مقدمه

متالورژی، علم و تکنولوژی استفاده از فلزات است. متالورژی، به عنوان یک فن از زمانهای قدیم وجود داشته است. انسانهای گذشته بسیاری از فلزات موجود در طبیعت را می شناختند و به کار می بردند. 3500 سال قبل از میلاد از طلا برای ساختن زیورآلات، بشقاب و ظروف استفاده میشده است. فن گدازش، پالایش و شکل دادن فلزات توسط مصریان و چینی ها بسیار تکامل یافت. مصریان قدیم می دانستند چگونه آهن را از سنگ آهن جدا کنند و می دانستند که فولاد سختی پذیر است. اما استفاده از آهن تا سال 1000 قبل از میلاد رایج نشده بود. استفاده از آهن نزد مردم عهد باستان متداول نبود و آنها استفاده از طلا، نقره و مس و برنج را ترجیح می دادند.

عموما در قرون وسطی علم کار بر روی فلزات مستقیما از استاد به شاگرد منتقل می شد و در نتیجه بسیاری از فرآیندها با خرافات می آمیخت. در مورد فرآیندهای متالورزیکی بسیار کم نوشته شده بود تا اینکه برنیگوچیو کتاب پیوتکنیا را در سال 1540 و به دنبال آن کتاب دِرِ متالورژیکا را در سال 1556 منتشر کرد. طی سال های متمادی توسط مردمی که در تقلید جنس و ساتار فولاد دمشق می کوشیدند، اطلاعات بسیاری به علم افزوده شد.

تا آغاز آخرین ربع قرن نوزدهم، اغلب تحقیقات در مورد ساختار فلز با چشم غیرمسلح و به طور سطحی صورت می گرفت. علم ساختار فلزها تقریبا وجود نداشت. در این میان، نیاز به وجود افرادی که سابقه ی علمی انها بیشتر از سابقه علمی و تجربی شان بود، احساس می شد.

بعدها در سال 1922 با کشف روشهای پراش اشعه X و مکانیک موجی، آگاهی های بیشتری درباره ی ساختار و خواص فلزها حاصل شد.

متالورژی حقیقتاً علم مستقلی نیست، زیرا بسیاری از مفاهیم اساسی آن از فییک، شیمی و بلورشناسی مشتق می شود. متخصصان متالورژی به طور فزآینده ای در تکنولوؤی جدید اهمیت پیدا کرده اند. سال ها پیش بخش عمده ی قطعات فولادی از فولاد کم کربن ارزان قیمت تهیه می شد که به سهولت ماشینکاری و ساخته می شد. عملیات گرمایی به طور عمده ای برای ابزار به کار برده می شد. طراحان قادر نبودند غیریکنواختی ساختاری، عیوب سطحی و غیره را به حساب بیاورند و کار درست آن بود که ضریب ایمنی بزرگ استفاده کنند. در نتیجه، ماشینها بسیار سنگین تر از حد لازم بودند و وزن زیاد نشانه ای از مرغوبیت محسوب مس شد. این وضع تا حدودی تا سالهای اخیر نیز اثر خود را حفظ کرده بود، اما با هدایت صنایع هواپیمایی و خودروسازی کم کم برطرف می شود. این صنایع بر اهمیت نسبت استحکام به وزن در طراحی خوب تأکید می کردند و این تأکید ، به ایجاد آلیاژهای جدید سبک و پراستحکام منجر شد]1[.

 

 

 

دسته بندی رشته های متالورژی

 

متالورژی استخراجی یا فرآیندی که علم به دست آوردن فلز از کانه است و معدن کاری، تغلیظ استخراج و پالایش فلزها و آلیاژها را در برمی گیرد؛

متالورژی فیزیکی؛ علمی که با مشخصه های فیزیکی و مکانیکی فلزها و آلیاژها سر و کار دارد. در این رشته خواص فلزها و آلیاژها، که 3 متغیر زیر بر آنها اثر می گذارند، بررسی می شود:

الف. ترکیب شیمیایی– اجزای شیمیایی آلیاژ؛

ب. عملیات مکانیکی– هر عملیاتی که سبب تغییر شکل فلز می شود مانند نورد(Rolling)، کشش (Drawing)، شکل دادن یا ماشینکاری؛

ج. عملیات گرمایی – اثر دما و آهنگ گرم یا سردکردن.

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 های تغییر شکل

 

ü 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.

(الف) (ب) (ج)

شکل 1 : (الف) لغزش هنگام کشش قبل از کرنش؛ (ب) با انتهای مقید شده در هنگام کرنش؛ (ج) صفحه و امتداد لغزش در شبکه fcc؛

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.

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 سري صفحه ي (111) و در هر صفحه، سه امتداد انباشته ي >110< وجود دارد كه مجموعاً 12 سيستم لغزش را ايجاد مي كنند. اين سيستم هاي لغزش به خوبي در بلور توزيع شده اند و ممكن نيست بلور fcc كرنش يابد كه حداقل در يكي از صفحه هاي {111} و در يكي از امتدادهاي مطلوب لغزش واقع شود. همان طور كه انتظار مي رود، ميزان تنش بحراني تجزيه شده براي لغزش اندك است و فلزات با اين نوع ساختار شبكه اي به راحتي تغيير شكل مي دهند (نقره، طلا، مس، آلومينيوم).

 

v ساختار hcp . فلزات با ساختار hcp، تنها يك صفحه ي متراكم اتمي و سه امتداد انباشته در اين صفحه دارد. با محدودبودن تعداد سيستم هاي لغزش، تغيير شكل با دوقلويي شدن، سيستم هاي لغزشي بيشتري را به موقعيت مناسب مي كشاند، بنابراين مومساني ين سيستم به مومساني ساختار fcc نزديك مي شود و از مومساني فلزاتbcc پيشي مي گيرد.

 

v ساختار bcc . چون فلزات bcc، در هر سلول واحد اتم كمتري دارند، داراي سيستم لغزش كاملا مشخص و صفحه ي واقعا انباشته نيستند. امتداد لغزش، امتداد فشرده ي >111< است. دليل ديگر بر فقدان صفحه ي انباشته، تنش برشي بحراني تجزيه شده ي نسبتاً بالا براي لغزش است. بنابراين درجه ي مومساني آن زياد نيست.

 

 

ü مکانیزم دوقلويي در تغییر شکل

 

در مواد معيني به خصوص فلزات hcp، دوقلويي شدن عامل اصلي تغيير شكل است. اين عمل ممكن است با تغيير شكل زياد همراه باشد، يا صرفاً صفحات لغزش را در موقعيت مناسب تري قرار دهد.

دوقلويي شدن يعني حركت صفحات اتمي شبكه، موازي با صفحه اي مشخص به طوري كه شبكه به دو بخش قرينه، با امتدادهاي مختلف تقسيم شود.

 

 

 

مقايسه سیستم هاي تغيير شكل (لغزش و دوقلويي)

 

 

تفاوت هاي موجود بين لغزش و دوقلويي شدن شامل موارد زير مي شوند:

 

1. مقدار حركت. در لغزش، اتمها مضرب صحيحي از فاصله ي بين اتمي را طي مي كنند، در حالي كه در دوقلويي شدن اتمها، كسري از اين مقدار را كه به فاصله شان از صفحه ي دوقلويي بستگي دارد، طي مي كنند.
2. نمايش ميكروسكوپي. لغزش به صورت خطوط نازك و دوقلويي به صورت خطوط پهن يا نوار ديده مي شود.
3. جهت گيري شبكه. در لغزش تغييرات جزيي در جهتگيري شبكه پديد مي آيد و پله هاي به وجود آمده، فقط بر سطح بلور ديده مي شوند. چنانچه با پرداخت كاري پله ها برطرف شوند، هيچ اثر ديگري از بروز لغزش باقي نمي ماند. در دوقلويي شدن، به سبب تغيير جهت گيري شبكه در منطقه دوقلويي شده، حتي حذف پله ها از سطح به وسيله ي پرداخت كاري هم باعث حذف آثار دوقلويي نمي شود. حكاكي با محلولهاي مناسب كه به تغييرات جهتگيري شبكه بلوري حساس باشند، منطقه ي دوقلوشده را آشكار مي كند.

 

 

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.