تغییر شکل فلزات در شعله
مفاهیم اساسی در شکل دهی فلزات
هدف اصلی از عملیات شکل دهی فلز، ایجاد تغییر شکل مطلوب است. در این راستا، برای رسیدن به تغییر شکل مطلوب و همراه با خواص مورد نظر ما، باید دو نکته ی مهم مورد توجه قرار گیرند:
v نیروهای لازم برای شکل دهی فلزات؛
v خواص لازم برای شکل دهی ماده ای که مورد تغییر شکل قرار می گیرد.
همان طور که می دانیم، خواص ماده، بر فرآیند شکل دهی تأثیر می گذارد و بهینه سازی آن برای تغییر شکل حائز اهمیت است. اگرچه موضوعاتی چون سایش، انتقال حرارت و طراحی مکانیکی، دارای اهمیت هستند، اما در اینجا، رابطه متقابل بین ابزار و فلز در حین تغییر شکل پلاستیک و همچنین روابط متقابل بین فرآیند تغییر شکل (در اینجا نورد) و فلز مورد نظر اهمیت بیشتری دارد.
هنگامی که ماده ای تحت تنشی کمتر از حد کشسان قرار گیرد، تغییر شکل یا کرنش حاصل، گذرا خواهد بود و با حذف تنش قطعه به تدریج ابعاد اولیه ی خود را باز می یابد، اما با واردکردن تنش بیش از حد کشسان، ماده تغییر شکل مومسان یا دائمی می دهد و قطعه به شکل اولیه باز نمی گردد، مگر با صرف نیرو.
شاید شکل پذیری فلز، برجسته ترین مشخصه ی آن در مقایسه با دیگر مواد باشد. کلیه عملیات شکل دهی همچون پرسکاری، ورق کشی، نورد، آهنگری، کشش و اکستروژن مستلزم تغییر شکل مومسان اند. عملیات مختلف ماشینکاری نظیر تراشکاری، برشکاری و سوراخکاری نیز با تغییر شکل مومسان همراه است.
رفتار فلز تحت تغییر شکل مومسان و مکانیسمی که توسط آن این تغییرات روی میدهد، در تکمیل عملیات فلزکاری اهمیت اساسی دارد.
با بررسی رفتار یک تک بلور تنش یافته، اطلاعات زیادی در مورد مکانیسم تغییر شکل به دست می آید که می توان آن را در مورد مواد چندبلوری نعمیم داد. تغییر شکل مومسان با لغزش، دوقلویی شدن یا ترکیبی از این دو روش انجام می شود.
مکانیزم لغزش در تغییر شکل
دو بخش بلور در دو طرف یک صفحه ی لغزش در جهات مخالف هم حرکت می کنند و با رسیدن به حالتی که اتمها تقریبا در حالت موازنه اند، توقف می کنند، به طوری که تغییر جهت گیری شبکه بسیار اندک است. بنابراین شکل خارجی بلور بدون تخریب آن تغییر می کند. بررسی با روشهای حساس پرتو X نشان می دهد که بعد از تغییر، مقداری خمش یا چرخش در صفحه های شبکه پدید آمده است و اتمها کاملا در موقعیت عادی خود قرار ندارند.
فرض منطقی در این مورد این است که اتمها متوالیاً می لغزند، یعنی حرکت از یک یا چند نقطه در صفحه ی لغزش شروع و سپس در بقیه ی صفحه منتشر می شود.
نا به جایی ها در عرض صفحه ی لغزش حرکت می کنند و وقتی به سطح بیرونی می رسد، یک پله به جا می گذارد. هر وقت نابجایی در صفحه لغزش حرکت می کند، بلور به اندازه ی یک فضای اتمی حرکت می کند. چون بعد از عبور نابه جایی اتمها کاملاً در محل معمول خود قرار نمی گیرند، حرکت بعدی نابجایی در همان صفحه ی لغزش با مقاومت بیشتری مواجه می شود تا نابه جایی را در ساختار بلور قفل کند و حرکت متوقف شود. ادامه ی تغیی شکل نیاز به حرکت در صفحه ی لغزش دیگری دارد.
