تشكيل دانههاي با ابعاد نانو و تكامل بافت حين نورد تجمعي ورق مسي

مهدي سالاري
عضو هيأت علمي دانشگاه آزاد اسلامي واحد سيرجان
salari@iausirjan.ac.ir
(تاريخ دريافت: 31/05/89، تاريخ پذيرش: 12/08/89)

چكيده
در تحقيق حاضر، نورد تجمعي بر روي مس خالص (9/99 درصد) انجام شده كه تعداد شش مرحله نورد وتحت شرايط بدون استفاده از روانكار، بر نمونهها اعمال شده است. تكامل بافت و ريزساختار حين مراحل مختلف نورد، بررسي شده و در نهايت، دانههايي با اندازه متوسط 310 نانومتر، پس از مرحله ششم نورد، به دست آمده است. نتايج مطالعه بافت نمونهها بيانگرآن است كه با افزايش تعداد مراحل نورد، شدت بافت كلي زيادتر شده و پس از مرحله ششم، بافت پرشدتي به وجود ميآيد. مؤلفههاي اصلي بافت در نمونهها، برس1، TC2 و ديلامور3 هستند كه شدت آنها با افزايش تعداد مراحل نورد زياد شده است. ميزان و سرعت ريز شدن دانهها پس از مرحله چهارم نورد، كاهش پيدا كرده كه علت آن را ميتوان تشكيل بافت قوي با مؤلفههاي پرشدت حين نورد تجمعي دانست كه منجر به تشكيل ساختار
باندي شكل و جلوگيري از ريز شدن كامل دانهها عنوان نمود.

واژه هاي كليدي:
نورد تجمعي، مس با ساختار نانو، تكامل بافت.

1- مقدمه
با توسعه روزافزون صنايع الكترونيك، نياز به آلياژهاي مس كه استحكام و قدرت هدايت الكتريسيته بالا داشته باشند، به شدت افزايش يافته است. عموماً، افزايش استحكام مس با افزودن عناصر آلياژي، كاهش هدايت الكتريكي را به دنبال دارد. براي غلبه بر اين نقص در صنعت الكترونيك، استفاده از مس خالص با ساختار دانههاي با مقياس نانو كه با تغيير شكل مومسان شديد4 توليد ميشود، توسعه زيادي يافته است [1 و 2].
در فرآيندهاي تغيير شكل مومسان شديد، كرنش زيادي بدون تغيير در ابعاد نهايي نمونهها، برآنها اعمال ميشود. در بين اين فرآيندها، روش نورد تجمعي5 نسبت به روشهاي ديگر محبوبيت بيشتري داشته است كه علت آن را ميتوان قابليت توليد صنعتي در مقياس بالا و امكان استفاده از تجهيزات معمول نورد در آن دانست [3]. آلومينيوم خالص [3]، آلياژهاي ] AA50833 و 4]،AA8011 [5 و 6]، AA6061 [7]، AA8090 [8] و فولاد Ti-IF [9 و 10] از جمله موادي هستند كه تاكنون به طور موفقيتآميز با نورد تجمعي به ساختار دانهاي نانو رسيدهاند. عليرغم وجود مطالعات زياد درباره تغييرات خواص مكانيكي مواد و تكامل ساختاري آنها حين مراحل مختلف نورد تجمعي، تحقيقات اندكي در مورد تكامل بافت6 در اين نوع نورد انجام شده است. اهميت صنعتي بافت، تأثيرآن بر بسياري از خواص فيزيكي و مكانيكي مواد بلورين از جمله مدول الاستيسيته، ناهمسانگردي خواص، انعطافپذيري، انرژي لازم جهت مغناطيس شدن و نفوذپذيري مغناطيسي ميباشد [8].
تحليل بافت، روش بسيار مفيد در تشريح چگونگي تكامل ريزساختار و بررسي سابقه كرنشهاي اعمال شده در نمونه است.
تكامل بافت در روش نورد تجمعي با نورد معمولي متفاوت است [11]. مواد نورد شده با روش نورد تجمعي، داراي ساختار لايهاي تنيده شده درهم و موازي سطح خارجي نمونه ميباشند.
هيسون7 و پرانگنل8 [12] نشان دادند كه در آلومينيوم خالص، بيشتر مؤلفههاي برشي9 وقتي به مركز نمونه منتقل ميشوند، به سمت مؤلفههايCu{112} <111> و S{123} <634> مي-چرخند.
كيم10 و همكارانش [13]، همچنين مشاهده كردند كه مؤلفههاي Cu و 8> , 11 , 11< { 11 , 4 , 4} ديلامور در مركز نمونه حين نورد تجمعي آلياژ A8011 وجود دارند. آنها تأكيد نمودند مشخصه هاي بافت فلزات نورد تجمعي شده، در مقايسه با نورد معمولي، بسيار پيچيده تر ميباشند.
در آلومينيوم خالص، نشان داده شده است كه توسعه بافت پس از نورد تجمعي، بسيار ضعيف و نامتقارن است [14]. بافت مرحله نهايي نورد تجمعي توسط محققان مختلف بررسي شده و نتايج مبين آن است كه يك شيب بافتي در ضخامت نمونهها در اثر توزيع متفاوت كرنش برشي و نحوه تغيير شكل وجود دارد. در دو مرحله ابتدايي نورد تجمعي، تراكم زياد نابجاييها در دانهها ايجاد شده و منجر به ساختار دانه فرعي كم زاويه (كمتر از 15 درجه) ميگردد. با افزايش كرنش، فاصله بين اين مرزهاي فرعي كاهش مييابد و ناهمساني زاويهاي بين آنها افزايش مييابد [15]. تغيير شكل پلاستيك شديد با نورد تجمعي باعث ريزدانه شدن در اثر تشكيل مرزهاي نابجايي تصادفي11 و مرزهاي وابسته به هندسه اطراف12 منجر به تشكيل ساختار بسيار ريز مرزهاي دانه پايدار و متعادل ميگردند [16].
هدف از تحقيق حاضر، مطالعه در مورد تكامل ساختار و بافت در ورق مس خالص حين مراحل مختلف نورد تجمعي است.

