مقاله شماره 117 : ارتباط بين ساختار و خواص

[pooneh.p]

مقدمه
1- ريزساختار
استحكام سوپر آلياژها ي پايه كبالت با تشكيل محلول جامد افزايش پيدا مي كند . ولي تعداد كمي از آنها توسط رسوب سخت مي شوند . استحكام اين آلياژها قابل مقايسه با استحكام مربوط به انواع سخت شده با رسوب هاي و ( با زمينه مكعبي با سطوح مركز دار FCC )هستند .
رسوب در آلياژها پايه آهن – نيكل و پايه نيكل اوليه كروي و در آلياژها ي پايه نيكل جديدتر مكعبي شكل است . اثرات ريز ساختار و به خصوصيات رسوب بر خواص مكانيكي بيشتر از خواص فيزيكي است . در سوپر آلياژها پايه آهن – نيكل كار شده كمتر از 0.2و در سوپر آلياژها ي پايه نيكل ممكن است بيشتر از 0.6باشد . نوع ساختار در يك تركيب شيميايي ثابت توسط فرايندهاي قبلي مانند ريخته گري ، آهنگري و عمليات حرارتي و به عبارت ديگر خواص بهينه سوپر آلياژهادر آخرين مراحل فرايندتعيين مي شوند.
آلياژهاي سخت شده با رسوب و اكثرا" از نوع كار شده و آلياژهاي سخت شده با كه در بالاترين حد ود دمايي به كار برده مي شوند. از نوع ريخته هستند . تركيب شيميايي تعدادي از سوپر آلياژها در فصل 1 و جوانب عمومي ريز ساختار در فصل 3 آورده شده اند.
2- خواص مكانيكي :
در اين فصل به ارتباط ميان ريز ساختارها و خواص مكانيكي كوتاه مدت و بلند مدت پرداخته مي شود . خواص مكانيكي كوتاه مدت شامل استحكام هاي كششي ( يا فشاري ) و تسليم بدست آمده از بارگذاري سريع و مداوم تا ايجاد كرنش مومسان يا شكست مي باشد و از نتايج ديگر اين آزمايش درصد ازدياد طول و درصد كاهش مقطع هستند ، كه در طي آزمايش و پس از آن اندازه گيري مي شوند . معمولا" در آزمايشها ي طراحي شده براي دستيابي به داده هاي استحكام ، مقدار مداول استاتيكي اندازه گيري نمي شود .
آزمايش خزش بابارگذاري در دماي بالا و در مدت زمان طولاني تري انجام مي شود و در ان ازدياد طول (كرنش ) بر حسب زمان اندازه گيري مي شود . معمولا" زمان رسيدن به نرخ كرنش ثابت ثبت شده و مراحل اول و دوم خزش گزارش مي شوند . براي استفاده از نتايج اين آزمايش در طراحي معمولا" به درون يابي و برون يابي داده ها نياز است . عبارت خزش – گسيختگي به آزمايشهايي اشاره دارد كه در آنها زمان مربوط به درصد خزش معيني ثبت گرديده است .
آزمايشها ي سيكلي نيز در نواحي مختلف انجام مي شوند . نتايج اين آزمايشها در دماهاي بالا به سرعت و نحوه اعمال تنش بستگي دارد . آزمايشها ي سيكلي نظير آزمايش سرعت رشد ترك معمولا" در ناحيه خستگي و گاهي در ناحيه خزش انجام مي گيرد .
معمولا" خواص كششي در دماهاي كمتر ازC760"گزارش مي شوند ، اما خواص خزش – گسيختگي در دماهاي بالاتري بدست آيند . در يك تركيب شيميايي ثابت استحكام هاي كششي و خزش نمي توانند به طور همزمان افزايش پيدا كنند.
3- سخت كردن با محلول جامد
در سخت كردن با محلول جامد ، اتم هاي محلول جايگزين اتم هاي زمينه آلياژ مي شوند . در اينجا درباره طبيعت سخت كردن بحث مي شود، ولي اين فرايند پيچيده تر از آن است كه به نظر مي رسد . اثرات اتمهاي محلول عبارتند از :
اثرات بر مدول موضعي در يك دانه
اثر بر آرايش اتمي موضعي در يك دانه
محدود كردن نفوذ اتم ها
تغيير انرژي نقص در اتم هاي زمينه چيده شده
اين تاثيرات سخت كردن موثري را به وجود مي آورند . عناصري كه در شبكه اعوجاج نامتفاوتي ايجاد مي كنند ، اثرات بيشتري در سخت كردن سوپر آلياژها دارند. عموما" اتم هاي جانشين كوچك مانند كربن اعوجاج غير متقارن درشبكه بلوري ايجاد مي كنند .
اتمهايي كه انرژي نفص در چيده شدن پايين به مانع برخورد مي كند ، نمي تواند در صفحه جديدي به حركت خود اد امه دهد .

 

[pooneh.p]