به ترکیب یک صفحه و یک جهت لغزش ، سیستم لغزش گفته می شود. امتداد لغزش، همواره امتدادی است که بیشترین انباشتگی اتمی را در صفحه ی لغزش دارد و مهمترین عامل در سیستم لغزش است.
v ساختار fcc . در مواد fcc – از جمله در آهن – چهار سری صفحه ی (۱۱۱) و در هر صفحه، سه امتداد انباشته ی >110< وجود دارد که مجموعاً ۱۲ سیستم لغزش را ایجاد می کنند. این سیستم های لغزش به خوبی در بلور توزیع شده اند و ممکن نیست بلور fcc کرنش یابد که حداقل در یکی از صفحه های {۱۱۱} و در یکی از امتدادهای مطلوب لغزش واقع شود. همان طور که انتظار می رود، میزان تنش بحرانی تجزیه شده برای لغزش اندک است و فلزات با این نوع ساختار شبکه ای به راحتی تغییر شکل می دهند (نقره، طلا، مس، آلومینیوم).
v ساختار hcp . فلزات با ساختار hcp، تنها یک صفحه ی متراکم اتمی و سه امتداد انباشته در این صفحه دارد. با محدودبودن تعداد سیستم های لغزش، تغییر شکل با دوقلویی شدن، سیستم های لغزشی بیشتری را به موقعیت مناسب می کشاند، بنابراین مومسانی ین سیستم به مومسانی ساختار fcc نزدیک می شود و از مومسانی فلزاتbcc پیشی می گیرد.
v ساختار bcc . چون فلزات bcc، در هر سلول واحد اتم کمتری دارند، دارای سیستم لغزش کاملا مشخص و صفحه ی واقعا انباشته نیستند. امتداد لغزش، امتداد فشرده ی >111< است. دلیل دیگر بر فقدان صفحه ی انباشته، تنش برشی بحرانی تجزیه شده ی نسبتاً بالا برای لغزش است. بنابراین درجه ی مومسانی آن زیاد نیست.
ü مکانیزم دوقلویی در تغییر شکل
در مواد معینی به خصوص فلزات hcp، دوقلویی شدن عامل اصلی تغییر شکل است. این عمل ممکن است با تغییر شکل زیاد همراه باشد، یا صرفاً صفحات لغزش را در موقعیت مناسب تری قرار دهد.
دوقلویی شدن یعنی حرکت صفحات اتمی شبکه، موازی با صفحه ای مشخص به طوری که شبکه به دو بخش قرینه، با امتدادهای مختلف تقسیم شود.
تفاوت های موجود بین لغزش و دوقلویی شدن شامل موارد زیر می شوند:
- مقدار حرکت. در لغزش، اتمها مضرب صحیحی از فاصله ی بین اتمی را طی می کنند، در حالی که در دوقلویی شدن اتمها، کسری از این مقدار را که به فاصله شان از صفحه ی دوقلویی بستگی دارد، طی می کنند.
- نمایش میکروسکوپی. لغزش به صورت خطوط نازک و دوقلویی به صورت خطوط پهن یا نوار دیده می شود.
- جهت گیری شبکه. در لغزش تغییرات جزیی در جهتگیری شبکه پدید می آید و پله های به وجود آمده، فقط بر سطح بلور دیده می شوند. چنانچه با پرداخت کاری پله ها برطرف شوند، هیچ اثر دیگری از بروز لغزش باقی نمی ماند. در دوقلویی شدن، به سبب تغییر جهت گیری شبکه در منطقه دوقلویی شده، حتی حذف پله ها از سطح به وسیله ی پرداخت کاری هم باعث حذف آثار دوقلویی نمی شود. حکاکی با محلولهای مناسب که به تغییرات جهتگیری شبکه بلوری حساس باشند، منطقه ی دوقلوشده را آشکار می کند.
مفهوم سوپرپلاستیسیته
در پاره ای از مواد که دارای اندازه دانه کوچکی هستند، تغییر شکل دمای بالا رخ می دهد. این تغییر شکل به وسیله ی لغزش مرزدانه به طور وسیع و دیفوزیون و یا به وسیله ی دیفوزیون و انتقال جرم به طوری که کل دانه ها در شکل دگرگون می شوند، رخ می دهد. نیروی تغییرشکل دهنده، مادامی که آهنگ کرنش در بین حدودی خاص نگه داشته می شود و دما مناسب باشد، بسیار کوچک است و رفتار سوپرپلاستیک باقی می ماند، یعنی الانگیشن های بسیار بالا به دست می آید (بیش از صدها درصد و حتی بالاتر از هزار درصد).
بنابراین تکنیک هایی که برای شکل دادن پلیمرها طراحی شده است را می توان برای مواد سوپرپلاستیک به کار برد. پس از سردکردن از دمای SP در بسیاری از آلیاژها، استحکام فوق العاده ای ایجاد می شود. اما همان مکانیزمی که باعث تغییر شکل سوپرپلاستیک می شود نیز برای مواد ریزدانه ای که در مقابل خزش ضعیف اند، عمل می کنند، از این رو موادی که به صورت SP تغییر شکل یافته اند را میتوان برای سرویس در دمای بالا از طریق آنیل دمای بالا مناسب ساخت. دانه هایی که به این طریق رشد می کنند و بزرگ می شوند، دارای مرزدانه های نسبتاً کمی بوده و مقاومت بیشتری در مقابل خزش در آهنگ کرنش های پایین دارد.
