تحقیق مقاله فاز ها وساختار های بلوری

-1 مقدمه

فولاد ها گروهی از آلیاژ های آهن – کربن و عناصر دیگرند که بیشترین کاربرد را در صنعت و فن آوری  دارند. یکی از دلایل اصلی کاربرد وسیع فولادها از خواص کاملاً متنوعی که می توان به کمک روشهای مختلف عملیات حرارتی در آنها به وجود آورد. در شکل 1-1 اثر درصد کربن و عملیات حرارتی مختلف بر روی میکروساختار، استحکام تسلیم و انعطاف پذیری فولادهای کربنی ساده نشان داده شده است. با افزایش کربن از تقریباً صفر در صد تا 8/0 درصد استحکام تسلیم از    103 Mpa (1500psi) به 448 Mpa (65000 psi) افزایش یافته و انعطاف پذیری از 62 درصد به 14 درصد کاهش می یابد. اگر فولاد یاد شده به مدت یک ساعت در 1000 درجه سانتگیراد حرارت داده شود و سپس به آهستگی (به عنوان مثال در مدت 24 ساعت) تا 25 درجه سانتگیراد سرد شود، میکروساختار نشان داده شده در شکل 1-1 (ج) به دست می آید. فولاد یاد شده دارای استحکام تسلیم 448 Mpa (6500 psi) و انعطاف پذیری 14 درصد است. لیکن، اگر فولاد یاد شده به مدت یک ساعت در 1000 درجه سانتگیراد حرارت داده شود و سپس خیلی سریع (سرد کردن در آب) تا 25 درجه سانتیگراد سرد شود میکروساختار کاملاً تغییر کرده و مشابه شکل 1-1 (ه) خواهد شد. در این حالت استحکام تسلیم تا    2070 Mpa (300000 psi) افزایش یافته و انعطاف پذیری تا 1 درصد کاهش می یابد. گرچه سرد کردن فولاد در آب باعث افزایش استحکام آن می شود، ولی شکنندگی آن را نیز افزایش می دهد. اگر فولاد در آب سرد شده را مجدداً حرارت داده و به مدت یک ساعت در 500 درجه سانتگیراد نگه داشته و سپس تا دمای اتاق سرد کنیم میکروساختار نشان داده شده در شکل 1-1 (و) به دست می آید. در این حالت انعطاف پذیری تا 7 درصد افزایش می یابد ولی استحکام تسلیم به 966 Mpa (140000 psi) کاهش خواهد یافت. کاربرد وسیع فولادها ناشی از خواص کاملاً متنوع آنهاست که به کمک تغییر درصد کربن و/ یا تغییر درصد عناصر آلیاژی و/یا تغییر نوع عملیات حرارتی امکانپذیر است. گسترده وسیع خواص متنوع فولادها ناشی از نوع، مقدار، اندازه و توزیع فازهای مختلف (به عنوان مثال سمنتیت یا کاربید آهن (Fe3C) است.

1-2 نمودار تعادلی آهن – کربن

نمودار تعادلی آهن – کرب (Fe-C) راهنمایی است که به کمک آن می توان روشهای مختلف عملیات حرارتی را بررسی و مطالعه کرد. از آنجایی که بیشتر فولادها دارای عناصر آلیاژی دیگری بجز آهن و کربن اند و این عناصر موقعیت مرز بین نواحی فازی را نسبت به فولادهای کربنی ساده تغییر می دهند، نمودار تعادلی آهن- کربن باید فقط به عنوان یک راهنما استفاده شود. ساختارهای ناتعادلی حاصل از بعضی از روشهای عملیات حرارتی (به عنوان مثال سرد کردن فولادها در آب) باعث می شود که کاربرد نمودار تعادلی آهن – کربن در عملیات حرارتی محدودتر شود. فولادها آلیاژهای آهن-کربن و عناصر دیگر بوده که دارای کمتر از 2 درصد کربن (معمولاً یک و یا کمتر از آن) اند. بنابراین، قسمتی از نمودار که دارای کمتر از 2 درصد کربن است بیشترین اهمیت را در رابطه با عملیات حرارتی فولادها دارد. خط ممتد، تعادل بین فازهای مختلف آهن و سمنتیت (Fe3­C) و خط منقطع، تعادل بین فازهای مختلف آهن و گرافیت یا کربن آزاد را مشخص می کند. گرافیت حالتی از کربن بوده که بسیار پایدارتر از سمنتیت است و در صورتی که به سمنتیت فرصت داده شود سرانجام به گرافیت تجزیه خواهد شد. در فولادها گرافیت زایی[1]  به ندرت انجام و به همین دلیل نمودار آهن- سمنتیت جهت مطالعه و بررسی عملیات حرارتی فولادها مناسبتر است. در چدنها، وجود مقادیر کربن و سیلیسیم نسبتاً بالاتر تجزینه سمنتیت و تشکیل گرافیت را ترغیب می کند. بنابراین فن آوری چدنها بیشتر بر اساس نمودار آهن- گرافیت استوار است.

نمودار شکل 1-2 فقط در فشار یک اتمسفر صادق است. تحت فشارهای بیشتر فصل مشترکهای بین نواحی مختلف فازی تغییر مکان داده و همچنین فازهای جدیدی به وجود می آیند. آهن خالص، تحت فشارهای زیاد، آهن با شبکه بلوری منشور فشرده (hcp) موسوم به آهن اپسیلن  به وجود می آید. نقطه سه گانه بین آهن آلفا، آهن گاما و آهن اپسیلن در 770 درجه کلوین و 110 کیلوبار است.

1-2-1 ساختار های بلوری و خواص آهن خالص

آهن عنصری چند شکلی[2]است. بدین معنی که در فشار یک اتمسفر با افزایش دما، شبکه بلوری آن تغییر می کند. آهن آلفا یا آهن فریتی از صفر مطلق تا 912 درجه سانتیگراد آهن گاما یا آهن آستنیتی در دماهایی بین 912-1394 درجه سانتیگیراد و آهن دلتا از 1394 درجه سانتیگراد تا نقطه ذوب آهن خالص یا 1538 درجه سانتگیراد پایدار است.

الف: آهن آلفا

آهن آلفا یا آهن فریتی جزء سیستم مکعبی بوده و شبکه بلوری آن مکعب مرکزدار (bcc)[3] است (شکل 1-3). بدین صورت که تمام اضلاع آن مساوی بوده (به طول a) و بر همدیگر عمودند. جمع کل اتمهای واحد شبکه برابر با یک اتم در مرکز مکعب به علاوه از 8 اتم موجود در گوشه هاست که برابر 2 اتم می شود.

پارامتر شبکه آهن آلفا در دمای اتاق 86/2 انگسترم (nm 286/0) است. قطرهای اصلی واحد شبکه bcc در جهات > 111< است="" که="" همان="" جهات="" با="" چگالی="" زیادند.="" اتم="" مرکزی="" دارای="" 8="" اتم="" همسایه="" با="" نزدیکترین="" فاصله="" از="" آن="" است.="" فاصله="" مراکز="" اتمهای="" یاد="" شده="" از="" مرکز="" اتم="" مرکزی="" برابر="" با="" نصف="" قطر="" اصلی="" یا="">

ب: آهن گاما

واحد شبکه بلوری آهن گاما یا آهن آستنیتی در شکل 1-4 نشان داده شده است. آهن گاما نیز متعلق به سیستم بلوری مکعبی است ولی دارای شبکه بلوری مکعب با سطوح مرکز دار (fcc) [4] است. هر اتم بر روی صفحه جانبی، بین دو واحد شبکه و هر اتم در گوشه ها، بین 8 واحد شبکه مشترک است. بنابراین از 6 اتم موجود در صفحات جانبی فقط 3 اتم و از 8 اتم موجود در گوشه ها، فقط یک اتم به هر واحد شبکه تعلق دارد که جمعاً 4 اتم در هر واحد شبکه وجود خواهد داشت.

پارامتر شبکه آهن گاما برابر با 56/3 آنگسترم (nm 356/0) بوده و بنابراین بزرگتر از پارامتر شبکه آهن آلفا است. لیکن، ساختار بلوری با چگالی زیاد و وجود 4 اتم در واحد شبکه آهن گاما باعث شده است که چگالی آن از چگالی آهن آلفا بیشتر شود. به بیان دیگر فضای خالی بین اتمها در شبکه بلوری آهن آلفا نسبت به آهن گاما بیشتر است. در حقیقت، تفاوت بین ضریب تراکم دو شبکه آلفا و گاما باعث می شود که تبدیل آهن گاما به آهن آلفا همراه با افزایش حجم باشد. این موضوع در شکل 1-5 نشان داده شده است.

در شبکه بلوری fcc جهات با چگالی زیاد، منطبق بر قطرهای صفحات جانبی یا جهات >110< اند.="" در="" اینجا="" 12="" اتم="" در="" همسایگی="" همدیگر="" به="" نحوی="" قرار="" دارند="" که="" فاصله="" مراکز="" اتمهای="" همسایه="" از="" یکدیگر="" برابر="">

ج: آهن دلتا

آخرین فازی که ممکن است در آهن خالص وجود داشته باشد، آهن دلتا با شبکه bcc بوده و از نظر بلورشناسی مشابه آهن آلفا است. هم چنانکه از شکل 1-5 مشخص است افزایش حجم ناشی از تبدیل آهن گاما به آهن دلتا درست برابر افزایش حجم ناشی از تبدیل آهن گاما به آهن آلفا است. آهن دلتا فقط در دماهای نزدیک نقطه ذوب آهن تشکیل می شود. (شکل 1-2)

نکته دیگری که در رابطه با آهن خالص باید بدان اشاره شود، خاصیت آهنربایی آن است. آهن تا 770 درجه سانتگیراد خاصیت آهنربایی دارد و از این دما بالاتر خاصیت آهنربایی خود را از دست می دهد. دمای یاد شده به دمای کوری[5] موسوم است (شکل 1-2). آهن با شبکه بلوری bcc که خاصیت آهنربایی ندارد (در بین دماهای 770-912 درجه سانتیگراد) به آهن بتا  موسوم است. بنابراین به صورت خلاصه، آهن آلفا خاصیت آهنربایی داشته در حالی که آهنهای بتا و گاما خاصیت آهنربایی ندارند.

1-2-2 اثر کربن

اضافه کردن کربن به آهن اثرات بسیار مهمی بر روی فازهای یاد شده و همچنین دماهای تعادلی آنها دارد. از جمله مشخصه های بارز نمودار تعادلی آهن – کربن، عبارت از تفاوت توانایی آهنهای bcc و fcc در انحلال کربن است. کربن در فضای خالی بین اتمهای آهن در شبکه های بلوری bcc و fcc (به صورت بین نشینی) جای گرفته و به ترتیب محلولهای جامد بین نشینی فریت و آستنیت را به وجود می آورد. از جمله مشخصه های دیگر نمودار تعادلی ‎آهن –کربن، وجود کاربید آهن یا سمنتیت (Fe3C) است.

الف: آستنیت

آستنیت عبارت از محلول جامد بین نشینی کربن در آهن با شبکه بلوری مکعبی با وجوه مرکزدار (fcc) است. کربن با وارد شدن در شبکه بلوری آهن آستنیتی، ناحیه تشکیل و پایداری آستنیت را در فولادها گسترش می دهد. با اضافه شدن کربن ناحیه پایداری آستنیت از 912 تا 1394 درجه سانتیگیراد که گسترده تشکیل و پایداری آهن آستنیتی است، به گسترده وسیعی از دما و ترکیب شیمیایی، افزایش می یابد. حداکثر حلالیت کربن در آستنیت، در 1148 درجه سانتگیراد است که به 11/2 درصد می رسد.

در شبکه بلوری fcc دو نوع فضای خالی بین نشینی وجود دارد که می توانند محلهای مناسبی برای قرار گرفتن اتمهای کربن باشند. این فضاها که به هشت وجهی[6] و چهار وجهی[7] موسوم اند. نام دو نوع فضای خالی از تعداد صفحات جانبی چند وجهیهایی گرفته شده که رئوس آنها اتمهای آهنی هستند که آن فضا را احاطه کرده اند. یک اتم کربن اگر در یک فضای هشت وجهی قرار گیرد، دارای 6 اتم آهن در مجاور خود و اگر در یک فضای چهار وجهی قرار گیرد، دارای 4 اتم آهن در مجاور خود خواهد بود.

اندازه های این دو نوع فضای خالی، به طور قابل ملاحظه ای با یکدیگر متفاوت است. آستنیت، با فرض اینکه اتمهای آهن کروی بوده و در تماس با یکدیگر باشند یک فضای هشت وجهی قادر است اتمی به شعاع 52/0 انگسترم (nm 052/0) را در خود جای دهد. در حالی که یک فضای چهار وجهی می تواند اتمی به شعاع 28/0 انگسترم (nm 028/0) را در خود بپذیرد. با توجه به اینکه شعاع اتمی کربن برابر با 7/0 انگسترم (nm 07/0) است، فضاهای هشت وجهی راحت تر از فضاهای چهار وجهی می توانند اتمهای کربن را در خود جای دهند. البته لازم به تذکر است که حتی برای نشستن اتمهای کربن در فضاهای هشت وجهی نیز نیاز به انبساط شبکه ای است.

ب: فریت

محلول جامد بین نشینی کربن در آهن با شبکه بلوری مکعب مرکزدار   (bcc)  به فریت موسوم است. حلالیت کربن در آهن فریتی (bcc) به مراتب کمتر از حلالیت آن در آهن آستنیتی (fcc) است. به طوری که حد حلالیت کربن در فریت حداکثر 02/0 درصد در 727 درجه سانتگیراد است که با کاهش دما به طور پیوسته کاهش یافته و در دمای اتاق به مقدار ناچیزی خواهد رسید.

مشابه با آهن با شبکه fcc، در آهن با شبکه bcc نیز دو نوع فضای بین نشینی، یکی هشت وجهی و دیگری چهار وجهی وجود دارد که ممکن است اتمهای کربن را در خود جای دهند. از آنجایی که فضاهای بین نشینی در فریت بسیار کوچکتر از آستنیت اند، حد حلالیت کربن در فریت بسیار کمتر از آستنیت است. در فریت یک فضای هشت وجهی می تواند اتمی به شعاع 19/0 انگسترم (nm 019/0) و یک فضای چهار وجهی می تواند اتمی به شعاع 35/0 انگسترم (nm 35/0) را در خود جای دهد. فضاهای هشت وجهی در رابطه با انحلال بین نشینی کربن در فضاهای خالی هشت وجهی و چهار وجهی توجه به این نکته لازم است که از یک طرف اتمهای کربن فضاهای خالی با قطر بزرگتر را ترجیح می دهند و از طرف دیگر تمایل دارند در فضاهای خاصی قرار گیرند که تعداد اتمهای همسایه بیشتری را داشته باشند.

برخی از عناصر نظیر کرم، سیلیسیم، تنگستن، مولیبدن و تیتانیم موجب پایداری فریت و برخی دیگر نظیر نیکل و منگنز باعث پایداری آستنیت می شوند. از همین خاصیت استفاده شده و فولادهای فریتی و فولادهای آستنیتی تهیه می شود. فولادهای گروه اول حاوی مقدار 5/11 تا 27 درصد کرم بوده که گاهی مقداری منگنز، سیلیسیم و یا نیکل، آلومینیم، مولیبدن و یا تیتانیم نیز بدان اضافه می شود. آلیاژهای گروه دوم شامل 16 تا 25 درصد کرم بوده که مقداری نیز نیکل، منگنز و یا نیتروژن جهت پایدار شدن آستنیت در دمای اتاق به آنها اضافه می شود. شبکه بلوری فولادهای فریتی، مکعبی مرکزدار است، در حالی که شبکه بلوری فولادهای آستنیتی در دمای اتاق، مکعبی با سطوح مرکز دار است.

چ: فریت دلتا