2- روش تحقيق
آزمايشات بر روي ورق مس 95/99 درصد كه در 500 درجه سانتيگراد آنيل شده بودند، صورت گرفت. بر روي اين ورقها، نورد تجمعي به صورت پيوسته با كرنش 50 درصد در هر مرحله و ضخامت نهايي ثابت در ورق با لايههاي اتصال يافته انجام شد. قطر غلتك نورد، 150 ميليمتر و سرعت آن rpm 30 بود كه آهنگ كرنشي معادل 1-s 45 ايجاد ميكرد. نمونهها پس از هر مرحله نورد، به مدت 15 دقيقه در دماي 200 درجه سانتي-گراد آنيل شدند. شكل (1)، مراحل مختلف اين نوع نورد را تشريح ميكند: ابتدا ورق اوليه نورد ميشود، سپس به دو تكه بريده شده و يك سطح از آنها با ماده استون شسته شده و توسط برس فلزي، تميزكاري ميشوند. اين دو سطح به هم چسبانده شده و نورد دوباره انجام ميشود. ضخامت، عرض و طول نمونه-ها به ترتيب 1، 30 و 300 ميليمتر بود.
در اين پژوهش، شش مرحله نورد در دماي اتاق و بدون روانكار
انجام شد. نمونههاي بافت همگي از قسمت مياني

شكل (1): نمايش چگونگي انجام مراحل نورد تجمعي.

ضخامت ورق ها تهيه گرديد. اندازهگيـري بافـت بـا روش تفـرقاشعه ايكس و اسـتفاده از دسـتگاهPhilips X’Pert انجـام شـد و پول فيگرهـاي13 (200)، (220)، (311) و (111) بـ ه دسـت آمـد.
پول فيگر ، نمايش توزيع دو بعـدي از جهـات بلور هـا مـثلاً قطـبصفحه(hkl) نـسبت بـه محورهـاي نمونـه مـيباشـد . تـابع توزيـعجهتگيريها14 با نرم افزارX’Pert محاسبه شد. در هر مرحله، از 4 پــول فيگــر بــراي محاســبهODF اســتفاده شــد . هــر كــدام از مؤلف هه اي باف ت، موقعي ت مشخ صي در پـول فيگ ر و ت ابع جهتگيريها دارند كه برخي از آنها در شكل (2) نشان داده شدهاست.

