکیل آسـفریت، باعــث افـزایش کــارائی عملیـات

آستمپر و سختیپذیری چدن نشکن میشوند .[۷,۸]

جدایش و توزیع غیر یکنواخت عناصـر آلیـاژی،

از جمله مشخصههای چدن نشکن ریخته شده هـستند.

وقوع این دو پدیده منجر بـهحلالیـت غیـر یکنواخـت کربن در مناطق مختلف زمینـه و سـختیپـذیری متغیـر

ماده و نیز، تغییر سینتیک استحالهی آستمپر در نـواحی مختلف ساختار میشود. ایـن تغییـرات افـت خـواص چدنهای نشکن آستمپر شده را بهدنبال دارند .[۹,۱۰]
مطالعات داتا و همکاران، [۱]، نشان دادهاند که عناصـر

کرُم، منگنز، مولیبدن و وانادیم جدایش مثبـت داشـته و تمایل به جـدایش در پایـان انجمـاد و در منـاطق بـین
سلولی دارند. این در حالی است که عناصـر سیلیـسیم،

مس و نیکل جدایش منفی داشته و تمایل بـه جـدایش در ابتدای انجماد و در اطراف کرههای گرافیـت دارنـد.

افزون بر این، بررسیهای لین و همکاران، [۱۲]، نـشان

دادهاند که جدایش عناصر آلیاژی در چدن نشکن تـأثیر زیادی بر سختی نداردام، ا چقرمگی و ضربهپـذیری آن

را شدبهت تغییر میدهند. بنابراین، برای بهدست آوردن

چدن نشکن با خواص و کارایی مطلوب، کاهش میزان جدایش و یا جلوگیری از وقـوع آن در زمینـه ضـروی است.
تحقیقات نشان دادهاند که همگنسازی در حالت

جامد و بهروشهای مرسوم تأثیر چنـدانی بـر جـدایش عناصـر آلیـاژی نـدارد .[۱۳,۱۴] عـدم انجـام مطلـوب

همگنسازی در چدنهای نشکن بهروشهای متعارف،

انگیزهای را بـرای انجـام پـژوهش حاضـر در زمینـهی

همگنسـازی چـدن نـشکن بـهوسـیلهی ذوب جزئـی بـــهوجـــود آورد. در ایـــن روش، انتخـــاب دمـــای

نشریه مهندسی متالورژی و مواد ۴۹

همگنسازی در محدوده دمای خـط انجمـاد (solidus)

منجر به تشکیل حوضچههـای مـذاب در نـواحی بـین

سلولی در زمینه میشود و این، نفوذ سـریعتـر عناصـر آلیاژی در فاز مذاب نسبت به فاز جامـد و نیـز، امکـان

کاهش میزان جدایش و یا حذف آن در زمینـهی چـدن

نشکن را فراهم میآورد .[۱۵]

روش تحقیق

پس از تهیه و آمادهسازی مواداولیـه، فراینـدهای ذوب کـردن و آلیاژسـازی چـدن نـشکن در کـورهی القـایی

فرکانس متوسط انجام شدند. فرایند کروی سازی چدن بـهوسـیلهی فروسیلیـسیم- منیـزیم ۴۹%Fe-45%Si-) (6%Mg و بــهروش ســاندویچی در پاتیــل، و عمــل جوانهزایی با استفاده از فروسیلیسیم (۸۰%Fe-20%Si)
آنجام شد. نمونههای آزمون بـهصـورت بلوکـههـای Y

شکل درون قالب CO2 ریخته شدند. ترکیـب شـیمیایی نمونهی ریخته شده بهکمک دستگاه کوانتـومتری مـدل

ARL-3460 اندازهگیری شد، و نتیجـهی آن در جـدول

(۱) نشان داده شده است.

برای مطالعهی شرایط همگنسازی بهروش ذوب

جزئی، نمونههایی به ابعاد ۱۰×۱۰×۱۰ mm3 از نـواحی

مختلف درون شمش ریختـه شـده بریـده شـدند و در محدوده دمایی ۱۱۱۰ C تا ۱۱۵۰ C و بـازهی زمـانی
۱۰ تا ۱۸۰ دقیقیه عملیات حرارتی شدند.

برای بررسـی تـأثیر عملیـات همگـنسـازی بـر کارایی عملیات آستمپر، نمونهها در دو حالت همگـن

و همگن نشده آستمپر شدند. عملیات آستمپر شـامل

آستنیته کردن بـهمـدت ۹۰ دقیقیـه در دمـای ۹۰۰ œC،

کوئنچ کردن درحمام نمک مـذاب بـا دمـای ۳۷۵ œC،

نگهداری در آن مدبهت ۱۲۰ دقیقه و سرد کردن در هوا تا دمای محیط بود. پـس از هـر مرحلـه از فراینـدهای همگنسازی و آستمپر، سطح نمونهها مطابق با اصول استاندارد متالوگرافی آمـاده شـده و سـپس بـا محلـول نایتال (۲cc HNO3 + 98cc CH3OH) 2% مدبهت زمـان

۳ تــا ۴ ثانیــهحکّــاکی شــدند. پــس از ایــن مرحلـه، ریزســاختار نمونــههــا بررســی شــدند. مطالعــات ریزســاختاری بــهکمــک میکروســکپهــای نــوری و الکترونی روبشی (مدل (Philips-XL30 انجام شد.

