تحقیق مقاله بینیت

مقدمه :

معمولا سه مرحله مجزا در تحول بینیتی وجود دارد. این سه مرحله به طور شماتیک است. در ابتدا یک زیر وامه که تشکیل از یک صفحه فریتی است روی مرزدانه آشیت جوانه زنی کرده و تا زمانی که رشد آن توسط تغییر شکل پلاستیک آشیت زمینه متوقف نشده به رشد خود ادامه می دهد. در این مرحله زیر واحدهای جدید در نوک صفحه فریتی قبلی جوانه زنی کرده و رشد می کنند . مجموعه ای از چند زیر واحد را اصطلاحا یک شیف (Sheef) می گویند. سرعت متوسط طویل شدن یک شیف قاعدتا کمتر از یک زیر واحد است که علت آن وقفه های زمانی بین تکیل زیر واحدهای متوالی است . رسوبگذاری کاربید که در مرحله بعدی وقوع می یابد سرعت تحول را با حذف کربن از آشیت باقی مانده یا از فریت فوق اشباع متاثر می کند.

دمای شروع تحول

دمای شروع تشکیل نسبیت و هم چنین فریت ویرمن اشتاین که ماهیت تحول آن بسیار شبیه به نسبیت می باشد ) به ترکیب شیمیایی فولاد بیش از دمای حساس هستند (شکل a6.3(

این مساله نشان دهنده اثر انحنای محلول بر تحولات بینیتی یا فریت ویرمن اشتاتن است.

ویاگرام زمان – دما – استحاله (TTT) در فولاد ها اغلب مطابق شکل b 6.3 است . همانطور که ملاحظه می گردد این دیاگرام شامل در منحنی c شکل است که بالائی مربوط به تحولات نفوذی یا تحولات همراه با دوباره بنا شدن ساختارهای فازی (Re Consteructive) و منحنی پایینی مربوط به تحولات برشی یا همراه با جابجایی دسته جمعی انحنا (displacive) می باشند . دمای روی منحنی پایینی شکل b6.3 نشان دهنده بالاترین دمایی است که فریت ویرمن اشتاتن و نسبیت یکسان بوده و صرفا به شرایط ترمودینامیکی بستگی دارد. با توجه به تاثیر عناصر آلیاژی بر دمای شروع تحول نسبیتی روابط تجربی زیادی در فولادهای مختلف ارائه شده اند مثلا رابطه برای فولادهای مختلف با آنالیز 55/0-1/0 درصد کربن 35/0-1/0 درصد سیلسیوم 7/1-2/0 درصد منگنز 0/5-0 درصد نیکل 5/3-0 درصد کروم 0/1-0 درصد مولیون ارائه گردیده است.

جوانه زنی نسبیت

همانطور که اشاره گردید جوانه زنی نسبیت مشتمل است بر تشکیل یک زیر واحد به صورت یک صفحه فریتی در مرزدانه آشیت اولیه سرعت جوانه زنی تابعی از دما و انرژی فعالسازی تحول است و به صورت زیر بیان می گردد.

از رابطه فوق v فاکتور نوسانی انرژی فعالسازی جوانه زنی و A ثابت است .

رشد نسبیت

جابجایی فصل مشترک بین واحدهای نسبیت باآشتینت باقی مانده نیازمند جابجایی ایتمهای فاز مادر و اختیار ساختار فاز محصول است . سهولت وقوع این فرایند میزان تحرک مرز را تعیین می نماید البته توزیع اتمهای محلول و همچنین کربن حرکت فصل مشترک را محدود می نماید .بنابر این دو عامل تحرک مرز در اثر جابجایی اتمهاو نفوذ کربن و اتمهای محلول تعیین کننده سینیتک رسد نسبیت هستند . هر دو این فرایندها نیرو محرکه موجود برای تحول را مصرف می کنند.

