تجزیه و تحلیل روش های تقویت مواد آلیاژی مس

تجزیه و تحلیل روش های تقویت مواد آلیاژی مس

روش‌های استحکام بخشی متداول برای مس و آلیاژهای مس عبارتند از: تقویت تغییر شکل، تقویت دانه‌های ریز، تقویت محلول جامد، تقویت رسوب با سن (رسوب)، تقویت پراکندگی، تقویت مواد کامپوزیت، و افزودن عناصر کمیاب.

1. تقویت تغییر شکل

تقویت تغییر شکل برای بهبود استحکام و سختی آلیاژ مس از طریق تغییر شکل پلاستیک است. یکی از متداول ترین روش های تقویت کننده آلیاژ مس است. از آنجایی که عیوب کریستالی حاصل از کار سرد تأثیر کمی بر رسانایی ماده دارد، این روش تقویتی استحکام را بهبود می بخشد و در عین حال آلیاژ را بسیار رسانا می کند. ویژگی تقویت تغییر شکل این است که در حالی که استحکام ماده افزایش می یابد، انعطاف پذیری آن به سرعت کاهش می یابد و رسانایی الکتریکی نیز به دلیل افزایش چگالی نابجایی اندکی کاهش می یابد. علاوه بر این، هنگامی که دمای سرویس افزایش می یابد، مواد تحت فرآیندهای بازیابی و تبلور مجدد قرار می گیرند و نرم می شوند و تقویت تک تغییر شکل تنها می تواند استحکام آلیاژ را تا حد محدودی افزایش دهد، بنابراین اغلب همراه با سایر روش های تقویت استفاده می شود.

2. تقویت دانه ریز

تقویت دانه ریز عبارت است از استفاده از اقدامات انجماد سریع یا روش های عملیات حرارتی برای به دست آوردن دانه های ریز در طول ریخته گری. برخی از عناصر کمیاب آلیاژی نیز می توانند برای پالایش دانه ها اضافه شوند. اندازه دانه کاهش می یابد، استحکام آلیاژ افزایش می یابد و تأثیر کمی بر هدایت الکتریکی آلیاژ دارد. بنابراین، تقویت دانه ریز به یکی از روش های اصلی تقویت آلیاژهای مس تبدیل شده است. مزیت برجسته تقویت دانه ریز این است که می تواند انعطاف پذیری مواد را بهبود بخشد و در عین حال استحکام مواد را بهبود بخشد. این به این دلیل است که پس از پالایش دانه، غلظت تنش ناشی از تجمع نابجایی در مرز دانه در هنگام تغییر شکل ماده را می توان به طور موثر کاهش داد، شروع ترک ها را به تأخیر انداخت و مقدار بیشتری تغییر شکل را می توان قبل از شکستن مواد به دست آورد. پالایش دانه به دلیل این مزیت به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد.

3. تقویت محلول جامد

پدیده افزایش استحکام و سختی یک فلز با ترکیب برخی از عناصر املاح برای تشکیل محلول جامد را تقویت محلول جامد می گویند. تقویت محلول جامد به این دلیل رخ می دهد که انحلال اتم های املاح باعث ایجاد اعوجاج در شبکه کریستالی فلز حلال می شود و در نتیجه مقاومت در برابر حرکت نابجایی افزایش می یابد. تمرین ثابت کرده است که کنترل مناسب محتوای املاح در محلول جامد می تواند به طور قابل توجهی استحکام و سختی مواد را بهبود بخشد و در عین حال انعطاف پذیری و چقرمگی خوبی را حفظ کند. به عنوان مثال: افزودن 19% نیکل به مس می‌تواند فیب آلیاژ را از 22{10}MPa به 380~400MPa، و سختی را از HB44 به HB70 افزایش دهد، در حالی که انعطاف‌پذیری همچنان ψ=50٪ حفظ می‌شود. اگر مس از طریق روش های دیگر (مانند سخت شدن کار در هنگام تغییر شکل سرد) به همان اثر تقویت کننده دست یابد، انعطاف پذیری آن تقریباً به طور کامل از بین می رود. تقویت محلول جامد یک روش تقویتی است که از برهمکنش بین اتم های املاح و نابجایی های متحرک در محلول جامد برای افزایش تنش جریان استفاده می کند. با افزودن مقدار مناسبی از عناصر آلیاژی به پایه برای تشکیل محلول جامد، استحکام آلیاژ به طور کلی بهبود می یابد. بر اساس نظریه موت-نابارو، برای محلول های جامد نازک، تغییر قدرت تسلیم با غلظت عناصر املاح را می توان به صورت: б=бo+kCm بیان کرد. در فرمول، б قدرت تسلیم آلیاژ است. бo استحکام تسلیم فلز خالص است. C غلظت جرم اتمی املاح است. k و m ثابت هایی هستند که توسط خواص ماتریس و عناصر آلیاژی تعیین می شوند، جایی که مقدار m بین 0.5 و 1 است.