مطابق شکل استحکام فلزات، با بزرگ تر شدن اندازه دانه، کوچکتر می شود؛ به خصوص وقتی که تغییر شکل در دمای بالا و آهنگ کرنشهای پایین به همراه نفوذ عظیمی از اتمها رخ می دهد. این ترتیب پروسه، مبنای ساخت قطعات سوپرآلیاژهای دیسکهای توربین می باشد.
تأثیر متقابل تغییر شکل و ساختار ماده
از تأثیر متقابل تغییر شکل و جنبه های ریزساختار آن می توان برای کنترل خواص ماده بهره برد. ساختار شمش (بیلت) ریختگی، شامل جنبه های نامطلوبی می باشند. دانه ها و بازوهای دندریتی بین دانه ها بزرگ هستند و در نتیجه استحکام ماده پایین است. دانه های ستونی ممکن است در جهت های مطلوب، جهت گیری و رشد کرده باشند که آن هم باعث بیشترشدن استحکام و داکتیلیته در بعضی از جهات می گردد. از این رو شیب غلظتی به وجود می آید و همچنین سوراخهای ریز، حفره های انقباضی و مکها و ناخالصیها نیز وجود خواهند داشت.
فرآیندهای مورد استفاده در طی شکل دهی فلزات
اغلب قطعات فلزی از شمشهای ریختگی تهیه می شوند. برای ساخت ورق، صفحه، میله، سیم و غیره از این شمش، روشهای مختلفی مورد استفاده قرار میگیرد که در زیر به مهمترین آنها اشاره می شود.
بازیابی
بازیابی فرآیندی دما پایین است و تغییر خواص ناشی از این فرآیند، باعث تغییر محسوس ریزساختار نمی شود. به نظر می رسد اثر عمده ی بازیابی، آزادسازی تنشهای داخلی ناشی از کارسرد است. در دمایی معین، آهنگ کرنش –سختی باقیمانده، ابتدا سریعترین مقدار خود را دارد و به تدریج افت می کند. همچنین مقدار کاهش تنش باقیمانده، با افزایش دما زیاد می شود. اگر بار به وجودآورنده ی تغییر شکل مومسان ماده ای چندبلوری حذف شود، تغییر شکل کشسان کاملا ناپدید نمی شود. این به سبب جهت گیری مختلف بلورهاست که وقتی بار رها می شود، بعضی از آنها نمی توانند به عقب برگردند. با افزایش دما برگشت فنری در اتمهایی که حرکت کشسان کرده اند به وجود می آید که بیشتر تنشهای داخلی آزاد می کند. در بعضی موارد ممکن است جریان مومسان جزیی موجب افزایش ناچیز سختی و استحکام شود. رسانندگی الکتریکی نیز به طور محسوس طی مرحله ی بازیابی افزایش می یابد.
از آنجا که در بازیابی، خواص مکانیکی فلز اساساً تغییر نمی کند، گرم کردن به طور عمده به منظورآزادکردن تنش و جلوگیری از ایجاد ترکهای خوردگی تنشی یا به حداقل رسانیدن واپیچش ناشی از تنشهای باقیمانده در آلیاژهای کارسردشده به کار می رود. از نظر تجارتی این عملیات دما-پایین در گستره ی بازیابی، تابکاری تنش زا نامیده می شود.
کارگرم
کارگرم معمولا کم خرج ترین روش است. اما در مورد فولاد، ماده کارگرم شده، هنگام خنک شدن با اکسیژن ترکیب می شود و پوشش اکسیدی سیاهرنگی به نام پوسته تشکیل می دهد. گاه این پوسته هنگام ماشینکاری یا شکل دلدنف مشکلاتی را به وجود می آورد. به سبب تغییر ابعاد در هنگام سردشدن، امکان ساخت ماده ی کارگرم شده با ابعاد دقیق وجود ندارد.
از طرف دیگر ماده کارسردشده را با تلرانس دقیق تری می توان ساخت. سطح آن بدون پوسته است، اما برای تغییر شکل قدرت بیشتری لازم دارد و لذا فرآیند پرهزینه ای است. در صنعتف کاهش اولیه ی سطح مقطع در دمای بسیار بالا انجام می شود و کاهش نهایی مقطع در سرما انجام می شود تا مزیتهای هر دو فرآیند را داشته باشد.
در کارگز، دمای تمامکاری، تعیین کننده ی اندازه ی دانه موجود برای کار سرد بعدی است. برای افزایش یکنواختی ماده، ابتدا کار در دمای بالا انجام می شود و دانه های بزرگ حاصل از این مرحله، امکان کاهش اقتصادی تر مقطع، طی عملیات بعدی را فراهم میکند. با سرد شدن ماده، عملیات ادامه و اندازه ی دانه ها کاهش می یابد، تا اینکه در دمای نزدیک به دمای تبلور مجدد دانه ها بسیار ریز می شوند.
کنترل مناسب کارسرد بعدی اندازه ی نهایی دانه ها را به هم نزدیک می کنند. گرچه مواد دانه درشت، داکتیل ترند، ولی نایکنواختی تغییر شکل دانه ها در ظاهر سطح ایجاد اشکال می کند. بنابراین انتخاب اندازه دانه، حاصل سازگاری شرایط مختلف است که توسط عملیات شکل دادن سرد مخصوص تعیین می گردد.
همگن سازی
در فلزات ریختگی ساختارهای مغزه دار زیاد دیده می شود. از بحث فوق درباره ی منشأ ساختارهای مغزه دار مشخص می شود که آخرین جامد تشکیل شده در مرزدانه ها و فضای بین شاخه ای از فلزی با نقطه ذوب پایین تر غنی است. بسته به خواص فلز، مرزدانه ها ممکن است به صورت صفحه های ضعیف عمل کنند. همچنین خواص مکانیکی و فیزیکی به طور جدی نایکنواخت می شوند و در بعضی موارد هم امکان خوردگی بین دانه ای در اثر حمله ی انتخابی یک محلول خورنده به وجود می آید. بنابراین، غالباً ساختار مغزه دار نامطلوب است.
یکی از روشهای مناسب برای همگن سازی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیردف ترکیب یا همگن سازی ساختار مغزه دار با انجام نفوذ در حالت جامد است.
در دمای محیط، در اغلب فلزات، آهنگ نفوذ بسیار پایین است، اما با گرم کردن آلیاژ تا دمایی زیر خط انجماد، نفوذ سریعتر صورت می گیرد و همگن سازی در زمان نسبتاً کوتاهی انجام می شود.
کار داغ و تبلور مجدد
کار داغ، بهترین روش در صنعت برای از بین بردن جنبه های منفی و مضر ساختار ریختگی می باشد. زیرا در درجه ی اول باعث حرکت اتمها شده و تبلور مجدد را ایجاد می کند، در نتیجه یکسانی ترکیب شیمیایی در ساختار رخ می دهد و نیز دانه های ریز دارای جهت های گوناگون (equiaxial) می شوند و هموژن شدن نیز تسریع می گردد.
باید به یاد داشت که برای از بین بردن ساختار نامطلوب قطعه ریختگی، به حداقل ۷۵ درصد ریداکشن نیاز است. در صورت لزوم، جهت تغییر شکل را باید معکوس کرد تا کرنش لازم را بدون تغییر در شکل ماده اعمال کنند.
حفره ها و مکها در اثر فشار از بین می روند، از سوی دیگر، اکسیدها و ناخالصی های دیگر که اکثراً پر بوده و باعث ناهمگونی در خواص ماده می شوند، از این طریق خرد شده و به ذرات ریز تبدیل می گردند که بعضاً خواص مثبتی برای فلز خواهند داشت. البته فازها و اضافات داکتیل و نرم اثر معکوس دارد، یعنی در اثر کار داغ کشیده و به طور قابل توجهی خواص مکانیکی را پایین می آورند. اکسید های سنگین و اضافات سرباره ای که در pipe، پس از انجماد یافت می شود، از ذوب در طول کار جلوگیری کرده و باعث ساختار لایه ای در محصول می شود. معمولاً شمش را در معرض چندین مرحله متوالی کارداغ قرار می دهیم که به این مراحل Pass گفته می شود. در تبلور مجدد(Recrystallization) که در طول پاس ها و یا مابین آنها رخ می دهد، دانه های درشت محصول ریختگی به دانه های ریز و مختلف المحور در یک ریزساختار با خواص مکانیکی به مراتب بهتر تبدیل می کند. در مقابل یکی از خواص مکانیکی که در اثر کارداغ ممکن است به ماده تحمیل گردد این است که ذرات اضافی و فازهای ثانوی که به طور رندوم توزیع شده اند، در اثر کارداغ دچار هم جهتی شده و در جهت نیرو صف آرایی می کنند. این پروسه را Mechanical Fibering گوییم که باعث افزایش ناهمسانگردی می شوند.