4- نقش ذرات فاز ثانويه
علاوه بر اتم هاي محلول ، ذرات فاز ثانويه مانع تغيير شكل هستند . مهم ترين فاز ثانويه
و ذرات مهم ديگري مانند كاربيد ها هستند كه در همه سوپر آلياژها يافت مي شوند . هنگامي كه كاربيدها در داخل دانه قرار دارند. به عنوان مانع تغيير شكل عمل مي كنند ، ولي در آلياژها دما بالا نقش اصلي كاربيدها ممانعت از حركت مرزدانه ها است . مرزدانه ها هنگامي كه در دماي بيش از نصف دماي ذوب تخت تنش قرار گيرند شروع به حركت ميمنند . به خاطر اهميت اثر كاربيد بر خواص مكانيكي اين موضوع در بخش جداگانهاي مورد بحث قرار مي گيرد.كاربيدها بايد داراي توزيع مناسبي در طول مرزدانه ها بوده و به هنگام قرار در دماهاي بالا پايداري خوبي داشته باشند. ذرات مهم ديگري نيز در زمينه وجود دارند.بوريدها رفتاري شبيه كاربيدها دارند. ذارت ديگري مانند فازهاي فشرده در tcp و آخال ها شامل نيتريدها و سولفيدها اثرات مضري روي خواص مكانيكي دارند. مقدار آخال ها با پيشرفت فن آوري ذوب سوپر الياژها به حداقل رسيده است . فازهاي فشرده از ابتدا در ريز ساختارها ي حاصل از فرآيندها ي توليد وجود ندارند، ولي پس از برقراري در معرض دماهاي بالا و به مدت زمان طولاني به وجود مي آيند. روش هاي تجربي زيادي براي به حداقل رساندن تشكيل فازهاي فشرده در ريز ساختارها وجود داند. اغلب از عناصر كربن و بر در سوپر آلياژها ي پايه نيكل تك بلور استحكام بالا استفاده نمي شود و ازاين رو مقدار كاربيدها در اين آلياژها در حداقل ممكن است .
رسوب سختي
همانگونه كه قبلا" اشاره شد ذرات رسوب به شكل هاي كروي و مكعبي يافت مي شوند.نواحي عاري از رسوب در بعضي از سوپر آلياژها ي پايه نيكل كار شده و سخت شده با پس از عمليات حرارتي آلياژها ديده مي شوند.
شكل در وهله اول تابعي از تركيب شيميايي سوپر آلياژها است ، ولي عمليات حرارتي مي تواند تغييراتي در آن به وجود آورد . با يك عمليات حرارتي مناسب مي توان كشيده بدست آورد . رسوب هاي كشيده در اثر قرار گيري سوپر آلياژ در دماي بالا در حين كاركرد نيز به وجود مي آيند. بدست آوردن اين رسوبات با عمليات حرارتي به مدت زمان طولاني نياز دارد . و به همين لحاظ غير اقتصادي است . رسوبات دركل ساختارسوپر IN-718 سخت شده به وجود مي آيد . ولي اختلاف كمي در تشكيل و توزيع وجود دارد. رسوب بشقابي در داخل دانه ها توزيع مي شود و دانسته هاي اندكي درباره توزيع اين رسوب در مرز دانه ها وجود دارد .
ملاحضات كلي رسوب سختي در سوپر آلياژها
خلاصه اي از تاثيرات
استحكام دهي با ذرات رسوب به عوامل مختلفي مربوط مي شود . استحكام و انعطاف پذيري رسوب از مهم ترين عوامل مهم ديگري وجود داند مانند :
درجه انطباق رسوب هاي يا با زمينه
انرژي مرز شيه فاز در فازهاي منظم يا . نابجايي در يك فاز منظم به مقدار انرژي بيشتري براي عبور از رسوب نياز دارند.
اندازه رسوب كه اطلاعات اندكي در اين باره وجود دارد . رسوب بشقابي و رسوب كروي يا مكعبي هستند.
نشان دادن ارتباط بين استحكام و اندازه در عمل دشوار است . ولي اين ارتباط در كارهاي آزمايشگاهي نشان داده شده است . در آلياژها ي تجاري كه داراي طيف وسيعي از اندازه ذرات رسوب هستند ، ذرات با گذشت زمان به وجود مي آيند و اندازه ممكن است ، به خاطر متفاوت بودن عمليات حرارتي به كار رفته باشد .
وابستگي استحكام به دما و اثر آن بر سوپر آلياژ
يكي از ويژگيهاي مهم فاز وابستگي غير عادي استحكام آن به دما است . در فلزات خالص و اكثر آلياژها با افزايش استحكام كاهش پيدا مي كند . اين حالت در سوپر آلياژها ي استحكام يافته با محلول جامد مانندHastelloyX يا l605 وجود دارد . دليل اين امر افت استحكام زمينه با افزايش دما مي باشد .
رفتار رسوب از اين نظر متفاوت است . استحكام تسليم نمونه هاي pcو scds آلياژها ي سخت شده با در محدوده دمايC 799-196-320 افزايش پيدا مي كند. ميزان افزايش استحكام به مقدار عنصر محلول در رسوب بستگي دارد. تركيب كاهش استحكام زمينه و افزايش استحكام رسوب باعث افزايش استحكام تسليم و گاهي افزايش استحكام كششي آلياژها ي سخت شده با در محدوده دماي اتاق و محدوده دمايC 760 مي شود . اين رفتار در بعضي از آلياژها سخت شده با به شدت ديگر آلياژها نيست .
استحكام تسليم داراي عناصر محلول مختلف ، در شكل نشان داده شده است. حداكثر استحكام تسليم در محدوده دمايC 841-649 در نتيجه افزايش استحكام تسليم با افزايش دما به وجود مي آيد . همزمان با افزايش استحكام تسليم ، درصد طول آلياژ سخت شده با كاهش مي يابد . حداقل درصد ازدياد طول درحد پايين محدوده دمايي مربوط به حداكثر استحكام كششي بدست مي آيد . در شكل منحني هاي استحكام كششي استحكام سوپر آلياژ پايه نيكل U-720 را در دو نوع عمليات حرارتي مختلف نشان مي دهد. افت استحكام در يكي ازنمونه ها قابل مشاهده است . دلايل :
موجود نبودن داده هاي كافي
متغيير بودن اثرات تركيب شيميايي بر رسوب
متغيير بودن V
نويسندگان دريك آزمايش بر روي نوانه هايي از سوپر آلياژ پيشرفته داراي Vبالا ، كاهش و افزايش استحكام در اثر رسوب هاي و را نشان دادند. مكانيكي كوتاه مدت در دماي اتاق و يك دماي بالا بدست آمده اند و در اين شرايط داده هاي معني داري بدست نمي آيند .
سخت كردن سوپر آلياژها با
رسوب توزيع شده در زمينه موثر ترين استحكام دهنده سوپر آلياژ بوده و اثرزيادي بر استحكام دهي توسط محلول جامد دارد. عموما " در رسوب سختي با افزايش مقدار، تغيير شكل و اندازه رسوب ، سختي افزايش پيدا مي كنند . در شكل قبل از نقطه حداكثر استحكام ( حداكثر پير سنجي ) مكانيزم استحكام دهي تلاقي ذرات با نابجايي هاي از روي اين ذرات عبور كرده و استحكام كاهش پيدا مي كند . اين اثر را مي توان در رفتار استحكام كششي و سختي سوپر آلياژها ي داراي V پائين مانند Waspaloy.A-286وIncoloy . نشان داد، اما نه به راحتي آلياژها ي داراي V بالا مانند IN-100 و غيره
