تأثير افزودن منگنز بر فرآيند رشد در آلياژ برنج 30-70 متبلور شده

اعظم زماني1، غلامحسين اكبري2
دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشگاه شهيد باهنر كرمان
استاديار، دانشگاه شهيد باهنر كرمان
Zamani_a007@yahoo.com

چكيده
در اين تحقيق نمونه آلياژ 70B+0.25%Mn تحت شرايط اتمسفر كنترل شده به روش ريختهگري تبريدي ثقلي در قالب مسي تهيه گرديد. سپس تسمه هايي بهابعاد 5×10×50 ميليمتر تهيه و بر روي تمامي نمونه ها با استفاده از نورد سرد كاهش سطح مقطع برابر 65% اعمال گرديد. پس از نورد، نمونهها در حمام نمك در دماهاي 600، 700 و 800 درجه سانتيگراد و زمان هاي مختلف بين 2 دقيقه تا 1 ساعت تحت عمليات آنيل همدما قرار گرفتند و سپس در آب 20 درجه سانتي گراد سرد شدند. بررسي هاي ريزساختاري با استفاده از ميكروسكوپ نوري انجام شد و براي محاسبه اندازه دانه، مساحت حدود 450-200 دانه براي هر نمونه به وسيله دنبال كردن مرز دانه ها با استفاده از نرمافزار Clemex اندازه گيري شد. نتايج حاصل از محاسبه اندازه دانه و انرژي اكتيواسيون نشان داد كه حضور منگنز با تأثير بر اتمسفر مرزهاي دانه و نيز كاهش انرژي اكتيواسيون موجب تسريع فرآيند رشد دانه در آلياژ برنج 30-70 خواهد شد. انرژي اكتيواسيون رشد دانه برابر با Qgg=22/35 KJ/mol بهدست آمدهاست. درحالي كه اين انرژي براي برنج 30-70 در محدوده دمايي 700-500 درجه سانتي گراد برابر KJ/mol 171 است.

واژههاي كليدي:
برنج B70، آنيل، تأثير منگنز، انرژي اكتيواسيون، رشد دانه.

1- مقدمه
ب رنج ه ا آلياژه اي ت شكيل يافت ه از م س و روي ه ستند كـه از كاربردهاي مـرسـوم ايـن آلياژ ميتوان به كاربرد هاي الكتـريكي،معمـاري، ساخت ابزارآلات، مهمات و لولـههـاي صـنعتي اشـارهنمود[1]. گر چه ساختار كريستالي مـس و روي يكـسان نيـست واين دو عنصر در يكديگر حلاليت كامـل ندارنـد، ولـي حلاليـتروي در مس قابل توجه است. مهـمتـرين فـازي كـه در ديـاگراممس و روي مشاهده ميشود محلول جامدα م يباشد. بـرنج هـايآلفا يا برنج هـاي تك فـاز، طيف گستردهاي از برنج ها با خـواصمتنوع را شامل مي شوند كه قابليـت كــارسرد بـالا يي دارنـد ولـيقابليت كار گرم آنها نسبت بهبـرنج هـاي دو فـازي كـم اسـت. درنتيجه عمده فرآيندهاي شكل دهي اين آلياژها در صنعت از طريقاعمال كار سرد صورت ميگيرد و از اين رو عمليات تبلور مجـددبخش جدايي ناپذير اينگونه صنايع محسوب مي شود.
رشد دانه به عنـوان سـومين مرحلـه از فرآينـد تبلـور مجـدد نقـشتعيينكننده اي در كنترل خواص مكانيكي فلز يـا آليـاژ بـر عهـدهدارد. در حقيق ت رش د در دان ه نتيج ه مه اجرت م رز دان ه رخ مي دهد و فرآيندي است كه در آن ميانگين انـدازه دانـه در يـكماده پلي كريستال در اثر مهاجرت مرز دانه ها افزايش پيدا مي كند و در نتيجه مقدار كل مرز دانه هـا در مـاده پلـي كريـستال كـاهشمييابد [2 و 3].
بررسي هاي متعددي براي شناخت هر چه بيشتر عوامل مؤثر بر اين فرآيند صورت گرفته و تئوريهاي بسياري در اين خصوص ارائه شده است كه تئوري هاي موجود در خصوص سينتيك رشد
دانه را مي توان بهدو بخش تقسيم نمود:
1-1- سينيتيك رشد دانه پارابوليك اين رابطه تجربي ابتدا توسط بيك[2] و همكارانش مطرح شد. مقادير آزمايشي به دست آمده نشان مي داد كه افزايش اندازه دانه به صورت معادله پارابوليك زير با زمان آنيل رابطه دارد: (1) d = Ktm كه در آن d اندازه متوسط دانه، t زمان آنيل، K و m مقادير ثابت وابسته بهدماي آنيل و تركيب ماده هستند. اين معادله فقط زماني با دادهها هم خواني دارد كه اندازه دانه براي شروع (t = 0)، نسبت بهدانه هايي كه محاسبه مي شوند خيلي كوچك باشد. از آنجا كه در عمل هميشه اين رابطه صادق نيست بنابراين شكل عمومي تر اين معادله به صورت زير ارائه شد: (2) d

m1 − d0m1 = Kt كه در رابطه جديد 0d اندازه دانه اوليه قبل از رشد است.
1-2- آناليز بورك و ترنبول
اين روش رشد دانه را با در نظر گرفتن فرضياتي مانند مهاجرت مرزها به صورت انتقال اتم ها در عرض مرز تحت نيروي محركه انرژي سطحي مرز، مدل سازي ميكند. مرزها براي كاهش سطح مرز دانه ها و انرژي مربوط بهآن، تمايل دارند بهسمت مركز انحنا مهاجرت كنند. با اين فرضيات سرعت مهاجرت مرز دانه، υ بـراي شرايط ايزوترمال براي مواد خالص به صورت زير ارائه شد: (3) υ=μP در جاييكه µ تحرك پذيري و P بهصورت زير تعيين مي شود:

364276133974

P =γ( r1 + r1 ) (4)
12
كه در اين رابطه γ انرژي آزاد مرز دانه، 1r و 2r شعاعهاي اصلي انحناء سطح هستند. با در نظر گرفتن فرضيات تئوري و پس از انجام محاسبات نهايتاً رابطه زير به دست آمد:
42599828327

n = 0.5R = Ktn كه در آن n توان رشد دانه و K پارامتري است كه طبق رابطه زير بستگي بهدما دارد.
(K=Aexp(−

QRTgg در جاييكه Qgg انرژي اكتيواسيون رشد دانه، A ثابت و T دماي مطلق برحسب درجه كلوين است. بنابراين معادله رشد پارابوليك به صورت زير خواهد بود[2 و 3]:
4957047575

Rt = At n exp(−

QRTgg )
1-3- تأثير عناصر آلياژي در فرآيند رشد دانه يكي از مهم ترين مسائل در فرآيند رشد دانه، اثر اتمهاي خارجي مـوجود در شبكـه با مرز دانه ها است. اتم هاي خارجي مي توانند بـر روي حـركت مرز دانه ها اثـر ممانعتكنندگي داشـتهباشند [2، 3 و 4]. در حقيقت تأثير عناصر آلياژي را مي توان مشابه اثر اتم هاي ناخالصي بر روي نابجائي ها در نظر گرفت.
در صورت وجود اختلاف بين اندازه اتم هاي بيگانه و شبكه اصلي در اطراف هر اتم بيگانه يك ميدان الاستيك در شبكه ايجاد خواهد شد. از طرفي بهدليل اينكه در مرز دانه ها از نظر نظم اتمي نسبت بهداخل دانه انطباق كمتري وجود دارد، اتم خارجي مي تواند بههمسايگي مرز دانه منتقل شده تا از ميزان انرژي كرنشي مرز و شبكه اطراف اتم خارجي كاسته شود. در حقيقت همانند اتمسفر نابجائي، در اينجا نيز اتمسفر مرز دانه بهوجود مي آيد. نتايج تجربي نشان داده است كه اين اتمسفر مي تواند بهطور مؤثري حركت مرز دانه را با مشكل مواجه كند.
مرز براي حركت بايد اين اتمسفر را نيز بهدنبال خود بكشد. همين نكته سبب بهتأخير افتادن حركت مرز ميگردد. هر چه يك عنصر، شبكه را بيشتر تحت اعوجاج قرار دهد، اثر بيشتري بر روي نرخ رشد دانه خواهد داشت[3].

ف
ال
ب

ج

ف

ال

ب

ج

70B+0.25%Mn شكل (1): ريزساختار آلياژ آنيل شده
الف) در دماي 600 درجه سانتي گراد ب) در دماي 700 درجه سانتيگراد ج) در دماي 800 درجه سانتي گراد بهمدت يك ساعت.

تأثير افزودن منگنز بر فرآيند رشد در آلياژ برنج30-70 متبلور شده 35
هدف از انجام اين تحقيق بررسي اثر حضور منگنز در آلياژ برنج 30-70 بر فرآيند رشد دانه بود كه بهاين منظور با استفاده از روابط موجود جهت محاسبه اندازه دانه و انرژي اكتيواسيون، نقش اين عنصر در تسريع فرآيند رشد دانه ارزيابي گرديد.

روش تحقيق
براي توليد نمونه هاي آلياژي، عمليات ذوب و آلياژسازي در بوته گرافيتي با كوره موفلي مدل اكسايتون تحت شرايط اتمسفر كنترلشده با گاز آرگون و بهروش ريخته گري تبريدي ثقلي در قالب مسي (با ابعاد 80×80×250 ميليمتر) انجام شد. از نمونه هاي ريخته شده تسمههاي مسي با ابعاد 5×10×50 ميلي متر تهيه و جهت حصول اطمينان از رسيدن بهتركيب هاي شيميايي موردنظر، آناليز شيميايي نمونه ها با استفاده از روش كوانتومتري انجام شد. سپس بر روي تمامي نمونهها با استفاده از نورد سرد كاهش سطح مقطع 65% اعمال گرديد، در مرحله بعد نمونه هايي بهابعاد 2×10×10 ميليمتر از ورقهاي نورد شده بريده و سپس در حمام نمك در دماهاي 600، 700 و 800 درجه سانتيگراد و زمان هاي مختلف بين 2 تا 60 دقيقه تحت عمليات آنيل هم دما قرار گرفتند و سپس در آب 20 درجه سانتي گراد سرد شدند. براي بررسي ريزساختار پس از آمادهسازي سطحي، نمونهها در محلول اسيد فسفريك 25% و آب دو بار تقطير 75% اچ شده و توسط ميكروسكوپ نوري مورد ارزيابي قرار گرفتند. براي محاسبه اندازه دانه، مساحت حدود 450-200 دانه براي هر نمونه بهوسيله دنبال كردن مرز دانه ها با استفاده از نرمافزار clemex اندازه گيري شد.

نتايج و بحث
جدول (1) نتايج حاصل از آزمون كوانتومتري روي نمونه هاي ريخته شده را نشان مي دهد. شكل (1) تصاوير ريزساختار آلياژ فوق را در دماهاي مختلف آنيل در زمان 1 ساعت نشان مي دهد.
در تمامي دماها و زمانهاي مورد بررسي دانههاي هممحور شامل دوقلويي ها مشـاهده مـي شوند. منـگنز در تمامـي دمـاها در زمينـه
جدول (1): تركيب شيميائي آلياژ بر حسب درصد وزني.
تركيب آلياژ Zn Fe Mn Al Si Cu
70B+Mn 30/3 0/003 0/25 0/007 0/002 Bal.

جدول (2): شعاع متوسط دانهها در نمونه 70B+0.25%Mn در دماها و زمانهاي مختلف آنيل.
70B+0.25%Mn زمان(دقيقه) شعاع(ميكرون)
600oC شعاع(ميكرون)
700oC شعاع(ميكرون)
800oC
2 21 35 50
7 25 45 56
15 31/25 48 65
30 35 54 71
45 32 65 86
60 36 72 105

برنجي حل شده و هيچ آثاري از ذرات فاز ثانويه و بين فلزي مشاهده نميشود. با افزايش دما در زمانهاي يكسان آنيل، اندازه دانهها افزايش يافتهاست. در تمامي دماها و زمانها نايكنواختي در اندازه دانهها مشاهده ميشود و دانههاي كوچك در كنار دانههاي بزرگتر وجود دارند. جدول (2) نتايج محاسبه اندازه دانه ميانگين را براي تمام زمان ها و دماهاي مورد آزمايش نشان مي دهد.
شكل (2) نشاندهنده تغييرات اندازه دانه در شرايط دمايي يكسان براي نمونه مورد بررسي ميباشد. با توجه بهشكل، ميتوان تغييرات اندازه دانه با زمان فرآيند آنيل را با هم مقايسه كرد. در دماي 600 درجه سانتيگراد نرخ رشد دانه در تركيب مورد بررسي نسبت به دماهاي 700 و 800 درجه سانتيگراد كمتر است. در دماهاي بالاتر آنيل اثر عناصر آلياژي بر روي فرآيند رشد دانه تا حدي كمتر ميشود. دليل آن ميتواند اين باشد كه تأثيرپذيري مرز دانه از اتمسفر بهوجود آمده ناشي از حل شدن عناصر آلياژي در دماهاي بالاتـر كاهـش مييابد[3].

70B 0.25 Mn شكل (2): تغيير اندازه دانه آلياژ % + بر حسب زمان در دماهاي مختلف.

log(t) log(R) شكل (3): تغييرات بر حسب تابعي از در آلياژ
70B+0.25%Mn در دماهاي مختلف آنيل.

چنانچه از دو طرف اين رابطه (5) لگاريتم گرفته شود و تغييرات log(R) بر حسب log(t) رسم شود، خط راستي حاصل خواهد شد كه شيب آن، n، توان رابطه (5) و عرض آن از مبدأ K را ارائه ميدهد. شكل (3) تغييـراتlog(R) بر حسب log(t) در دمـاهـاي مختلف براي آليـاژ 70B+0.25%Mn را نشان مي دهد. مقادير n براي دماها و پارامترهاي مختلف در جدول (3) آورده شده است. مطابق با جدول، توان رشد محاسبه شده از اندازه گيري مساحت دانه ها در دماهـاي مختلف تقريباً برابر 19/0 =n است.
در حالت ايده آل مقدار توان رشد برابر با 5/0 است[5]. معمولاً مقادير تجربي بهدست آمده براي توان رشد، كمتر از 5/0 است. فولاد سـاده كربني آستنـيتي (8/0 درصد كربن) محـدوده آن بيــن 1/0 در 760 درجـه سانتـي گـراد [5]، 23/0 در 980 درجــه

جدول (3): مقادير توان رشد آلياژ 70B+0.25%Mn به دست آمده در دماهاي مختلف.
(°C)
دما معادله خط راست n R2
600 Log(R) = 0.1658Log(t)+1.2642 0/17 0/8862
700 Log(R) = 0.1985log(t)+1.4743 0/2 0/9506
800 Log(R) = 0.2002Log(t)+1.6032 0/2 0/8782

سانتيگراد، براي برنج 30-70 در محدوده دمايي 700-500 درجه سانتيگـراد برابر 2/0 [6] و در محدوده دمــايي 900-700 درجه سانتي گراد تقريباً 26/0 [8]، گزارش شده است. مقايسه مقادير به دست آمده با برنج 30-70 نشان ميدهد كه افزودن 25/0 درصد منگنز بهآن سبب كاهش مقدار n (توان رشد) شده است[9 و 10].
با توجـه بهثابت بودن توان رشد با تغيير دما، انرژي اكتيواسيون رشد دانه بهوسيله معادله (6) محاسبه مي شود. شكل (4) تغييرات log(k) برحسب 1/T را نشان مي دهد. شيب اين خط برابر QR

− است بنابراين انرژي اكتيـواسيـون رشـد دانـه بـراي ايـن آليـاژ مورد بررسي در محـدوده دمـايـي 800-600 درجه سانتيگراد بـرابر Qgg=22/35 KJ/mol است. انرژي اكتيواسيون رشد دانه سيستمهاي فلزي ديگر مانند مس خالص در محدوده دمايي 700-425 درجه سان تيگراد برابرTi-α ،120 KJ/mol در محدوده دمايي 800-700 درجه سانتي گراد برابر با KJ/mol100، Ti-β در محـدوده دمايي 1100-900 درجه سانتيگراد برابر با KJ/mol20 [5] و برنج 30-70 در محدوده دمايي 700-500 درجه سانتيگراد برابر KJ/mol171 [6]، برنج 30-70 در محدوده دمايي 900-700 درجه سانتي گراد برابر KJ/mol 4/37 [8] و آلياژ سهتاييCu-Zn-Al حاوي مقادير مختلف كبالت حدوداً KJ/mol 39-37 [7]، گزارش شده است. انرژي اكتيواسيون به دست آمده در اين آلياژ در مقايسه با سيستم هاي فلزي 30-70 خالص مقدار كمتري را نشان مي دهد.

تأثير افزودن منگنز بر فرآيند رشد در آلياژ برنج30-70 متبلور شده 37
شكل (4): تغييرات بر حسب و محاسبه انرژي اكتيواسيون رشد
1/TLog(K0)
دانه در آلياژ 70B+0.25%Mn.
نكته جالب توجه اينكه وقتي مقدار به دست آمده براي اين آلياژ با مقدار گزارش شده براي برنج 30-70 گزارش شده علي اكبري و بيژن صالحي[9 و 10] مقايسه مي شود، كاهش انرژي اكتيواسيون را نشان مي دهد.

4-نتيجه گيري
سينتيك رشد دانه تركيب مورد بررسي از قوانين رشد دانه نرمال پيروي ميكند.
توان رشد محاسبه شده در محدوده دمايي 800-600 درجه
سانتيگراد تقريباً 19/0 ميباشد.
انرژي اكتيواسيون براي اين آلياژ Qgg= 22/35 KJ/mol بـه دست آمـده است كـه در مقايسه با انرژي اكتيواسيون برنج 70-30 (Qgg= 171 KJ/mol) مقدار كمتري نشان مي دهد.

5- مراجع
J. R. Davis, “copper and copper alloy”, First Edition, ASM Specialty Handbook, ASM, pp. 485-488, 2001.

F. J. Humphreys and M. Hatherly, “Recrystallization and Related Annealing phenomena”, Elsevier Science and Technology, 1995.

R. E. Read Hill and R. Abbaschian, “Physical Metallurgy Principles”, Third Edition, PWS Publishing Co, 1994.

G. Gottstein, “Physical Foundation of Materials Science”, June 30, Springer, 2005.

ع. اكبري، پاياننامه كارشناسي ارشد، دانشگاه تهران، 1383.
ب. صالحي، پايان نامه كارشناسيارشد، دانشگاه شهيد باهنر كرمان، 1358. [9]

[10]

[5]
[6]
[7] F. X. Gil, D. Rodriguez and J. A. Planell, ”Grain Growth Kinetics of Pure Titaninium”, Scripta Metall. Mat., 33, pp. 1361-66.
R. L. Fullman, ASM Seminar Metal Interfaces, pp. 179, 1952.
F. J. Gil and J. M. Guilemany, ”Effects of Cobalt Addition on Grain Growt Kinetics in Cu-Zn-Al Shape Memory
Alloys”, Intermetallics 6, pp. 445-450, 1998.

[8] ع. اكبري، ر. محمودي و غ. اكبري، “بررسي سينتيك رشد دانه برنج 30-70″، هشتمين كنگره انجمن مهندسين متالورژي ايران، مهرماه، ص. 46-39، 1383.



قیمت: تومان


پاسخ دهید