هنگامی که بیشتر نیرو محرکه موجود جهت نفوذ اتمها مصرف می گردد تحول را کنترل شونده توسط نفوذ می گویند و اگر بالعکس نیرومحرکه جهت اتمها در سراسر فصل مشترک مصرف شود آنرا تحول کنترل شونده بالفصل مشترک می گویند . ابعاد تیغه های نسبیت در طی رشد تحت کنترل نفوذ با زمان به صورت پارا بولیک تغییر می کند . با افزایش ابعاد فاز محصول منطقه نفوذی هم گسترش می یابد و افزایش مسافت نفوذ جهت رسیدن اتمهای محلول به دورترین نقاط باعث کاهش سرعت نفوذ می شود .

ولی صفحات یا سوزنهای موجود با توجه به توزیع اتمهای محلول به وجوه با سرعتی ثابت به رشد خود ادامه می دهند.

Trivedi (1970) این فرض که شکل صفحات تقریبا به صورت سیلندر پارابولیک مطابق شکل 2/6 است سرعت طویل شدن سوزنهای بنسیت را در شرایط رشد حالت پایدار به کمک حل رابطه زیر بدست آورد:

در این رابطه  سرعت طویل شدن صفحات T دما ضریب نفوذ متوسط برای کربن در آتشیت P عدد Peclet r شعاع نوک سوزن و شعاع نوک بحرانی است که رشد در آن شعاع متوقف می گردد.

در این معادله توابعی از عدد peclet هستند که مقدار آنها با توجه به شکل 6.13 بدست می آید. تابع اصلاح کننده تغییر ترکیب شیمیایی در هنگام تغییر در انحنای فصل مشترک می باشد . در معادله فوق قسمتی که جایب تابع است مربوط به زمانی است که رشد تحت کنترل نفوذ نیست . در این بخش vc سرعت رشد تحت کنترل فصل مشترک برای یک فصل مشترک صاف است . در رشد تحت کنترل نفوذ در مقایسه با بزرگ بوده و از آن بخش از معادله مربوط به رشد تحت کنترل فصل مشترک می توان صرفنظر کرد.

اگر غلظت کربن در آشیت در نوک صفحه باشد با غلظت تعادلی کربن متفاوت می باشد . با افزایش انحنا کاهش می یابد . علت عدم تساویxrو به اثر موئینگی Gibbs-Thimpson نسبت داده می شود . بر این اساس داریم : در این رابطهT ثابت موئینگی نامیده شده است . این ثابت از رابطه زیر بدست می آید : در این رابطه انرژی فصل مشترکی به ازای واحد سطح ضریب الکتریسیته کربن در آشیت و حجم مولای فریت است . در این رابطه فرض شده است که ترکیب شیمیایی فریت تحت تاثیر اثر موئینگی قرار نمی گیرد. و بنابر این همیشه عددی کوچک است .

تئوری رشد صفحه ای در واقع بیانگر ارتباط بین سرعت رشد و شعاع نوک صفحه است  . اما این تئوری باز گو کننده شرایطی که در آن رشد در موزنهای بینیت رخ می دهد نیست . در واقع در شرایط شعاعهای نوک صفحه کوچک رشد به دلیل نفوذ راحتتر از نوک تسهیل می گردد اما این در تقابل با اثر موئینگی است . Trivedi برای چین شرایطی که صفحات مزیتی دارای شکل سوزنی هستند راه حل دیگری را بر اساس رشد تحت کنترل نفوذ به صورت زیر ارائه کرده است . در این رابطه شعاع نوک دو برابر شرایط رشد صفحه ای است چون در اینجا شعاع انحنا برای نوک یک سوزن وجود دارد.

سرعت رشد شیفهای بینیت

پس از جوانه زنی در سطوح دانه هایآشیت شیفهای بینیت با تشکیل مکرر زیر واحدها و رشد هر یک تا یک اندازه محدود توسعه می یابند . همانطورز که قبلا هم اشاره شد زیر واحدهای جدید در یک شیف در نزدیکی نوک قبلی جوانه زنی می کنند.

جوانه زنی در موقعیتهای دیگر معمولا با سرعت کمتری صورت می گیرد و بنابر این شکل کلی شیف در سه بعد به صورت صفحه ای است رشد این شیفها صرفا توسط مرزدانه آشیت یا مرزهای دوقلوئیی مهار می گردد . مشاهدات مستقیم میکروسکوپ نوری از رشد شیفها نشان داده است که یک زیر وامه در مدت زمان به اندازه نهایی خود می رسد و وقفه  زمانی تا تشکیل زیر واحد جدید سپری می شود . بر این اساس طویل شدن شیفها زیر واحد است . افزایش میزان کربن نیکل کروم و سایر عناصر آلیاژی باعث کاهش می شود .

در رشد شیفها  معمولا نسبت وجهی ثابت است گر چه پس از توقف طویل شدن ضخیم شدن آنها همچنان ادامه می یابد.

سرعت رشد زیر واحدهای بینیت

اگر چه سرعت رشد بینیت بسیار بالاست سرعت طویل شدن آن خیلی کمتر از سرعت رشد است .

فصل مشترک بینیت با وجود اینکه glissile است اما نسبتا کند حرکت می کند . این کندی به خاطر کار پلاستیکی است که با رشد بینیت همراه است . نمونه چنین اختلافی در حین مقایسه توسعه ترک در شیشه و در فلز قابل درک است رشد زیر واحدهای بینیت به کمک میکروسکوپ الکترونی photo-emission سرعت طویل شدن آنها را حدود گزارش کرده است . این سرعت خیلی بالاتر از سرعتی است که در بررسهای تئوریک رشد تحت کنترل نفوذ بدست می آید.

پس از توقف طویل شدن زیر واحدها فرایند ضخیم شدن آنها همچنان ادامه می یابد. علت این امر تمایل زیر واحدهای بینیت به داشتن بیشترین نسبت جهی ممکن است . صاف بودن صفحات و زیر واحدهای بینیتی نشان می دهد که رشد آنها معمولا پیوسته است نه پله ای .

اثر اندازه دانه آشینیت

استحاله بینیتی حساسیت کمتری نسبت به تحول پرمیتی به اندازه دانه آشیت اولیه دارد. بعلاوه اینکه عناصری نظیر بور که با جدایش به مرز دانه ها سختی پذیری را افزایش می دهند اثر کمتری بر بینیت نسبت به فریت و پریت دارند. علت اثر پذیری اندک بینیت از اندازه دانه آشیت این است که اکثریت صفحات در یک شیف بینیت در تماس مستقیم با مرزدانه آشت نیستند . با این وجود کاهش اندازه دانه آشیتنت به لحاظ افزایش مساحت مرزدانه در واحد حجم باعث افزایش سرعت تحول بینیتی می گردد. در عین حال برخی دیگر محققین اثر پذیری سینیتک تحول بینیت از اندازه دانه آشیتینت را اندک ارزیابی استدلال این محققین بر کاهش سرعت رشد نسبیت ناشی از اثر تعویق اندازنده فرردانه های آشیت استوار است . مساحت مرزدانه ها در واحد حجم که معیار تاثیر اندازه دانه آشیت در تحولات فازی است به صورت زیر تعریف می گردد:

پارامتری است که با ترسیم یک خط با طول مشخص و تقسیم آن بر تعداد تقاطع های این خط با مرزدانه های آشتیت بدست می آید. دانسیته تعداد محلهای جوانه زنی نسبیت به طور معکوسی با متناسب است . اگر تاثیر پذیری تحول نسبیت از اندازه دانه آشیت اولیه را صرفا نائی از سرعت جوانه زنی در نظر گیریم بنابر این بایستی سرعت تحول با کاهش و افزایش یابد.

اثر دیگر اندازه دانه آشیت اثر آن بر اندازه شیفهای نسبیت است . در واقع حداکثر حجم یک شیف توسط اندازه دانه آشیت متاثر می گردد به عبارت دیگر

اگر این تاثیر پذیری حاکم باشد انتظار می رود که سرعت کلی تحول با ریز دانه شدن آشیت یابد .آنچه در عمل مشاهده می گردد این است که در شرایطی که تعداد جوانه های اولیه بالاست . با وجود کاهش حجم حداکثر شیفهای نسبیت و کاهش رشد شاهد افزایش سرعت کلی تحول با کاهش اندازه دانه آشیت هستیم . اما بالعکس در رشد سریع تعداد جوانه اولیه اندک انتظار می رود با کاهش اندازه آشیت سرعت تحول کاهش می یابد . این دو حالت در شکل 6.28 نشان داده شده است

اثرات تنش و کرنش

استحاله جابجایی به عنوانی شکلی از تغییر شکل در نظر گرفته می شود که در مشخصه دیگر آن این است که ساختار کریستا لو گرافیکی آن فاز در ناحیه تغییر شکل یافته عوض می شود. جدول 8.1 انواع تحولات ساختاری و تغییراتی را که در ضمن آنها وقوع می یابد لیست کرده است . کرنش دائمی ساختار در اثر این نوع تحولات پلاستیسه استحاله ای نامیده می شود . استحاله فازی در اینگونه تحولات با سرد کردن در زیر یک دمای معین و یا بکار بردن تنشی مطلوب در وضعیتهای مناسب یا ترکیبی از این دو عامل آغاز می شود . هنگامی که نیرو محرکه شیمیایی تحول و تنش به صورت مکمل عمل می کنند پلاستیسه استحاله ای در تنشهایی که به مراتب کمتر از استحکام تسلیم فاز مادر است وقوع می یابد. درست نظر ترکیب یک صفحه و یک جهت که یک سیستم تغییر شکل را برای لغزش یا دوقلویی تشکیل می دهند صفحه mabit و بردار جابجایی یک کرنش صفحه ای نامتغیر سیستم تغییر شکل را برای پلاستیسه استحاله بیان می دارند. عموما 24 تا از این سیستم ها به ازای هر دانه آشیت وجود دارد و آنها به صورت همزمان ولی با درصدهای مشارکت مختلف عمل می کنند . برخلاف لغزش معمول بجز در وضعیتهای ویژه ای سیستم های تغییر شکل این گونه استحاله باهم تقاطع نمی کنند . بنابر این ایده معمول در خصوص کار سختی در اینجا قابل کاربر نیست. با وجود اینکه کار سختی هم با افزایش پایداری آشیت همراه است . با توجه به تعداد زیاد سیستم های استحاله ای به ازای هر دانه و بر اساس معیار تیلور (Taylor) می توان به این نتیجه دست یافت که پلاستیته استحاله می تواند کرنشهات و تنشهای اعمال شده خارجی را متحمل گردد.

بنابر این زمانی که پلاستیته استحاله ای تنها مود تغییر شکل است مرزدانه در ملی کریستالها بدون تغییر باقی می مانند. بعلاوه اگر فاز مادر دارای بافت کریستالو گرافیک باشد. پلاستیته استحاله ای باعث تغییرات غیر همگن در شکل فاز حتی در نمونه های پلی کریستالی ( که بدون اعمال تنش استحاله یافته اند)

نیرو محرکه مکانیکی

با توجه به اینکه تحولات جابجایی در فولادها باعث ایجاد کرنشهای بزرگی می شوند اندر کش بین تنش های اعمالی خارجیس و پیشرفت استحاله مورد انتظار است . البتهچگونگی این اندرکش صرفا به مکانیزم بستگی دارد. در این شرایط نیرو محرکه کلی تحول به مولفه های مکانیکی و شیمیایی ( که نیرو محرکه مصمول در تحولات فازی است ) تقسیم می گردد . استدلال فیزیکی همراه با این تئوری تغییر شکل این است که حرکت یک فصل مشترک glissle ترکیبی است از استحاله و میزان کاری که توسط تنش خارجی انجام می گیرد. به انرژی آزاد شیمیایی برای بدست آوردن اختلاف انرژی آزاد کلی افزوده می گردد. نیرو محرکه مکانیکی از رابطه زیر قابل تعیین است :