169926-4468703

شكل (2): موقعيت مؤلفههاي مهم در الف) تابع جهتگيريها و ب) پول فيگر

1433322-29561

.Goss ,Cube ,Copper ,S ,Brass

زواياي اويلر با نمونههاي اورتوگونال مرتبط فرض شدند و محورهاي بلورها با سه چرخش نشان داده شدند. اين چرخشها 1 ، و 2 در روش بونگه ميباشند. تصاوير ريزساختار، توسط ميكروسكوپ الكتروني عبوريPhilips CM200 FEGTEM در دانشگاه دلفت15 هلند تهيه شد.

3- نتايج و بحث
جهت ارزيابي بهتر تكامل بافت، فايبرهاي اصلي فلزات FCC در نمونهها محاسبه و در شكل (3) نشان داده شده است. با افزايش تعداد مراحل نورد، شدت مؤلفه >100< {011} گوس16 (كه نماينده مؤلفههاي تبلور مجدد است) كاهش يافته، در حالي كه شدت جهتگيريهاي نوردي افزايش داشته است (شكل 3). فايبر α كه از مؤلفه گوس تا برس امتداد مييابد در اين شكل، نشان-دهنده آن است كه چگونه مؤلفه برس حين مراحل نورد تجمعي افزايش يافته است. مؤلفههاي اصلي در نمونه نهايي برس، TC
>511< {255} و ديلامور ميباشد (شكل 3- الف).
طي مطالعات مختلف، نشان داده شده است كه در نورد تجمعي، در مقايسه با نورد سرد معمولي، دانهها داراي فضاي مرزدانهاي كمتري هستند [5]. ناهمساني زاويهاي17 بين دانهها حين نورد تجمعي بيشتر شده و مرزدانههاي با زواياي بزرگتر ايجاد ميشود.
پس از كرنش معيني، اين افزايش ناهمساني متوقف ميگردد.
در نمونههاي نورد تجمعي شده، تركيبي از كرنشهاي نوردي و برشي وجود دارد [11].وجود كرنش برشي در ضخامت نمونه، ميتواند منجر به افزايش شديد موضعي كرنش كل در اين نمونهها شود. شكل (3- ج)، مؤلفههاي برشي مثل
Y{111} <112> در مراحل اوليه نورد و عدم وجود مؤلفههاي
{111} <uvw> در مراحل پاياني نورد را نشان ميدهد كه علت آن را ميتوان تخريب مؤلفههاي برشي پس از مرحله دوم نورد دانست. همانطور كه توضيح داده شد، مركز نمونه در يك

)
الف
(

)
ب
(

)

الف

(

)

ب

(

(ج)
شكل (3): توسعه فايبرهاي مختلف در نمونهها حين مراحل مختلف نورد تجمعي، الف) فايبر α، ب) فايبر β، ج) فايبر .

مرحله از نورد، همان سطح نمونه در مرحله قبل بوده است. بنابراين، بافت شديد برشي، ب ه راحتي در مرحله بعدي نورد از بين ميرود.
حين تغيير شكل تجمعي، دانههاي اوليه كه طي تشكيل باندهاي تغيير شكل18 به وجود ميآيند، در اثر اختلاف جهتگيري و يا حضور ميكروباندهاي برشي19، به دانههاي كوچكتر تقسيم ميشوند. وجود كرنش برشي، حتي ممكن است الگوي لغزش را نسبت به نورد معمولي تغيير دهد. اين امر ميتواند در انحراف نحوه تكامل بافتي در نورد تجمعي نسبت به نورد معمولي توجيه كننده باشد. شكل (3- ج)، نشان ميدهد كه در اثر افزايش كرنش حين نورد تجمعي، مولفههاي ديلامور و S، تقويت ميگردند. باندهاي برشي كه در اثر بيثباتي موضعي پلاستيك تشكيل ميشوند نيز، مؤلفههاي S را جوانه ميزنند.
نتايج به دست آمده از اين پژوهش، در تحقيقات متعدد انجام شده بر روي آلياژهاي آلومينيوم نيز مشهود بوده است كه به دليل متفاوت بودن بعضي از شرايط آزمايش مؤلفههاي نهايي دقيقاً مانند مؤلفههاي شكل (3) نبودهاند. از جمله اين تفاوتها ميتوان به دماي نورد، دماي آنيل، اندازه غلتك و سرعت چرخش آن، وجود ذرات فاز ثانويه و انرژي نقص چيده شدن آلياژ اشاره نمود. به عنوان مثال، در آزمايشات پيرگزي و همكاران، به دليل انجام نورد تجمعي در 200 درجه سانتيگراد، مؤلفه RC20، يكي از مؤلفههاي اصلي در تمام مراحل نورد بوده است [14]. در حالي كه راعي و همكارانش، به دليل انجام نورد در دماي محيط، مؤلفه مس21 را يكي از مؤلفههاي نهايي معرفي نمودهاند [17]. در تحقيقات مذكور نيز مؤلفه ديلامور يكي از جهتگيريهاي پرشدت در مراحل پاياني نورد تجمعي بوده است.
شدت زياد مؤلفه TC در مرحله دوم نورد (شكل 3- ج) نشاندهنده انجام دوقلويي مكانيكي است. مراحل دوقلويي مكانيكي در فلزات با انرزي نقص انباشتگي22 متوسط مانند مس به شرح ذيل است (شكل 4): مؤلفه Cu به مؤلفه TC تغيير