اثرات رسوب بر خزش نشان داه شده است . براي بدست آوردن خواص بهينه ذرات ريز نسبت به ذرات درشت ارجعيت دارند. استحكام آلياژها در آلياژهاي سخت شده با AL, Ti به V بستگي دارد. استحكام در اين آلياژها به افزايش ميزان AL+Ti و افزايش نسبت AL/Ti افزايش مي يابد . نقش رسوب درآلياژها ريخته به خاطر اثراتي جدايش و سرعت سرد شدن آلياژ متغيير است .
درطي انجماد سوپر آلياژها مقادير زيادي يوتكنيك و - درشت به وجود مي آيد. عمليات حرارتي بعدي اين ساختارها را اصلاح مي كند . توزيع هاي دوتايي و سه تايي بعلاوه يوتكتيك - پس از عمليات انحلاي در دماهايي به حد كافي بالاتر از دماي همگن سازي آلياژ، موجب انحلال درشت و يوتكتيك - شده و رسوب مجدد ريز و يكنواختي را بوجود مي آورد . حداكثر دماهاي ذوب موضعي همگن سازي رادر بعضي از سوپر آلياژها ي PCيا CGDS محدود مي كند . در سوپر آلياژها پايه نيكل MAR-M-200HF (CGDS) يك ارتباط مستقيم بين عمر خزشي دردمايC 982 و V ريز وجود دارد .
به طور عمومي ،براي رسيدن به حداكثر رسوب سختي در آلياژها ي سخت شده با به تابكاري انحلالي آلياژ در دماي بيش از خط احلال نياز است ، اگر چه اين روش ممكن است رشد دانه بيشتري در سوپر آلياژ كار شده در پي داشته باشد. براي بهينه كردن توزيع و تشويق دگرگوني فازها ي ديگر مانند كاربيدها يك يا چند عمليات حرارتي پير سختي به كار گرفته مي شود و در بعضي از آلياژها از چند عمليات حرارتي پير سنجي دما متوسط و دما پائين استفاده مي شود . در آلياژهاي ريخته استفاده شده در پره ها يك سيكل پوشش دهي قبل از عمليات پير سختي و يا يك سيكل پوشش دهي و يا يك سيكل پوشش دهي و يك سيكل پير سختي دما بالا قبل ازسيكل پير سختي در دماي متوسط انجام مي شود . در آلياژها ي كار شده با V خيلي بالا به دفعات عمليات حرارتي خيلي بالا به دفعات عمليات حرارتي پير سختي چند مرحله اي به دفعات استفاده مي شود . گاهي عمليات حرارتي پيرسختي چند مرحله اي شامل مراحل دو گانه در محدوده دماي موجود است . به عنوان مثال مرحله اول در دماي پايين تر از مرحله دوم و مرحله سوم در دماي پائين تر و الي آخر انجام مي گيرد . به اين نوع عمليات حرارتي عمليات حرارتي نوساني گفته مي شود و عموما" براي آلياژها IN100(P/M) و آلياژها ي مربوطه استفاده مي شود .
ويژگي اساسي سخت كردن با در سوپر آلياژها ي پايه نيكل اين است كه نوسان دماي كه را حل مي كند ، الزاما" اثرات مضري روي خواص ندارد ، زيرا سرد شدن بعدي تا شرايط عادي عمليات رسوب مجدد شكل مفيد را در پي دارد . د رشكل نشان مي دهد كه يك آلياژ پايه نيكل ريخته B-1900(PC) تحت چندين مرحله دماي كاري قرار گرفته است . وقتي كه حل شدن شديد نباشد و ذوب موضعي صورت نگيرد ، قرار گيري قطعه در محدوده دماي پير سنجي منجر به ارزيابي بخش زيادي از خواص آلياژها خواهد شد . اگر رشد ذرات ة انحلال يا ذوب موضعي صورت گيرد ، بازيابي خواص به وسيله پيرسنجي يا در حين كار صورت نخواهد گرفت.
در نهايت امكان قضاوت درباره كارايي آلياژها فقط با در نظر گرفتن رسوب وجود ندارد ، وجود دانه ها و اندازه آنها ، جهت دانه ها نسبت به تنش اعمال شده و تك بلور بودن ( در آلياژهاي SCDS ) از پارمتر هاي مهمي هستند . در آلياژها PC ريخته يا كار شده بايد تعادلي بين استحكام دانه ها ي استحكامي بيشتر از مرز باشد . در اين صورت به دليل آزاد شدن تنش در دانه ها ، شكست ناگهاني در مرزدانه اتفاق مي افتد . اگر در يك زمينه سخت شده با دانه ضعيف تر از مرز باشد ، به هنگام اعمال تنش ها ي كم شكست در دانه اتفاق مي افتد .
قبلا" به موضوع كاهش استحكام در اثر رشد آنها اشاره شده است . در بعضي از سوپر آلياژها ي كار شده با V پائين تا متوسط ، دسته هايي از در نزديكي كاربيد MC غني از تيتانيوم و گاهي در مرزدانه ها ديده مي شوند .
سخت كردن سوپر الياژ با
ارتباط بين و خواص به طور گسترده اي مورد مطالعه قرار نگرفته و سخت كردن با رسوب به چند آلياژ كار شده و نوع ريخته آنها و دماهاي كمتر ازC 740 محدود شده است . استحكام آلياژها سخت شده با تابعي از V است . روابط اثباط شده براي آلياژها سخت شده با براي آلياژها ي سخت شده با به كار نمي رود . زيرا مورفولوژي سوب آنها ( رسوب كروي يا مكعبي و رسوب ديسكي شكل هستند ) و اندازه رسوب ها متفاوت است .
آلياژها ي Ni-Cr-Al-Nb تمايل به انحلال رسوب در دماهاي نسبتا" پائين دارندو عمليات حرارتي اين آلياژها توزيع را بهينه و اندازه دانه آن را كنترل مي كند . برايچندين سال تابكاري انحلالي و به دنبال آن پير سختي دو مرحله اي براي ايجاد توزيع مناسب پس از آنگري اين آلياژها به كار گرذفته مي شد . در بعضي موارد يك فرايند عملياتي حرارتي پيرسختي مستقيم ، پس از سرد شدن آلياژ Ni-Cr-Al-Nb از دماي آهنگري قطعه جايگزين عمليات حرارتي فوق گرديد . در اين عمليات دماي آهنگري به عنوان تابكاري انحلالي عمل مي كند. عمل مي كند . Nb كافي باقي مانده در زمينه اندازه دانه ها را در حد مطلوب نگه مي دارد ، تا توزيع يكنواخت رسوب هاي و با پير سختي مستقيم در زمينه به وجود آيد .
استفاده عملي از رسوب به آلياژهاي پايه نيكل با حدود 4 درصد نيوييوم محدود شده است . آلياژ IN-718 يك مثال از آلياژهايي است كه در آنها از تشكيل رسوب به طور تجارتي استفاده شده است .
V آلياژ IN-718 خيلي بيشتر از V است . رسوب هاي و در اين آلياژ يافت مي شوند ، ولي فاز اصلي استحكام دهنده است . اگر چه رفتار استحكام دهي رسوب مطالعه نشده است ، ولي با فرضيات مشابه رسوب كه قبلا" بحث كرديم .احتمالا" در مورد نيز يك اندازه و V بهينه براي استحكام وجود دارد . احتمالا" مهم ترين ويژگي احتمالا" همين است كه به راحتي در دماهاي متوسط پس از تابكاري امحلالي يا فرايندهاي اتصال تشكيل مي شوند . به خاطر اين رفتار آلياژ سخت شده با را براي ايجاد ساختار كاملا" استحكام يافته با انعطاف پذيري استثنايي مي توان پس از مدت زمان زيادي كار به و (NiNb) تبديل مي شود . استحكام فاز بيشتر از استحكام فاز است . آلياژهاي سخت شده با استحكام كششي بالا و خواص خزشي بسار خوبي در دماهاي پائين داند.ولي تبديل به در دماهاي بالاتر ازC 675 آلياژ IN-718 دردماي بالاتر از 675C آزمايش نمي شود . دماي استاندارد آزمايش اين آلياژ 649 است .

 

[pooneh.p]

كاربيدهاي مرز دانه اي در سوپر آلياژهاي پايه نيكل
سخت كردن مرزدانه
كاربيدها به خاطر رسوب در مرزدانه ها اثرات زيادي روي خواص آلياژها ي ريخته شده و كار شده دارند . كربن حتي در سوپر آلياژهاي SCDS نقش بازي مي كند. در تعدادي از سوپر آلياژها پس از اعمال سيكل حرارتي مانند پير سنجي يا تابكاري انحلالي كاربيد N C در مرز دانه ها تشكيل مي شود . نفش حقيقي كاربيد ها تا قبل از سال 1950 يعني تا زماني كه اهميت كاربيد هاي كروم مانند CrC در بهينه كردن خواص خزشي آلياژهاي Waspaloy, Nimonik مشخص گرديد ، شناخته شده نبود . مطالعات قبلي روي سوپر آلياژها پايه نيكل رسوب سخت شده به اتكاي عمليات حرارتي تابكاري و يا پير سنجي تك مرحله اي اغلب بين 760-740 براي آلياژهاي كار شده و سخت شده با بود .
خواص بهينه خزش و كشش آلياژ Nimonic80A كه يكي از قدمي ترين سوپر آلياژها ي سخت شده با است در دماي 104C و در شرايط تابكاري انحلالي شده در دماي 1080 و به دنبال آن پير سختي تك مرحله اي بدست ممي آيد . تابكاري انحلالي در دماي پايين تر باعث افزايش سرعت خزش و در دماهاي بالاتر باعث گسيختگي در كرنش هاي كم خزش مي شود. در شكل نتايج بدست آمده از تغييرات دماي تابكاري انحلالي را با عمليات حرارتي مياني و بدون آن در بيت تابكاري انحلالي و پير سختي نشان مي دهد. براي بررسي تاثير عمليات حرارتي مياني بر روي استحكام به شكل مراجعه كنيد . زماني كه عمليات حرارتي در دماي مياني انجام مي شود ، تابكاري انحلالي در دماهاي بالاتر ، عمر گسيختگي بهتري را نسبت به قبل نشان مي دهد .
ريز ساختار قوي ترين و ضعيف ترين نمونه هاي بدست آمده در آزمايش با روش هاي موجوئد بررسي شد و نتايج ذيل بدست آمد:
در نمونه هايي كه خواص خزش ضعيف دارند، ذرات كاربيد ديده نشد .
پس از عمليات حرارتي مياني ، زنجيره اي از ذرات منفصل CrC يا فازهاي كاربيدي غني از كروم در مرزدانه ها وجود دارد .
اين ذرات در بهينه كردن خواص خزش نقش اساسي ايفا مي كنند .
به دنبال اين بررسي ها، با استفاده از روش هاي متالوگرافي پيشرفته تري بر روي آلياژ مذكور و سوپر آلياژهاي كارشده مشابه مشخص شد كه رسوب ناپيوسته كاربيد سلولي و در مرز دانه ها صورت مي گيرد وخواص خزش – گسيختگي را نسبت به آلياژ هاي داراي كاربيدهاي كروي مرزدانه اي كاهش ميدهد . با استفاده از عمليات حرارتي مياني بر روي زنجيره كاربيدهاي منفصل گلوله اي ( معمولا" CrC) در اكثر آلياژهاي كار شده ، مي توان از لغزش مرزدانه ها جلوگيري كرد . عمليات حرارتي مياني در اطراف دانه ها اعطاف پذيري كافي به وجود آورده و باعث مي شود كه دانه ها بدن شكسته شدن آزاد شدن تنش / راتحمل كنند، و در نتيجه خواص خزش- گسيختگي بهبود پيدا مي كند . بر اين اساس و نيز كارهاي مشابه عمليات حرارتي مياني در برنامه فرايند توليد آلياژها ي كار شده قرار گرفته است . اگرچه اين تحقيق روي N imonic80A صورت گرفته ، ولي كار ديگري توسط شركت Pratt& Withey نتايج مشابهي درباره به حداكثر رساندن عمر خزش گسيختگي سوپر آلياژ پايه نيكل Waspaloy نشان داده است . از زماني كه اثرات مفيد توزيع كاربيدهاي مرزدانه اي منفصل و اثرات مخرب رسوب هاي كاربيد مشخص شده ، همه سوپر آلياژها كارشده تحت عمليات حرارتي پير سنجي دو مرحله هاي قرار مي گيرند. دماي سيكل هاي عمليات حرارتي با تركيب شيميايي آْلياژها تغيير مي يابد . اگر چه بحث قبلي بر روي كاربيدهاي غني ازكروم مانند CrCمتمركز بوده ، گزارش شده است كه MC گلوله اي مزاياي مشابهي در زمينه به تعويق انداختن لغزش مرزدانه ها دارد .
علل پيدايش كاربيدسلولي ناپيوسته
زماني كه سوپر آلياژهاي پايه نيكل تابكاري انحلالي مي شوند ، بعضي از كاربيدها ي MC موجود در ساختار حل مي شوند . كربن حاصل از اين انحلال در آلياژ تابكاري انحلالي شده به وجود مي آيد . بعد از سرد كردن سريع قطعه عمليات حرارتي شده تادماي اتاق ، كربن به صورت فوق اشباع باقي مي ماند . در گرم كردن مجدد تا دماي پيرسختي يك مرحله اي به خاطر شرايط ترموديناميكي ، كاربيد هاي كروم مرزدانه اي تشكيل مي شوند. موثرترين راه براي تشكيل حداكثر كاربيد هاي مرزدانهاي هنگامي است كه آنها عمود بر مرزدانه ها ، كه از اين پس كاربيدهاي سلولي ناتپيوسته خوانده خواهند شد ، رشد كنند . (شكل ) سطح زياد مرزدانه اي كه در ان رسوب كاربيد سلولي اتفاق افتاده ، نقش مضري در عمر خزش قطعه دارد .