شکل۱ نمودار ITT و سیکل عملیات حرارتی آستمپر در چدنهای نشکن .[۱]

۰۵ بررسی تاثیر عملیات حرارتی همگن سازی از طریق..

شکل ۲ تغییرات ریزساختار چدنهای نشکن بر حسبمدت زمان فرایند آستمپر [۳]

جدول ۱ ترکیب شیمیایی نمونه های ریخته شده

etc Cr Ni Cu S P Fe Mg Mn Si C عنصر

۰٫۰۶ ۰٫۰۱ ۰٫۰۳ ۰٫۰۷ ۰٫۰۱ ۰٫۰۳ ۹۳٫۳۴ ۰٫۰۳۶ ۱٫۰۴۵ ۲٫۴۲ ۲٫۹۵ درصد وزنی (wt.%)

برای مطالعهیکمی و کیفی فازها در ریزساختار، از روش تحلیــل فــازی تفــرق اشــعه (XRD) X و
تحلیلگر تصویری اسـتفاده شـد. تحلیـل فـازی XRD

بهوسـیلهی دسـتگاه XPERT و بـا اسـتفاده از پرتـوی

تکرنگ Cu-kα در محدوده دمایی ۲۰ °C تـا ۱۰۰ °C

و با نرخ پیشروی ۰٫۰۵ °C/s انجام شد.

بــهمنظــور ارزیــابی تــأثیر عملیــات حرارتــی

همگــنســازی بــهروش ذوب جزئــی روی خــواص مکانیکی نمونهها، از آزمونهای کشش و ضربه استفاده

شد. نمونههـای کـشش مطـابق بـا اسـتاندارد ASTM-A897 تهیه شدند و بـا نـرخ کـرنش ۴ ۱/s تـا ۱۰ ۱/s

کشیده شدند. نمونههای بدون شیار آزمون ضربه مطابق

با استاندارد ASTM-8375 بـه ابعـاد ۱۰×۱۰×۵۵ mm3

ساخته شدند و آزمون ضربه با استفاده از این نمونـههـا انجام شد. شکستنگاری سطح شکست نمونهها توسط

میکروسکپ الکترونی روبشی مدل XL30 انجام شد.

نتایج و بحث

مطالعهی ریزساختار نمونهی ریخته شـده. در شـکل

(۳)، ریزساختار چدن نـشکن ریختـه شـده نـشان داده شده است. ریزساختار این نمونـهعمـدتاً از کـرههـای گرافیـت (بـا درصـد کـروی بـودن (۹۰% – ۷ درون

زمینهی فریت + پرلیت تشکیل شده است. دلایل کروی

بودن گرافیت در ریزساختار چدن نشکن ریختـه شـده توسط محققان مختلـف بررسـی شـده اسـت. در ایـن

پژوهش، با توجه به ترکیب شیمیایی چـدن در جـدول

(۱)، میتـوان بـه حـضور عناصـر گرافیـتزا از جملـه

منیزیم و ایجاد بخارهای ناشی از تبخیر آن در تـشکیل کرههای گرافیت اشاره کرد .[۱۶]

اختلاف وضوح رنگ در شکل -۳) ب)، توزیـع

نشریه مهندسی متالورژی و مواد ۵۱

غیر یکنواخـت عناصـر آلیـاژی در زمینـه و در نتیجـه،

تفــاوت درحکّــاکی نــواحی مختلــف در ریزســاختار

نمونهی ریخته شده را نشان میدهد.

بررسی ریزساختار نمونهی همگنسازی شده بهروش

ذوب جزئی. مطالعات ریزساختاری انجام شـده عـدم تشکیل فاز مذاب حین همگنسازی در دمای ۱۱۱۰ œC

(شکل-۴ الف تا -۴ پ) و تکمیل نشدن انجماد همدما

در نمونههای همگن شده در دمای ۱۱۴۰ œC (شکل-۴

چ تا -۴ خ) را نشان دادند. برخلاف نمونههای همگـن

شده در این محدودههای دمایی، همگنسازی نمونههـا در دمای ۱۱۳۰ – ۵ œC باعـث تـشکیل حوضـچههـای مذاب در زمینهی نمونـههـا (شـکل-۴ ت و -۴ ث) و

تکمیل انجماد این حوضچهها در دمـای همگـنسـازی

(شکل-۴ ج) پس از حدود ۴۵ دقیقه نگهداری در دمای همگنسازی شده است.
تــشکیل حوضــچههــای فــاز مــذاب حــین

همگنسازی را میتوان بـه تغییـرات دمـای اسـتحالهی یوتکتیک در زمینهی چدن نشکن ریختـه شـده نـسبت

داد. بهعبارت دیگر، توزیع غیر یکنواخت عناصر آلیاژی

در زمینهی چدن نشکن ریخته شده (بـهدلیـل جـدایش عناصر گرافیتزا نظیـر سیلیـسیم، مـس و ماننـد آن در

نواحی اطـراف کـرههـای گرافیـت و جـدایش عناصـر

کاربیدزا نظیرکُـرم، منگنـز و ماننـد آن در منـاطق بـین

کرههای گرافیت) مطابق با رابطهی ۱ موجب کـاهش و افزایش دمای استحالهی یوتکتیک بهترتیـب در نـواحی

بین و اطراف کرههای گرافیت میشـود. در رابطـهی ۱،

دمای یوتکتیک بر حسب درصد وزنی عناصـر آلیـاژی

بیان شده است :[۱۷]

TE (C) =1148 + 4× %Si + 5×% Cu + 8×%Al + 2×%Mn-4×%Ni (1)

بنابراین، با انتخاب دمـای همگـنسـازی بـین ایـن دو محدوده دمای استحالهی یوتکتیک، حوضچههای مذاب

در زمینه تشکیل میشوند.

عــدم تــشکیل حوضــچههــای فــاز مــذاب در

نمونههای همگن شده در دمای کـمتـر از ۱۱۲۰ œC را

میتوان بهدلیل پایینتر بودن دمای همگنسازی نـسبت به حداقل دمای استحالهی یوتکتیک در نواحی مختلف

زمینه دانست. افـزون بـر ایـن، تـشکیل فـاز مـذاب در

نمونههای همگن شده در دمـای ۱۱۳۰ – ۵œC و بـالاتر را نیز میتوان به بالاتر بودن دمای همگنسازی نـسبت

به حداقل دمای استحالهی یوتکتیک در زمینهی نمونهها

مرتبط دانست.

۱۵۰ʽm 150ʽm ب
۷۵ʽm الفا ۱۵۰ʽm

شکل ۳ ریزساختار نمونهی چدن نشکن ریخته شده؛ (الف ): قبل ازحکّاکی، (ب): بعد ازحکّاکی

۲۵ بررسی تاثیر عملیات حرارتی همگن سازی از طریق..

mʽ۰۵۱ الف ۱۵۰ʽm ب ۱۵۰ʽm پ

L

L

۱۵۰ʽm ت ۱۵۰ʽm ث ۱۵۰ʽm ج

L
L
150ʽm چ ۱۵۰ʽm ح ۱۵۰ʽm خ

شکل۴ ریزساختار نمونههای همگن شده؛ (الف): ۱۱۱۰ œC/10 min، (ب): ۱۱۱۰ œC/30 min، (پ): ۱۱۱۰ œC/45 min،

(ت): ۱۱۲۰ œC/10 min، (ث): ۱۱۲۰ œC/30 min، (ج): ۱۱۲۰ œC/45 min، (چ): ۱۱۴۰ œC/10 min،

(ح): ۱۱۴۰ œC/30 min، (خ): .۱۱۴۰ œC/60 min حرف L در تصویرهای این شکل فاز لدبوریت را نشان میدهد.

همگــنســازی در دمـای ۱۱۳۰ – ۵œC باعــث دیده میشود، افزایشمدت زمـان نگـهداری در دمـای
قرارگیری نواحی بـین کـرههـای گرافیـت در دماهـای ۱۱۳۰ – ۵œC باعث کاهش میزان لدبوریت و یا ناپدیـد
بالاتر از دمای استحالهی یوتکتیک این نـواحی شـده و شدن آن در زمینهی نمونهها شده اسـت، و ایـن پدیـده
در نتیجه، حوضچههای مـذاب در ایـن نـواحی ایجـاد انجماد حوضچههای فاز مذاب در دمای همگـنسـازی
میشوند. تشکیل فاز لدبوریت در نواحی بـین گرافیـت (انجماد همدما) را نشان میدهد. با افزایشمدت زمـان
در شکل -۴ ت نشاندهندهی ایجاد فاز مذاب و انجماد نگهداری نمونهها در محدوده دمـای فـوقالـذکر بـرای
آن حین سریع سرد شدن تا دمای محیط است. همگنسازی (۱۱۳۰ – ۵ œC)، نفوذ عناصر آلیـاژی بـین
همانگونه که در شکلهـای -۴) ت) تـا -۴ ج) فاز مذاب و فاز جامد اطراف آن موجب تغییـر ترکیـب

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 9700 تومان در 12 صفحه
97,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد