ارائه معيار جديدي براي ارزيابي پارگي گرم آلياژهاي ريختگي

محمدرضا نصراصفهاني1 و بهزاد نيرومند2
كارشناس ارشد و مدرس، دانشگاه آزاد اسلامي واحد شهر مجلسي
دانشيار، دانشگاه صنعت ي اصفهان
mr_nasr2001@ma.iut.ac.ir

چكيده
پارگي گرم يكي از عيوب متداول در آلياژهاي ريختگي با دامنه انجماد بالا است. در تحقيق حاضر يك معيار جديد تحت عنوان NNC جهت ارزيابي استعداد بهپارگي گرم آلياژهاي ريختگي ارائه شدهاست كه تأثيرات همزمان عوامل مكانيكي و متالورژيكي مهم در حين انجماد قطعات را بر بروز پارگي گرم در نظر ميگيرد. معيار پيشنهادي با مطالعه تأثير درصد مس بر استعداد بهپارگي گرم آلياژ آلومينيوم A206 كه از آلياژهاي بسيار مستعد به پارگي گرم است، اعتبارسنجي گرديد. در تطابق با نتايج تجربي بهدست آمده توسط محققان ديگر، معيار NNC پيشبيني نمود كه استعداد بهپارگي گرم آلياژ با افزايش درصد مس كاهش مييابد. نتايج نشان داد كه در صورت تعيين دقيق پارامترهاي مكانيكي و حرارتي مورد نياز، اين معيار ميتواند پيشبيني مناسبي از استعداد بهپارگي گرم آلياژهاي ريختگي ارائه دهد.

واژههاي كليدي:
پارگي گرم، دامنه انجماد، معيار NNC، آلياژ .A206

1- مقدمه
پارگي گرم يكي از عيوب متداول در آلياژهاي ريختگي است كه سالانه هزينههاي زيادي را بر صنايع مرتبط تحميل ميكند.
احتمال بروز اين عيب در كليه آلياژهاي آهني و غيرآهني وجود دارد، ولي بيشتر در فلزات با دامنه انجماد وسيع ديده ميشود.
تحقيق بر روي اين عيب از سال 1940 شروع شده و تا بهامروز نيز با استفاده از روشهاي مختلفي ادامه يافتهاست [3-1].
اكثر روشهايي كه تا بهامروز براي بررسي اين عيب مورد استفاده قرار گرفته بر مبناي مشاهدات چشمي بوده و با استفاده از اندازه گيري ابعاد تركهاي بهوجود آمده پس از پايان انجماد سعي شدهاست، معيارهايي كيفي يا نيمهكمي براي پارگي گرم ارائه شود. اين روشها بهدليل امكان خطا در اندازهگيري تركها و عدم توجه بهپارامترهاي مؤثر بر وقوع پارگي از دقت كافي برخوردار نبوده و قابل اعتماد نميباشند. در سالهاي اخير روشهاي جديدتري با استفاده از تجهيزات اندازهگيري نيرو و يا امواج آلتراسونيك براي ارزيابي پارگي گرم ارائه شدهاست [6-4]. در بيشتر اين روشها عليرغم استفاده از تجهيزات پيشرفته، بهدليل پيچيدگي نتايج و عدم وجود يك معيار مناسب كه بتوان داده هاي بهدست آمده از تجهيزات را بهوسيله آن ارزيابي كرد، نتايج كاربردي حاصل نشده و بيشتر دادهها بهصورت خام ارائه گرديدهاست. از طرف ديگر معيارهاي ارائه شده يا بهصورت ساده و تكبعدي بوده، به نحويكه امكان تعيين استعداد پارگي گرم بر اساس شرايط ريختهگري را نداشته و يا بهصورت مدلهاي رياضي پيچيده ارائه شدهاست كه بهدليل تعدد پارامترها امكان استفاده از دادههاي حاصل از بررسيهاي آزمايشگاهي و شرايط حقيقي قطعه را بهما نميدهد. اين مدلها بيشتر در شبيهسازي كامپيوتري كاربرد دارند و در آنجا هم بهدليل فرضيات يا خطاهاي زيادي كه در انتخاب كميتهاي ترموفيزيكي وجود دارد، در تعيين استعداد بهپارگي گرم گاهاً با خطا مواجه مي شوند.
يكي از معيارهايي كه تا بهامروز بيشتر مورد توجه قرار گرفته است و از دقت نسبتاً خوبي برخوردار است، معيار فئورر1 [7]، ميباشد. اين معيار يك معيار غيرمكانيكي است كه بر انقباض مذاب در حين انجماد و امكان تغذيهرساني بهنقاط تحت انقباض متمركز ميشود. معيار فئورر دو پارامتر SPV و SRG كه به ترتيب بيانكننده بيشترين سرعت حجمي جريان مذاب از بين يك شبكه دندريتي (مبحث تغذيه) و سرعت انقباض حجمي انجماد هستند را با هم مقايسه ميكند. براساس اين معيار، پارگي گرم زماني رخ ميدهد كه انتقال مذاب از بين شبكه دندريتي نتواند كاهش حجم ناشي از انقباض انجمادي مذاب در شبكه دندريتي را جبران كند يا بهعبارت ديگر وقتي (SPV < SRG) باشد.
پارامتر SRG بهصورت رابطه (1) نشان داده ميشود كه پارامترهاي بهكار رفته در آن بهصورت زير تعريف ميشوند
[5، 7 و 8]:
Vs: حجمي از المان منجمد شده با جرم ثابت و ρ: متوسط دانسيته المان كه از رابطه (2) بهدست ميآيد. در اين رابطه fL و fS بهترتيب كسر حجمي فاز مذاب و جامد و ρl وρ s بهترتيب دانسيته فازهاي مذاب و جامد هستند. سرعت انقباض براي يك سيستم آلياژي را ميتوان با قرار دادن پارامترهاي ريختهگري و آلياژ از رابطه (1) بهدست آورد.
624127-84640

SRG V= =sV dt1 dV =ρ1 ddtρ(sec1 )
ρ

=ρS fS +ρL fL نرخ تغذيهرساني (SPV)، بر اساس تئوري جريان سيال در بين مجاري متخلخل و با فرض اينكه تغذيه از كانالهاي بين دندريتي صورت گيرد، از رابطه (3) بهدست ميآيد كه پارامترهاي اين رابطه نيز توسط روابط (4) تا (6) تعريف ميگردند [5، 7 و 8]:
43286694851

3520941001631

2SPV =24flπ2λc223ηpLs (4) PS= P0+PM+PC (5) PM =ρ

gh (6) PC = 4λγ2sl در معادلات بالا 2C ،L ،Ps ،λ و η بهترتيب فاصله بازوهاي دندريتي ثانويه، فشار تغذيه مؤثر، طول شبكه متخلخل (فاصله بين محل كوهرنسي و دماي ساليدوس)، ثابت انحناء در شبكه جامد و ويسكوزيته فاز مايع ميباشند. γsl انرژي فصل مشترك جامد- مايع و h ارتفاع مؤثر مايع است. همچنين 0PM ،P و PC به ترتيب فشار اتمسفر، فشار متالواستاتيك و فشار مويينگي،

ρ دانسيته متوسط كه مطابق با رابطه (2) محاسبه ميشود و g شتاب جاذبه زمين ميباشد [5، 7 و 8].
اشكالي كه بر معيار فئورر وارد است، استفاده از انقباض يك المان بهجاي سرعت انقباض آلياژ است. در واقع در شرايط حقيقي و ريختهگري تنها انقباض خود المان باعث بروز پارگي نميشود، بلكه تنش اعمالي از المانهاي مجاور كه در حال كاهش حجم هستند و كل قطعه، باعث تشديد پارگي گرم
مي شود كه اين موضوع در معيار فئورر در نظر گرفته نشدهاست.
با توجه بهمطالب ذكر شده، توسعه يك معيار مناسب كه بتواند شرايط فيزيكي و متالورژيكي قطعه در حين انجماد را در نظر بگيرد و از طرفي امكان استفاده از دادههاي كارگاهي در آن وجود داشتهباشد، ضروري بهنظر ميرسد.

شكل (1): نماي شماتيك دستگاه تست پارگي گرم ICTC [10].

بههمين منظور در اين تحقيق سعي شدهاست كه بر اساس تحقيقات و معيارهاي ارائه شده قبلي، معيار جديدي براي تعيين استعداد بهپارگي گرم آلياژهاي ريختگي ارائه گردد كه تأثير هر دو گروه فاكتورهاي مهم مكانيكي و متالورژيكي مؤثر در ايجاد پارگي گرم را در نظر بگيرد. همچن ين بهمنظور اعتبارسنجي معيار پيشنهادي، استعداد بهپارگي گرم آلياژ A206 كه يكي از آلياژهاي پر كاربرد آلومينيوم در صنايع خودرو و هواپيمايي است، مورد ارزيابي قرار گرفتهاست.

2- مواد و روش تحقيق
معيار پيشنهاد شده يك معيار دو بعدي است كه از دو بخش مكانيكي و متالورژيكي تشكيل شدهاست و جزئيات بيشتر در مورد نحوه توسعه آن در بخشهاي بعدي توضيح داده خواهد شد.
به منظور اندازهگيري دادههاي مكانيكي و دمايي مورد استفاده در معيار، از يك دستگاه تست پارگي گرم (2ICTC) كه قبلاً توسط نويسندگان ساخته و مورد ارزيابي قرار گرفته [12-9] و قابليت اندازهگيري همزمان نيروي انقباضي و دما در حين انجماد را دارد، استفاده گرديد. شكل (1)، تصوير شماتيك اين دستگاه را نشان ميدهد. از دو انتهاي حفره T شكل قالب، دو پيچ خارج مي شود. يكي از پيچها بهواسطه يك ميله رابط بهيك صفحه صلب وصل ميگردد كه وظيفه آن جلوگيري از انقباض آزاد قطعه T شكل ميباشد. پيچ ديگر بهيك لودسل متصل ميگردد و نيروي حاصل از انقباض قطعه در حين انجماد بهيك برد ويژه كه قابليت نشان دادن نيروي وارد بر لودسل را دارد، منتقل مي شود. سپس اطلاعات بهكامپيوتر منتقل گشته و توسط نرم افزاري بهصورت نمودار نيرو- زمان رسم و ثبت ميگردد.
جهت اندازهگيري دماي منطقه خميري در حين انجماد و هماهنگ با لودسل، در مركز قطعه T شكل، دو ترموكوپل تعبيه شدهاست. تغييرات دما نيز بر حسب زمان توسط يك ديتالوگر و نرمافزار ديگري بر روي كامپيوتر بهصورت نمودار نمايش داده و ثبت ميگردد [9 و 10].
پس از ذوبريزي و با شروع فرآيند انجماد، انجماد سريع اطراف پيچها باعث درگير شدن پيچها با قطعه شده و نيروهاي حاصل از انقباض انجمادي و انقباض قسمتهاي در حال سرد شدن قطعه بهميلههاي رابط و لودسل منتقل ميشود كه بهصورت نمودار در كامپيوتر نمايش داده ميشود. مقاومت پيچها بهانقباض آزاد قسمتهاي منجمد شده باعث ايجاد كرنش در مناطق خميري قطعه گرديده كه در صورت وجود شرايط مناسب منجر بهپارگي مي گردد. اين پارگي در نمودارهاي بهدست آمده بهصورت يك پيك يا تغيير شيب ظاهر ميگردد. با استفاده از ترموكوپلهاي قرار گرفته در قطعه ميتوان نمودارهاي سرد شدن را براي هر آزمايش رسم كرد و با استفاده از آناليز حرارتي كسر حجمي مذاب در مراحل مختلف انجماد و همچنين نقاط ليكوئيدوس، ساليدوس و كوهرنسي را تعيين نمود.
در اين تحقيق بهمنظور اعتبارسنجي معيار پيشنهادي، تأثير درصد مس بر استعداد بهپارگي گرم آلياژ A206 كه يكي از آلياژهاي پركاربرد آلومينيوم در صنايع خودرو و هواپيمايي است، مورد ارزيابي قرار گرفت. اين آلياژ بهدليل دامنه انجماد وسيع، بسيار مستعد بهپارگي گرم بوده و تأثير پارامترهاي مختلف را با وضوح مناسبي نشان ميدهد.
در هر آزمايش حدود 2800 گرم از شمشهاي A206 با درصدهاي مختلف مس بهوسيله يك كورة مقاومتي و درون بوته آلومينايي ذوب گرديد. تركيب حقيقي بهدست آمده از آزمايش كونتومتري براي هر يك از آلياژها در جدول (1) ارائه شدهاست.

جدول (1): تركيب شيميايي آلياژهاي ريختهگري شده جهت بررسي تأثير درصد مس بر پارگي گرم.
Cu Mn Mg Ti Si Fe Al
4/45 0/12 0/35 0/17 0/05 0/1 بالانس
4/6 0/19 0/25 0/17 0/05 0/01 بالانس
5/1 0/15 0/35 0/18 0/05 0/1 بالانس

در طول ذوب شدن آلياژ، تجهيزات انجام تست مطابق آنچه كه در شكل (1) نشان دادهشد، آماده و مونتاژ گرديد. پس از رسيدن دماي مذاب به 700 درجه سانتي گراد، عمل ذوبريزي در مدت حدوداً 10 ثانيه انجام گرفت. با شروع عمليات ذوب ريزي، اندازهگيري دما و نيرو بهطور همزمان صورت گرفته و در كامپيوتر ثبت گرديد. در كليه آزمايشات، اندازهگيري نيرو و دما تا سرد شدن قطعه تا دماي 250 درجه سانتي گراد ادامه يافت.
نمونهاي از منحني نيرو- زمان ثبت شده توسط دستگاه ICTC و مشتق آن بر حسب زمان در شكل (2) نشان داده شده است.
پس از پايان هر آزمايش منطقه گرم هر قطعه از نظر شدت بروز پارگيهاي بهوجود آمده بررسي شد. همچنين بهمنظور تعيين اندازه دانهها، نمونههايي از مركز قطعه T شكل موازي با سطح بالايي قطعه برشكاري شده، با سنبادههاي 80 تا 1200 سطح آنها پرداخت گشته و توسط سوسپانسيون ذرات آلوميناي 05/0 ميكرومتري پوليش گرديدند. جهت اچ ميكروسكوپي از محلول استاندارد كلر3 ( 2.5 ml HNO3, 1.5 ml HCI, ،95 ml H2O
1.0 ml HF,) مطابق مرجع [13]، استفاده شد. محاسبه اندازه دانه ها بر اساس استاندارد E112-96 ASTM و با استفاده از نرم افزار آناليز تصويري Clemex انجام گرفت [14].

نتايج و مباحث
3-1- توسعه معيار جديد (4NNC)
معيار پيشنهاد شده با نام (NNC) برگرفته از معيار فئورر ميباشد.
همانطوركه گفتهشد بر اساس معيار فئورر، پارگي گرم زماني ميتواند رخ دهد كه (SPV < SRG) باشد و اشكالي كه بهاين معيار ميتوان وارد كرد، عدم توجه به طول مؤثر قطعه ميباشد.
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
400
200
100
0
300
500
600
700
Time(s)
Load(N)
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
dN/dt(N/s)
Load
dN/dt
Coherency
Opening of tear
Solidus

-1000

0

1000



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید