مقاله 39 : تولید آلومینیوم

[قاسم معتمدی]

تأثیر عناصر آلیاژی بر روی آلومینیوم​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

تاثیر عناصر آلیاژی بر روی آلومینیوم​

مقدمه
با توجه به موقعیت عنصر آلومینیوم در جدول تناوبی عناصر و همسایگی این عنصر با اکثر عناصر و فلزات صنعتی باعث گردیده که این با این عناصر گروه های مختلف آلیاژی را تشکیل دهد، که کثرت گروههای آلیاژی گواهی بر این مدعاست. موقعیت فلز آلومینیوم در جدول تناوبی طوری است که با تعدادی کثیری عناصر مهم صنعتی در همسایگی بوده و تعدادی از معیارهای خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی فلز آلومینیوم امری ضروری به نظر می رسد. در این مبحث تاثیرعناصر مهم آلیاژی را روی فلز آلومینیوم مورد بررسی قرار می دهیم.
سیلیسیم
سیلیسیم علاوه بر افزایش سیالیت، مقاومت آلومینیوم را در مقابل ترک گرم افزایش می دهد و به دلیل افزایش سیالیت، برد تغذیه هم افزایش می یابد. سیلیسیم دانه ها را ریزتر کرده و درصد سیلیسیم بین 25-5 درصد متغیر است.
در شکل 1 نمودار تعادلی Al-Si نشان داده شده است. همانطوری که مشاهده می گردد در انجماد تعادلی، نقطه یوتکتیک آلیاژ فوق، 6/12 درصد می باشد که در داخل قالب های ماسه ای درصد یوتکتیک 12 درصد و در قالب فلزی تا 9 درصد می باشد. به طور کلی در صورتی که درصد وزنی و یا حجمی یک فاز در نقطه یوتکتیک کم تر از فاز دیگر باشد آن فاز به صورت سوزنی رشد می کند، بنابراین سیلیسیم به صورت سوزنی رشد می کند. در نمودار شکل 1، آلیاژهای بالای نقطه یوتکتیک دارای مقاومت سایشی بیشتری می باشند، به همین دلیل پوسته موتور دیزل، از آلیاژهای Al-Si هایپریوتکتیک ساخته می شود.

​

​

مس
درصد این عنصر آلیاژی بین 4 تا 10 درصد می باشد. تاثیرعمده این عنصر افزایش استحکام و سختی به خصوص بعد از عملیات حرارتی می باشد. در شکل 2 نمودار تعادلی آلیاژ Al-Cu ارائه شده است، همانطوریکه ملاحظه می گردد کاهش حلالیت مس با کاهش دما در درصدهای پایین مس می تواند از طریق مکانیزم رسوب سختی باعث افزایش استحکام شود.
افزودن مس به مذاب آلومینیوم، از نقطه نظر خصوصیات ریختگی، نه تنها خصوصیات مطلوبی را ایجاد نخواهدکرد، بلکه از کیفیت ریخته گری آلومینیوم نیز می کاهد.








منیزیم
نمودار تعادلی آلیاژ آلومینیوم- منیزیم در شکل 3 نشان داده شده است. همان طوری که مشاهده می شود منیزیم در دمای یوتکتیک (450 سانتی گراد در حدود 15 درصد در آلومینیوم حل شده و این حلالیت در دمای محیط به 3 درصد کاهش می یابد، بنابراین در صورتی که درصد منیزیم بیشتر از 3 درصد باشد این آلیاژها عملیات پذیر می شوند. در این حالت فاز اصلی سخت کنده Al3Mg2 می باشد.
کاربرد اصلی عنصر منیزیم بهبود مقاوت به خوردگی و افزایش قابلیت عملیات حرارتی آلیاژهای Al-Si (گروه 6000) می باشد.





منگنز
همان طوریکه درشکل 4 مشاهده می شود در نمودار تعادلی آلیاژ Al-Mn هیچ موردی که کاربرد صنعتی داشته باشد، مشاهده نمی شود. اما نتایج تحقیقات مختلف نشان می دهد که این عنصر اثر تخریبی آهن را کاهش داده و فازهای ترد سوزنی بین فلزی را به فاز فشرده تبدیل می کند. افزودن حدود 5/0 درصد منگنز باعث افزایش خصوصیات ریختگی و بدون عیب شدن قطعات می گردد.





روی
همانطوریکه در شکل 5 مشاهده می گردد با افزایش دما حلالیت روی در آلومینیوم به شدت افزایش می یابد. اما این عنصر به تنهایی اثر چندانی درآلیاژهای آلومینیوم ندارد و در صورتیکه با فلزات دیگر مانند مس و منیزیم (هر دو قابلیت عملیات حرارتی را بهبود می بخشند) همراه باشد، استحکام به شدت به دنبال عملیات پیرسازی افزایش می یابد. مثل آلیاژ 7075 که در صنایع هواپیما سازی کاربرد دارد.

 

[قاسم معتمدی]

بریلیم
افزودن بریلیم در مقادیر خیلی کم مثلا چند قسمت در یک میلیون (در حدد صدم درصد) روی کاهش اکسیداسیون مذاب آلومینیوم موثر است در مقادیر بالاتر (بالای 04/0 %) بریلیم واکنش داده و به صورت ترکیب فلزی حاوی آهن ظاهر می شود که به طور قابل ملاحظه ای استحکام و انعطاف پذیری را بهبود می بخشد این عنصر با اکسیژن موجود درمذاب که به صورت ترکیبات اسیدی می باشد واکنش داده و علاوه بر احیاء اکسیدها باعث تشکیل اکسید بریلیم به صورت فیلم Beo روی مذاب می شود این فیلم به لحاظ این که دارای فاکتور متخلخل بالایی است می تواند روی مذاب را فرا گیرد و باعث کاهش اکسیداسیون مذاب گردد.

​

بیسموت
عنصر بیسموت در مقادیر بیشتر از 1/0 % باعث افزایش قابلیت ماشین کاری آلیاژهای آلومینیوم می گردد.
کلسیم
این عنصر اصلاح کننده ضعیف ساختار یوتکتیک آلیاژ Al-Si است. کلسیم قابلیت جذب گاز هیدروژن در مذاب را افزایش داده به همین دلیل بایستی در مقادیر کم درمذاب حضور داشته باشد. حضورکلسیم در مقادیر بیشتر از 005/0 % تاثیر مضربی روی داکتیله و انعطاف پذیری آلیاژهای Al-Mg دارد.





کادمیوم
درمقادیر بالاتر از 1/0 % قابلیت ماشین کاری را افزایش می دهد. بایستی احتیاط نمود که این عنصر در دمای حدود 767 درجه تبخیر می شود.

کروم
افزدون کروم در مقادیرکم رایج می باشد که باعث انجام عملیات رسوب سختی در دمای محیط گردد این عنصر در حالت جامد حلالیت کمی در آلومینیوم داشته و تولید فاز CrAl7 می نماید که در این فاز مانع از رشد دانه ها هنگام حرارت دادن می شود و عنصر مفیدی می باشد. کروم خواص مقاومت به خوردگی آلیاژهای Al را بهبود می بخشد. افزایش درصد این عنصر غلظت های بالا باعث حساسیت قطعات ریخته گی نسبت به عملیات کوئنچ می شود.







نیکل
این عنصر معمولاً به همراه عنصر مس به منظور افزایش خواص آلیاژها در دمای بالا مورد استفاده قرار می گیرد افزودن این عنصر باعث کاهش ضریب انبساط حرارتی آلیاژهای Al می شود.





آنتیموان
در مقادیر حدود 05/0 % و یا بیشتر آنتیموان ساختار یوتکتیک Al-Si را در آلیاژهای هیپوتکتیک به شکل یوتکتیک لایه ای تبدیل می کند. (از یوتکتیک سوزنی به یوتکتیک لایه ای تبدیل می کند) کارآیی آنتیموان در تغییر ساختار یوتکتیکی وابسته به عدم حضور عنصر فسفر و کافی بودن سرعت انجماد است آنتیموان همچنین با واکنش با عناصر سدیم و استرانیم باعث تشکیل فازهای بین فلزی درشت شده که تاثیر مضربی روی قابلیت ریخته گری و ساختار یوتکتیک دارد.
قلع
حضور این عنصر در آلیاژهای آلومینیوم باعث ایجاد حفره اصطکاکی شده و بنابراین کاربرد آن در موارد سایشی سبب می شود. آلیاژهای ریخته گی تا 25% می توانند عنصر قلع را داشته باشند که وجود این عنصر باعث افزایش قابلیت ماشین کاری قطعات ریختگی می شود.






تیتانیم
این عنصر به منظور اصلاح ساختار دانه بندی آلیاژهای آلومینیوم اغلب به همراه بور مورد استفاده قرار می گیرد. این عنصر اغلب به صورت TiB2 برای ریز کردن دانه ها (اصلاح) به کار می رود. این عنصر با ریزکردن دانه و افزایش استحکام آلیاژ در حین انجماد احتمال ترک در قطعات ریختگی می شود.
آهن
آهن باعث افزایش مقاومت به خزش آلیاژ می شود در ریخته گری در قالب های فلزی افزودن این عنصر باعث کاهش احتمال چسبیدن قطعه به قالب می گردد.افزایش عنصر آهن به هر حال توام با کاهش انعطاف پذیری است آهن با عنصر موجود در مذاب واکنش داده که حاصل آن تشکیل فازهای نامحلول از قبیل FeAl3 ، FeMnAl6 ،)AlFeSi ( است. فازهای نا محلول می توانند باعث افزایش استحکام آلیاژ گردند. به خصوص در دمای بالا (به منظور افزایش مقاومت به خزش و استحکام دردمای بالا است). با افزایش درصد فازهای نامحلول حاوی عنصر آهن خواص ریخته گری از قبیل سیالیت و تغذیه گزاری آن مشکل است آهن می تواند به همراه منگنز و کروم و سایر عناصر به صورت لجن در مذاب ظاهر شود

 

[قاسم معتمدی]

رسوب سختی آلیاژهای آلومینیوم​

مقدمه
در این بحث سخت شدن آلیاژهای آلومینیوم بوسیله رسوب اجزاء ساختمانی از محلول جامد مورد بررسی قرار خواهد گرفت. کشف این روش مهم تقویت کردن آلیاژهای آلومینیوم بدون شک در صنعت آلومینیوم انقلابی ایجاد نمود.
فرآیند رسوب سختی (پیرسختی) در سال 1906 بوسله Dr.A.Wilm آلمانی کشف گردید. دکتر Wilm یک آلیاژ 4 درصد مس و 5/0 درصد منیزیم را حرارت داده و پس از آن به سرعت سرد نمود و سپس سختی آلیاژ را اندازه گرفت. او متوجه شد که با گذشت زمان به مدت چند روز در درجه حرارت محیط سختی نمونه ها به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش یافت.
در سال 19911 Wilm نتایج خود را منتشر نمود ولی نتوانست توضیحی برای این سخت شدن بدهد زیرا از نظر میکروسکوپی هیچ گونه تفاوتی بین نمونه های سخت و نمونه های نرم مشاهده نکرده بود. از زمان Wilm تا کنون دانشمندان و مهندسین متعددی فرآیند رسوب سختی را مطالعه و مطالب مختلف و متعددی در مورد آن یافته اند، ولی هنوز هم مکانیزم دقیق آن مورد مطالعه قرار می گیرد.

اصلی رسوب سختی
برای سخت کردن یک آلیاژ آلومینیوم از طریق فرآیند رسوب سختی ابتدا به فلز یک عمل حرارتی حل کردن داده می شود. در این عمل حرارتی آلیاژ را به درجه حرارتی که بقدر کافی زیاد است تا عناصر آلیاژی را داخل محلول جامد بنماید حرارت می دهند. درجه حرارت مورد استفاده بستگی به ترکیب شیمیائی آلیاژ دارد. پس از حرارت دادن به درجه حرارت انحلال و نگهداشتن در آن درجه حرارت به مدت لازم آلیاژ به درجه حرارت پائین تری سریعاً سرد می شود تا این عناصر را در محلول جامد فوق اشباع شده نگهدارد.
قسمت دوم فرآیند رسوب سختی، پیر کردن است که در حلال رسوبات تشکیل می گردند. اگر رسوب گیری که باعث سختی آلیاژ می شود خود به خود در درجه حرارت محیط انجام گیرد گفتهمی شود که آلیاژ بصورت طبیعی پیر شده است (Natural Ageing) در هر حال اگر لازم باشد آلیاژ را حرارت داد (معمولاً در 500-200 درجه فار نهایت، 260-93 درجه سانتی گراد به مدت چندین ساعت) تا رسوب گیری انجام گیرد در آن صورت آن را پیر سختی مصنوعی Artificial Ageing می نامند. آلیاژهای آلومینیوم که قابل سخت شدن از طریق رسوب سختی هستند را بنا به تعریف آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر می نامند.
شرایط مورد نیاز: برای این که آلیاژ آلومینیوم قابل رسوب سختی باشد باید برخی شرایط خاص را دارا باشد. اول این که آلیاژ باید حاوی مقادیرقابل توجهی از حداقل یک عنصر یا یک ترکیب که با کاهش درجه حرارت از حد حلالیت حالت جامد آن کاسته می شود باشد یعنی ای عناصر یا ترکیبات باید دارای حلالیت حالت جامد قابل توجهی در درجات حرارت بالا و حلالیت حالت جامد ناچیز در درجات حرارت پائین باشند.
منحنی های حلالیت جامد برخی از عناصر آلیاژی و ترکیبات مهم برای آلومینیوم در شکل (1) نشان داده شده است. این عناصر عبارتند از: مس، روی، سیلیسیم و منیزیم و این ترکیبات عبارتند از: توضیح در مورد این نمودارها قبلاً آورده شده است و در صورت لزوم باید به آن مراجعه شود.
شرط دوم این است که عنصر یا ترکیبی که در محلول جامد فوق اشباع نگهداشته می شود باید رسوب کرده و تولید تغییر فرم ها و اعوجاج شبکه ای در آلومینیوم بنماید. معمولاً رسوب این عناصر یا ترکیبات بتدریج باعث سخت تر شدن آلیاژ شده تا این که سختی آن به یک مقدار حداکثر برسد. ادامه عملیات رسوب گیری پس از این نقطه باعث کاهش سختی می گردد.

​

شکل 1- حلالیت حالت جامد عناصر و ترکیبات مهم در آلومینیوم​

چگونگی تغییرات سختی بطور شماتیک در شکل (2) نشان داده شده است. آلیاژهائی که به مقدار کافی پیر نشده و به سختی حداکثر نرسیده باشند را کم پیری underaged و آلیاژهائی که از سختی حداکثر رد شده باشند (بمدت طولانی تر پیر شده باشند) را پرپیری (overaged) می نامند.
فرایند رسوب سختی آلیاژهای آلومینیوم را می توان بصورت زیر خلاصه نمود:
1- گرم کردن به درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال (حل کردن)
2- حرارت دادن در آن درجه حرارت برای مدت زمان کافی
3- پیر کردن طبیعی در درجه حرارت
4- پیر کردن برای رسوب سختی از طریق:
الف- پیرکردن طبیعی در درجه حرارت محیط یا،
ب- پیر کردن مصنوعی بوسیله حرارت دادن در یک درجه حرارت پائین (500-200 درجه فارنهایت) 260-93 درجه سانتی گراد بمدت لازم.
به عنوان مثال عملیات حرارتی یک آلیاژ cu 4%- LA را در نظر بگیرید. ابتدا آلیاژ به (940 درجه فارنهایت) 504 درجه سانتی گراد حرارت داده می شود تا تمام مس وارد محلول جامد گردد. سپس آلیاژ در آب سرد سریعاً سرد می گردد تا به درجه حرارت محیط برسد. اگر آلیاژ به (340 درجه فارنهایت) 171 درجه سانتی گراد بمدت ده ساعت حرارت داده شود از طریق پیر کردن مصنوعی سخت می گردد. روش کامل عملیات در شکل (3) نشان داده شده است. باید توجه داشت که اگر این آلیاژ حاوی 5/0 درصد منیزیم باشد می تواند در درجه حرارت محیط بصورت طبیعی پیر سخت شود.

1- عمل حرارتی انحلال (Solution heat treatment)
درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال طوری انتخاب می گردد که بالاتر از منحنی حلالیت جامد باشد ولی خطر ذوب اجزاء یوتکتیکی نقطه ذوب پائین وجود نداشته باشد. معمولاً کنترل درجه حرارت کروه در حدود دقت (10 درجه فارنهایت) 5/5+ درجه سانتی گراد نگهداشته می شود. آلیاژهائی که حتی چند درجه بیشتر از حد معین حرارت داده شوند بطور جزئی ذوب شده و در آن صورت فلز مربوطه را باید به علت از دست دادن خواص مکانیکی بصورت قراضه و ضایعات در آورد. تعدادی از کوره های بزرگ که برای عملیات حرارتی احلال قطعات فشار کاری شده (اکستروژن) آلومینیوم مورد استفاده قرار می گیرند در شکل (4) نشان داده شده است.

​

شکل 2- منحنی پیر شدن برای یک آلیاژ آلومینیوم​

​

شکل 3- ناحیه پر آلومینیوم نمودار فازی Al-CU و نمایش شماتیک پیرسختی برای آلیاژ CU%4- Al​

​

زمان لازم برای عملیات حرارتی انحلال بستگی به آلیاژ و نوع محصول دارد. بطور کلی قطعات کار شده احتیاج به زمان کمتری نسبت به قطعات ریختگی داشته و قطعات کار سرد شده زمان کمتری نسبت به قطعات کار گرم شده دارد. قطعات در ماسه به علت درشت بودن اجزاء ساختمانی آنها زمان بیشتری نسبت به قطعات ریختگی در قالب دائمی دارد. در مورد اغلب محصولات صفحه ای ورق، نیم ساعت تا دو ساعت زمان کافی برای عملیات حرارتی انحلال است، از طرف دیگر برخی از قطعات ریختگی ممکن است تا 12 ساعت حرارت دادن نیاز داشته باشند. اگر ماده کار سرد شده باشد باید آن را تقریباً به سرعت به درجه حرارت انحلال لازم رسانید تا از رشد دانه ها جلوگیری گردد.

 

[قاسم معتمدی]

باید به تفاوت بین عملیات حرارتی انحلال و عملیات تا بکاری کردن توجه شود. در هر دو مورد فرآیندهای بازیابی، تبلور مجدد و رشد دانه بطور مشابه انجام می گیرد. در هر حال عملیات حرارتی انحلال نسبت به عملیات تابکاری در درجه حرارت بالاتری انجام می شود تا به اجزاء ساختمانی لازم چون اجازه انحلال و ورودی به محلول جامد داده شود، که پس از آن رسوب می کند. در تابکاری قطعات، این اجزاء ساختمانی بمقدار زیادی وارد محلول جامد نمی گردد ولی اجازه رشد و درشت تر شدن ذرات داده می شود. قطعات عمل حرارتی انحلال شده نسبت به قطعات تابکاری شده، بعلت استحکام بخشی از طریق محلول جامد حاصل، معمولاً سخت تر هستند.
سریع سرد کردن Quenching
پس از این که اجزاء ساختمانی وارد محلول جامد گردیدند آلیاژ آلومینیوم به سرعت به درجه حرارت پائینی سرد می شود تا این اجزاء در محلول باقی بمانند. معمولی ترین محیط های سرد کردن آلیاژهای آلومینیوم آب داغ و آب سرد است.
سریع سرد کردن در آب سرد برای مواد نازکی چون ورق، قطعات فشار کاری شده، لوله و قطعات پتکاری شده کوچک بکار می رود. درجه حرارت آب زیر (85 درجه فارنهایت) 29 درجه سانتی گراد نگهداشته می شود و اجازه افزایش بیش از (20 درجه فارنهایت) 11 درجه سانتی گراد به آن داده نمی شود. این سرد شدن ناگهانی حداکثر مقاومت در مقابل خوردگی را به آلیاژ می دهد ولی ممکن است باعث اعوجاج قطعه گردد. عموماً پس از سریع سرد کردن در آب سرد نمونه را صاف می کنند تا هر گونه چین و چروک و عیوب دیگر از این نوع را حذف نمایند.
سریع سرد کردن در آب داغ بر روی قطعات سنگین آلومینیومی چون قطعات بزرگ پتکاری شده و ریختگی که در مورد آنها مقاومت خوردگی زیاد مهم نیست بکار می رود. سریع سرد کردن در آب داغ عموماً در (150 درجه فارنهایت) 66 درجه سانتی گراد تا (180 درجه فارنهایت) 82 درجه سانتی گراد و یا در (212 درجه فارنهایت) 100 درجه سانتی گراد (آب جوش) انجام می گیرد. چون سرد کردن در آب داغ آهسته تر از سرد کردن در آب سرد است بنابراین اعوجاج قطعه در این مورد خیلی زیاد نبوده و به مقدار حاصل در آب سرد نیست.
تأثیر سرعت سرد کردن بر روی مقاومت خوردگی در یکی دیگر از فصول بطور کامل مورد برسی قرار خواهد گرفت.
تأثیر ضخامت قطعه بر روی سرعت سرد شدن ورق و صفحه آلومینیومی سرد شده در آب سرد در شکل (5) نشان داده شده است. یک لایه عایق بخار آب که در درجاتی بالاتر از (750 درجه فارنهایت) 400 درجه سانتی گراد باعث ایجاد یک انحناء بر روی منحنی می گردد مانع سرد شدن سریع قطعات ضخیم شده و باعث می شود که مقاومت به خوردگی آنها کمتر گردد.
تأثیر درجه حرارت آب سرد کننده بر روی سرعت سرد کردن ورق آلومینیوم در شکل (6) نشان داده شده است. در اینجا نیز تغییر انحناهای موجود بر روی منحنی ها در اثر تشکیل یک لایهبخار بر روی سطح قطعه ایجاد می گردد. منحنی سرد شدن برای آب جوش به صورت خط راست است. بنابراین سرد کردن در آب جوش یکنواخت بوده ولی کاملاً آهسته است.
ماده ای که سرد می گردد باید تا حد امکان سریع از کوره به مخزن سرد کردن منتقل گردد. برای ورق ساخته شده از آلیاژهای 2017 و 2024 زمان انتقال نباید از 10 ثانیه تجاوز کند در غیر این صورت این آلیاژها ممکن است آمادگی برای خوردگی بین دانه ای پیدا کند.

​

شکل 5- تأثیر ضخامت ورق و صفحه آلیاژ آلومینیوم به شکل مربع به ابعاد 254 میلی متر (10 اینچ) بر روی سرعت سرد شدن آن​

​

شکل 6- تأثیر درجه حرارت آب سرد کننده بر روی سرعت سرد شدن ورق آلیاژ آلومینیومی به ضخامت 6/1 میلی متر​

​

3- پیرسازی Ageing
آلیاژهای آلومینیوم پس از عملیات حرارتی انحلال و سریع سرد کردن پیر می شوند تا رسوب دهند. سریع سرد کردن از درجات حرارت بالا قسمت اعظم عناصر محلول را در درجات حرارت پائین در داخل محلول جامد فوق اشباع نگه می دارد. در هر حال آلیاژهای آلومینیوم قابل سخت شدن از طریق رسوب گیری در حالت سریع سرد شده ناپایدار هستند. در اثر پیر شدن، ذرات بسیار ریز میکروسکوپی تشکیل می گردند که به عنوان مانع در دانه ها و مرزدانه ها عمل می نمایند. این ذرات بسیار ریز پخش شده در آلیاژ بقدری به آن استحکام می بخشند که آلیاژ می تواند بار بیش تری را تحمل کرده و تغییر فرم بیشتری را بدست آورد. اندازه و چگونگی توزیع رسوب بسیار مهم است زیرا ذرات بسیار درشت باعث ایجاد خواص مکانیکی ضعیف تر از خواص مکانیکی مطلوب می گردند.
آلیاژهای آلومینیوم قابل پیر شدن طبیعی استحکام کامل خود را پس از 4 تا 5 روز در درجه حرارت محیط بدست می آورند. در حدود 90 درصد حداکثر استحکام قابل حصول در این آلیاژها پس از 24 ساعت حاصل می گردد. شکل دادن آلیاژهای قابل پیر سختی طبیعی عموماً در حالت نرم قبل از پیر سختی انجام می گیرد. با قرار دادن قطعات درست پس از سریع سرد شدن و قبل از پیر سختی طبیعی یافتن دریخ خشک (100 تا 50 درجه فارنهایت) 73- تا 46 – درجه سانتی گراد می توان از رسوب گیری جلوگیری نمود تا قطعه در زمان لازم مورد استفاده قرار گیرد.
پیر سختی مصنوعی آلیاژهای آلومینیوم عموماً در درجات حرارت (500-20 درجه فارنهایت) 260-93 درجه سانتی گراد انجام می گیرد وقت درجه حرارت در حد (5+ درجه فارنهایت) درجه سانتی گراد نگهداشته می شود. زمان لازم برای عمل بستگی به آلیاژ و درجه حرارت پیرسختی دارد وقتی که یک آلیاژ جدید ساخته شد در درجات حرارت و برای مدت زمان های مختلف منحنی های پیر سختی تجربی رسم می گردد تا مشخصات پیر سختی مناسب بدست آید.

 

[قاسم معتمدی]

نام گذاری حالات (سختی) آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر
w- عمل حرارتی انحلال شده: یک حالت ناپایدار که فقط به آلیاژهائی که خود بخود در درجه حرارت محیط پیر شده اند اطلاق می گردد. این علامت گذاری فقط وقتی مشخص می شود که زمان پیر شدن طبیعی مشخص شده باشد، مثلاً (ساعت ).
T- عملیات حرارتی برای حصول حالتی غیر از O,F یا H: در مورد محصولاتی که با عملیات حرارتی و بدون یا همراه با سخت شدن ناشی از تغییر فوم به حالت پایداری رسیده باشد اطلاق می گردد. همیشه پس از علامت T یک یا دو رقم آورده می شود. اعداد 2 تا 10 در این مورد بکار می رود و هر یک از این اعداد یک نوع ترتیب خاص عملیات را که در زیر توضیح داده شده است نشان می دهد.
1- تقسیم بندی فرعی حالات مختلف
2T- تابکاری شده (فقط برای محصولات ریختگی): این علامت فقط به قطعات ریختگی و جهت نشان دادن یکنوع عملیات حرارتی تابکاری که برای بالا بردن انعطاف پذیری و افزایش پایداری ابعاد بکار می رود اطلاق می گردد.

3T- عملیات حرارتی انحلال شده و سپس کار سرد شده: در مورد محصولاتی که برای بالا رفتن استحکام کار سرد شده است و یا در محصولاتی که اثر کار سرد در صاف و مستقیم کردن قطعه پس از عملیات در برخی از موارد خاص مصرف مورد استفاده قرار می گیرد بکار می رود.

4T- عملیات حرارتی انحلال شده و سپس برای حصول حالت پایدار بطور طبیعی پیر شده: به محصولاتی اطلاق می گردد که پس از عملیات حرارتی انحلال شدن کار سرد نشده است، و یا به محصولاتی که اثرکار سرد در صاف و مستقیم کردن محصول تأثیر زیادی نداشته باشد اطلاق می گردد.
5T- فقط بصورت مصنوعی پیر شده: در مورد محصولاتی بکار می رود که پس از یک فرآیند تولیدی درجه حرارت زیاد و سریع شدن (مثلاً بصورت ریخته گری یا فشار کاری شده که سپس سریع سرد شده باشد) بصورت مصنوعی پیر می شوند تا خواص مکانیکی و یا پایداری ابعاد بهبود یابد.

6T- عملیات حرارتی انحلال شده و سپس بصورت مصنوعی پیر شده: برای محصولاتی بکار می رود که پس از عملیات حرارتی انحلال شدن کار سرد نشده باشد، یا در موارد مصرف عملی از کار سرد برای صاف و مستقیم کردن محصول استفاده نگردیده باشد.

7T- عملیات حرارتی انحلال شده و سپس پایدار شده: در مورد محصولاتی بکار می رود که به تا پس از نقطه حداکثر سختی پیر می گردند، تا رشد دانه ها را کنترل نماید و یا تنش های باقی مانده را کاهش دهد.

8T- عملیات حرارتی انحلال شده، کار سرد شده و سپس بطور مصنوعی پیر شده: برای محصولاتی بکار می رود که پس از عملیات حرارتی انحلال شدن و قبل از عملیات پیر سخت شدن کار سرد شده باشد تا استحکام آن بالا رود.

9T- عملیات حرارتی انحلال شده، بطور مصنوعی پیر شده و سپس کارسرد شده: در مورد محصولاتی بکار می رود که پس از عملیات حرارتی انحلال شدن کار سرد شده و سپس پیر سخت شده است تا استحکام بالا رود.

10T- بطور مصنوعی پیر شده و سپس کار سرد شده: در مورد محصولاتی بکار می رود که پس از یک فرآیند تولیدی درجه حرارت زیاد و سریع سرد شدن (چون ریخته گری یا فشار کاری) بطور مصنوعی پیر شده و سپس برای بالا بردن استحکام کار سرد شده باشند.

رسوب سختی آلیاژهای کار پذیر آلومینیوم
رسوب سختی در برخی از انواع مهم سیستم های آلیاژی آلومینیوم در اینجا مورد بررسی قرار می گیرد. برای درک بهتر باید به نمودارهای تعادلی که در فصول قبلی آورده شده است نیز مراجعه شود.


1- آلیاژهای Al-Cu و Al-Cu-Mg
همان گونه که ذکر گردید فرآیند رسوب سختی برای اولین بار بوسیله wilm در آلیاژ آلومینیوم حاوی 5/4 درصد مس و 5/0 درصد منیزیم مشاهده گردید. بدین دلیل سیستم Al-Cu-Mg سیستمی است که مورد بررسی و تحقیق زیاد قرار گرفته است.
مکانیزم: مکانیزم رسوب دادن ذرات (فاز ) از محلول جامد کاملاً شناخته نشده است. Reston , guinier معتقد بودند که خوشه بندی clustering قبل از رسوب گیری اتم های مس بر روی صفحات مکعبی آلومینیوم انجام می گیرد. این خوشه ها که مناطق guinier- preston یا منطقه G.P نامیده می شوند در خلال پیر کردن آلومینیوم بصورت رسوبات در می آیند که درزیر میکروسکوپ الکترونی قابل قابل دید می باشند. ذرات ریز رسوبی درست پس از تشکیل، با شبکه اصلی آلومینیوم منطبق یا پیوسته بوده و در آن تولید اعوجاج جزئی می نماید. بنابراین یک ساختمان پیوسته (coherent) (شکل a7-8) تشکیل می شود که در آن ذرات بر شبکه آلومینیوم منطبق بوده و بدون تغییر قابل توجه در فاصله اتمی باعث اعوجاج شبکه می گردد. در هر حال پس از پیر شدن بیشتر، از نظر اندازه بزرگ می شود و این رشد بقدری ادامه می یابد که اعوجاج ناشی از پیوستگی یا کوهرنسی بقدری قوی شود که ذرات از شبکه آلومینیوم بریده شده و تشکیل فازتعادلی را بدهد.
با تشکیل فاز تعادلی ، ساختمان گسسته شده (شکل 7) و دو فاز مجزا تشکیل می گردد. پیر سختی به حالی پیوستگی بین رسوب و شبکه اصلی وجود دارد دلالت می کند، در حالی که بیش از حد پیر شدن (برپیری) و نرم شدن به حالت از دست دادن پیوستگی و تشکیل فاز تعادلی منطبق است. تبدیل فازهای مربوطه را می توان بصورت زیر خلاصه نمود.

​

شکل 7- ذرات مکعبی پیوسته و ناپیوسته (a) برخی از صفحات اتمی در امتداد سطح مشترک پیوسته بصورت ممتد هستند. به شبکه تحت تنش و کج شده اتمی توجه شود. (b) در امتداد سطح مشترک ناپیوسته برخی صفحات اتمی گسسته شده بود و در نتیجه باعث تولید نابجائی می شوند. توجه شود که چگونه شبکه اتمی بمقدار زیادی تغییر فرم داده است.​

 

[قاسم معتمدی]

تعادلی ’ پیوسته ’ منطقه G.P
تأثیر منزیم: افزایش منیزیم به آلیاژهای Al-Cu باعث قابل توجه آنها می گردد. در آلیاژهای Al-Cu-Mg فاز s و ، در فرآیند پیرسختی اهمیت زیادی دارد. ترتیب تبدیل فازها برای مشابه تبدیل فازها برای بوده و می توان آن را بصورت زیر خلاصه نمود:
S تعادلی ’ پیوسته ’ (Mg,Cu) مناطق G.P
درآلیاژهای Al-Cu-Mg حاوی مقادیر کم منیزیم، فاز مهمترین فاز است در حالی که در آلیاژهای با مقادیر منیزیم زیاد فاز s دارای اهمیت زیادی است.
عملیات تجارتی: ترکیب شیمیائی و عملیات حرارتی برای آلیاژهای کار پذیر تجارتی Al-Cu و Al-Cu-Mg در جدول 1-8 نشان داده شده است. دو آلیاژ از مهمترین آلیاژهای این گروه آلیاژهای 2014 و 2024 می باشد که هر یک حاوی حدود 5/4 درصد مس است.
تأیر پیر کردن در درجه حرارت محیط (32 درجه فارنهایت) صفر درجه سانتی گراد و (صفر درجه فارنهایت) 18- درجه سانتی گراد بر روی خواص مکانیکی آلیاژهای 2014 و 2024 در اشکال (8) و (9) نشان داده شده است. در درجه حرارت محیط هیچ گونه عمل استحکام بخشی در 30 دقیقه اول صورت نمی گیرد، ولی پس از این مدت استحکام این آلیاژها افزایش یافته و تقریباً پس از حدود چهار روز به حداکثر مقدار خود می رسد. چون پیر کردن در (32 درجه فارنهایت) صفر درجه حداکثر مقدار خود می رسد. چون پیر کردن در (32 درجه فارنهایت) صفر درجه سانتی گراد و (صفر درجه فارنهایت) 18- درجه سانتی گراد باعث تأخیر رسوب سختی می گردد، بنابراین این آلیاژها را اغلب پس از عملیات حرارتی انحلال و سریع سرد کردن، دریخ خشک نگهداری می کنند تا از پیر شدن طبیعی ممانعت گردد. سپس پس از تغییر فرم های لازم آلیاژ آن را در درجه حرارت محیط به تا حداکثر خواص خود سخت می نماید.

​

شکل8- پیرسختی ورق آلیاژی 2014 در درجه حرارت محیط پس از عملیات حرارتی انحلال در ​

​

شکل9- پیر سختی ورق آلیاژی 2024 در درجه حرارت محیط، پس از عملیات حرارتی انحلال در ​

​

پس از این مدت استحکام این آلیاژها افزایش یافته و تقریباً پس از حدود چهار روز به حداکثر مقدار خود می رسد. چون پیر کردن در (32 درجه فارنهایت) صفر درجه سانتی گراد و (صفر درجه فارنهایت) 18- درجه سانتی گراد باعث تأخیر رسوب سختی می گردد، بنابراین این آلیاژها را اغلب پس از عملیات حرارتی انحلال و سریع سرد کردن، دریخ خشک نگهداری می کنند تا از پیر شدن طبیعی ممانعت گردد. سپس پس از تغییر فرم های لازم آلیاژ آن را در درجه حرارت محیط به تا حداکثر خواص خود سخت می نمایند.
منحنی های پیر سختی مصنوعی در درجات حرارت (320 درجه فارنهایت) 160 درجه سانتی گراد تا (400 درجه فارنهایت) 204 درجه سانتی گراد برای آلیاژهای 2014 و 2024 در اشکال (10) و (11) نشان داده شده است.
پیرسختی مصنوعی این آلیاژها باعث افزایش استحکام و نسبت استحکام کششی به استحکام تسلیم بالاتر شده ولی نسبت به پیر سختی طبیعی مقدار تغییر طول را کاهش بیشتری می دهد. افت کوچک ولی سریع اولیه در ابتدای منحی استحکام کششی و تسلیم را « تنزل استحکام» Retrogression می نامند. اعتقاد بر این است که این افت اولیه در اثر حل مجدد مناطق، G.P که از نظر اندازه کوچکتر از حد پایداری در درجه حرارت پیر کردن مصنوعی می باشد ایجاد می گردد.
در جدول 1 خلاصه درجات حرارت و مدت زمان لازم برای عملیات حرارتی انحلال و پیرسختی آلیاژهای کارپذیر تجارتی مهم Al-Cu و Al-Cu-Mg نشان داده شده است. همان گونه که قبلاً ذکر گردید درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال باید بحد کافی بالا باشد تا کلیه اجزاء سخت کننده محلول را وارد محلول جامد نماید و نیز بحد کافی پائین باشد تا از ذوب شدن جلوگیری گردد. تأثیر درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال بر روی خواص مکانیکی ورق 4T-2014 و 6T- 2014 در شکل (12) نشان داده شده است. این منحنی ها نشان می دهد که برای حصول حداکثر استحکام پس از پیر کردن آلیاژ 2014، لازم است آن را در درجه حرارت حدود (950 درجه فارنهایت) 510 درجه سانتی گراد عملیات حراری انحلال نمود.

 

[قاسم معتمدی]

- آلیاژهای Al-Mg-Si
همان گونه که قبلاً گفته شد جزء اصلی سخت کننده در این آلیاژها است که به مقدار یک تا دو درصد موجود است. اگر به نمودار فازی که قبلاً آورده شده است مراجعه شود می توان دید که حد حلالیت جامد در درجه حرارت یوتکتیک در حدود 85/1 درصد بوده به تدریج با کاهش درجه حرارت به تا درجه حرارت محیط به حدود 1/0 درصد کاهش می یابد. مکانیزم رسوب گیری هنوز موردشک و تردید می باشد ولی اعتقاد بر این است که رسوبات بصورت رشته های کوچکی رسوب می کنند که بعداً بصورت ورقه های کوچک رشد می نمایند.
درجه 2 ترکیب شیمیائی و عملیات حرارتی برای آلیاژهای کار پذیر تجارتی Al-Mg-Si داده شده است. این آلیاژها عموماً در (970 درجه فار نهایت) 521 درجه سانتی گراد عملیات حرارتی انحلال می شوند، ولی در واقع استحکام آنها با افزایش درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال به تا (1025 درجه فارنهایت) 522 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. برای پرهیز از بیش از حد داغ شدن و ذوب در عملیات تجارتی از درجات پائین تر از (970 درجه فارنهایت) 521 درجه سانتی گراد استفاده می شود.
تأثیر درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال بر روی خواص مکانیکی ورقها 4T-6061 و 6T- 6061 در شکل (13) نشان داده شده است. برای حصول حداکثر استحکام، آلیاژهای Al-Mg-Si باید از درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال سریعاً سرد شوند. این آلیاژها بصورت طبیعی پیر نمی شوند زیرا درجه حرارت محیط خیلی آهسته و بتدریج پیر سخت می گردند. (شکل 14)

جدول 2-8- عملیات حرارتی آلیاژهای کارپذیر Al-Mg-Si​

​

​

شکل13- تأثیر درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال بر روی خواص مکانیکی ورق 4T- 6061 و 6T- 6061​

چون پیر شدن طبیعی برای مدت زمان کوتاه تولید استحکام بقدر کافی و پایداری نمی کند بنابراین برای آلیاژهای تقریباً همواره از پیر کردن مصنوعی استفاده می گردد. همان گونه که در منحنی های پیر سختی ورق های 6061 شکل (15) دیده می شود، پیر کردن در درجات حرارت پائین تر و برای مدت زمان های طولانی تر بالاترین استحکام را ایجاد می نماید. آلیاژ 6061 معمولاً از طریق عملیات حرارتی انحلال، سریع سرد کردن و پیر سختی مصنوعی به حالت 6T ساخته می شود. در هر حال آلیاژ 6063 (که یک آلیاژ فشار کاری یا اکستروژن شده است) معمولاً موقع خروج از حدیده اکستروژن سریع سرد شده و سپس بصورت مصنوعی پیر شده و به حالت 5T در آورده می شود. در این مورد مرحله عملیات حرارتی انحلال خذب می شود. آلیاژ 6061 به سرد شدن نیاز داشته و بنابراین نمی توان آن را به این طریق بدست آورد.

 

[قاسم معتمدی]

آلیاژهای Al-Zn-Mg-Cu
روابط تعادلی در درجات حرارتی مختلف برای سیستم Al-Zn-Mg-Cu قبلاً مورد بررسی قرار گرفته بود. مهمترین فازهای رسوبی که باعث سختی می شوند و می باشند. ذرات در این آلیاژها که حاوی روی بیشتری نسبت به منیزیم هستند موثر تر می باشند .بنظر می رسد که رسوب گیری در آلیاژهای Al-Zn-Mg بصورت زیر انجام می گیرد:
←فاز واسطه ←مناطق .G.P. در آلومینیم

​

شکل14- پیرسختی ورق 6061 در درجه حرارت محیط (F 32)C 0، (F 0)C 18-​

​

شکل15- منحنی های پیرسختی مصنوعی برای ورق 6061​

با افزایش مس به آلیاژهای Al-Zn-Mg فازهای تشکیل می شود ولی به نظر می رسدکه در انیجا نیز فاز اصلی سخت کننده رسوبات باشند.
جدول 3 ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی برای آلیاژهای Al-Zn-Mg-Cu را نشان می دهد .چون این آلیاژها دارای یوتکتیکهای نقطه ذوب پایینی هستند باین جهت آنها را در (890-830 درجه فارنهایت)477-443 درجه سانتی گراد عملیات حرارتی انحلال می نمایند.چگونگی پیر سختی آلیاژ7075 در درجه حرارت محیط و(32 درجه فارنهایت)18-درجه سانتی گراد در شکل 16 نشان داده شده است.مانند آلیاژهای Al-Cu می توان با نگهداشتن این آلیاژها در درجات حرارت پایین ،پیر سخت شدن طبیعی آنها را به تأخیر انداخت . آلیاژ 7079 دارای مشخصات پیر سختی طبیعی مشابه 7075 بوده ولی استحکام کمتری در این آلیاژ تولید می شود (شکل 17)

​

شکل16- پیرسختی ورق 7075 در درجات حرارت محیط (F 32)C 0 و (F 0) C 18-​

جدول3- عملیات حرارتی برای آلیاژ های کارپذیر Al-Zn-Mg-Cu​

​

پیر سخت شدن طبیعی آلیاژهای Al-Zn-Mg-Cu گرچه باعث افزایش استحکام می گردد ولی تولید فلز ناپایداری کرده وبنا براین این آلیاژها فقط به حالت پیر سخت شدن مصنوعی مورد استفاده قرار می گیرند.منحنی های پیر سختی مصنوعی آلیاژ 7075 که در ان پیر سختی از 17 روز پس از سریع سرد شدن آلیاژ از درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال شروع شده است در شکل (18)نشان داده شده است.

​

شکل17- پیرسختی طبیعی ورق 7079​

​

شکل18- پیرسختی مصنوعی ورق 7075 که پیرشدن از 17 روز پس از سریع سرد شدن از درجه حرارت انحلال آغاز گردیده است.​

​

اگر حصول حداکثر خواص مورد نظر باشد آلیاژ7075 باید یا (1)بلافاصله بعد از عملیات حرارتی انحلال وسریع سرد شدن پیرسخت شود ویا (2)قبل از پیر سختی به مدت چند روز در درجه حرارت محیط نگه داشته شود.تأخیر مدت زمان پیر سختی طبیعی قبل از پیرسختی مصنوعی بر روی خواص پیر سختی مصنوعی در شکل نشان داده شده است.درموردآلیاژ7079 برای حصول حداکثر استحکام باید پیر سختی را به مدت 5 روز به تأخیر انداخت .منحنی های پیرسختی مشابه منحنی های نشان داده شده در شکل باید برای هر آلیاژ این گروه تعیین می شود تا مدت زمان به تأخیر انداختن پیرسختی هر یک مشخص گردد.

 

[قاسم معتمدی]

رسوب سختی آلیاژهای ریختگی
ترکیبات آلیاژهای ریختگی آلومینیم از ابتدا طوری طراحی می گردید که علاوه بر داشتن خواص مکانیکی مورد نظر دارای خواص ریخته گری خوب باشند.فازهای رسوبی لازم برای سخت کردن آلیاژهای ریختگی مشابه آلیاژهای کارپذیر است.

​

شکل19- تاثیر پیرسختی طبیعی در درجه حرارت محیط بر روی خواص کششی ورق 6T-7075​

رسوبهای مهم برای آلیاژهای مهم ریختگی بقرار زیر است:​

سیستم رسوب

Al-Cu
Al-Cu-Si
Al-Mg-Si
Al-Zn-Mg
Al-Mg
سه حالت از مهمترین حالات تولید شده در رسوب سختی آلیاژهای ریختگی آلومینیم T5-T7-T6 می باشد.اگرحداکثر خواص مکانیکی مورد نیاز باشد قطعه ریختگی به حالت T6 ساخته می شود.اگر نیاز به تولید قطعات با تنشهای داخلی کم وپایداری ابعاد خوبی باشد.از عملیات حرارتی بیش از حد پیر شدن (پرپیری)T7 استفاده می شود.حالتT7 از طریق پیر کردن قطعات ریختگی در درجه حرارت (650-400 درجه فارنهایت)343-204 درجه سانتی گراد تهیه می نماید.ریختگی آلیاژالومینیم اغلب از طریق پبر کردن بدون عملیات حرارتی وانحلال وسریع سرد کردن به حالت T5 دراورده می شوند.چون اغلب عناصر سخت کننده در اثر سریع سرد شدن فلز در خلال عملیات تولیدی در محلول جامد باقی می مانند بنابراین عملیات انجام پذیر است .در هر حال استحکام قطعات ریختگی حالتT5 بحد حالتT6 نیست.

​

جدول 4- عملیات حرارتی آلیاژها ی ریختگی آلومینیم (جدول 4)​

​

جدول 4 ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی برخی آلیاژهای ریختگی مهم آلومینیم را نشان می دهد. آلیاژهای Al-Cu و Al-Cu-Si در درجات حرارت (960-950 درجه فارنهایت) 516-510 درجه سانتی گراد عملیات حرارتی انحلال شده و سپس درآب داغ (212-150 درجه فارنهایت) 100-66 درجه سانتی گراد سریعاً سرد می گردند. اغلب آلیاژهای ریختگی آلومینیوم به این روش سرد می شوند تا تنش ها و اعوجاج ناشی از سرد کردن به حداقل برسد.
مشخصات پیر کردن طبیعی آلیاژ 4T -95 ریخته شده در قالب ماسه ای در شکل (20) نشان داده شده است و مشخصات پیر سختی طبیعی آلیاژ 4T- 195B ریخته شده در قالب دائمی در شکل (21-8) مشاهده می گردد. استحکام آلیاژ 195B را با پیر کردن مصنوعی در (340-310 درجه فارنهایت) 171-154 درجه سانتی گراد می توان افزایش داد (شکل 22)
آلیاژهای ریختگی Al-Si-Mg در (1000-980 درجه فارنهایت) 538-527 درجه سانتی گراد عملیات حرارتی انحلال شده و سپس در آب داغ (212-150 درجه فارنهایت) 100- 66 درجه سانتی گراد سرد می شوند. مشخصات پیر سختی مصنوعی و طبیعی آلیاژ 355 بترتیب در اشکال (23) و (24) نشان داده شده است.

 

[قاسم معتمدی]

متالوگرافی آلیاژهای آلومینیوم​

مقدمه
متالوگرافی را می توان به عنوان علم مربوط به اجزاء ساختمانی فلزات که به وسیله میکروسکوپ مشاهده می شود تعریف نمود. مطالعه ساختمان فلزات به وسیله میکروسکوپ یکی از مهمترین روشهای موجود برای شناخت و بررسی آنها است. مطالعات میکروسکوپی در ساخت و تهیه نمودارهای تعادلی، توصیه و توسعه آلیاژهای جدید و کار با عملیات حرارتی مختلف می تواند کمک بزرگی باشد. از این روش می توان در صنعت برای کنترل متالورژیکی فلزات در خلال تولید و نیز به عنوان وسیله ای برای مطالعه و کنترل نهائی محصولات تمام شده استفاده نمود.
در بسیاری از موارد، مطالعات متالورژیکی می تواند مطالبی در مورد سابقه فلز و چگونگی عکس العمل آن در مقابل عملیات حرارتی، عملیات تمام کاری با شرایط خوردگی را بدست دهد. در این فصل بزرگنمائی های کوچک از درشت ساختاری (ساختمان ماکروسکوپی) آلیاژهای آلومینیم همراه با مطالعه ریزساختاری (ساختمان میکروسکوپی) با بزرگنمائی های زیاد مودر مطالعه قرار خواهد گرفت.
ساده ترین نوع مطالعه درشت ساختاری مشاهده ظاهری سطوح شکسته بدون هیچگونه عملیات آماده کردن سطحی و یا حک شیمیایی است. اختلاف در ساختمان دانه بندی، خلل و فرج و انواع مجموعه ناخالصی های متمرکز را می توان با درجات و شدتهای مختلف به این طریق مشاهده نمود. از آنجایی که این نوع مطالعه کاملاً طبیعی و خام و بدون استفاده از وسیله است اغلب آماده کردن و یا حک کردن سطح نمونه برای مشاهده جزئیات بیشتر مورد نیاز است.
اگر قصد فقط مطالعه خلل و فرج باشد یک برش نسبتاً صاف و نرم ممکن است برای منظور کافی باشد با این حال تراش دادن سطح قطعه و حک شیمایی آنها نیز اغلب انجام می شود. در برخی موارد سنگ زدن و پرداخت کردن با کاغذ سنباده نیز مورد نیاز است.

حک شیمایی Etching:
پس از اینکه سطح فلز آماده گردید باید آن را تمیز و عاری از کثافات و چربی نمود. نوع محلول حک مورد استفاده برای مطالعات ماکروسکوپی بستگی به این دارد که چه چیزی باید مورد مطالعه قرار گیرد و نیز بستگی به نوع آلیاژ دارد. جدول 1 برخی از محلول های شیمایی حک معمولی مورد استفاده برای آلیاژهای آلومینیم را نشان می دهد. مخلوط محلول اسیدی یک محول مصرف عمومی برای حک کردن است که می توان برای مشاهده و مطالعه ساختمان دانه بندی بکار برد.
محلول هیدرواکسید سدیم برای نشان دادن خلل و فرج محلول مناسب است.
اغلب عمل حک شیمایی برای مطالعه درشت ساختاری، از طریق غوطه ور کردن نمونه در محلول انجام می گیرد. در هر حال گاهی محلول بر روی نمونه مالیده می شود و یا بر روی سطح نمونه ریخته می گردد. باید دقت شود که محلول بطور یکنواخت بر سطح نمونه اثر بگذارذ. هم زدن و تکان دادن محلول یا نمونه به این منظور کمک می کند.
مدت زمان حک کردن بستگی به نوع آلیاژ و محلول حک مورد استفاده دارد از مدت زمان های بسیار طولانی باید پرهیز شود زیرا ممکن است سطح نمونه بیش از حد خورده شده و از حالت صافی و واضح بودن درآید. چگونگی مطالعه و تشخیص اختلافات بین ساختمان دانه بندی از طریق حک شیمیایی درشت ساختاری آلیاژهای آلومینیم در شکلهای (1و2) نشان داده شده است.

مطالعه ریز ساختاری آلیاژهای آلومینیم
اغلب اجزاء سازنده آلیاژها که در واقع عامل اصلی و کنترل کننده انواع مختلف خواص آلیاژها می باشند (چون بسیاری رسوبات و غیره) بقدری کوچک هستند که برای مطالعه آنها نیزا به بزرگنمایی های زیادی است.

جدول 1- محلول های حک شیمایی برای مطالعه درشت ساختاری​

​

بنابراین جهت انجام چنین مطالعاتی نیاز به استفاده از میکروسکوپ می باشد بدیهی است که جهت انجام این مطالعات نیاز به آماده سازی صحیح نمونه ها نیز می باشد.

​

شکل 1- تاثیر کار سرد و دوباره حرارت دادن ورق آلیاژی A1-0/6% Mg در (F 100) C 538 به مدت 24 ساعت بروی ساختمان دانه بندی آن (حک در مخلوط اسیدی، بزرگنمایی: اندازه واقعی)​

​

شکل 2- تاثیر 1/0 درصد تیتانیم بر روی اندازه دانه آلومینیم ریختگی 99/99% خالص (محلول حک: مخلوط اسید، بزرگنمایی، اندازه واقعی)​

نمونه سازی
آماده نمودن نمونه ها برای مطالعات ریزساختاری از مراحل زیر که مورد بررسی قرار خواهد گرفت تشکیل می گردد:
1- انتخاب نمونه
2- سنگ زدن نمونه برای حذف شیارهای عمیق
3- پرداخت کردن نمونه برای حذف خراشها

 

[قاسم معتمدی]

انتخاب نمونه و قالب گیری Mounting
نمونه ای با اندازه معمولی برای مطالعه ریزساختاری در حدود 15 میلی متر طول، 5/12 میلی متر عرض و 5/12 -6 میلی متر ضخامت دارد. موقع بریدن نمونه به وسیله اره یا مته باید دقت شود که نمونه داغ نگردد زیرا ممکن است باعث تغییر ریزساختاری آن شود. نیازی به تذکر نیست که برای اینکه مطالعات ریزساختاری معنی داشته باشد نمونه باید نماینده خوبی از قطعه اصلی و حاوی جزئیات مورد مطالعه می باشد. بیکلایت (Bakelite) یا پلاستیکهای مشابه عمومی ترین ماده برای قالب گیری و نگهداری نمونه هاست، ولی از آلیاژهای نقطه ذوب کم، گوگرد و پلاستیکهای دندانسازی نیز به این منظور می توان استفاده نمود.
یک قالب به قطر 37-6 میلی متر مناسبترین اندازه برای اغلب نمونه ها است. تعدادی از نمونه های نازک را می توان دسته جمعی که به وسیله ورق نازک آلومینیمی خالص بین آنها فاصله افتاده باشد در یک قالب جا داد.
سنگ زدن Grinding
ابتدا سطح نمونه باید بقدری تمیز گردد که عاری از کثافات و چربی شود. سپس سطح را باید به وسیله سنباده تسمه ای یا سایر دستگاه ها سنگ زده و صاف نمود. وقتی که نمونه دارای سطح صاف و عاری از خراشهای عمیق گردید یک سنباده کاری و نرم بر روی آن انجام می گیرد.
سنباده زنی نرم را می توان به وسیله دستگاه اتوماتیک یا دستی با یکسری متوالی کاغذ سنباده متالوگرافی (از شماره 0 تا 000) که روی آن کروزین و پارافین مالیده شده است انجام داد. هر بار کاغذ سنباده نرمتر از قبلی استفاده می شود و نمونه به اندازه 45 درجه چرخانده می گردد و عمل آنقدر ادامه می یابد تا هیچگونه خراشی از کاغذ قبلی بر روی نمونه باقی نماند.
پرداخت یا پولیش کردن Polishing
منظور از پرداخت کردن ایجاد سطحی صاف و نرم بر روی نمونه آلومینیمی جهت مطالعه ریزساختاری است. اگر این عمل به درستی انجام گیرد ریزساختار واقعی نمونه را می توان مطالعه نمود. همچنین برای حک شیمایی یک سطح پرداخت شده مناسب لازم است تا بتوان اجزاء مورد نظر را به خوبی حک شمیایی نمود.
پرداخت در دو مرحله باید انجام گیرد. در مرحله اول آلومینیم باید با استفاده از دیسکهای چرخان که به وسیله یک پارچه پولیش پوشیده شده است پرداخت اولیه گردد محلولی آبی از 3 تا 5 درصد پودر آلندوم (Aluundum) به اندازه 600 مش بر روی پارچه پاشیده می شود تا آن را در خلال پولیش مرطوب نگهدارد. برای حصول پرداخت خوب روشهای مختلفی می توان بکار برد. در یک روش چرخش (دیسک) پولیش با سرعت 1100 دور در دقیقه شروع شده و بتدریج در حالیکه نمونه در فاصله 5 تا 5/7 سانتی متری از مرکز چرخ بر روی آن نگهداشته شده سرعت آن به 550 دور در دقیقه کاهش داده می شود. بطور کلی پرداخت کردن باید تا حد ممکن سریع انجام شود زیرا پرداخت طولانی موجب کدر شدن و خوردگی آلومینیم و آلیاژهای آن می گردد.
پرداخت نهائی نیز باید بر روی یک دیسک چرخان پوشیده از پارچه پرداخت انجام گیرد. در یک روش پرداخت نهائی دیسک در ابتدا با سرعت 1100 دور در دقیقه شروع و به تدریج در پایان عمل به 200 دور در دقیقه می رسد. برای مرطوب نگهداشتن پارچه محلولی از اکسید منیزیم بر روی آن پاشیده می شود. برای پرداخت نهائی استفاده از اکسید منیزیم عاری از کربناتها و با اندازه کوچکتر از 320 مش توصیه می شود.
در خلال پرداخت نهائی باید پارچه به وسیله آب مقطر مرطوب نگهداشته شود و با کم شدن تدریجی سرعت، فشار وارد بر نمونه نیز باید کاهش یابد. عمل پرداخت باید آنقدر ادامه یابد تا کلیه خراشهای حاصل از پرداخت با آلوندوم (مرحله اول) از بین برود. بالاخره نمونه باید به سرعت در جریان آب داغ شسته و به وسیله هوای گرم خشک شود. نمونه پرداخت شده پس از خشک شدن باید در یک دیسیکاتور آماده نگهداشته شود تا مطالعات و حک شیمایی، در صورت لزوم، بر روی آن انجام گیرد.

محلول های حک شده برای مطالعات ریزساختاری
گرچه در خلال پرداخت نمونه دقت لازم انجام می گیرد تا از ایجاد فلز سیلان یافته (تغییر فرم یافته) ممانعت گردد، ولی با این حال مقداری فلز سیلان می یابد. حک شیمایی سطح نمونه با استفاده از محلول مناسب می تواند این لایه نازک تغییر شکل یافته را از سطح نمونه بردارد. در هر حال باید در نظر داشت که حک کردن نمی تواند جای عمل پرداخت مناسب را بگیرد. بعلت تاثیر متفاوت محلول حک بر روی اجزاء ساختمانی و زمینه نمونه می توان اجزاء ساختمانی را از هم تشخیص داد. حتی ممکن است تغییر رنگ اجزاء مختلف ساختمانی نیز در اثر حک شدن ایجاد شود. حک شیمایی برای مطالعه ریزساختاری را نیز مانند حالت درشت ساختاری می توان یا با 1- مالیدن محلول بر روی سطح نمونه و 2- غوطه ور کردن در محلول حک انجام داد. درجه حرارت نمونه و محلول حک، غلظت محلول حک و مدت زمان عمل باید دقیقاً کنترل گردد تا بهترین نتیجه حاصل شود. جدول 2 برخی از محلولهای معمولی مورد مصرف برای مطالعه ریزساختاری، آلیاژهای آلومینیم را نشان می دهد.

تشخیص اجزاء ساختمانی آلیاژهای آلومینیم
برای تشخیص اجزاء ساختمانی آلیاژها باید از نمونه های حک شیمایی نشده شروع نمود. برخی از اجزاء ساختمانی را می توان به وسیله رنگ، مشخصات پرداخت، چگونگی و شکل آنها شناخت. شناسائی اجزاء ساختمانی با بزرگنمایی × 500 با استفاده از نوری مشابه نور معمولی توصیه می گردد. برای تشخیص اجزاء ساختمانی در آلیاژهای آلومینیم از روش های خاصی پیروی می شود. سیستمی که به وسیله آزمایشگاه تحقیاتی کمپانی آلومینیم (Acarl) کار می شود در شکل 3 نشان داده شده است. مشخصات حک شیمیایی اجزاء ساختمانی مختلف که در آلیاژهای آلومینیم یافت می شود در جدول 3 خلاصه گردیده است.

جدول 2- محلولهای حک شیمیایی برای مطالعه و تفکیک ریزساختارها​

​

 

[قاسم معتمدی]

ریزساختار آلیاژهای آلومینیم
1- ساختار (ساختمان) آلیاژهای ریختگی
اجزاء ساختمانی در اغلب آلیاژهای آلومینیم ریختگی در لابلای شاخه های رشد یافته و در امتداد مرز دانه ها قرار می گیرند. دلیل این امر این است که اغلب آلیاژهای آلومینیم از نوع هیپویوتکتیک (قبل یوتکتیک) بوده و در نتیجه اجزاء ساختمانی تمایل دارند در آخرین مذابی که در آخرین لحظات در خلال انجماد منجمد می شود متمرکز گردند. این پدیده در یکی از فصول قبلی توضیح داده شده است ریز ساختار ریختگی ها بیشتر بستگی به ترکیب شیمیایی، سرعت انجامد و عملیات حرارتی دارد.

​

شکل 3- شمای حک شیمایی برای تفکیک و تشخیص اجزاء ساختاری (ساختمانی) در آلیاژهای آلومینیم.​

​

جدول3- مشخصات حک شمیایی اجزاء ساختمانی در آلیاژهای آلومینیم​

​

مهمترین صورت ساختمانی که در ساختمان های ریختگی مورد مطالعه قرار می گیرد عبارتند از: 1- اندازه شبکه های شاخه ای انجماد و دانه ها و 2- نظم و ترتیب مجدد اجزاء ساختمانی در شبکه ریختگی

2- ساختار(ساختمان) آلیاژهای کارپذیر (نوردی)
ریز ساختار آلیاژهای کارپذیر در مقایسه با آلیاژهای ریختگی علاوه بر ترکیب شیمایی، سرعت انجماد شمش و عملیات حرارتی بستگی به کار سرد نیز دارد. آلیاژهای کارپذیر معمولاً حاوی مقادیر کمتری عناصر آلیاژی نسبت به آلیاژهای ریختگی هستند و این عناصر عموماً در حد حلالیت حالت جامد در آلیاژهای کارپذیر می باشند.
ریز ساختار آلیاژهای ریختگی و کارپذیر که در آلیاژهای آلومینیم دیده می شود در اینجا به ترتیب گروه آلیاژی زیر مورد بررسی قرار می گیرد.

آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر​

آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر​

Al-Fe-Si​

Al-Mg-Si​

Al-Mn​

Al-Cu-Mg​

Al-Si​

Al-Zn-Mg​

Al-Mg​

​

3- آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر آلومینیم
آلیاژهای Al-Fe-Si: معمولیترین آلیاژ آلومینیم در این گروه آلیاژی حاوی آهن و سیلیسیم تا حدود یک درصد و بقیه آلومینیم می باشد. آلیاژ 1100 با مقدار آهن به علاوه سیلیسیم در حدود یک درصد و باقی مانده آلومینیم مهمترین آلیاژ این گروه است.
ریز ساختار این آلیاژ در حالت نورد شده از دانه های کشسیده ای که در شکل 5a نشان داده شده است تشکیل می گردد. دانه ها در اثر تبلور مجدد به صورت هم محور در می آیند شکل 5b . اجزاء تشکیل دهنده در هر دو حالت در امتداد نورد قرار می گیرند.

​

شکل 4- آلیاژ 1100 نورد شده که ذرات رانشان می دهد.​

​

شکل 5- (a) آلیاژ 1100 نورد شده ، (b) آلیاژ 1100 تا بکاری شده (حک در محلول Barker ، بزرگنمایی، 200x) به تغییر ساختار دانه بندی توجه شود. محلول Barker در واقع یک حک به صورت یک تعریفی که شده، نبوده بلکه یک نوع عمل آندایزه کردن در محلول 8/1% اسیدفلوبوریک است. در این عمل یک اکسید نازک که تغییر رنگ در نقاط مختلف را نشان می دهد ایجاد می شود.​

آلیاژهای Al-Mn: مهمترین آلیاژ این گروه آلیاژ عملیات حرارتی ناپذیر 3003 است که همان آلیاژ 1100 ولی حاوی 25/1 درصد منگنز می باشد. ساختار ریختگی آلیاژ 3003 با بزرگنمایی ×100 و ×500 به ترتیب در اشکال (a6) و (b6) نشان داده شده است. در این ساختار شبکه های شاخه ای به وسیله شبکه یوتکتیکی احاطه شده اند. پس از همگن کردن آلیاژ به مدت 24 ساعت در (1075 درجه فارنهایت) 579 درجه سانتی گراد اجزاء حل شونده وارد محلول می گردند. اجزائی چون ترکیبات و که زیاد حل نمی شوند به هم آمده و به صورتی که در شکل 7 نشان داده شده است رسوب می نمایند.

​

شکل 6- آلیاژ ریختگی 3003 (حک در: HF%5/0) ساختار شاخه ای​

ریز ساختار آلیاژ نورد شده 3003 در شکل 8 نشان داده شده است در این شکل رسوبات بسیار ریز از ذرات Al-Mn در حجم آلیاژ بخش گردیده اند.
آلیاژ های Al-Si: آلیاژ های Al-Si به علت قابلیت سیلان خوب آنها به عنوان آلیاژهای اصلی ریختگی بکار می رود. ریز ساختار آلیاژهای ریختگی Al-Si حاوی 4 تا 25 درصد سیلیسیم و ریخته شده در قالب دائمی در شکل 9 نشان داده شده است. در آلیاژهای Si%4- Al و Si%8- Al (اشکال b,a 9) شبکه های شاخه ای به وسیله شبکه های یوتکتیکی احاطه گردیده اند. آلیاژ Al-12%Si (شکل c9) دارای ترکیب یوتکتیک می باشد همانگونه که در شکل (d,c,f9)

​

شکل 7- آلیاژ 3003 همگن شده به مدت 24 ساعت در (F 1075) C 579 (حک در 5/0%HF بزرگنمایی ×500) به تجمع اجزاء غیر قابل حل شدن و رسوب ریز در زمینه توجه شود.​

​

شکل 8- آلیاژ 3003 نورد شده که ذرات رسوبی ریز Al-Mn را نشان می دهد (جد در %5/0 HF، بزرگنمایی ×500)​

​

شکل 9- ریز ساختار آلیاژ های ریختگی Al-Si ریخته شده در قالب دائمی (پرداخت شده ×100)​

برای آلیاژهای حاوی به ترتیب 15 و 20 و 25 درصد سیلیسیم دیده می شود افزایش سیلیسیم e از مقدار 12 درصد به بیشتر به وسیله ریز ساختار آن قابل تشخیص است:
بلورهای اولیه سیلیسیم بسیار سخت تر از آلومینیم بوده و موقع پرداخت کردن به صورت آزاد باقی می ماند. این بلورها را به علت رنگ خاکستری و شکل خاص خود می توان به آسانی تشخیص داد.

آلیاژ های Al-Mg: آلیاژهای Al-Mg به علت استحکام زیاد و قابلیت جوشکاری خوب جزء آلیاژهای مهم آلومینیم محسوب می شوند. در آلیاژهای دو جزئی Al-Mg در درجه حرارت محیط در حدود سه درصد منیزیم در محلول جامد باقی می ماند. با افزایش مقدار منیزیم از سه به 10 درصد مقدار رسوبات موجود در درجه حرارت محیط نیز افزایش می یابد. شکل این رسوبات بستگی به طریقه ساخت قطعه و عملیات حرارتی اعمال شده دارد. ذرات ابتدا در مرز دانه ها لغزیده و سپس در زمینه اصلی رسوب می نماید. این ذرات نسبتاً نرم است که نیاز به پرداخت دقیقی دارد ولی در تشخیص آن نیاز به حک شیمیایی نیست.

 

[قاسم معتمدی]

مقدار و چگونگی پخش در آلیاژهای دو جزئدی Mg%5- Al و Mg%10- Al (800 درجه فارنهایت) 427 درجه سانتی گراد. رسوبات عموماً در مرز دانه ها به وجود می آیند شکل (a10) اگر همین آلیاژ را از (800 درجه فارنهایت) 427 درجه سانتی گراد در آب سریع سرد کرده و دوباره به مدت 16 ساعت در (450 درجه فارنهایت)232 درجه سانتی گراد حرارت دهند (شکل b10) رسوبات مرز دانه ای به هم جمع شده و تعدادی رسوب در زمینه ایجاد می گردد. در یک آلیاژ Mg%10 – Al که از (800 درجه فارنهایت) 427 درجه سانتی گراد در آب سرد شده و به مدت 16 ساعت در (300 درجه فارنهایت) 149 درجه سانتی گراد دوباره حرارت داده شود کی رشته رسوبات پیوسته مرز دانه ای و تعدادی رسوبات پخش شده در زمینه ایجاد می شود (شکل c10). اگر این آلیاژ را از (800 درجه فارنهایت) 427 درجه سانتی گراد در آب سرد کرده و سپس به مدت 16 ساعت در (500 درجه فارنهایت) 260 درجه سانتی گراد حرارت دهیم رسوبات با دانسیته زیادی تولید می گردد (شکل d10)
کار سرد باعث تولید رسوبات که ترجیحاً در لایه های لغزشی قرار می گیرند می شود. تاثیر 75 درصد کار سرد بر روی رسوبات پس از سرد کردن سریع آلیاژ Mg%10- Al از (800 درجه فارنهایت) 427 درجه سانتی گراد در شکل (e10) نشان داده شده است. حرارت دادن مجدد این آلیاژ به مدت 16 ساعت در (450 درجه فارنهایت) 232 دردجه سانتی گراد باعث به هم رسیدن و تجمع رسوبات شده و تولید رسوبات با دانسیته زیاد و تقریباً یکنواختی مشابه به شکل (f10) می نماید.
4- آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر
آلیاژهای Al-Mg-Si: همانگونه که در فصل قبل ذکر گردید ترکیب رسوب اصلی سخت کننده در آلیاژهای Al-Mg-Si می باشد. این ترکیب یکی از چند ترکیب شیمایی واقعی تشکیل شده در آلیاژ آلومینیم است. این ترکیب را می توان به آسانی به وسیله رنگ آبی- خاکستری آن که کمی تریه تر از سیلیسیم است تشخیص داد.

​

شکل 10- آلیاژ های Al-Mg.(حک به مدت 5/2 دقیقه در محلول %25 )​

(a) آلیاژ Mg%5- Al سریع سرد شده در آب از (F 800) C 427.​

(b) آلیاژ Mg%5- Al سریع سرد شده در آب در (F 800) C 427 و دوباره حرارت دیده به مدت 16 ساعت در (F 450) C 232.​

(c) آلیاژ Mg%10- Al سریع سرد شده در آب از C 427 و دوباره حرارت دیده به مدت 16 ساعت در (F 300) C 149.​

(d) آلیاژ Mg%10- Al سریع سرد شده در آب از (F 800) C 427 و دوباره حرارت دیده به مدت 16 ساعت در (F 500) C 260.​

(e) آلیاژ Mg%10- Al سریع سرد شده در آب از (F 800) C 427 و سپس %75 کار سرد شده.​

(f) آلیاژ Mg%10- Al سریع سرد شده در آب از(F 800) C 427، کار سرد شده به مقدار %5 و دوباره حرارت دیده به مدت 16 ساعت در (F 450) C 232.​

ریز ساختار آلیاژ 6061 که یک نمونه از این نوع آلیاژ های کارپذیر است در شکل 11 نشان داده شده است. اختلاف بین نمونه نورد شده حاوی موجود در محلول جامد شکل a11 و نمونه تابکاری شده حاوی ذرات رسوبی یکنواخت پخش شده شکل b11 کاملاً قابل تشخیص است.
در حالت عملیات حرارتی انحلال شده شکل c11 ذرات در محلول جامد قرار می گیرد. حتی پس از عملیات پیر کردن به تا حداکثر سختی ناشی از پیر سختی شکل d11 ذرات را به علت کوچک بودن نمی توان به وسیله میکروسکوپ نوری دید.

​

شکل11- ریزساختار آلیاژ 6061 نورد و عملیات حرارتی شده (حک در %25 C 260،×500) (a) به صورت نورد شده، (b) بصورت تابکاری شده (رسوبات ریز ) ، (c) به صورت عملیات حرارتی انحلال شده به مدت 30 دقیقه در (F 970) C 521، (d) به صورت عملیات حرارتی انحلال شده و سپس پیرشده در (F 350) C 177 به مدت 8 ساعت.​

آلیاژهای Al-Cu-Mg: آلیاژ 2014 که حاوی 5/4 درصد مس و 5/0 درصد منیزیم است یک نمونه از آلیاژ این گروه می باشد. در حالت تابکاری شده شکل (a12) اغلب اجزاء سازنده این آلیاژها به صورت محلول نیستند زیرا این اجزاء در درجات حرارت تابکاری معمولی (650 درجه فارنهایت) 343 درجه سانتی گراد حل شدنی نیستند.
عملیات انحلال آلیاژ 2014 در(940 درجه فارنهایت) 504 درجه سانتی گراد باعث می شود که بیشتر و را وارد محلول نماید. سریع سرد کردن آلیاژ به درجه حرارت محیط باعث می شود که این اجزاء را در محلول نگهدارد (شکل b12) ریز ساختار این آلیاژها پس از پیر شدن به مدت 10 ساعت در (340 درجه فارنهایت) 171 درجه سانتی گراد در شکل (c12) نشان داده شده است. از آنجائیکه این آلیاژ به درجه حرارت حداکثر سختی حرارت داده شده است، اغلب ریز بوده و قابل دیدن نیستند. در هر حال مقدار کمی از را می توان در مرز دانه ها دید.

​

شکل 12- ریز ساختار آلیاژ 2014 نورد و عملیات حرارتی شده (حک در محلول Keller). (a) تابکاری شده (b) عملیات حرارتی انحلال شده در (F 940) C 504 و (c) عملیات حرارتی انحلال شده و سپس پیر شده به مدت 10 ساعت در (F 340) C 171.​

اگر یک آلیاژ آلومینیم با نقطه ذوب یوتکتیک پائین، حرارت بیش از حد ببیند اجزاء با نقطه ذوب کم ذوب می گردند. یک نمونه از ذوب یوتکتیکی در آلیاژ 2024 در شکل 13 نشان داده شده است. مناطق سیاهرنگ در این ریز ساختار نواحی اکسید شده هستند که ذوب یوتکتیکی در درجات حرارت زیاد در آن نواحی اتفاق افتاده است. مطالعه و آزمایش برای تعیین چنین ذوبی قسمت مهمی از مطالعاتی است که یم توان با میکروسکوپ انجام داد.

​

شکل 13- مناطق اکسید شده در درجه حرارت زیاد در آلیاژ 2024 در نواحی که ذوب یوتکتیکی اتفاق افتاده است. (حک در %25)​

آلیاژ های Al-Zn-Mg: آلیاژ 7075 یک نمونه از این گروه آلیاژ های کارپذیر است مهمترین صورت ریز ساختار آلیاژ 7075 در شکل 14 نشان داده شده است. در حالت نورد شده (شکل a14) بیشتر اجزاء به صورت نامحلول هستند. در اثر تابکاری مقداری از اجزاء وارد محلول می گردند (شکل b14)
پس از عملیات حرارتی قیمت بیشتر اجزاء سازنده Zn,Mg,Cu در محلول بوده و ریز ساختار تقریباً صاف و روشن است (شکل c14) رسوبات باقی مانده اساساً از آهن، سیلیسیم و کرم تشکیل شده است. ریز ساختار پس از پیر کردن مصنوعی آلیاژ 7075 در شکل d14 نشان داده شده است رسوبات ریز را می توان در مرز دانه ها مشاهده نمود.

 

[قاسم معتمدی]

ریز ساختار بسیار ریز (زیر میکروسکوپی) آلیاژ آلومینیم
با بهترین میکروسکوپ نوری می توان ریز ساختارهای با تا 2000 بار بزرگنمائی را مورد مطالعه قرار داد. همانگونه که در فصول قبلی ذکر شد برخی از مهمترین تغییر ساختمانی و اجزاء ساختمانی در آلیاژهای آلومینیم وجود دارد که از نظر اندازه در مقیاس بسیار ریز زیرمیکروسکوپی هستند. رسوب سختی و تبلور مجدد دو نمونه از یک چنین تغییرات متالورژیکی است.
در سالهای اخیر این تغییرات زیر میکروسکوپی به وسیله میکروسکوپهای الکترونی که دارای قدرت تفکیک چند صدبار بزرگتر از میکروسکوپ نوری است مورد مطالعه قرار می گیرد. دو روش از مهمترین روشهای مورد استفاده با میکروسکوپ الکترونی عبارتند از روش نسخه برداری Replice و روش عبوری (Transmiddion)
در یک روش نسخه برداری، یک رزین پلاستیکی بر روی سطح تازه آلومینیم پاشیده شده، سپس خشک گردیده و از روی سطح برداشته می شود. در روش دیگری از نسخه برداری یک لایه اکسید آلومینیم بر روی یک سطح پرداخت شده آلومینیم تشکیل شده و سپس از روی نمونه برداشته می شود. پس از آن نسخه ها یا عکس برگردانهای سطحی مستقیماً زیر میکروسکوپ الکترونی مورد مطالعه قرار می گیرد.
آلیاژهای آلومینیم را می توان مستقیماً به وسیله میکروسکوپ الکترونی و با استفاده از روش عبوری لایه نازک نیز مورد مطالعه قرار داد. در این روش الیه های بسیار نازکی از نمونه را به طریق فرایند نازک کردن الکترولیزی می سازند.
در چند سال گذشته رسوب سختی و تبلور مجدد به وسیله مطالعه ورقه های نازک نمونه با استفاده از روش عبوری میکروسکوپ الکترونی مورد مطالعه قرار گرفت. کارهای انجام شده در این مورد بسیاری از سئوالات تئوری مربوط به تبدیل فاز حالت متالورژیکی را روشن نموده است.
تغییر در ساختار بسیار ریز یک آلیاژ Mg%5- Al که در خلال بازیابی و تبلور مجدد اتفاق افتاده و توسط میکروسکوپ الکترونی قابل مشاهده است در شکل 15 دیده می شود پس از حرارت دادن در (400 درجه فارنهایت) 204 درجه سانتی گراد به مدت 5 دقیقه حالت کثیرالاضلاعی ساختمان با روشنتر شدن مرزها کاملاً مشخص می گردد (شکل b15) حرارت دادن فلز نورد شده به مدت 5 دقیقه در (450 درجه فارنهایت) 232 درجه سانتی گراد منتجه به ساختمان نشان داده شده در شکل c15 می گردد. در این شکل دانه ها بسیار بزرگتر بوده و داخل آنها روشتنر می باشد. اگر فلز نورد شده به مدت 5 دقیقه در (500 درجه فارنهایت) 260 درجه سانتی گراد حرارت داده شود دانه های ریز به صورت کثیرالاضلاعی و از نظر اندازه بزرگتر می شوند (شکل d15) بالاخره حرارت دادن فلز نورد شده در (650 درجه فارنهایت) 343 درجه سانتی گراد به مدت 5 دقیقه ساختار دانه بندی تبلور مجدد یافته را می دهد. این ساختار در شکل (e,f15) نشان داده شده است که ساختار درشت و از نظر داخلی روشن است.

​

شکل 15- مطالعه بازیابی و تبلور مجدد در ورقه های نازک آلیاژی Mg%5- Al با استفادهاز میکروسکوپ الکترونی عبوری (a) نورد شده، (b) نورد شده و حرارت داده شده به مدت 5 دقیقه در (F 400) C 204، (c) نورد شده و حرارت داده شده به مدت 5 دقیقه در (F 450) C 232، (d) نورد شده و حرارت داده شده به مدت 5 دقیقه در (F 500) C 260، (e) نورد شده و حرارت داده شده به مدت 5 دقیقه در (F 650) C 343، (f) نورد شده و حرارت داده شده به مدت 5 دقیقه در (F 650) C 343 (تصویری نوری)، (حک در %25HF).​

موارد استفاده دیگر متالوگرافی
1- اتصالات جوش و لحیم کاری سخت
اتصالات جوش و لحیم کاری سخت را گاهی از نظر درشت ساختار و ریز ساختار مورد مطالعه قرار می دهند. اطلاعات مفیدی در مورد مناطق مختلف در اتصالات جوش و لحیم کاری سخت را می توان مورد بررسی قرار داد. ریز ساختار یک اتصال جوش قوس الکتریکی در منطقه نفوذ در صفحه آلیاژی 7075 در شکل 16 نشان داده شده است. جزئیات فرایندهای جوش برای آلومینیم در یکی از فصول بعدی داده خواهد شد.

 

[قاسم معتمدی]

عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم ـ مس​

عملیات حرارتی آلیاژ آلومینیوم ـ مس (رسوب سختی)​

مقدمه
آلیاژهایی که به روش پراکنده سختی استحکام می یابند آلیاژهایی هستند که محلهای مهار (موانع) به صورت طبیعی و در اثر عملیات حرارتی در آنجا ایجاد می شوند. این روش پراکنده سختی طبیعی، رسوب سختی یا پیر سختی نامیده می شود که مهم ترین عملیات استحکام دهی در آلیاژهای غیرآهنی محسوب می شود. طی عملیات رسوب سختی، رسوبات سخت فاز دوم را که در حالت عادی به صورت غیر یکنواخت ، درشت و توده ای بوده و غالباً در مرز دانه ها قرار دارند را به صورت یکنواخت، ریز و با دانسیته بالا در سرتاسر زمینه نرم و داکتیل پخش می کند. رسوب یا فاز ثانویه در این فرآیند می تواند یک ترکیب بین فلزی، فاز واسطه، یا فاز انتهایی باشد. برای تشریح بهتر فرآیند پیر سختی، اولین و کلاسیک ترین سیستم آلیاژی پیر سخت شونده یعنی سیتم فازی Al-Cu ، به عنوان نمونه بررسی شده است.مهم ترین شرط لازم برای اینکه فرآیند پیرسختی در یک آلیاژ انجام پذیر باشد حلالیت محدود رسوب یا فاز ثانویه سخت در زمینه آلیاژ و کاهش این حلالیت جامد همزمان با کاهش دما است. محلول جامد مورد نظر می تواند بین نشین یا جانشین باشد.
به طور کلی آلیاژهای رسوب سختی پذیر آلیاژهایی هستند که دارای چهار شرط زیر باشند :
1) در نمودار فازی این آلیاژها، حلالیت جامد با کاهش دما باید کاهش یابد. به بیان دیگر حرارت دادن این آلیاژ دو فازی و رساندن دمای آن به بالای خط انحلال جامد منجر به تشکیل محلول جامد همگن گردد،
2) زمینه آلیاژ باید نسبتاً نرم و داکتیل و پیوسته باشد در حالی که رسوب باید سخت ، ترد و غیر پیوسته باشد. در بسیاری از آلیاژهای رسوب سختی پذیر، رسوب یک ترکیب بین فلزی ترد و سخت است در حالیکه در برخی آلیاژها رسوب یک فاز انتهائی می باشد،
3) آلیاژ باید قابلیت کوئنچ کردن داشته باشد. زیرا برخی آلیاژها را نمی توان به گونه ای کوئنچ کرد که فاز محلول جامد فوق اشباع تشکیل شود یا از ایجاد فاز ثانویه و رسوب در هنگام کوئنچ در آن جلوگیری کرد. در برخی موارد می توان با افزایش سرعت کوئنچ به کمک موادی مانند نیتروژن و اکسیژن مایع، از ایجاد رسوب جلوگیری نمود و
4) در اغلب آلیاژهای رسوب سختی پذیر، ساختار رسوب تشکیل شده با ساختار زمینه کوهیرنت بوده و تطابق دارد، به گونه ای که خواسته ما برای افزایش استحکام و سختی را تأمین می کند.
در سیستم Al-Cu حلالیت جامد مس در زمینه آلومینیومی محدود بوده و از حداکثر 5.65% وزنی آلیاژ در دمای 548C با کاهش دما کاهش یافته و به حدود 0.1% وزنی آلیاژ رد دمای اتاق می رسد. بنابراین آلیاژهای Al-Cu که درصد وزنی مس در آنها کمتر از 6.65% وزنی آلیاژ است را می توان پیرسخت نمود. (شکل1)
مطابق با شکل (2) ساختار اولیه این آلیاژ ساختاری تعادلی بوده که قبل از شروع عملیات پیرسختی این ساختار دیده می شود. ساختار مذکور حاوی رسوبات درشت فاز در زمینه می باشد و فاز نیز فازی تعادلی با ترکیب شیمیایی CuAl2 است. (ساختار شماره 1 در شکل 2)

​

مراحل عملیات پیر سختی
عملیات پیر سختی در سه مرحله صورت می گیرد که این سه مرحله به طور شماتیک در شکل 2 نشان داده شده است :

​

 

[قاسم معتمدی]

مرحله 1) عملیات محلول سازی
ابتدا آلیاژ مورد نظر با ساختار تعادلی را تا دمای بالاتر از خط انحلال یعنی دمای T1 حرارت داده و تا زمان معینی که تمام رسوبات در زمینه حل گردد و محلول جامد همگن به وجود آید)ساختار شماره 2 در شکل 2) آن را در دمای T1 نگهداری می کنند.
برای جلوگیری از هرگونه ذوبی عملیات محلول سازی در آلیاژ Al-4%Cu را در دماهای بین 500C (دمای خط انحلال) و 548C (دمای یوتکتیک) انجام می دهند. البته حرارت دادن در دماهای بالاتر از یوتکتیک حتی اگر ذوبی نیز روی ندهد منجر به رشد بیشتر دانه ها نسبت به محلول سازی در دماهای پایین تر می گردد و ازاستحکامی که از ریزدانگی به وجود می آید می کاهد.

مرحله 2) کوئنچ کردن (سرد کردن سریع)
بعد از عملیات محلول سازی، در ساختار آلیاژها تنها فاز وجود دارد. (ساختار شماره 2). اگر این ساختار به سرعت سرد یا کوئنچ شود اتمها زمان کافی برای نفوذ به مکانهای مناسب برای جوانه زنی را نداشته و به تبع آن فاز توانایی تشکیل و رسوب در زمینه را نخواهد داشت. بنابراین با حفظ ساختار و ترکیب شیمیایی فاز در دمای T1 ، ساختار بعد ازکوئنچ در دمای T2، محلول جامد فوق اشباع یعنی میباشد (ساختار شماره 3 در شکل 2 که فازی ناپایدار است).
مرحله 3) پیر کردن
پیرکردن یا زمان سختی بدین معنی است که به محلول جامد فوق اشباع در یک دمای ثابت که کمتر از دمای انحلال آلیاژ می باشد، زمان بدهیم تا عناصر محلول اضافی در شبکه فوق اشباع آن در اثر حرارت و به مرور زما انرژی اکتیواسیون لازم را به دست آورده و به مکانهای جوانه زنی که همان عیوب شبکه مانند نابجاییها ، جاهای خالی و سایر عیوب شبکه ای هستند و میزان آنها در اثر کوئنچ آلیاژ افزایش نیز یافته است نفوذ کرده و رسوباتی را تشکیل دهند. این رسوبات با گذشت زمان در دمای ثابت رشد می کنند و طی این رشد فازهای نیمه پایداری تشکیل می دهند که با ادامه زمان پیرسازی، این فازهای نیمه پایدار غیر تعالدی نهایتاً به فازهای پایدار تعادلی تبدیل می شوند.
به طور کلی هدف از پیرسختی، ایجاد رسوبات پراکنده، سخت و ریز در یک زمینه نرم است. اگر پیرسازی و تشکیل رسوب در دمای اتاق انجام شود پیری طبیعی و اگر برای ایجاد رسوب نیاز به حرارت دادن در دماهای بالاتر باشد پیری مصنوعی نامیده می شود.در این زمینه نیز به همان مثال آلیاژ آلومینیوم ـ مس می پردازیم. در آلیاژ Al-4% Cu ، با زمان دهی در یک درجه حرارت ثابت اتمهای اضافی مس از شبکه فوق اشباع خارج شده و در مکانهای جوانه زنی، رسوبات ریز، یکنواخت و پراکنده ای را تشکیل می دهند. (ساختار 4 در شکل 2).این رسوبات فازهای نیمه پایدار غیر تعادلی هستند که با گذشت زمان به فازهای پایدار تعادلی تبدیل می شوند. قبل از تشکیل فاز تعادلی و در حین تشکیل و رشد رسوب ، سه فاز نیمه پایدار به طور متوالی در این آلیاژ به وجود می آید. چون این فازها نیمه پایدار هستند در نمودار تعادلی آلیاژ نمایش داده نمی شوند. به دلیل اینکه فازهای نیمه پایدار در فاصلۀ زمانی انتقال ساختار محلول جامد فوق اشباع به ساختار تعادلی، تشکیل می شوند فازهای انتقالی نیز نامیده می شوند. توالی رسوبات تشکیل شده در آلیاژ آلومینیوم ـ مس در دماهای پایین پیرسازی از این قرار است.

(CuAl2 " " ( ) GP2 " GP1 " ) (محلول جامد فوق اشباع)​

​

 

[قاسم معتمدی]

بررسی رسوبات متوالی در سیستم Al-Cu
مناطق GP1
این مناطق به شکل دیسکهای نازک به قطر 8-10 nm و ضخامت 0.4-0.6 nm می باشند که در آن اتمهای مس در نواحی مختلف به صورت خوشه ای تجمع می کنند. همان طور که در شکل 3 مشاهده می کنید هر اتم مس در این ناحیه ، جای یک اتم Al می باشد. اطراف آن نواحی کرنش دار ایجاد می شود که لغزش نابجاییها را دشوارتر می کند.
این تطبیق ساختار منطقه GP1 با زمینه Al (شکل 3) و در یک خط قرار گرفتن اتمهای مس در زمینه Al ، کوهرنسی نامیده می شود. این کوهرسنی یا تطابق شبکه ها به علت ایجاد نواحی کرنش دار، باعث افزایش استحکام آلیاژ می گردد. پیر کردن در دمای 190C به علت آنکه بالاتر از دمای انحلال GP1 است باعث تشکیل نواحی GP1 روی صفحات {100} زمینه آلومینیوم میگردد. (شکل 4). در حالی که مطابق همین شکل، با پیرسازی در دماهای پایین تر (برای مثال 130C) این نواحی پدید می آیند. رسوبات کوهرنت به دلیل ایجاد نواحی کرنش دار، انرژی کرنشی بالا و انرژی سطحی کمی دارند، در حالی که رسوبات غیر کوهرنت دارای ساختاری مجزا از شبکه زمینه بوده و انرژی سطحی زیاد و انرژی کرنش کمی دارند.

مناطق GP2 یا
با افزایش زمان پیر کردن، دیسکهای GP1 رشد کرده و ضخیم تر و قطورتر می شوند و در نهایت مناطق GP2 با ضخامت 1-4nm و قطر 10-100nm ایجاد می شوند که با زمینه کوهیرنت هستند. با مراجعه به شکل 4 مشخص می شود که بالاترین استحکام آلیاژ Al- 4% Cu مربوط به نواحی GP2 است.
فاز
ادامه پیرکردن موجب می گردد فاز انتقالی و نیمه پایدار به شکل ناهمگن بر روی نابجاییها جوانه زنی و رشد کند. فصل مشترک این فاز با زمینه غیر کوهرنت می باشد ساختار این فاز بر زمینه منطبق نبوده و اتمهای آن با اتمهای زمینه آلومینیوم در یک راستا نیستند. ضخامت آن نیز حدوداً 10-15 nm می باشد. این عدم کوهرسنی با زمینه باعث کاهش سختی و استحکام آلیاژ می شود.
فاز
ادامه پیرسازی ؛ در نهایت منجر به تشکیل فاز تعادلی با ترکیب CuAl2 می گردد. فصل مشترک این فاز با زمینه کوهرنت نبوده و ساختار بلوری آن BCT است. با تشکیل این فاز، سختی نسبت به مرحله قبل باز هم کاهش می یابد. فازهای GP1 ، ( ) GP2 و تنها با میکروسکوپ الکترونی رؤیت می شوند در حالیکه رسوبات تعادلی CuAl2 یا به علت افزایش ابعاد، با میکروسکوپ نوری نیز قابل مشاهده هستند. ترکیب شیمیایی و ساختار بلوری فازهای انتقالی با یکدیگر متفاوت است. علت آن نیز این است که با افزایش زمان پیر کردن، مس بیشتری از حلالیت در (محلول فوق اشباع) خارج شده و وارد فاز انتقالی در تعادل با خود می گردد. بنابراین مقدار مس موجود در فازهای انتقالی مختلف، بانزدیک شدن به حالت تعادل افزایش می یابد. خطوط انحلال مربوط به این فازها در شکل 5 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود مثلا در یک آلیاژ با ترکیب Xm دمای پایداری فازهای نزدیک به حالت تعادل افزایش یافته است. این مطلب بدین مفهوم است که مثلاً با انجام عملیات پیر سازی در دماهای بالاتر از دمای انحلال فاز ( T)، فازهای GP و به علت کمتر بودن دمای انحلالشان از دمای عملیات پیری، به شکل محلول در زمینه بوده و تشکیل نمی شوند. برای تشکیل تمام این فازها، عمل پیر کردن باید در دماهایی کمتر از دمای انحلال نواحی GP یعنی TGPZ انجام شود. در شکل 6 تصاویر میکروسکوپی مربوط به سه فاز و نشان داده شده است.

 

[قاسم معتمدی]

اثر عوامل مختلف روی رسوب سختی
اثر زمان پیر سازی
خصوصیات آلیاژهای پیر سخت شونده به شدت تابع دما و زمان پیر سازی است. در پیرسازی، رسوبات جوانه زنی نموده و در زمینه تشکیل می شوند. در ادامه، این رسوبات رشد کرده و بر اثر نفوذ، ابعاد آنها افزایش می یابد. سر انجام با رسیدن به بهترین توزیع و اندازه رسوب، آلیاژ حداکثر استحکام خود را به دست می آورد (قله سختی در شکل 7). با افزایش زمان پیر سازی، در اثر از بین رفتن رسوبات ریزتر، برخی رسوبات بزرگ تر شده یعنی تعداد رسوبات کاهش و ابعاد آنها افزایش می یابد. بنابراین با توجه به اصول پراکنده سختی، در این حالت مسیر آزاد میانگین بیشتری نسبت به وضعیت حداکثر سختی که در آن رسوبات ریزتر و تعداد آنها بیشتر بوده ایجاد شده، در نتیجه استحکام آلیاژ کاهش می یابد. این پدیده را که در زمانهای طولانی پیرسازی در دمای ثابت ایجاد می شود، فوق پیری می نامند. در این مرحله رسوبات فازهای انتقالی به تدریج تطابق خود را با زمینه از دست داده و فصل مشترک غیر کوهرنت با زمینه ایجاد می کنند. در نتیجه اعوجاج اغلب آلیاژهای پیر سخت شونده، رسوبات میله ای و صفحه ای شکل مشاهده می شوند. در حالیکه در حداکثر استحکام، اغلب رسوبات کروی شکل یا سوزنی شکل مشاهده شده و انرژی کرنش الاستیک ناشی از کوهرنسی رسوب به زمینه، در این حالت مقدار خود را دارد.

اثر دمای پیر سازی
با توجه به پیروی رسوب سختی از قوانین حاکم بر نفوذ و ارتباط با دما، مطالعه اثر دما بر رسوب سختی اهمیت زیادی دارد. در زمانهای اولیه پیرسازی دردمای T1 که حدود صفر درجه سانتیگراد می باشد افزایش سختی مشاهده نمی شود که علت ان عدم جوانه زنی رسوب در دمای پایین به دلیل کم بودن زمان است. پس از گذشت زمان طولانی و برای به تعادل رسیدن سیستم ، فاز دوم رسوب کرده و سختی به تدریج افزایش می یابد. برای دمای T3 که حدو C 100. است، جوانه زنی و ایجاد رسوب به سرعت انجام شده و سختی خیلی زود به حداکثر خود می رسد، اما به دلیل بالا بودن دما، رشد بیش از اندازه در رسوبات رخ داده و کاهش خواهیم داشت، یعنی در زمان نسبتاً کوتاهی قطعه فوق پیر می شود.
جاهای خالی اضافی ناشی از سریع سرد کردن و تشکیل مناطق عاری از رسوب
کاملاً مشخص شده است که جاهای خالی اضافی نقش زیادی در جوانه زنی مناطق GP ایفا می کنند. غلظت تعادلی جاهای حالی در یک جسم با افزایش دما به صورت نمایی زیاد می شود. بنابراین غلظت تعادلی جاهای خالی در دمای عملیات انحلال زیاد و در دمای پیر سازی کم است. هنگامی که آلیاژ از دمای بالا سریع سرد می شود، زمان کافی برای رسیدن غلظت جاهای خالی به مقدار تعادلی وجود ندارد و در نتیجه درصد بالایی از جاهای خالی پس از سرد کردن در آن باقی می ماند که بیش از تعداد جاهای خالی تعادلی در دمای مورد نظر است. با گذشت زمان جاهای خالی از بین می روند. این جاهای خالی اضافی تمایل دارند که یکدیگر را جذب کنند و تشکیل خوشه هایی از جاهای خالی بدهند. برخی از این خوشه ها می توانند به حلقه های نابجایی تبدیل شوند. این نابجاییها با جذب جاهای خالی می توانند بیشتر رشد کنند، نابجاییهایی که قبلاً در آلیاژ وجود نداشته اند، نیز می توانند به وسیله صعود، جاهای خالی را جذب کنند. به همین روش نابجاییهای پیچشی مستقیم می توانند به نابجاییهای لبه ای مارپیچ با طول بلندتر تبدیل شوند. بنابراین جاهای خالی اضافی قادر هستند به روش های مختلفی مکانهای جوانی زنی ناهمگن را به وجود آورند. تأثیر دیگر جاهای خالی اضافی، افزایش سرعت نفوذ اتمها در دمای پیر سازی است که در نتیجه آن سرعت جوانه زنی و رشد افزایش می یابد. بنابراین تنها دلیل سریع بودن سرعت جوانه زنی مناطق GP دردماهای نسبتاً پایین پیر سازی، وجود جاهای خالی اضافی است. از این رو دلیل جوانه زنی مناطق GP دردماهای پایین پیرسازی را می توان فقط به وسیله غلظت غیر تعادلی جاهای خالی توضیح داد که چندین مرتبه بیش از غلظت تعادلی است. دلایل دیگری نیز برای نشان دادن نقش جاهای خالی اضافی در افزایش سرعت نفوذ وجود دارد. اگر یک آلیاژ از دماهای مختلف عملیات انحلال تا دمای ثابت سریع سرد شود و سپس در یک دمای ثابت پیر سازی شود، سرعت اولیه تشکیل مناطق GP نمونه هایی بیشترین مقدار را دارد که از دمای بالاتر سرد شده باشند. همچنین اگر عمل سرد کردن در دمای متوسط متوقف شود به گونه ای غلظت تعادلی جدید به دست آید، سرعت دگرگونی کاهش می یابد. کاهش سرعت سرد کردن از دمای انحلال نیز همین نتیجه را می دهد، زیرا زمان کافی برای کم شدن تعداد جاهای خالی در حین سرد کردن وجود دارد.

 

[قاسم معتمدی]

متالورژی فیزیکی آلیاژهای آلومینیوم​

​

​

​

​

با اینکه اغلب فلزات با آلومینیوم تشکیل آلیاژ می دهند، تعداد فلزاتی که دارای حلالیت کافی در حالت جامد بوده و عناصر آلیاژی اصلی محسوب می گردند، معدود است. از میان فلزات رایج،تنها روی، منیزیم(هر دو بیش از 10 درصد اتمی)، مس و سیلیسیم حلالیت قابل ملاحظه ای در آلومینیوم دارند (جدول 1). با این حال، عناصر متعدد دیگری با حد حلالیت کمتر از 1% اتمی، خواص آلیاژ حاصله را بهبود می بخشند. مثال هایی از این عناصر، برخی از فلزات واسطه مانند کروم،منگنز و زیرکونیم است که برای تشکیل ترکیبات کنترل کننده رشد دانه مورد استفاده قرار می گیرند. گازهای عنصری، به استثنای هیدروژن، حلالیت محسوسی در آلومینیوم مایع یا جامد ندارند. به جز قلع که حلالیت ناچیزی در آلومینیوم دارد در سایر آلیاژهای در آلیاژهای دوتایی آلومینیوم حداکثر حلالیت در حالت جامد در دمای یوتکتیک و پری تکتیک اتفاق می افتد. به عنوان نمونه قسمت هایی از دیاگرام های فازی دوتایی یوتکنیکی و پری تکنیکی در اشکال 1 و 2 نشان شده اند.

جدول1- حلالیت حالت جامد عناصر در آلومینیم​

​

​

شکل 1- بخشی از دیاگرا یوتکتیک Al-Cu. موقعیت خط انحلال مناطق GP نیز نشان داده شده است.​

​

شکل2- بخشی از دیاگرام فازی پریتکتیک Al-Ti​

آلومینیوم با خلوص بالا در حالت آنیل شده دارای استحکام تسلیم بسیار پایین (11/7 مگاپاسکال) است. در صورتی که استفاده از آلیاژهای آنتل شده مدنظر باشد، استحکام فقط از طریق سخت کردن محلول جامد افزایش می یابد. به این منظور باید حلالیت عنصر آلیاژی در حالت جامد در دمای آنیل قابل توجه بوده و پس از سرد کردن آهسته در محلول باقی بماند و از طریق واکنش با عناصر دیگر،فازهای نامحلول تکشیل نداده از حالت محلول خارج نشود.
شکل 3 افزایش استحکام تسلیم دراثر افزودن عناصر آلیاژی مشخص به آلومینیوم با خلوص بالا را نشان می دهد. برخی عناصر در غلظتهایی بیش از حد حلالیتشان در دمای اتاق نشان داده شده اند، اما هر آلیاژ به نحوی فرآوری شده است که همه عنصر آلیاژی کلاً در حالت محلول باقی بماند. عناصر منگنز و مس موثرترین استحکام دهنده تا حدود 5/0 درصد اتمی هستند. اما منگنز طی پیش گرم کردن شمش (بخش 3-1-4) و فرآیند کارگرم به صورت ذرات پراکنده را سوب میکند. به طوری که فقط 2/0 تا 3/0 درصد درمحلول باقی می ماند. میزان مس افزوده شده به آلیاژهای غیر قابل عملیات حرارتی معمولاً حداکثر 3/0 % است، تا از تشکیل احتمالی اجزاء نامحلول جلوگیری شود. منیزیم با توجه به حد حلالیت نسبتاً بالای آن،موثرترین استحکام دهنده است وورقهای و صفحات حاوی حداکثر 6% وزنی از این عنصر، استحکام تسلیمی تا 175 مگاپاسکال دارند. باید توجه کرد که روی نیزدارای حلالیت بالایی است اما اثر استحکام دهی آن ناچیز می باشد.
در برخی آلیاژهای که به طرز قابل توجهی قابلیت پیرسختی یا رسوب سختی از خود نشان می دهند، نسبتهای بسیار بالای استحکام به وزن بدست می آید. بنابراین، پیش از پرداختن به سیستم های آلیاژی خاص، بهتراست مرور کوتاهی بر اصول پدیده پیر سختی صورت گیرد. این اصول بطور کلی در مورد آن دسته از آلیاژهای منیزیم و تیتانیم که در آنها رسوب سختی اتفاق می افتد نیز صادق است.

 

[قاسم معتمدی]

اصول پیر سختی
تجزیه محلولهای جامد فوق اشباح
شرط اصلی برای اینکه آلیاژی قابلیت پیر سختی داشته باشد، کاهش درحلالیت جامد یک یا چند عنصر آلیاژِی با کاهش دما میباشدو معمولاً عملیات حرارتی شامل مراحل زیر است:
1- عملیات محلولی در دمایی نسبتاً بالا در ناحیه تک فاز، مثلاً نقطه A درشکل 1 به منظور حل کردن عناصر آلیاژی .
2- سرد کردن سریع یا شوکه کردن که معمولاً تا دمای اتاق انجام گرفته و حاصل محلول جامد فوق اشباعی (ssss) از این عناصر در آلومینیوم است.
3- تجزیه کنترل شده محلول جامد فوق اشباع برای تشکیل رسوبهای ریز و پراکنده که معمولاً با پیرسازی به مدت لازم در یک دمای معین انجام می گیرد.
تجزیه کامل محلول جامد فوق اشباع فرآیندی پیچیده است که در مراحل متعددی انجام می شود. به عنوان نمونه، ممکن است علاوه بر فاز تعادلی ،مناطق GtP و یک رسوب میانی نیز تشکیل شود. مناطق GP دسته های اتمی منظم و غنی از عناصر محلول هستند که ضخامت آنها ممکن است یک یا دو صفحه اتمی باشد. ساختار این مناطق مشابه ساختار زمینه بوده وبا آن هم سیما هستند، با این حال معمولاً کرنش های الاستیک قابل توجهی ایجاد می کنند (شکل4) . تشکیل این مناطق مستلزم حرکت اتم ها در فواصل نسبتاً کوتاه بوده به طوری که به صورت ذرات بسیار ریز با دانسیته درزمینه پراکنده شده اند. بسته به سیستم آلیاژی،نرخ جوانه زنی و ساختار واقعی تا حد زیادی متاثر از حضور مکانهای خالی اضافی در شبکه است که پس از شوکه کردن باقی مانده اند.

​

شکل 4- نمایش اعوجاج صفحات شبکه زمینه در نزدیکی مناطق هم سیمای GP​

اندازه رسوب های میانی معمولاً بزرگتر از مناطق GP بوده و با صفحات شبکه زمینه شبه هم سیما می باشد. این رسوبات دارای ترکیب و ساختار کریستالی معین بوده و تفاوت ترکیب و ساختار آن ها با رسوب تعادلی کم است. دربرخی آلیاژها، رسوب میانی در مناطق پایدار GP جوانه می زند و در پاره ای آلیاژها، جوانه زنی این فاز به طور غیر یکنواخت درعیوب شبکه ای مانند نابجایی ها صورت می گیرد (شکل 5) . تشکیل رسوب تعادلی نهایی مستلزم از بین رفتن کامل هم سیمایی با فاز مادر است.
این رسوب فقط در دماهای پیرسازی نسبتاًبالا تشکیل شده و به علت درشتی پراکنده بودن سختی چندانی را موجب نمی شود.
حداکثر سخت شدن در آلیاژهای تجاری زمانی اتفاق می افتد که پراکندگی بحرانی مناطق GP یا رسوب میانی و یا هر دو وجود داشته باشد. در برخی ازموارد بر روی آلیاژها پس از شوکه کردن و بیش از پیرسازی کار سرد (مثلاً 5%) انجام می گیرد که در نتیجه آن،دانسیته نابجایی ها افزایش یافته و مکانهای بیشتری را برای جوانه زنی غیر یکنواخت رسوبات میانی فراهم می آورد.

​

شکل5- مقطع TEM نشان دهنده فاز ملیه ای شکل که بطور غیر یکنواخت روی خطوط نابجایی رسوب کرده است. آلیاژ با ترکیب Mg5/1Cu 5/2Al می باشد که به مدت 7 ساعت در دمای 200 پیرسازی شده است.​

 

[قاسم معتمدی]

خط انحلال مناطق GP
خط انحلال مناطق GP را می توان به صورت خطی شبه پایدار در دیاگرام تعادلی نشان داد (شکل 1) این خط، حد فوقانی دما را برای پایداری مناطق GP در (آلیاژهای با ترکیبات مختلف مشخص کرده و مکان دقیق آن بسته به غلظت جاهای خالی اضافی متغیراست. خطوط انحلال برای رسوبات شبه پایدار دیگر نیز قابل تعیین هستند. ارتباط توزیع اندازه مناطق GP با زمان پیرسازی بطور شماتیک در شکل 2-6 نشان داده شده است. مدل پیشنهاد شده به وسیله لوریمر و نیکولسون که بر اساس آن مناطق GP تشکیل شده درزیر دمای انحلال درصورت رسیدن به اندازه بحرانی (شکل6) میتوانند بعنوان جوانه هایی برای مرحله بعدی فرآیند پیرسازی یعنی تشکیل رسوبات میانی عمل کنند،بوسیله شواهد تجربی تایید شده است. برمبنای این مدل، آلیاژها به سه دسته شده اند:
1- آلیاژهایی که دمای شوکه کردن و دمای پیرسازی برای آنها بالای خط انحلال مناطق GP است. چنین آلیاژهایی به علت دشواری جوانه زنی برای تشکیل یک رسوب ریز و پراکنده، پاسخ مناسبی به پیر سختی نمی دهند. مثالی از این آلیاژها، سیستم Al-Mg است که در آن شوکه کردن به فوق اشباع شدن بسیار زیاد می انجامد، اما در آلیاژهای با کمتر از 6-5% منیزیم، پیر سختی مشاهده نمی گردد.
2- آلیاژهایی مانند Al-Mg-Si که در آنها دمای شوکه کردن و دمای پیر سازی زیر خط انحلال مناطق GP است.
3- آلیاژهای که در آنها خط انحلال مناطق GP بین دمای شوکه کردن و دمای پیرسازی واقع است. این وضعیت در اغلب آلیاژهای قابل پیرسختی آلومینیوم دیده می شود. با استفاده از عملیات پیرسازی دو مرحله ای جوانه زنی و رسوب های میانی از مناطق GP پیشین با اندازه ای بیش از حالت بحرانی انجام خواهد گرفت. این روشها هم اکنون در مورد برخی آلیاژها برای بهبود بعضی از خواص آنها بکار گرفته می شود که در بخش 3-3-5 به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است . این روشها به ویژه با مساله ترک خوردگی تنشی در آلیاژهای استحکام بالای آلومینیوم مربوط می باشند.

​

​

شکل 6- نمایش تغییرات توزیع اندازه منطقه GP با زمان پیرسازی ​

نواحی عاری از رسوب در مرز دانه ها
همه آلیاژهایی که ضمن عملیات حرارتی، رسوب گذاری در آنها اتفاق می افتد، درنواحی مجاور مردانه های خود فاقد رسوب میباشند. شکل 7 نواحی نسبتاً وسیع عاری از رسوب را در یک آلیاژپیر سازی شده Al-Zn-Mg با خلوص بالا نشان می دهد. این نواحی عاری از رسوب (PFZ) به دو دلیل تشکیل شده اند. نخست آنکه به علت نفوذ آسان اتم های محلول به مرز (جایی که بعداً ذرات نسبتاً بزرگی از رسوب تشکیل می شوند) ناحیه باریکی در هر دو طرف مرزدانه وجود دارد که از اتم های محلول تخلیه شده است. دلیل دوم آنکه تشکیل PFZ ناشی از کمبود جاهای خالی برای جوانه زنی رسوب ها می باشد که دیگر برای کمک به جوانه زنی رسوبات در دمای پیرسازی کافی نیستند. پیشنهاد شده است که توزیع جاهاهای خالی در نزدیکی مرزدانه به صورتی است که بطور شماتیک در شکل 8 (الف) نشان داده است که بیش از جوانه زنی رسوب در دمای حداقل غلظت مورد نیاز می باشد. عرض PFZ با توجه به شرایط عملیات حرارتی تغییر میکند. به ازای دمای بالاتر عملیات محلولی و سرعتهای بیشتر شوکه کردن به دلیل افزایش درصد جاهای خالی اضافی (منحنی (ب) درشکل 8 ) و به ازای دمای پیرسازی پایین تر، این نواحی باریکتر هستند. اثر دمای پایین تر پیرسازی بر عرض PFZ تشکیل شده به غلظت بالاتر عنصر محلول نسبت داده شده است که به معنای پایدار بودن جوانه های کوچکتر و در نتیجه کاهش غلظت بحرانی جاهای خالی مورد نیاز برای وقوع جوانه زنی است (شکل 8) با این حال قسمت عاری از جاهای خالی در PFZ در برخی آلیاژهای پیرسازی شده در دماهای زیر خط انحلال مناطق GP وجود ندارد زیرا مناطق GP می توانند بدون نیاز به جاهای خالی بطور یکنواخت تشکیل شوند.

 

[قاسم معتمدی]

تاثیر عناصر جزیی
همانند سایر فرآیندهای جوانه زنی ور شد، واکشنهای رسوب گذاری بسیار تحت تاثیر حضور مقادیر خیلی کم از عناصرمعین قرار دارد. این اثرات ممکن است ناشی از دلایل متعدد زیر باشد:
1- واکنش ترجیحی این عناصر با جاهای خالی، که برخی جوانه زنی مناطق GP را کاهش میدهد.
2- بالا بردن خط انحلال مناطق GP که محدوده دمایی پایداری فازها را تغییر میدهد.
3- ترغیب جوانه زنی رسوب های معمول با کاهش انرژی فصل مشترک بین رسوب و زمینه
4- تشویق تشکیل رسوبهای متفاوت
5- فراهم کردن مکانهای غیریکنواخت که امکان جوانه زنی رسوبات موجود یا رسوبات جدید در آنها وجود دارد. این مکانها می توانند دسته هایی از اتم ها یا ذراتی کوچک از فازهای ثانویه باشند.
6- افزایش میزان فوق اشباع به نحوی که موجب ترغیب فرآیند رسوب گذاری گردد.
مثالی از اثر یک عنصر جزئی نقش افزودن مقادیرکم کادمیم،ایندیم یا قلع درتغییر پاسخ آلیاژهای Al-Cu به پیرسختی می باشد. این عناصر سرعت پیرشدن در دمای اتاق (پیرشدن طبیعی) را کاهش می دهند. زیرا بطور ترجیحی با جاهاهی خالی واکنش کرده و تشکیل مناطق GP را به تعویض می اندازند (مکانیزم1).
ازطرف دیگر ، سرعت و میزان سخت شدن در دماهای بالا (پیرشدن مصنوعی)بهبود پیدا میکند (شکل 9) زیرا این عناصر جزیی رسوب کردن فاز شبه هم سیمای را با پراکندگی ریزتر و یکنواخت تر به جای فاز هم سیمای و زمینه جذب شده و نتیجتاً انرژی فصل مشترک مورد نیاز برای جوانه زنی را کاهش می دهند(مکانیزم 3) با وجود این همانطور که در شکل 10 نشان داده شده است به نظر می رسد که برخاسته از دسته های اتمی کوچک قلع یا ذرات با قطر حدود 5nm باشد که موید وقوع جوانه زنی غیر یکنواخت در مکانهای غیر همگن می باشد(مکانیزم 5) مثالی دیگر از اثر عنصر جزئی نقش مقادیر کم نقره در اصلاح رسوب گذاری و سخت گردانی بیشتر در آلیاژهای آلومینیوم حاوی منیزیم است. که بسته به نوع آلیاژ عملکرد متفاوتی دارد. با پیرسازی (Al-Zn-Mg) در دماهای بالا (مانند شکل 7) نقره با افزایش محدوده دمایی پایداری مناطق GP فرآیند پیرسازی را تشویق میکند(مکانیزم 2) درآلیاژهای دوتایی Al-Mg نقره موجب وقوع رسوب گذاری در آلیازهایی می شود که بطور معمول، تشکیل رسوب در آنها صورت نمی گیرد(مکانیزم 6) در سیستم (Al-Cu-Mg) که مورد توجه خاص می باشد، نقره موجب ترغیب تشکیل رسوباتی جدید می گردد. مانند (شکل 18) که نوع آنها بستگی به نسبت Cu:Mg دارد. در این مورد اثرت مذکور از تجمع اتمی ناشی از واکنش ترجیحی بین اتم های نقره اتم های منیزیم و جاهای خالی طی شوکه کردن از دمای عملیات حرارتی محلولی یا بلافاصله پس ازشروع پیرسازی مصنوعی نشات گرفته است.

​

شکل 9- منحنی های سختی – زمان برای آلیاژهای Al-4Cu و Al-4Cu-0/05 In پیرسازی شده در دماهای C 130 و C 190.​

ازآنجا که تاکنون مطالعات زیادی در رابطه با نقش عناصر آلیاژی اصلی در نحوه عکس العمل آلیاژهای آلومینیوم به پیرسختی صورت گرفته است، انتظار می رود که نقش عناصر جزیی نیز اهمیت روز افزونی پیدا کند. چنان که پیش از این نشان داده شد، این عناصر می توانند اثرات عملی مهمی در تغییر ریز ساختار و خواص داشته باشند که برخی از این اثرات هنگام بررسی سیستم های آلیاژی مربوطه مورد بحث قرار می گیرد.

​

شکل 10- مقطع TEM نشان دهنده رسوبهای همراه با ذرات کوچک قلع​

مکانیزمهای سخت کردن
با وجود اینکه تلاشهای اولیه برای توضیح مکانیزمهای سخت شدن در آلیاژهای پیرسخت شده به علت فقدان اطلاعات تجربی محدود بوده است، ولی دو مفهوم مهم در این ارتباط مطرح گردیده است.یکی از این دو، این است که سخت شدن یا افزایش مقاومت آلیاژ در برابر تغییر شکل، نتیجه تداخل لغزش و ذرات رسوب روی صفحات کریستالوگرافی است. موضوع دیگر این است که حداکثر سخت شدن دریک اندازه ذره بحرانی بدست می آید. مفاهیم جدید رسوب سختی، دراصل بررسی این دونظریه دررابطه با تئوری نابجایی هاست، زیرا استحکام یک آلیاژ پیرسخت شده بوسیله واکنش متقابل نابجایی های در حال حرکت و رسوبات کنترل می شود.
در آلیاژهای پیر سخت شده، موانع حرکت نابجایی ها کرنش های درونی حول رسوبات به ویژه مناطق GP و خود رسوبات اصلی می باشد. در رابطه با کرنش رسوبات می توان نشان داد که حداکثر ممانعت در برابر حرکت نابجایی ، یعنی حداکثر سخت شدن، زمانی است که فاصله بین ذرات برابر با شعاع انحناء خطوط نابجایی در حال حرکت یعنی 50فاصله اتمی یا 10nm باشد. در این وضعیت رسوب غالب در بیشتر آلیاژها ، مناطق هم سیمای GP است و مطالعات انجام شده بوسیله میکروسکوپ الکترونی عبوری یا قابلیت بالا نشان داده است که در واقع این نواحی بوسیله نابجایی در حال حرکت دچار برش شده اند. بنابراین، مناطق GP به خودی خود اثر ناچیزی بر ممانعت از حرکت نابجایی های لغزشی دارند و افزایش قابل توجهی که این مناطق موجب می شوند ناشی ازکسر حجمی بالای آنهاست.
برش یافتن این مناطق، تعدا اتصالات بین عنصر محلول و حلال را در امتداد صفحات لغزش افزایش داده (شکل 11) به طوری که فرآیند خوشه ای شدن معکوس میشود. به این منظور باید کار اضافی توس تنش اعمال شده انجام شود و مقدار این کار بوسیله فاکتورهایی مانند اندازه نسبی اتم مربوطه و اختلاف انرژی خطای انباشتگی بین زمینه و رسوب کنترل می گردد. این سخت شد سخت شدن شیمیایی خوانده می شود سهمی اضافی در استحکام دهی کلی آلیاژ دارد.

 

[قاسم معتمدی]

هنگامی که مناطق GP بریده می شود نابجایی ها به عبور خود از میان ذرات روی صف لغزش فعال ادامه داده و کار سختی نسبتاً کم است. تغییر شکل به چند صفحه لغزش فعال می شود آن چنانکه تعدادی با فشرده بوجود آمده به نابجایی ها اجازه انباشته شدن در مرز دانه می دهند (شکل 12)ایجاد این ریز ساختار ممکن است بر خواص مکانیکی مانند شکل پذیری، چقرمگی، خستگی و خوردگی:اثرات زیان آوری داشته باشد.

​

شکل12- (الف) برش رسوبهای ریز که منجر به لغزش صفحه ای و تجمع نابجایی در مرز دانه می شود (ب) تمرکز تنش در نقاط سه گانه مرز دانه به دلیل حضور مناطق عاری از رسوب​

در صورتی که ذرات رسوب بزرگ بوده و فاصله آنها ازیکدیگر زیاد باشد، عبور نابجایی های در حال حرکت از کنار آنها آسان است. نابجایی ها طبق مکانیزمی که نخستین بار توسط پیشنهاد شد، از بین ذرات خم شده و سپس مجدداً به هم می پیوندند (شکل 13) و حلقه های نابجایی دور ذرات باقی می مانند. در این شرایط، استحکام تسلیم آلیاژ پایین بوده اما سرعت کارسختی بالاست و تغییر شکل پلاستیک بطور یکنواخت تری در سراسر دانه ها پخش می شود. این وضعیت در مورد آلیاژهای فراپیر شده وجود دارد و چنانکه در شکل 14 بطور شماتیکم نشان داده شده است، منحنی پیرسختی که در آن با افزایش زمان پیرسازی استحکام ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد از حالت برش رسوبات (منحنی A ) به عبور از کنار آنها (منحنیB ) تبدیل می شود. درحالت تئوری، نقطه تلاقی در P حداکثر استحکام قابل حصول در آلیاژ را ارائه می کند.

​

شکل 13- نمایش چگونگی پشت سرگذاردن رسوبهای پراکنده توسط یک نابجایی​

همانطور که درشکل 7 الف نشان داده شد،ذ تشکیل رسوب میانی با ایجاد مناطق عاری از رسوب در مجاورت مرز دانه ها همراه است. این مناطق درمقایسه با زمینه پیرسختی شده نسبتاً ضعیف بوده و ممکن است بطور ترجیحی تغییر شکل یافته و به تمرکز تنش بالایی درنقاط سه گانه منجر شوند (شکل 11 ب) ک به نوبه خود ترک خوردگی زودرس را موجب خواهد شد. جالب ترین وضعیت زمانی است که رسوبات موجود بتوانند دربرابر برش نابجایی ها مقاومت کرده و در عین حال فاصله آنها برای عبور نابجایی ها بیش از حد کم باشد. در چنین موردی، حرکت خطوط نابجایی فقط در صورتی ممکن است که نابجایی ها بتوانند بوسیله فرآیندی مانند لغزش متقاطع از زیر یا روی هر یک از ذرات عبور کنند. در این صورت استحکام دهی و کار سختی بالایی انتظار میرود. معمولاً فاصله چنین رسوباتی بیشتراز آن است که وقوع حالت فوق میسر گردد.

​

شکل 14- نمایش رابطه بین استحکام و اندازه ذره برای یک نمونه آلیاژ سختی شونده (الف) ذرات به وسیله نابجایی ها بریده می شوند (ب) ذرات رسوب به وسیله نابجایی ها بریده نشده بلکه دور زده می شوند.​

اما با استفاده از روشهای زیر موفقیت نسبی در ترغیب تشکیل رسوباتی که بتوانند دربرابر برش توسط نابجایی ها مقاومت کنند حاصل شده
1- عملیات پیرسازی دو مرحله ای درزیر بالای دمای خط انحلال مناطق GP که تشکیل رسوبات میانی ظریفی را در برخی آلیاژها ممکن می سازد
2- رسوب همزمان دوفازکه یکی از آنها به صورت ذرات یا مناطق GP ظریف بوده و افزایش استحکام تسلیم را موجب می شوند و دیگری به صورت ذرات درشت تری است که در برابر توسط برش نابجایی ها مقاومت کرده و باعث یکنواختی تغییر شکل پلاستیک می گردد.
3- هم رسوبی دو یا چند فاز واسطه که هر یک روی ضخامت کریستالوگرافی متفاوت تشکیل گرفته به طوری که تحرک نابجایی کم خواهد شد.
4- جوانه زنی رسوبات میانی با پرکنداگی یکنواخت بوسیله افزودن عناصر جزیی خاص (شکل 8) راببینید.
افزایش کسر حجمی ذرات رسوب، منحنی های B,A در شکل 14 را بالا برده،منجر به افزایش استحکام می گردد. بطور مشابه کاهش اندازه ذره در رسوباتی که هنوز قادر به مقاومت در برابر برش به وسیله نابجایی هستند با انتقال P به ماکزیمم استحکام را بالا می برند. اندازه بحرانی ذرات قادر به مقاومت دربرابر برش در فازهای رسوبی مختلف متفاوت بوده و بستگی به ساختار و مورفولوژی کریستال دارد. به عنوان مثال فاز که در برخی آلیاژهای لیتیم دار پس از پیرسازی مصنوعی روی صفحات ت تشکیل می شود نسبت به فاز که روی صفحات تشکیل می گردد دارای مقادیر کمتری است. (جدول 2-2)
درشکل 15 قابلیت فاز با اندازه بزرگتر ولی پراکندگی یکنواخت تر برای سخت کردن بیشتر نسبت به فاز ریز و قابل برش یا دانسیته بیشتر در یک آلیاژAl-Cu-Li-Mg-Zr به تصویر کشیده شده است . باید به این نکته نیز توجه کرد که تنش تسلیم های متجاوز از 700 مگاپاسکال برای این آلیاژ گزارش شده که نزدیک به حد تسلیم تئوری آلومینیوم (حدود 900 مگاپاسکال ) می باشد.

 

[قاسم معتمدی]

فرآیندساز پیرسازی
همچنانکه پیش از این ذکر شد بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم پاسخ قابل توجهی به پیر سختی می دهند. از طریق آلیاژ کردن و عملیات حرارتی مناسب، تنش تسلیم آلومینیوم با خلوص بالا را می توان تا 40 برابر افزایش داد. جزئیات فرآیندهای رسوب گذاری که دارای اهمیت تجاری می باشند، در جدول 2 آورده شده است.بخشی از دیاگرام فازی سیستم Al-Cu درشکل 1 نشان داده شده و سیستم Al-Mg-Si به صورت دیاگرام شبه دوتایی Al-Mg-Si در شکل 16 ارائه شده است.
مقاطعی از دیاگرام های فازی سیستم های سه تایی Al-Zn-MG,Al-Cu-Mg در اشکال 17 و 18 نشان داده شده است. اغلب آلیاژهای تجاری در این دو سیستم دارای عناصر آلیاژی اضافی

​

شکل 16:بخشی از دیاگرام دوتایی​

شکل 17: بخشی از دیاگرم فاز سه تایی Al-Cu-Mg در C 460 و C 190​

​

هستند که موجب تغییر این دیاگرام می گردند. به عنوان مثال مقطع دیاگرام آلیاژهای Al-Zn-Mg حاوی 15/1% مس در دمای C 460 در شکل 16 ترسیم شده است. این دما، دمای معمول برای عملیات حرارتی محلولی در آلیاژهایی از این نوع بوده و باید توجه کرد که پس از چنین عملیاتی برخی از ترکیبات چهارتایی در زمینه حل نخواهند شد.

​

شکل 18: بخشی از دیاگرام فازی سه تایی Al-Zn-Mg در دمای C 200​

​

​

شکل 19: بخشی از دیاگرام فاز چهارتایی Al-Zn-Cu-Mg-Cu (حاوی 5/1 درصد مس) دردمای c 460​

​

نماد گذاری آلیاژها و عملیات حرارتی
علامت اختصاری آلیاژها
انتخاب آلیاژهای آلومینیم برای استفاده مهندسی اغلب دشوار بوده زیرا علائم و نمادهای آلیاژها از کشوری به کشور دیگر متفاوت بوده است.به علاوه در برخی کشورها ،سیستم مورد استفاده منحصر به شماره گذاری آلیاژها طبق ترتیب تاریخی پیدایش انها بوده وترتیبی منطقی درانها رعایت نشده است.به همین دلیل باید از معرفی یک سیستم بین المللی نمادگذاری آلیاژها (IADS) برای محصولات کارپذیر در 1970 ومقبولیت نسبی ان به وسیله اغلب کشورها استقبال کرد .این سیستم نمادگذاری بر پایه درجه بندیی قرار دارد که سالها بوسیله انجمن آلومینیم ایالات متحده آمریکا استفاده شده ودر معرفی آلیاژهادر این کتاب مورد استفاده قرار می گیرد. IADSبه هر آلیاژ کارپذیر یک عدد چهار رقمی نسبت می دهد که در ان میان ،عدد اول عنصر یا عناصر آلیاژی اصلی را نشان میدهد (شکل14).دراین سیستم ،سری آلیاژها xxx1 ،آلومینیم غیر آلیاژی (با حداقل 99%آلومینیم )می باشد .در سری xxx2 مس،سریxxx 3منگنز،سری xxx 4 سیلیسیم،سریxxx 5 منیزیم ،سریxxx 6 منیزیم و سیلیسیم وسری xxx 7 روی(ومنیزیم)

 

[قاسم معتمدی]

عناصر آلیاژی اصلی را تشکیل می دهند.سریxxx 8 برای ترکیباتی که در محدوده نماد گذاری فوق واقع نگردند و همچنین بعضی آلیاژهای متفاوت دیگر مورد استفاده قرار گرفته که در برخی قسمتهای دیگر ذکر شده است .باید توجه کرد که آلیاژهای کارپذیر Al-Si از سریxxx 4 بیش از مقاصد سازه ای ،عمدتاً برای الکترودهای جوشکاری ،لحیم کاری و ورق لحیم کاری مورد استفاده قرار می گیرند.
ارقام سوم و چهارم در سری xxx 1 دارای اهمیت می باشند ولی در آلیاژهای دیگر مهم نیستند .درسری xxx1 ،حداقل خلوص آلومینیم به وسیله این ارقام نشان داده می شود ، به عنوان مثال 145 دارای حداقل خلوص45/0 99% و1200 دارای حداقل خلوص 00/99% است.در سری های دیگر ،ارقام سوم وچهارم دارای معنای خاصی نیست و فقط برای مشخص کردن آلیاژهای مختلف آلومینیم در ان سری به کار می رود .درنتیجه 3003و3004و3005 الیاژهای مختلف Al-Mn را نشان می دهد ،همان طور که 5082و5083 نشان دهنده دو نوع آلیاژ Al-Mg م باشد(جدول2) ودر این آلیاژها رقم دوم خلوص یا اصلاحات آلیاژی را نشان می دهد .رقم دوم صفر نشان دهنده آلیاژاصلی است واعداد صحیح از 1تا9 که متوالیاًذکر می شوند نشان دهنده اصلاحات آلیاژی می باشند.معمولاًنیزآلیاژها رابطه نزدیکی وجود دارد مثلاً 5352 ارتباط نزدیکی با 5052و5252 دارد .جدول (3-2)درست مشابه ترکیب 7075و7475 فقط کمی با یکدیگر تفاوت دارند (جدول3-4)پیشوندی x نشان دهنده این است که آلیاژ در مرحله آزمایشگاهی توسعه خود قرار دارد.در بریتانیا آلومینیم و آلیاژهای ان در سه نوع مشخصات اصلی خود جای داده میشود :
1- مشخصات BS (استاندار بریتانیا )برای استفاده عمومی مهندسی
2- مشخصات BS برای مشخصات هوانوردی (که به عنوان سری L نشانه گذاری شده است.
3- مشخصات DTD که بوسیله وزارت فنون برای کاربردهای هوانورد یویژه بکاربرده می شود.
به علاوه ،علائم مهندسی تکمیلیی متعددی وجود دارند که آلیاژهای ویژه دیگر یا آلیاژهایی با استفاده محدود را پوشش می دهند درحالی که کاربردهای الکتریکی با شش مشخصه دیگر معرفی میگردند .سری مربوط به نوع عمومی مهندسی با75-1470 BS مشخص می شوند که مشتمل بر شش استاندارد برای شکل های مختلف :صفحه ،ورقه وتسمه (1470 BS) ،لوله کشیده شده (1471BS )،قطعات آهنگری (1472BS )،میخ پرچ ،پیچ(1473BS )،میله ها ،لوله و مقاطع گرد اکسترود شده (1474BS )وسیم (1475BS )می باشند.هر ترکیب به وسیله عددی نشان داده می شود که صرف نظر از شکل وضعیت ،فقط ترکیب شیمیایی را نشان میدهد . به آلومینیم خالص (حداقل خلوص99/99%)عدد نسبت داده میشود و درجات خلوص دیگر به وسیله پسوند A1،B1،C1 مشخص می شوند .آلیاژهای آلومینیم با پسوند 2 به بالا نشان داده می شوند .و اعداد مربوط به آلیاژهای منسوخ شده یا اعدای دیگر مورد استفاده قرار نمی گیرند از ان میان حذف شده اند .آلیاژهای غیر عملیات حرارتی پذیر دارای پیشوندH نشان داده شده اند .درجات مختلف آلومینیم سریxxx1 که عملیات حرارتی پذیر نیستند پیشوندی با خود حمل نمی کنند. حروف وارقام دیگر شکل و وضعیت ماده را نشان می دهند . نمادهای مربوط به عملیات حرارتی
به منظورمشخص کردن خواص مکانیکی یک آلیاژ وروش رسیدن به این خواص ،سیستمی برای نماد گذاری عملیات حرارتی در بخشی از IADS پیش بینی شده است .در این سیستم آلیاژها به صورت پسوند به نماد آلیاژ افزوده میشوند.در این سیستم آلیاژها به دو دسته غیر قابل عملیات حرارتی که به روش سخت گردانی کرنشی سخت می شوند وآلیاژهای عملیات حرارتی پذیر تفکیک شده اند .نکات اصلی این سیستم در شکل 18 بیان شده است اما مراجعه به مشخصات کامل و یا مدارک تولید کننده ها توصیه می شود به ویژه زمانی که ارقام به کار رفته و نماد گذاری متعدد باشند .آلیاژهایی که در وضعیت پس از ساخت یا آنیل شده باشند به ترتیب با پسوندهای OوF نشان داده شده اند .کرنش سختی نتیجه طبیعی اغلب عملیات کار مکانیکی و شکل دادن انجام شده روی آلیاژهای آلومینیم است .درمورد درجات مختلف آلومینیم سریxxx 1 وآلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر Al-Mn (xxx 3)وAl-Mg (xxx5) این نوع سخت شدن به استحکام دهی حاصل از عملیات سخت گردانی محلول جامد و سخت گردانی انتشاری افزوده میشود .آلیاژهای کرنش سخت شده با حرفH نشان داده می شوند .اولین رقم پسوند نشان دهنده عملیات حرارتی ثانویه زیر می باشد :
1- فقط کار سرد شده
2- کار سرد شده و به طور جزئی آنیل شده
3- کار سرد شده و پایدار شده
رقم دوم شدت سرد شده را نشان می دهد و وضعیت به شدت کار سرد شده یا وضعیت کاملاً سخت با H 18 مشخص می شود واین حالت با استحکام کششی بدست آمده از کاهش 75% در سطح مقطع اولیه نشان نمونه کامل شده می باشد .عملیات12H نشان دهنده حالت یک چهارم سخت شده بین حالت صفر (آنیل کامل)وحالت 18H می باشد ،در حالی که عملیات حرارتی 14H و16H از این نظر به ترتیب نصف و سه چهارم 18H می باشند.برای سری 2H از عملیات حرارتی ،ترکیبی از کرنش سختی وآنیل جزئی مورد استفاده قرار می گیرد . دراین حالت بیش از مقدار مورد نیاز برایی دست یابی به خوا ص مکانیکی مطلوب سرد شده وسپس استحکام ان با آنیل کردن جزئی کاهش می یابد .عملیات حرارتی 3 H فقط در مورد آلیاژهای Al-Mg اعمال می شود . این آلیاژها پس از کرنش سختی با گذشت زمان به نرم شدن در دمای محیط دارند . برای اجتناب از این امر با حرارت دادن به مدت زمان کوتاهی در یک دمای بالاc (175-120)فرایند نرم شدن کامل می شود .چنین عملیاتی خواص مکانیکی پایداری را فراهم آورده و ویژگی های کار را بهبودمی بخشد باید توجه کرد که چنین عملیات حرارتی 4H نیز وجود دارد که در مورد محصولاتی به کار می رود که کرنش سخت شده و سپس طی عملیات یعدی پخت رنگ یا لاک زدن ،تحت مقداری آنیل جزئی قرار می گیرند.تعدادی نماد سه رقمی در مورد عملیات حرارتی H به نحو زیر به محصولات کارپذیر نسبت داده شده است:نماد111H :در مورد محصولاتی بکار میرود که کمتر از حد مورد نیاز برای یک عملیات 11I کرنش سخت شده اند .
112H :در مورد محصولاتی استعمال می شود که کمتر از حد متداول فرایند شکل دادن ،کرنش سخت شده باشند .کنترل خاصی بر مقدار کرنش سختی یا عملیات حرارتی اعمال نمی شود اما محدویت در زمینه خواص مکانیکی .وجود داشته وآزمایش مربوط به خواص مکانیکی مشخص می شود.پ
121H :در مورد محصولات بکار می رود که کمتر از مقدار مورد نیاز برای عملیات حرارتی کنترل شده 12H کرنش سخت شده اند.
311H :در مورد محصولاتی مورد استفاده قرار می گیرد که کمتر از حد مورد نیاز برای عملیات حرارتی کنترل شده 31H ،کرنش سخت شده اند.
321H درمورد محصولاتی بکار گرفته می شود که کمتراز حد نیاز برای عملیات حرارتی کنترل شده 32H کرنش سخت شده اند .
به علاوه ،نمادهای 323H و343H درمورد محصولات کارپذیری بکار برده شده است که بیش از 40%منیزیم داشته وساخت انها به طور خاص به منظور ارائه مقاومت قابل قبول در برابر ترک خوردگی تنشی صورت گرفته است .در مورد آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر ،سیستم متفاوتی از علائم در این آلیاژها به جزO که برای حالت آنیل به کار می رود ،با حرفT که با یک یا چند رقم همراهی می شوند نشان داده می شوند .رایج ترین این علائم به صورت زیر می باشند :
4T که نشان می دهد که آلیاژعملیات حرارتی محلولی شده سپس شوکه و بطور طبیعی پیرسازی شده است،5T که در ان آلیاژ پس از فرایند شکل دهی در دمای بالا مثلاًپس از اکستروژن به سرعت سرد شده وسپس پیرسازی مصنوعی روی ان انجام میگیرد و6T که نشان دهنده عملیات حرارتی محلولی ،شوکه کردن پیرسازی مصنوعی است .در عملیات حرارتی 8T که در ان روی محصولات بین شوکه شدن پیرسازی مصنوعی کارسرد به منظور بهبود استحکام صورت می گیرد مقدار کار سرد بوسیله رقم دوم نشان داده می شود که به عنوان مثال 85T نشان دهنده 5%درصد کار سرد می باشد .باید توجه کرد که حرف W معرف یک عملیات حرارتی ناپایدارمی باشد که برای آلیاژی که بلافاصله پس از عملیات حرارتی محلول در دمای اتاق پیرسازی شود،بکار می رود.این نماد به طورخاص ممکن است مدت زمان پیرسازی طبیعی را نشان دهد (به عنوان مثالh2 /w1 )برای نشان دادن عملیات حرارتی انجام شده بر روی محصولات کارپذیری به منظور تنش گیری ارقامی اضافه می شود:

 

[قاسم معتمدی]

51×T-تنش گیری شده به وسیله کششش.دراین مورد محصولاتی بکار میرود که پس از شوکه شدن ؛بوسیله عملیات کششی به مقادیر ذیل تنش گیری شده است:صفحه(3-5/0)%تغییر شکل پایدار ،مفتول ،میله واشکال (3-1)%تغییر شکل پایدار. این محصولات پس از کشش دیگربه تاب گیری نیازی ندارند.درنماد گذاری مربوط به میله ،مفتول ،اشکال و لوله اکسترود شده ارقام اضافی به نحو زیر مورد استفاده قرار می گیرند:
510Tx –نشان دهنده محصولاتی است که پس از کشش مورد تاب گیری قرار نمی گیرند ،511Tx زمانی بکار می رود که مقدار تاب گیری پس از کشش برای تطابق با محدوده خطای استاندارد مورد نیاز می باشد.
52Tx –تنش گیری شده بوسیله فشار ؛در مورد محصولاتی بکار می رود که پس از شوکه شدن بوسیله فشار تنش گیری شده و تغییر شکل پایدار اسمی 5/2% درانها ایجاد می شود.
53Tx –تنش گیری شده بوسیله عملیات حرارتی :
در نماد فوق حرفx نشان دهنده ارقام 6،4،3ویا 8 بسته به مورد است .درمواردی که محصولات کار شده نیازبه عملیات حرارتی بوسیله مصرف کننده داشته باشد نمادهای زیر برای انها در نظر گرفته شده است:
42T-عملیات حرارتی محلولی ،شوکه .پیرسازی طبیعی شده است
52T-عملیات حرارتی محلولی شده ،شوکه و پبرسازی مصنوع است .
ترکیب وخواص کششی منتخبی از آلیاژهای آلومیینم درجداول2-5 آورده شده اند.به عنوان شاهدی برای تغییرات خواص کششی آلیاژی درشرایط مختلف عملیات حرارتی مورد عمل آزمایش گرفته .درجدول3-1 نتایج بدست امده مربوط به آلیاژAl-Mg-Si (آلیاژ6063)ارائه شده است.
در سیستم علائم بریتانیایی ،شکل محصول به وسیله حروف زیر مشخص می شود:
B برای میله وپیچ،Cبرای صفحه ،ورق یا تسمه نازک روکش شده،E برای میله،مقاطع ولوله اکسترود شده ،Fبرای قطعات آهنگری شده،G برای سیم،Jبرای لوله ای که در جهت طولیجوش داده شده ،R برای محصولات پیچ وپرچ،S برای صفحه ،ورق وتسمه نازک ،T برای لوله کشیده شده .وضعیت محصول از نظرکنش سختی یا عملیات حرارتی به وسیله پسوندهایی نشان داده می شود:M به محصول پس از تولید،O آنیل شده،H1 تاH8 درجه کنش سختی برحسب افزایش استحکام که دارای دو دسته بندی H68 فقط در مورد سیم H9 برای سیم الکتریکی بسیار سخت

جدول1-خواص کششی آلیاژ6063در شرایط عملیات حرارتی مختلف​

​

 

[قاسم معتمدی]

TB –تحت عملیات حرارتی محلولی قرار گرفته،سپس شوکه شده ومورد پیرسازی طبیعی واقع شده است(پیش از این با W نشان داده شده بود)
TD-تحت عملیات حرارتی محلولی قرار گرفته کار سرد شده و مورد پیرسازی طبیعی واقع شده است(فقط در مورد سیم ها قابل استفاده است وقبلاً با WD نشان داده شده بود)
TE-پس از فرایند شکل دادن در دمای بالا به طور مصنوعی پیرسازی شده است(پیش از این با علامت P نشان داده می شد)
TF-تحت عملیاتی حرارتی واقع شده،سپس شوکه شده و پیرسازی مصنوعی گردیده است(قبلاًWP)
TH- تحت عملیاتی حرارتی محلول قرار گرفته ،شوکه شده ،و پس از کار سرد پیرسازی مصنوع شده است(قبلاٌ فقط در مورد سیم قابل استفاده بوده و باWDP نشان داده می شد)ترکیب حروف واعداد امکان شناسایی یک آلیاژ آلومینیم ،شکل محصول و وضعیت عملیات حرارتی آن را فراهم می سازد .به عنوان مثالTF-HE9 نشان دهنده آلیاژعملیات حرارتی پذیر(Al-Mg-Si )شکل میله ،مقطع یا لوله گرد اکسترود شده در وضعیت کاملاً عملیات حرارتی شده،یعنی عملیات حرارتی محلول شده ،شوکه شده و پیرسازی مصنوعی شده می باشد.نماد معادل ان IADS،6T-6063 است که شکل محصول در ان تعریف نشده است.

ریخته گری آلیاژهای غیر آهنی
ریخته گری آلومینیم و آلیاژها آن
آلومینیم و آلیاژهای آن به دلیل نقطه ذوب کم،سیالیت خوب و توانایی بهبود خواص مکانیکی آن با آلیاژسازی ،در صنعت ریخته گری از اهمیت بالایی برخوردار است .آلیاژهای آن به آلیاژهای نوردی وآلیاژهای ریختگی قابل تقسیم اند که مهمترین آنها عبارتند از :آلومینیم –مس،آلومینیم-منیزیم ،آلومینیم-سیلیسیم ،آلومینیم-مس-نیکل و..... .
برای ذوب این آلیاژها ازکوره بوته ای،کوره شعله ای،و کوره ای القایی می توان استفاده کرد.
وجود ترکیبات مختلف در مذاب آلومینیم ناشی از فعل و انفعال با هوا ،سوخت ،مواد نسوز ،وسایل ذوب ،مواد قالب وسایر موارد می باشد،باعث کاهش در سیالیت مذاب و نیز کاهش در میزان انقباض متمرکز د اثر وجود هسته های غیر یکنواخت و انجماد خمیری می شود ضمن اینکه وجود این ناخالصی هاو گازها خواص مکانیکی را مقدار زیادی کاهش میدهند.درآلیاژهای آلومینیم هیدروژن تنها گازی است که به صورت محلول در مایع و حباب در جامد ظاهر می گردد و میزان حلالیت به درجه حرارت و فشار خارجی بستگی دارد .رابطه زیر ارتباط حلالیت هیدروژن نسبت به فشار خارجی را نشان می دهد.
(8-42)
جایی که حلالیت هیدروژن ،S=0/7-1/2و فشار جزئی هیدروژن است .به منظور کاهش حلالیت وداشتن سیالیت کافی دمای مذاب C 720 تاC 740 در نظر گرفته می شود .برای گاززدایی بیشتر از ذوب در خلأ ؛،دمیدن گازهای بی اثر و افزایش فشار داخلی مذاب از کلر و ترکیبات قابل تبخیر آن مثل هگزاکلرواتان استفاده می شود.برای اکسیژن زدایی و بهبود کیفیت مذاب در اثر کاهش مواد غیر فلزی در مذاب ،از فلاکس ها استفاده می شود .این فلاکس ها می توانند احیا کننده مثل اکسید برلیم (مناسب برای کلیه آلیاژهای آلومینیم)،گازی و جامد یا انواع این نمک ها باشند.اغلب فلاکس های مصرفی می باشند که با تشکیل فیلم غیر متخلخل در سطح مذاب از ورود گاز و اکسیژن به داخل مذاب نیز جلوگیری می کنند. برای بهبود خواص مکانیکی از ریز کنندها (ذرات جامد معلق در مایع)که با ایجاد محلول های مناسب برای جوانه زنی ساختار را ریز دانه می کنند )استفاده می شود.ZrC,TiN,TiC که در اثر اضافه کردن تیتانیم وزیرکنیم حاصل می شوند و نیز با تلقیح ترکیبات بر و سریع سرد کردن ،دانه ها ریز می شوند.در آلیاژهای الومینیم –سیلیسیم ،کاربرد سدیم وکلرور و فلوئور آن به عنوان اصلاح کننده تیغه های سیلیسیم باعث بهبود خواص مکانیکی می شود.برای غالب گیری در ریخته گری آلومینیم از قالب های ماسه ای ،فلزی وپوسته ای می توان استفاده کرد .در سیستم راهگاهی ،وجود حوضچه بالای راهگاه الزامی است .لوله راهگاه مخروطی با شیب 2 درصد و نسبت های راهگاهی2-2-1و4-4-1و6-6-1 مناسب اند .حوضچه راهگارها معمولاً تا قطر 5/1 برابر راهکار اصلی و سطح مقطع راهگارهای اصلی تقریباً 4 برابر لوله راهگاه انتخاب می شود.در آلومینیم امکان حذف انقباض های پراکنده به دلیل انجماد خمیری به طور کامل حذف نمی شوند .تغذیه های کاربردی از نوع فوقانی ویا جانبی گرم می باشند که تغذیه های جانبی گرم در جبران اننقباض های متمرکز . پراکنده موثرتراند.

 

[قاسم معتمدی]

يك نمونه كوچك كه از يك قطعه آلومينيومي جدا شده به شكل استوانه را در نظر بگيريد كه يك سطح تخت مناسب در يك طرف اين نمونه به وسيله اره كردن و سنگ زني آمده شده است روش معمول اين است كه اين نمونه در يك قرص پلاستيكي با قطر يك اينچ (25 ميليمتر) و ضخامت يك دوم اينچ نصب مي‌شود به طوري كه آن سطح از نمونه كه قرار است پوليش شود در يك طرف ريسك قرار بگيرد در يك روش براي توليد اين قرص نمونه در داخل يك قالب ساده استوانه‌اي قرار داده شده و سپس رزين اپوكسي مايع در داخل قالب ريخته مي‌شود اين مراحل به چهار مرحله مختلف طبقه‌بندي مي‌شود.
1) سايش فرم
2) پرداخت خشن
3) پرداخت نهايي
4) اچ كردن
در سه قسمت اول هدف اصلي كاهش ضخامت لايه تغيير شكل يافته زير سطح نمونه است عمليات برش سنگ‌زني و سايش فلز نزديك به سطح را به شدت تغيير شكل مي‌دهند. ساختار واقعي فلز تنها زماني آشكار مي‌شود كه لايه تغيير شكل يافته كاملاً از روي سطح برداشته شود چون هر مرحله از آماده‌سازي نمونه نيز به خودي خود باعث تغيير شكل در سطح مي‌شود، بنابراين در هر مرحله بايد از سائيده‌هاي نرم‌تر از قبلي استفاده شود هر سائيده سبب جدا شدن لايه تغيير شكل يافته ناشي از مرحله قبل مي‌شود در حالي كه همين سائيده يك لايه اعواجاج يافته با عمق كمتر نيز توليد مي‌كند.
سايش نرم در اين مرحله سطح نمونه با استفاده از پودرهاي كاربيد سيلسيم كه بر روي كاغذهاي مخصوص تعبيه شده‌اند ساييده مي‌شود ممكن است نمونه به صورت دستي روي كاغذ سنباده‌اي كه روي يك سطح تخت نظير يك تكه شيشه تخت قرار دارد ساييده شود همچنين ممكن است كاغذ سنباده روي سطح يك چرخ‌‌دوار افقي و تخت چسبانيده شده و سپس نمونه متالوگرافي روي آن قرار داده شود در هر دو روش معمولاً از آب به عنوان يك روانساز استفاده مي‌شود كه باعث حمل ذرات جدا شده از سطح نيز مي‌شود چند نوع ساينده با شماره‌هاي 50، 100، 240، 400، 600، 800، 1000، 1200، 1500، 2000 كه در ‌آنها به ترتيب اندازه ذرات كاربيد سيلسيم 000، 33، 000، 23، 17و... ميكرون مي‌باشد مورد استفاده قرار مي‌گيرند در هر يك از مراحل سايش اوليه نمونه به صورتي روي يك سطح حركت داده مي‌شود خراش‌ها فقط در يك جهت تشكيل شود هنگام تعويض يك كاغذ سنباده نمونه به اندازه تقريبي 45 درجه دوران داده مي‌شود كه در نتيجه خراش‌هاي جديد تشكيل شده در روي سطح با خراش‌هاي قبلي زاويه مي‌سازند سايش تازه‌ زماني ادامه مي‌يابد كه خراش‌هاي تشكيل شده از مراحل قبل ناپديد شوند.
پرداختخ شن اين مرحله بسيار حساس است در حال حاضر ماده ساينده مورد استفاده براي عمليات پرداخت خشن آلومينا با انداز‌ه تقريبي 05/0 ميكرون است كه در اين مرحله مقدار كمي از اين پودر با آب مخلوط شده و بر روي سطح يك چرخ دوار كه با يك پارچه نايلوني پوشيده است قرار مي‌گيرد. روانساز مورد استفاده در حين عمليات پرداخت روغني مخصوص است نمونه روي چرخ دوار با فشار قابل ملاحظه‌اي فشار داده مي‌شود در طول اين مرحله نمونه در يك محل خاص و ثابت روي چرخ دوار با فشار قابل ملاحظه اي فشار داده مي‌شود و در طول اين مرحله نمونه در يك محل خاص ثابت روي چرخ پرداخت نگه داشته نمي‌شود و در طول چرخ و درجهت مخالف دوران چرخ حركت داده مي‌شود در نتيجه عمل پرداخت با يكنواختي بالايي انجام مي‌شود ذرات آلومينا خاصيت داده مي‌شود در نتيجه عمل پرداخت با يكنواختي بالايي انجام مي‌شود ذرات آلومينا خاصيت برش شديدي داشته و در جدا كردن لايه عميق تغيير شكل يافته ناشي از عمليات سايش اوليه بسيار موثرند پودر آلومينا 5 ميكرون قادر به جداسازي لايه تغيير شكل يافته حاصل از ساينده كاربيد سيلسيم 17 ميكروني در مرحله آخر سايش اوليه است.
پرداخت نهايي در اين مرحله خراش‌هاي ظريف و لايه‌هاي اعوجاج يافته بسيار ريز كه از مرحلة پرداخت خشن باقي‌مانده‌اند جدا مي‌شوند ماده پرداخت مورد استفاده اغلب پودر آلومينا از نوع گاما با اندازه دانه 05/0 ميكرون است اين پودر روي يك چرخ دورا پوشيده شده با پارچه ريخته شده و ازآب مقطر به عنوان روانساز استفاده مي‌شود برخلاف پارچه نايلوني بدون پرز استفاده شده در پوليش خشن پارچه مورد استفاده در مرحله عمومً پرزدار است چنانچه اين مرحله و مرحلة قبلي با وقت كافي انجام شوند سطحي عاري از خراش و تقريباً بدون هيچ لايه فلزي اعوجاج يافته قابل تشخيص تشكيل مي‌شود.
اچ كردن معمولاً در نمونه متالوگرافي ساختار داده‌ها پس از پايان عمليات پرداخت نهايي در زير ميكروسكوپ مشخص نيست ضخامت مرزدانه‌هاي يك فلز در بهترين حالت در حد ضخامت چند اتم است در حالي كه توان آشكار سازي يك ميكروسكوپ بسيار كمتر از حد لازم براي تشخيص آنهاست تنها در فلزي كه بلورهايي با رنگهاي مختلف در تماس با يكديگر باشند، قابل رويت ساختن مرزدانه‌ها نمونه‌هاي متالوگرافي اچ مي‌شوند كه اين عمليات با فرو بردن سطح نمونه پوليش شده در يك محلول اچ ضعيف اسيدي يا قليايي انجام مي‌شود رايج‌ترين محلول مورد استفاده براي آلومينيوم محلول 90 ميلي‌ليتري آب مقطر به اضافة 15 ميلي‌ليتر HCL و 10 ميلي‌ليتر HF مي‌باشد در بعضي حالات مي‌توان عمل اچ را توسط مالش ملايك يك تكه پنبه آغشته به محلول اچ بر روي سطح انجام داد در هر صورت در نتيجه اين عمل مقداري از سطح فلز حل شده و از سطح خارج مي‌شود چنان چه محلول اچ مورد استفاده مناسب باشد سطح فلز به صورت يكنواخت حل نمي‌شود گاهي عامل اچ كننده به مرز دانه‌هاي سريعتر از سطح دانه‌ها حمله مي‌كند ساير محلول‌هاي اچ، دانه‌هاي مختلف را بر اساس جهت گيري آنها حل خواهند كرد.
پس از اچ كردن مرزهاب ه صورت پله‌هايي كم عمق در سطح ظاهر مي‌شوند.
جداره‌هاي عمودي اين پله‌ها نور را همانند سطوح بلوري نسبتاً صاف به عدسي‌هاي شيئي ميكروسكوپ منعكس نمي كنند و در نتيجه محل مرز بلوري در زير ميكروسكوپ قابل رويت مي‌شوند.

 

[قاسم معتمدی]

تهیه ، تولید ، تصفیه و شناخت فلزAL

تهیه ، تولید ، تصفیه و شناخت فلزAL

در این تاپیک تهیه ، تولید ، تصفیه و شناخت فلزAL کامل شرح داده شده است.
مراجع :
]1[ توسیرکانی، ح، اصول علم مواد، ویرایش دوم ، دانشگاه صنعتی اصفهان ، 1379
]2[ طهماسبی، ا، آلومینیوم ، چاپ دوم ، آزاد ، جامعه ریخته گران ایران ، 1384
]3[ خسروی ـ امیدی ، ف ـ م ، عملیات حرارتی مفاهیم و آزمایشگاه، چاپ اول ، طراح ، 1387
]4[ ابوطالبی، عادلی، م ـ م ، آلیاژهای سبک متالوژی فلزات سبک، چاپ سوم ، دانشگاه علم و صنعت ایران ، 1379
]5[ فتحی ـ عرفانیان ، ع ـ م ، آشنایی با متالوژی فیزیکی، چاپ اول، مرکز نشر دانشگاهی تهران ، 1381
]6[ عباسی ـ نجفی زاده ـ شفیعی ...، م ـ ع ـ ع ...، کتاب مواد ، چاپ سوم ، نشر ارکان ، اصفهان ،1381
]7[ بابازاده ـ اسدپور ـ رضوی ، م ـ ا ـ ح ، آشنایی با آلیاژهای غیرآهنی ، جلد اول، چاپ اول، انتشارات آشینا ، 1387

 

[s.kh65]

سلام
خسته نباشید

می خواستم بگم: میشه در مورد آندهای مصرفی در صنعت استخراج آلومینیم اطلاعاتی بذارید.
ممنون میشم

مثلا آندهای DSA شنیدم که کاربرد داره
شما در این باره اطلاعاتی دارید ؟