شكل (4): شماتيك نحوه انجام دوقلويي مكانيكي در مواد با انرژي نقص انباشتگي متوسط.

مييابد. در كرنشهاي بيشتر، مؤلفه Y در اثر لغزش غير نرمال ايجاد ميشود. باندهاي برشي منجر به توليد مؤلفه گوس شده و يك لغزش غيرنرمال بعدي، مؤلفه برس را جوانه ميزند.
شكل (5)، ريزساختار مشاهده شده توسط ميكروسكوپ الكتروني عبوري در مقطع عرضي (TD) از نمونه را پس از مراحل اول، دوم، چهارم و ششم نشان ميدهد. در نمونه پس از مرحله اول نورد، ساختار سلولي نابجاييها تشكيل شده و پس از مرحله دوم، غلظت نابجاييها در اين سلولها كاهش مييابد و اندازه سلول ريزترميشود. در اين نمونه، دانههاي بسيار ريز مشاهده ميشود. سهم اين دانههاي بسيار ريز با افزايش تعداد مراحل نورد، افزايش مييابد.
دانههاي بسيار ريز در مرحله دوم شروع به پيدايش ميكنند. در اين دانهها، غلظت نابجاييها نسبتاً كم است و مرزهاي مشخصي دارند. ساختار دانهها پس از مرحله چهارم، مرزهاي واضحتر و دانسيته نابجاييهاي كمتري را در داخل دانهها نشان ميدهند. همچنين تمام دانهها در اين مرحله در راستاي نورد كشيده شدهاند. دانهها در اين مرحله ناهمساني زياد زاويهاي با هم دارند. نمونه، پس از مرحله چهارم شامل تعداد زيادي دانههاي با اندازه
متوسط 350 نانومتر است كه اطراف آنها را مرزدانههاي مشخص و واضح در برگرفتهاند.
در نمونه نورد شده تا مرحله ششم، ساختار دانهاي بسيار ظريف با اندازه دانهاي متوسط 310 نانومتر كه تقريباً مساوي اندازه دانهها پس از مرحله چهارم نورد است، ديده ميشود كه بيانگر كاهش چشمگير شدت ريزدانه شدن پس از مرحله چهارم نورد است.
تكامل يك بافت قوي با مؤلفههاي پرشدت حين نورد تجمعي، منجر به توليد ساختار باندي شكل و ممانعت از ريزدانه شدن بيشتر شود. اين امر در نتيجه مطالعات قلندري [18] و چانگ23 [
19]، نيز ذكر شده است.
تيسوجي24 و همكارانش [10 و 16]، مكانيزم تشكيل اين دانههاي بسيار ظريف را در نورد تجمعي به اين صورت پيشنهاد دادند: ساختار نورد تجمعي يافته، ساختاري شديداً فشرده است و ناهمسانيهاي موضعي زيادي دارد كه شامل نابجاييهاي وابسته به موقعيت25 (GNBs) ميباشند. در اين مكانهاي ناهمساني، كرنش بحراني مرزهاي فرعي كم زاويه را به مرزدانههاي پرزاويه تبديل ميكند و ساختار بسيار ظريف به وجود ميآورد. تغييرات پيوسته در ناهمساني زاويهاي با منظم شدن مجدد نابجاييهاي وابسته به موقعيت (GNBs) در اثر نفوذ كوتاه دامنه، به مرزهاي صفحهاي تبديل ميگردد [10 و 16].
اين نفوذ كوتاه دامنه حتي در دماي محيط نيز ميتواند صورت گيردكه علت آنرا ميتوان بالا رفتن دماي موضعي نمونه در اثر كرنش شديد پلاستيك دانست. مرزدانههاي پرزاويه كه در اثر تغيير شكل به وجود آمدهاند، باعث تقسيم و ريزشدن دانههاي محتوي نابجاييهاي وابسته به موقعيت ميشوند تا وقتي كه بازيابي رخ دهد و مرزدانههاي پايدار تشكيل گردد [12]. 4- نتيجهگيري

شكل (5): ريزساختار نمونهها در مقطع عرضي (TD) مشاهده شده توسط ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM) پس از: الف) مرحله اول، ب) مرحله دوم، ج) مرحله چهارم و د) مرحله ششم.
در تحقيق حاضر، نورد تجمعي تا شش مرحله به طور موفقيتآميز بر روي مس خالص انجام گرفته است. نتايج مبين آن است كه با افزايش تعداد مراحل نورد، شدت بافت كلي افزايش دارد و يك بافت قوي در مرحله پاياني نورد شكل گرفته است. مؤلفههاي اصلي نمونه نهايي برس، TC و ديلامور هستند. شدت زياد مولفه TC نشاندهنده انجام شدن دوقلويي حين نورد است. ريزدانه شدن پس از مرحله چهارم كاهش چشمگيري داشته كه علت آن را ميتوان تكامل يك بافت قوي با مؤلفههاي پرشدت حين نورد تجمعي منجر به توليد ساختار باندي شكل دانست. كرنش شديد موضعي، وجود نابجاييهاي وابسته به موقعيت و نفوذ كوتاه دامنه ميتواند منجر به تقسيم شديد دانهها حين نورد تجمعي شده و ساختار دانهاي فوق ظريف را ايجاد كند.
5- مراجع
L. Cha-Yong, H. Seung-Zeon and H. L. Seong , “Formation of Nano-Sized Grains in Cu and Cu-Fe-P Alloys by Accumulative Roll Bonding Process”, Metals and Materials International, Vol. 12, pp. 225-232, 2006.

J. Younghwan, K. Sangshik and H. Seungzeon, “Tensile Behavior of Commercially Pure Copper Sheet Fabricated by2- and 3- Layered Accumulative Roll Bonding (ARB) Process”, Metals and Materials International, Vol. 14, No.
2, pp. 171-179, 2008.

Y. Saito, H. Utsunomiya and N. Tsuji, “Novel Ultra-High Straining Process for Bulk Materials Development of the Accumulative Roll-Bonding (ARB) Process”, Acta
Materialia, Vol. 47, pp. 579-586. 1999.

X. Huang, N. Tsuji, N. Hansen and Y. Minamino,
“Microstructural Evolution During Accumulative RollBonding of Commercial Purity Aluminum”, Materials Science and Engineering A, Vol. 340, pp. 265-275, 2003.

H. W. Kim, S. B. Kang and N. Tsuji, “Texture Properties of AA8011 Aluminum Alloy Sheet Manufactured by the Accumulative Roll Bonding Process (ARB)”, Materials Science Forum, Vols. 408-412, pp. 727-736, 2002.

H. W. Kim, S. B. Kang, N. Tsuji and Y. Minamino, “Deformation Textures of AA8011 Aluminum Alloy Sheets Severely Deformed by Accumulative Roll Bonding”, Metallurgical and Materials Transaction A, Vol.
36, pp. 3151-3165, 2005.

K. T. Park, H. J. Kwon and W. J. Kim, “Microstructural Characteristics and Thermal Stability of Ultrafine Grained 6061 Al Alloy Fabricated by Accumulative Roll Bonding Process”, Materials Science and Engineering A, Vol. 316, pp. 145-155, 2001.

S. G. Chowdhury, A. Dutta and B. Ravikumar,



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید