تحقیق مقاله کاربرد نمودار های تعادلی

کاربرد نمودارهای تعادلی

         نمودارهای تعادلی کاربردهای صنعتی مفید دارد ، که مواردی از آن در ذیل مشخص می شود :

1 غلظتی را که در آن مخلوطی از اجزای سازنده آلیاژ ، بالاترین و پایین ترین نقطه ذوب را دارد .

2 محدوده حراراتی را که یک ماده می تواند حرارت داده شود ، بدون اینکه فعل و انفعال تبدیل از نوع کریستال به نوعی دیگر در حالت جامد ، تجزیه و یا جدایش در آن انجام گیرد .

3 تعداد و نسبتهای حجمی فازهایی که در غلظتهای معینی تشکیل می شود .

4 غلظتهایی را که برای آلیاژهای ریخته گری مناسب است .

5 امکان تشکیل فازهای جدید در نتیجه انجام فعل و انفعالاتی در مرز مشترک فازهای مختلف مواد زینتر شده در حین حرارت دادن .

6 امکان تبدیل فاز در درجه حرارتهای پایین در هنگام سرد شدن .

7 امکان ایجاد تغییراتی در حالتهای تعادل نیمه پایدار برای کاربردهای طولانی مدت .

         نمودارهای تعادلی سیستم دو جزئی برای تعداد زیادی از مواد فلزی و سرامیکی استفاده ندارد . زیرا نظم و ترتیب قرار گرفتن مولکولهای بزرگ اغلب از حالت تعادل بسیار دور بوده و هنوز هم تا حدودی ناشناخته باقی مانده است .

چدن

       تمام آلیاژهای آهن کربن که دارای بیش از 2%کربن است ، چدن نامیده می شود . مقدار ماکزیمم درصد کربن چدن به ندرت بیش از 3 / 4% خواهد شد . معمولاً مقدار درصد سیلیسم و فسفر چدن بیش از فولادها است . معمولاً چدن دارای خاصیت ریختگی خوب و تغییر شکل پذیری بدی است . چدن نسبت به رنگ سطح شکست بین سفید ، خاکستری و مختلط تقسیم بندی می شود. چدن سفید :  در چدن سفید ، رنگ سطح شکست به واسطه عدم وجود گرافیت سفید است . چدن سفید طبق سیستم آهن کربن نیمه پایدار و منجمد می شود . آلیاژی با c 3% را درنظر می گیریم که به صورت زیر متبلور می شود .

         شکل( 6 40 ) نشان می دهد که ابتدا در درجه حرارتc o 1300 محلول جامد کریستالی آستنبت تشکیل می شود . با کاهش دما از مقدار مذاب کاسته شده و به مقدار محلول جامد افزوده می شود . با کاهش دما درصد کربن مذاب در امتدادBC افزایش می یابد . در درجه حرارتc o 1147 باقیمانده مذاب به صورت واکنش یوتکتیکی تجزیه می شود .

c3   γ + Fe       مذاب ( L )

شکل (640 ) : ( الف ) نمودار تعادلی آهن کربن ، (ب ) قسمتی از نمودار با تصاویر شماتیکی از فازهای مختلف آن

چدن خاکستری : یکی از انواع چدن که بیش از دیگر انواع کاربرد دارد چدن خاکستری است . مقطع شکست این نوع چدن ، که در آن قسمت عمده یاتمامی کربن بصورت آزاد ( گرافیت )   است ، به رنگ خاکستری تیره یا سیاه دیده می شود .

چدن خاکستری طبق سیستم پایدار آهن گرافیت منجمد می شود . مسیر انجماد طبق شکل ( 640 ) برای آلیاژ 2 با c 3% بررسی شده است . تبلور اولیه محلول جامد γ کمی پایینتر از c o 1153 و         c 25/4 % به نقطه یوتکتیک ( ć ) سیستم آهن گرافیت می رسد .

         مهمترین خواص چدنهای خاکستری ، که سبب کاربرد صنعتی آن شده است ، نقطه ذوب پایین ، سیالیت بالا ، انقباض کم در حین انجماد ، قابلیت جذب ارتعاش ، قابلیت ماشین کاری بالا و قیمت نسبتاً ارزان آن است .

         با ادامه کاهش دما از آستنیت در امتداد خط Éś  گرافیت جدا می شود . به طوری که آستنیت بالاخره به ترکیب یوتکتویید (ś ) با c 7/0% می رسد ، شکل ( 6 40) . آستینت ترکیب یوتکتویید به صورت زیر تجزیه می شود :

(/k) گرافیت + (p/ ) فریتγ(ś) → 

چدن خالدار یا مختلط

        این نوع چدن بین چدن سفید و چدن خاکستری است . این نوع چدن تحت شرایطی از ترکیب شیمیایی مذاب و سرعت سرد شدن ، که در آن قسمتی از کربن در حین انجماد به صورت گرافیت و بقیه به صورت سمنیت رسوب می کند به دست می آید . قسمتهایی که با سرعت کافی سرد شده باشد تبدیل به چدن سفید می شود . یکی از مهمترین کاربردهای این نوع چدن در ساخت قطعاتی است که باید علاوه بر داشتن سطحی سخت و مقاوم در مقابل سایش ، دارای مقاومت به ضربه خوبی هم باشد . بنابراین ، این نوع قطعات را معمولاً به گونه ای ریخته گری می کنند که در سطح آنها لایه ای از چدن سفید و در داخل چدن خاکستری به وجود آید . بدین منظور می توان مذاب با ترکیب شیمیایی مناسب را در قالبهای فلزی یا گرافیتی ریخته گری کرد .

افزایش درصد عناصر کربن و سیلیسیم شرایط را برای جدا شدن گرافیت مناسبتر می سازد . عناصر آلیاژی دیگر مانند نیکل شبیه سیلیسیم عمل می کند ، بدین معنی که تمایل را برای تشکیل گرافیت قویتر می کند . فلزاتی مانند ، کُرُم یا مولیبدن ، سمنتیت را پایدارتر می سازد و از به وجود آمدن گرافیت جلوگیری می کند . با اضافه کردن فلزاتی مثلMo,Ni,Cr و … می توان به چدنهای آلیاژی با خواص ویژه ای مانند افزایش مقاومت خوردگی و مقاومت سایشی دست یافت .

فولادها و تأثیر عناصر آلیاژی بر آنها

         معمولاً فولادها از نقطه نظرهای زیر تقسیم بندی می شوند :

1 براساس کاربرد ، مانند فولاد ساختمانی ، فولاد ابزار ، فولاد ابزار گرم کار ، ابزار سردکار و …

2 براساس مقدار عناصر آلیاژی ، مانند فولادکربنی ، منگنزدار ، نیکل دار ، کُرُم و نیکل دار ، مولیبدن دار و …

3 براساس ساختار میکروسکوپی ، مانند فولاد فریتی پرلیتی ، پرلیتی ، پرلیتی آستنیتی ، مارتنزیتی و …

4 براساس خواص شیمیایی ، مانند فولاد زنگ نزن ، مقاوم در برابر دمای بالا ، مغناطیسی و …

         درکشورهای مختلف یا جمعی از کشورهای مختلف ( اروپا ) فولادهای متفاوت به کمک اعداد و شماره های مختلف و یا اعداد و حروف توأم با هم به صورت استانداردهای مختلف ، مانند استاندارد AISI و DIN مشخص می شوند .

استاندارد AISI

در استاندارد آمریکایی AISI ، مهمترین عناصر آلیاژی توسط اعدادی مشخص می شوند ، طبق استاندارد AISI فولادها به کمک عددی چها رقمی و گاه پنج رقمی مشخص شده اند . دو عدد اول ، گروه آلیاژ را نشان می دهد . بدین ترتیب عدد 10 فولادهای معمولی غیرآلیاژی ، 13 فولادهای منگنزدار ، 31 فولادهای کُرُم نیکل دار ، 86 فولادهای دارای سه عنصر آلیاژی را مشخص          می کند . مثال های دیگری از فولادهای این استاندارد را می توان در جدول ( 8 1 ) مشاهده کرد .

جدول ( 8 1 ) : آنالیز شیمیایی تعدادی از فولادها طبق استاندارد AISI

شماره AISI

مقدار درصد متوسط وزنی عناصر آلیاژی ، تمام فولادها دارای مقداری کمتر از               Mn 0/1% ،Si 35/0% ، P 04/0% ،S 05/0 % است

10 XX

بدون عناصر آلیاژی ، فولادی کربنی غیرآلیاژی

13 XX

Mn 75/1

40 XX

Mo 20/0 یا 25/0 یا Mo 25/0 و S 042/0

41 XX

Cr 5/0 ، 80/0 یا 95/0 ؛ Mo 2/0 ، 20/0 یا 30/0

43 XX

Ni 83/0 ، Mo 2/0 ؛ Cr 50/0 یا 80/0

44 XX

Mo 53/0

46 XX

Ni 85/0 یا 83/1 ، Mo 20/0 یا 25/0

48 XX

Ni 50/3 ، Mo 25/0

51 XXX

Cr 80/0 ، 88/0 ، 93/0 ، 95/0 یا 0/1

61 XX

Cr 60/0 یا 95/0 ، V 13/0 یا 15/0

86 XX

Cr 50/0 ، Ni 55/0 ، Mo 20/0

87 XX

Cr 50/0 ، Ni 55/0 ، Mo 35/0

92 XX

Si 00/2 یا 40/1 ، Cr 70/0

94 BXX

Cr 40/0 ، Ni 45/0 ، Mo 12/0

حداقل درصد ازعنصر B 0005/0

دو یا سه عدد آخری استاندارد AISI صد برابر مقدار متوسط کربن را به درصد وزنی ارائه می دهد. مقدار نوسانات مجاز در آنالیز شیمیایی هر فولادی معین شده است . برای مثال فولاد با شماره استاندارد 4140 را می توان چنین بیان کرد .

                41

درصد کربن را مشخص می کند                      فولاد Cr – Mo

                    40/0 %                                   Cr 10/1 % تا 88/0

           C  43/0 % تا 38/0                            Mo 25/0 تا 15/0

عدد 41 مقدار اسمی ( مقدار باید ) را برای عناصر دیگر آلیاژ تعیین می کند :

      40/0 % P<                                   Mn 1 % تا 75/0

      40/0 % S<                                 Si 3/0 % تا 20/0

و با افزودن حروفی به آن کیفیت خاص فولاد اشاره خواهد شد . برای مثال علامت H 4140 نشان می دهد که فولادی مولیبدن دار با Mo 2/0 % ، Cr 9/0 % و C 45/0 % موردنظر است ، که سختی پذیری آن در محدوده ای تضمین شده است علامت BXX 94 فولادی با سه عنصر آلیاژی با حداقل مقدار عنصر B را نشان می دهد جدول ( 8 1 ) .

برنزها

         برنزها آلیاژهایی از مس هستند که دارای حداقل Cu 60% و یک یا چندین فلز دیگر غیر از روی است . آلیاژهای مس قلع از این نوع هستند . این آلیاژها از موادی است که از قدیم انسان با آن آشنایی داشته است . برنز به دلیل سختی و شکل پذیری بالا و مقاومت خوب در مقابل خوردگی اهمیت صنعتی زیادی یافته است . برنزها ( آلیاژهای مس نیکل با مقادیر بسیار جزئی از آهن و  منگنز ) عمدتاً در کشتی سازی و در صنایع شیمیایی ، کاغذ سازی و ساعت سازی به کار می روند . برای مثال به عنوان قطعاتی در انواع فنرها ، یاتاقانها ، پیچها و دیافراگمها استفاده می شوند . با افزایش درصد قلع استحکام کشتی و سختی آنها افزایش می یابد ، شکل ( 9 8 ) .

شکل ( 9 8 ) : خواص مکانیکی و فیزیکی برنز قلع برحسب مقدار درصد قلع ، (2) .

           سیستم تعادل مس قلع بسیار پیچیده به نظر می رسد ، شکل ( 9 9 ) . از هفت نوع ترکیب بین فلزی موجود در این سیستم تنها دو نوع از آن در کمتر از درجه حرارت معمولی محیط پایدار است . شکل ( 9 10 ) ساختار میکروسکوپی چندین نمونه برنزی را با مقدار متفاوتی از قلع نشان می دهد . فاز δ در زمینه انعطاف پذیر α منجر به تولید ابزار و آلات برنزی بسیار خوبی می شود .

شکل ( 9 9 ) : نمودار تعادلی مس قلع ، (2) .

شکل ( 9 10 ) : ( الف ) نمونه هایی از ساختارهای میکروسکوپی از چند آلیاژ مس قلع ( ب ) برنز قلع ( با Sn 10 % ) ، نورد شده ، 13 ساعت در OC 800 حرارت داده شده و سپس در آب سریع سرد شده است ، محلول جامد α همگن با دوقلویی ( * 100 ) . ( ج) برنز قلع ( با Sn 30 % ) ، در وان مذاب سرد شده ، یوتکتویید از محلول کریستال α ( تاریک ) و δ ( روشن ) . ( * 100) . (د) برنز قرمز ریخته گری شده ( با Sn 5/7 % و Zn 5/4 ) . ریخته گری شده در قالب چدنی محلول کریستال دندریت α ( * 100) ، ( 2) .

سخت کردن سطحی

        یکی از عملیات حرارتی که در صنعت اهمیت خاصی دارد ، سخت کردن سطحی است . عملیات سخت کردن سطحی به منظور بالا بردن سختی لایه خارجی قطعه و مقاومت آن در مقابل سایش و درنتیجه بالا بردن طول عمر آن انجام می گیرد . با این عملیات ، سطح قطعه مورد نظر سخت می شود ، در حالی که قسمتهای داخلی آن با سفتی یا چرمقگی ( تافنس ) نسبتاً خوب باقی خواهد ماند ، به طوری که می تواند مقاومت خوبی در مقابل تنشهای پیچشی و ضربه ای داشته باشد .

به طوری کلی روشهای مورد استفاده برای سخت کردن سطحی را می توان به دو گروه تقسیم بندی کرد :

1 روشهایی که با تغییر ترکیب شیمیایی لایه خارجی همراه بود و به نام عملیات نفوذ دادن حرارتی شیمیایی یا به عبارت کوتاهتر عملیات حرارتی شیمیایی معروف است . در این روش عملیات حرارتی شیمیایی منجر به نفوذ دادن اتمهای خارجی به داخل لایه خارجی قطعه می شود .برای فولادها این عناصر نفوذی عمدتاً عناصر کربن ( در کربن دهی ) ، اتمی این عناصر بسیار کوچکتر از آهن بوده و بدین ترتیب می تواند در فضاهای خالی مناسب بین شبکه کریستالی آهن ( ترجیحاً در فضاهای خالی بین هشت وجهی ) قرار گرفته ، به طوری که یک محلول جامد کریستالی از آهن به وجود آید .

2 روشهایی که با تغییر ترکیب شیمیایی همراه نیست . از جمله این روشها سخت کردن شعله ای و سخت کردن القایی است . در این دو روش فولاد باید قابلیت سختی پذیری داشته باشد ، بدین ترتیب مقدار کربن فولاد باید حدود 3/0 تا 6/0 % باشد .

11 کربن دهی ( کربونیزه کردن )

          این روش یکی از قدیمیترین و ارزانترین عملیات حرارتی است . در قدیم بدین ترتیب انجام می گرفت که کربن به وسیله گازهای کربن دار حاصل از ذغال چوب در کوره های قدیمی به داخل قطعات آهنی نفوذ داده می شد و سپس با سرد کردن سریع ، سطح آنها را سخت  می کردند . امروزه برای کربونیزه کردن قطعات فولادی کم کربن ، آنها را در یک محیط کربن دار ( اعم از جامد ، مایع ، گاز ) در درجه حرارتهایی بالاتر از دمای آستنیتی ( Ac3 مربوط به آلیاژ ) قرار داده و برای مدت زمان معینی حرارت داده و سپس آن را با سرعت معینی سریع سرد می کنند .

21 کربن دهی جامد

            در کربن دهی جامد قطعه فولادی کم کربن ( معمولاً حدود 2/0 % کربن یا پایینتر ) را درون یک جعبه فولادی مقاوم در مقابل گرما قرار داده و اطراف قطعه را با یک ترکیب کربن زا مانند ترکیباتی از ذغال چوب ( 3% 1 ) و مواد انرژی زای دیگر نظیر کربنات باریم ( 18% 10 ) ، کربنات کلسیم  ( 3% 1 ) و کربنات سدیم ( تا 1 % ) کاملاً پر می کنند . سپس درب جعبه را بسته و لبه های جعبه را با خاک نسوز یا موادی از این قبیل برای جلوگیری نفوذ هوا به درون آن و یا همچنین خارج شدن گاز ایجاد شده از داخل به خارج کاملاً مسدود می کنند . سپس جعبه را در کوره قرار داده و در درجه حرارتی حدود OC 950 800 برای مدت معینی ( این مدت بستگی به درجه حرارت و عمق نفوذ یا ضخامت لایه سخت شده مورد نظر دارد ) حرارت می دهند . در این عملیات ماده کربن زا ابتدا گاز منوکسیدکربن ( Co ) تولید می کند که در درجه حرارت عملیات ، ناپایدار بوده و هنگام تماس با سطح فولاد طبق واکنش Co         Co2 + C 2 تجزیه می شود و کربن آزاد شده ( به صورت اتمی ) در سطح فولاد نفوذ می کند . به دنبال فعل و انفعالات نفوذ ، کربن داخل لایه خارجی قطعه   ( که در درجه حرارت بالا آستنیتی شده است ) شده و حل می شود . مقدار کربن حل شده را می توان از نمودار آهن سمنتیت در امتداد خط cm A تعیین کرد . بدین ترتیب در حالی که داخل قطعه فولاد کم کربن است مقدار کربن در لایه خارجی قطعه افزایش می یابد . سرعت نفوذ کربن در آستنیت به ضریب نفوذ و غلظت کربن بستگی داشت .شکل ( 771 ) نمودار تغییرات غلظت کربن را نسبت به عمق لایه سخت شده نشان می دهد .