4. پیری بارش (بارش) تقویت

اصل اساسی تقویت بارش سن، افزودن عناصر آلیاژی به مس است که حلالیت جامد بسیار کمی در دمای اتاق و حلالیت جامد زیاد در دماهای بالا دارند. از طریق تصفیه محلول جامد در دمای بالا، عناصر آلیاژی یک محلول جامد فوق اشباع را در پایه تشکیل می دهند. این استحکام در مقایسه با مس خالص بهبود یافته است. سپس از طریق پیری، محلول جامد فوق اشباع تجزیه می شود، عناصر آلیاژی به شکل خاصی رسوب می کنند و برای تشکیل فاز رسوب در پایه پراکنده و توزیع می شوند. فاز رسوبی می تواند به طور موثری از حرکت مرزهای دانه ها و نابجایی ها جلوگیری کند و در نتیجه استحکام آلیاژ را تا حد زیادی بهبود بخشد. عناصر آلیاژی که باعث تقویت بارش می شوند باید دو شرط زیر را داشته باشند: اول، حلالیت جامد در مس در دماهای بالا و پایین کاملاً متفاوت است، به طوری که می توان فازهای تقویتی کافی در طول پیری تولید کرد. دوم، حلالیت جامد در مس در دمای اتاق بسیار متفاوت است. حلالیت برای اطمینان از رسانایی بالای ماتریس بسیار کم است. مقاوم سازی بارشی پرکاربردترین روش استحکام بخشی در آلیاژهای مس با مقاومت بالا و رسانایی بالا است. در آلیاژهای مس، به منظور ایجاد اثر تقویتی بارش پیری، عناصر اضافه شده شامل Ti، Co، P، Ni، Si، Mg، Cr، Zr، Be، Fe و غیره می باشد. استحکام مواد را بهبود می بخشد و در عین حال آسیب به هدایت الکتریکی را به حداقل می رساند.

5. افزایش انتشار

تقویت پراکندگی ماده ای است که با متالورژی پودر و روش های دیگر پس از اختلاط کامل پودر فاز تقویت کننده پراکندگی با شکل و اندازه معین با پودر مس تهیه می شود. ذرات فاز دوم (Al2O3، ThO2، Zro2 و غیره) در ماتریس مس پراکنده و توزیع می شوند و استحکام آلیاژ مس به دلیل اثر تقویت پراکندگی بهبود می یابد. این روش تاثیر کمی بر هدایت الکتریکی و حرارتی مس و در عین حال بهبود استحکام دارد. برای به دست آوردن ذرات فاز دوم پراکنده در ماتریس مس، می توان در نظر گرفت که ذرات فاز دوم به ماتریس مس اضافه می شوند و یا ذرات فاز دوم پراکنده شده در محل در ماتریس مس طی فرآیند خاصی تولید می شوند. روشهای اختصاصی عبارتند از: روش اختلاط مکانیکی، روش هم رسوبی، روش اکسیداسیون داخلی، روش رسوب ژل معکوس، روش رسوب الکترولیتی و غیره. مکانیسم های اصلی تقویت پراکندگی شامل مکانیزم Olowan و مکانیزم Ansel-Lenier می باشد.

(1) مکانیسم اوروان. در هنگام تغییر شکل پلاستیک، خط نابجایی نمی تواند مستقیماً از ذره فاز دوم عبور کند، اما تحت تأثیر نیروی خارجی، خط نابجایی می تواند به دور ذره فاز دوم خم شود و در نهایت یک حلقه نابجایی در اطراف ذره فاز دوم باقی مانده و راه خود را می دهد. . پاس اشتباه خم شدن نابجایی ها انرژی اعوجاج شبکه را در ناحیه متاثر از نابجایی افزایش می دهد که باعث افزایش مقاومت در برابر حرکت خطوط نابجایی و افزایش مقاومت در برابر لغزش می شود.

(2) (2) مکانیسم Ansel-Lenier. GS Ansell و همکاران. مدل نابجایی دیگری را برای تولید آلیاژهای تقویت شده با پراکندگی پیشنهاد کرد. آنها از شکست ذرات فاز دوم پراکنده به دلیل تجمع دررفتگی به عنوان معیار تسلیم استفاده کردند. هنگامی که تنش برشی روی ذرات برابر با تنش شکست ذرات پراکنده باشد، آلیاژ تقویت شده با پراکندگی تولید می شود.

6. تقویت کامپوزیت فیبر در محل

این روش عمدتاً به افزودن عناصر آلیاژی اضافی (Cr، Fe، V، Nb و غیره) به مس برای به دست آوردن کمپلکس دو فازی اشاره دارد. عناصر اضافی در آلیاژ جامد شده به شکل تک فاز و ساختار دندریتی وجود دارد. پس از آن، آلیاژ با تغییر شکل زیاد کشیده می شود، به طوری که ساختار دندریتی عناصر آلیاژی به ساختار الیافی تبدیل می شود. وجود الیاف مقاومت در برابر حرکت دررفتگی را افزایش می دهد و در نتیجه ماده را تقویت می کند.

7. عناصر کمیاب را اضافه کنید

افزودن عناصر کمیاب خاص به پایه به آلیاژ نه تنها می تواند آلیاژ را تقویت کند، بلکه وسیله ای موثر برای توسعه مواد مقاوم در برابر خوردگی است. برخی از این عناصر کمیاب با تشکیل فازهای پراکنده، و برخی با خالص سازی ساختار ماتریس، آلیاژ را تقویت می کنند، اما هیچ یک از آنها به طور قابل توجهی مقاومت به خوردگی آن را کاهش نمی دهند و در نتیجه عملکرد کلی آلیاژ را بهبود می بخشند.