نقش عمليات حرارتي مياني
عمليات حرارتي مياني عملياتي است زير دماي تابكاري انحلالي ، اما در دمايي بالاتر از دماي پيرسختي و براي كاهش كربن فوق اشباع و تشكيل كاربيد ها در يك سطح انرشي پائين تر به كار مي رود . كربن فوق اشباع در دماي IHT موجب رشد ذرات كاربيد مجزا مي شود . نتيجه تشكيل كاربيد هاي مجزا در دماي بالاتر اين است كه انرژي پتانسيل كربن كاهش پيدا مي كند و فصل مشترك متعددي براي ترك خزش در عمليات پيرسختي نهايي توليد نمي شود.
در آلياژ Wasplaloy عمليات حرارتي مياني شده در دماي 843 سانتي گراد به مدت 24 ساعت و پير سخت در دماي 760 درجه سانتي گراد به مدت 16 ساعت ، ذرات كاربيد منفصل CrCتشكيل شده ، رشد مي كنند . مقدار قابل توجهي تشكيل مي شود، اما بيشتري به هنگام رشد اوليه در طي عمليات حرارتي پيرسختي نهايي تشكيل مي شود و كاربيدها به شكل مجزا باقي مي ماند.
آيا واقعا" يك عمليات حراراتي مياني نياز است ؟
خواص مكانيكي قابل قبول يك آلياژ هميشه از تابكاري انحلالي و پير سختي بدست نمي آيند. اغلب برا ي ايجاد خواص مكانيكي معين تغييرات زير مورد نياز است:
انطباق دماي انحلال يا زمان
تعديل دماي پير سختي يك مرحله اي
اضافه كردن يك IHT
اضافه كردن پير سختي ثانويه ، يا اگر IHT به عنوان يك مرحله پير سختي عمل مي كند ، اضافه كردن پير سختي سوم
تعديل دماهاي مراحل مختلف عمليات IHT و پير سختي
تعديل ( معمولا" افزايش ) زمان پير سختي
اغلب عمليات حرارتي مياني يك عمليات پير سختي ناميده مي شود . علي رغم مزاياي IHT بر خواص گسيختگي – خزش سوپر آلياژها كار شده ، بعضي از كاربيدها به استحكام كوتاه مدت ( تسليم وكششي ) بالا نياز دارند . با افزايش مقدار ذارت ريز و كاهش اندازه دانه ، استحكام هاي كوتاه مدت افزايش مي يابند. عمليات حرارتي مياني ذرات درشت تري به وجود مي آورد . براي رسيدن به استحكام هاي تسليم و كششي بالاتر بايد يك عمليات پير سختي اضافه يا يك عمليات حرارتي مياني حذف شود . در قطعات آهنگري شده ، براي محدود كردن رشد وحفظ ريزي دانه ها از دماي انحلال پائين تر استفاده مي شود . ذكر اين نكته اهميت دارد كه اين فقط عمليات حرارتي نيست كه بر روي خواص مكانيكي اثر مي گذارد ، بلكه كنترل مراحل فرايند ترموديناميكي نيز اهميت دارد . باچند مرحله اي كردن فرآيند تغيير شكل در عمليات آهنگري سوپر آلياژها كاهش زيادي در اندازه دانه انجام مي گيرد . با اضافه كردن يا حذف عمليات پير سختي يا افزايش زمان پير سختي توزيع بهتري به دست مي آيد .
نقش ديگر عمليات حرارتي مياني
همانطور كه قبلا" گفته شد ،در يك آلياژ سخت شده با رسوب منظم ، نابجا يي ها مي توانند با ذرات ريز تلاقي ذرات اين است كه تغيير شكل بعدي بر روي همان صفحه تغيير شكل به جاي صفحات ديگر انجام مي شود . اين فرايند انعطاف پذيري را كهاش مي دهد . در طرف مقابل ذرات ريز استحكام هاي كوتاه مدت را افزايش مي دهند . رسوب ريز تر دماهاي پير سختي پائين تري دارد .
انجام عمليات حرارتي مياني نه تنها مقاومت مرزدانه ها را در برابر لغزش افزايش داده و گسيختگي در خزش را بهبود مي بخشد ، بلكه رسوب با دو اندازه متفاوت به وجود مي آورد . وقتي كه دو نوع اندازه وجود داشته باشد ، اين امكان وجود دارد كه نابجائي ها با رسوب هاي ريز تر تلاقي كرده و از رسوب هاي درشت تر عبور كنند . نتيجه اينكه ، تغيير شكل در آلياژ توزيع شده و استحكام خوب و انعطاف پذيري كافي به دست مي آيد و حساسيت به ترك كاهش پيدا مي كند . اين احتمال وجود دارد كه IHT دو رفتار متفاوت به وجود آورد ، اول به حداكثر رساندن انعطاف پذيري مرزدانه و مقاومت به لغزش دما بالا و دوم بهبود انعطاف پذيري انعطاف پذيري دما پائين و افزايش مقاومت در برابر پيدايش ترك.

تشكيل كاربيد سوزني
انعطاف پذيري بعضي از سوپر آلياژهاي پايه نيكل توسط نوع ديگري رسوب كاربيد سوزني MC موسوم به كاربيد ويدمن اشتاين كه در مرزدانه ها و دو قلوها تشكيل مي شود ، تعيين مي گردد . رسوب هاي ويدمن اشتاين عمر خزش آلياژ را كاهش مي دهند . اما در عمل مشاهده كردن اين پديده در نمونه هايي با كاربيد هاي MC در مرزدانه ها به آساني صورت نمي گيرد . معمولا"مثال هايي از رسوب كاربيد ويدمن و اشتاين بهد نواحي بين دانه اي محدود مي شوند ، اگر چه مي توانند در نزديكي ذرات MC نيز ظاهر شوند . اين كاربيد هاي سوزني را گاهي در مرزدانه ها مي توان يافت .
نواحي عاري از رسوب
يكي دگر از اثرات رسوب كاربيد مرزدانه MC تشكيل اتفاقي آنها در مرزدانه يا ناحيه عاري از رسوب است . اين نواحي عاري از رسوب ( PFZ) مي توانند اثرات مهمي بر عمر خزش سوپر آلياژها ي پايه نيكل يا پايه آهن داشته باشند . اگر اين نوحي گسترده يا ضعيف تر از زمينه باشند ، تغيير شكل در آنجا متمركز مي شود و در نتيجه از كار افتادگي زودرس پيش مي آيد . وجود نواحي عاري از رسوب در سوپر آلياژهاي سخت شده با اوليه با مقدار عناصر سخت كننده كم ( نسبت تيتانيوم به آلومينيم) گزارش شده است . ولي احتمالا" سوپر آلياژهاي سخت شده با پيچيده تر( V بالاتر )به خاطر درصد عناصري بالاتر تشكيل دهنده آنها اثرات PFZ مهمي را نشان نمي دهند . افزودن CO, BوZr در جلو گيري از تشكيل نواحي عاري از مفيد است .
يك اثر ديگر كه همزمان با PFZمشاهده مي شود ، جزيره تشكيل شده از تجربه TiC و تشكيل MC يا MC( ناشي از Ti اضافي ) است . ابتدا اين فرآيند در مرزدانه انجام مي شود ، اما در اطراف ذرات MC تجزيه شده در داخل دانه نيز ديده مي شود. اين جزيره تشكيل شده اثرات مفيدي از جمله آزاد كردن يا جذب تنشها در مجاورت مرزهاي لغزيده را دارد . دقيقا" اثرات واقعي جزيره مشخص نشده است و احتمال بسيار كم وجود دارد كه نواحي غني از Ti به فاز تغيير يابند و يا اينكه نا پايدار در طي كار به تبديل شود . در بعضي آلياژها داراي V بالا جزيره هاي ديده مي شوند .
لايه هاي كاربيد
اگر رسوب كاربيد به صورت لايه پيوسته مرزدانه اي باشد ، خواص به شدت تنزل مي يابد . گزارش شده است كه لايه هاي MC مقاومت به ضربه آلياژ M250 و لايه هايMC عمر خزش و انعطاف پذيري آلياژ Waspaloy را كاهش مي دهند. در شكل وجود لايه هاي كاربيدي مرزدانه اي در آلياژ Waspaloy كه عمدا" در شرايطي آهنگراني شده كه لايه هاي كاربيد مرزدانه اي به وجود آيند ، را نشان مي دهد. در شرايطي كه عمليات آهنگري در دماي بالا و كرنش پائين صورت گيرد ، لايه كاربيد مرزدانه اي به وجود مي آيد . تحت اين شرايط ساختاري با كربن فوق اشباع ناشي از انحلال كاربيد MC به وجود مي آيد . تابكاري انحلالي پس از آهنگري آلياژWaspaloy در دماي 1080 درجه سانتي گراد كاربيد هاي MC پتانسيل بالايي ايجاد مي كند و بدون آهنگري براي شكستن ساختار و به وجود آوردن موفعيت هاي جديد رسوب ، كربن در مرز دانه ها لايه هاي كاربيدي به وجود مي آورند. اين لايه ها انعطاف پذيري و عمر خزشي آلياژ را محدود مي كنند .

 

[pooneh.p]

عدم وجود كاربيد
تحت شرايطي كه هيچ نوع رسوب كاربيد مرزدانه اي وجود نداشته باشد ، از كار افتادگي ناگهاني اتفاق مي افتد . زيرا اساسا" حركت مرزدانه ها محدوديتي ندارد و به همين دليل در نقاط سه گانه مرزدانه اي ترك ايجاد مي شود .
كاربيد هاي مرزدانه اي در سوپر آلياژها ي ديگر
سوپر آلياژها ي پايه آهن – نيكل
نقش كاربيد هاي مرزدانه اي در سوپر آلياژهاي پايه نيكل ديده شده است ، ولي اثرات مضر لايه هاي كاربيد گزارش شده است .
رسوب كاربيد – سخت كردن عمومي
نكات كلي
كاربيدها با تشكيل شدن در داخل دانه ها بر استحكام هاي گسيختگي خزش سوپر آلياژها ي پايه كبالت و بعضي از سوپر آلياژها ي كار شده وجود دارند .اصلي ترين نوع آنها كاربيد MC است ، زيرا اولين كاربيد تشكيل شده در طي سرد شدن از حالت مذاب است . به همين دليل آلياژهاي ريخته داراي كاربيد هاي MC در داخل دانه ها هستند . ولي اين كاربيدها در مرز دانه ها نيز ديده مي شوند . عمليات حرارتي بعدي ، عمدي يا در عين كار و كار بعدي روي آلياژمورفولوژي ،مقدار و نوع كاربيد هاي موجود در دانه هاي سوپر آلياژها را اصلاح خواهد كرد . تشكيل كاربيد همانند رسوب يكنواخت و منظم نيست.كاربيد ها مي توانند اندازه هاي مختلف و شكل هاي گوناگون داشته باشند . بعضي از كاربيد ها ي ثانويه مي توانند با رسوب بر روي نابجايي هاي مجاور كاربيد ها ي اوليه تشكيل شوند.
كاربيدها ي درون دانها ي به عنوان مانعي در برابر حركت نابجايي ها عمل مي كند و افزايش استحكام سوپر آلياژ را باعث مي شوند. افزايش استحكام ناشي از كاربيدها ي توزيع شده در دانه ها به اندازه افزايش استحكام ناشي از رسوب نيست ، ولي اثر آن بر استحكام كم نمي باشد .
سوپر آلياژها ي پايه نيكل و پايه آهن - نيكل كاربيدهاي زمينه در سوپر آلياژهاي پايه نيكل و پايه آهن – نيكل مي توانند به طور جزئي حل شوند . كاربيدMC بدون ذوب موضعي آلياژ به طور كامل حل نمي شود . اين كاربيددر بعضي از آلياژها ناپايدار است و در دمايي بين 870-815 درجه سانتي گراد به MC و يا اگر آلياژ داراي W+MO نسبتا" بالايي باشد ،در دمايي بين 1040 –980 به MC تبديل مي شود . در بعضي موارد تشكيل MC به صورت رسوبات بين دانه اي ويدمن اشتاين است و در بعضي ديگر به صورت ذرات كاربيد بلوكي شكل است . عموما" كاربيدهاي زمينه افزايش خيلي كمي در استحكام سوپر آلياژها نيكل و پايه آهن- نيكل به وجود مي آورند . MC بر خلاف شكل سوزني آن خواص سوپر آلياژ پايه نيكل B-1900 را پس از قرار گيري در سرويس و ايجاد كاربيد كاهش نمي دهد .
يك ريز ساختار جالب در سوپر آلياژ ها بي پايه نيكل تك بلور صورت مي گيرد . در اينجا به خاطر عدم حضور مرزدانه نياز به استحكام دهنده هاي مرز دانه اي مانند كربن نيست . در نتيجه كاربيد هاي زمينه يا شبه مرزي بسيار كمي در آلياژها ي SCDS وجود دارد . با اين كه در ابتدا سعي مي شد كربن كاملا" از سوپر آلياژها ي پايه نيكل SCDS حذف شود . ولي با گذشت زمان اين واقعيت كه شبه مرزها در تك بلورها مي توانند از كاربيدها بهره ببرند ، باعث شد كه در محدوديت مقدار كربن تجديد نظر شود و مقادير كمي از آن هم اكنون در بعضي از آلياژها تك بلور وجود دارد ( عناصر Zr, B,HF در مقادير محدود مجاز اين هستند ). در سوپر آلياژها ي تك بلور پايه نيكل شده از نوع متالوژي پودر تمايل به ادامه كاهش كربن و اندازه كاربيد به عنوان وسيله اي براي محدود كردن تعداد اندازه عيوب منجر به مكانيك شكست ، وجود دارد .
شايد نقش منفي مشترك كاربيد هاي زمينه ( و كاربيدهاي مرزدانه اي ) مشاركت آنها در ايجاد ترك خستگي و يا اكسيداسيون در سطح آلياژهاي بدون پوشش و ايفاي نقش ترك سطحي مي باشد . كاربيدهاي اكسيد شده يا كاربيد هاي ترك خورده ناشي از ماشينكاري يا تنش هاي حرارتي مي توانند نقاط شروع ترك ها ي خستگي باشند . كاربيد ها يترك خورده مي توانند از فرايند ريخته گري باقي مانده باشند . اندازه كاربيد مهم است و كاهش حجم كاربيد و اندازه آنها در آلياژها ي پايه نيكل ، كاربيدهاي ترك خورده را كاهش مي دهد .
زمان انجماد طولاني و شيب حرارتي زياد در فرايند انجماد جهت دار اغلب باعث پيدايش كاربيدهاي درشت كه بسيار مستعدد ترك هستند ، مي شود . با بهبود شيب حرارتي و كاهش مقدار كربن در آلياژها ي SCDS ( با كاربيد كم ) بهبود زيادي در مقاومت خستگي به وجود مي آيد . اين اثر در خستگي با سيكل هاي ( LCF ) و خستگي حرارتي – مكانيكي (TMF) بيار قابل توجه است . مشاهدات كمي درباره تاثير كاربيد ها بر خستگي در سيكل هاي زياد (HCF) وجود داند . اما اثرات مفيد قابل پيش بيني است . اگر اثراتي جانبي بر استحكام نداشته باشند . مشاهدات تجربي نشان مي دهند كه مقداري كاربيد براي مقاومت خستگي بهينه در سيستم هاي مرتبط با سوپر آلياژها مورد نياز است . در فولاد زنگ نزن 8-18 با 5 % درصد كربن عمر خستگي در سيكل هاي كم و سيكل هاي زياد بين 10 تا 10 سيكل در دماي 704 درجه سانتي گراد بيش از فولاد بدون كربن است .
به روش هاي گوناگوني مي توان ازكاربيدها ي اكسيد شده جلوگيري كرد و يا آنها را به حداقل رساند . روش هاي گوناگوني مي توان از كاربيد هاي اكسيد شده جلوگيري كرد و يا آنها را به حداقل رساند. روش ريخته گري و تركيب شيميائي را مي توان اصلاح كرد ، تا كاربيد هاي اوليه كوچكتري ايجاد شوند . از فرآيند متالوژي پودر براي بدست آوردن همان نتايج مي توان استفاده كرد . اگر وجود كربن براي رسيدن سطح استحكام آلياژ به يك حد مشخص ضروري نباشد ، مقدار كربن را مي توان كاهش داد. كاهش كربن در آلياژها ي SCDSيا P/M امكان پذير است . البته اگر دماي كاري بالا باشد ، آلياژ را با يك پوشش مناسب كه كاربيدها را زير سطح قرار مي دهد ، مي توان پوشش داد .
مي توان پيش بيني كرد كه بين اثرات كاربيد هاي بين دانه اي در سوپر آلياژها ي پايه نيكل و پايه آهن – نيكل تفاوت هايي وجود داشته باشد . بسته به اندازه ، توزيع ، نوع كاربيد و شرايط سرد شدن ، ترك كاربيدي ( ناشي از ماشينكاري يا اكسيداسيون و خوردگي ) و نوع خواصي كه آزمايش مي شوند ، كاربيدها مي توانند اثرات مفيد يا مضري بر كارايي سوپر آلياژ داشته باشند .
اثر تشكيل دهنده هاي غير كاربيدي بر تشكيل كاربيد
اگرچه مدارك محدودي وجود دارد ، ولي چنين فرض مي شود كه عناصر تشكيل دهنده تركيبات غير كاربيدي بر تشكيل كاربيد اثر مي گذارند . به عنوان مثال Co كاربيدهاي آلياژهاي پايه نيكل را اصلاح مي كند و فسفر توزيع كاربيدهاي ريز تر را در آلياژها ي پايه نيكل مقاوم به حرارت به وجود مي آورد. اثر اصلاح كنندگي روي كاربيدها ي ريز تر رادر آلياژها ي پايه نيكل مقاوم به حرارت به وجود مي آورد . اثر اصلاح كنندگي روي كاربيد ها داخل دانه اي يا بين دانه اي مي باشد كه بستگي به نوع اصلاح كننده و سيستم آلياژ پايه دارد .
آلياژ IN-718 و نقش فاز در استحكام
پيشينه
عمليات حرارتي آلياژ IN -718 مشابه سوپر آلياژها ي سخت شده با است .با اين استناء كه دماهاي تابكاري انحلالي و پير سختي پائين تر است . در ريز ساختار اين آلياژ سخت شده با هم رسوب وجود دارند. در آلياژ IN-718 از رسوب براي كنترل ساختار مرزدانه ( اندازه ) استفاده مي شود . در آلياژها ي سخت شده با A-286 ( پايه آهن – نيكل ) IN -901 ( پايه نيكل ) از رسوب براي اين منظور استفاده مي شود . براي اظمينان از تشكيل رسوب هاي و . عمليات حرارتي مطمئني مورد نياز است . رسوب فصل مشتركي منظمي با فاز زمينه نداردو وقتي كه مقدار آن زياد باشد ، استحكام دهي پائيني دارد . در طرف مقابل ، اگر مقدار آن در حدي باشد كه منجر به ريز شدن دانه ها شود ، نقش قابل ملاحضه اي در استحكام IN-718 خواهد داشت .
در آلياژ IN -718 رسوب پس از تابكاري انحلالي در دماي 704 درجه سانتي گراد تا 900 درجه سانتي گراد تشكيل مي شود .
تقريبا" انحلال در دماي 910 صورت مي گيرد رسوب (بسته به زمان قرارگيري ) در دماي نزديك به 871درجه سانتي گراد رسوب مي كند و دماي انحلال آن تقريبا" 1010 است .در دماي بالاتر از انحلال يا مابين دماي انحلال و انحلال ( براي كنترل اندازه دانه ) مي توان بر روي آلياژ IN -718 كار و عمليات حرارتي انجام داد . اين عمليات امروزه در توليد IN-718 استحكام بالا بسيار اهميت دارد .
عموما" IN -718 در دماي 954درجه سانتي گراد تابكاري انحلالي شده و سپس عمليات پير سنجي دو مرحله اي در دماهاي كمتر انجام مي گيرد . اين دما براي تنش زدايي كامل يا تبلور مجدد آلياژكافي نيست و قابليت شكل پذيري آن نيز پائين است . انحلال در دماي بالاتر از 1038درجه سانتي گراد بر ارتقاء قابليت شكل پذيري تاثير بيشتري دارد . اما آلياژ را مستعد شكست ترد در آزمايش ضربه مي كند .
نقش رسوب در جلوگيري ازشكست ترد ناشي از تنش
مقايسه ريز ساختار آلياژ IN-718 تابكاري انحلالي شده . در دماي بالا كاهش قابل ملاحضه نسبت به آلياژ تابكاري انحلالي شده در دماهاي معمولي را نشان مي دهد . كاهش مقدار اوليه تابعي از مدت زمان قرار گيري در دماي 1038 درجه سانتي گراد است. در شكل ميكرو گراف ها يي از IN-718 در مدت زمان 20 دقيقه و 60 دقيقه در دماي 1038را نشان مي دهد . اوليه را در نمونه 60 دقيقه اي ديده نمي شود . آزمايش گسيختگي روي نمونه هاي تابكاري شده در دماي 1038 درجه سانتي گراد حداكثر زمان لازم براي گسيختگي را 1/1 ساعت و در دماي 954 درجه سانتي گراد اين زمان 5/153 ساعت نشان مي دهند. در نتيجه كاهش انعطاف پذيري در آلياژها به مقدار بهينه و توزيع وابسته هستند . آلياژها IN-718 و آلياژهاي مشابه بدن ذرات ثابت كننده مرزدانه ها ، با پيدايش ترك بين دانه اي باچكش خواري محدود شكسته مي شوند.
با توزيع صحيح ذارت مرزدانه اي انعطاف پذيري افزايش يافته و خواص شكست بهبود مي يابد . افزودن عمليات حرارتي مياني بعد از تابكاري انحلالي و قبل از عمليات پير سنجي يك روش موثر در رسوب مجدد مقدار كافي رسوب در مرزدانه ها و كاهش يا خذف حساسيت به شكست ناشي از ترك در خزش مي باشد.
انواع IHTپس از تابكاري انحلالي در دماي 1038درجه سانتي گراد به مدت 20 دقيقه مورد ارزيابي قرار گرفته اند و نتايج بدست آمده در دماي انحلالي معمولي 954 درجه سانتي گراد رضايت بخش نيستند . ولي اگر از IHT در دماي پائين تري استفاده شود ، انعطاف پذيري بهتر مي شود ، متاسفانه هيچ IHT در دماي 1038 درجه سانتي گراد به مدت يك ساعت حساسيت به ترك IN-718 تابكاري انحلالي شده رابه طور موفقيت آميزي كاهش نموده است . رسوب استحكام سوپر آلياژها ي سخت شده با مانند IN-718 را كنترل مي كند . ولي اندازه ، توزيع و مقدار فاز با ريز كردن اندازه دانه ها استحكام آلياژ را تحت كنترل دارد .

 

[m72ml]

عالی بود