تعیین كنندة هر یك از این حالات درجة آزادی بین اتمها و قید و بند آنها به یكدیگر است و یك مرحله تحول بین هر حالت وجود دارد تعریف شیشه یك مایع شیشه ای یا جامد بدون كریستال است كه مشخصه های ویسكوزیته و ساختار آن نشان دهندة هم جامد و هم مایع است به عبارت دیگر شیشه یك جامد در دمای اتاق است زیرا ویسكوزیته آن بیش از حد توازن یعنی 614 10 است و از طرف دیگر

فلزات آمورف

 

فهرست مطالب

عنوان

صفحه

 

فصل اول : فلزات آمورف و آمورف کامپوزیتی................... 1 

1-1  مقدمه........................................ 2

2-1 فلزات آمورف.................................... 6

1-2-1 خواص آلیاژهای آمورف............................ 9

2-2-1عمده نقطه ضعف مكانیكی مواد آمورف.................... 12

3-1 مكانیزم های تغییر شكل در فلزات آمورف.................... 12

1-3-1 تشكیل حجم آزاد................................. 13

2-3-1 افزایش دمای موضعی ............................. 18

فصل دوم : شكست در  فلزات آمورف ........................ 23

1-2 شباهت های شکست فلزات آمورف با فلزات کریستالی............. 24

1-1-2 اثر فشار هیدرواستاتیك روی جریان تنش.................. 24

فصل سوم : کامپوزیت کردن جهت بالا بردن پلاستیسیته............. 25

1-3 راهكارهایی برای افزایش پلاستیسیته در آلیاژهای یكپارچه.......... 26

2-3 فلزات آمورف كامپوزیتی.............................. 27

1-2-3 مکانیزم تغییرات و افزایش پلاستیسیته توسط ذرات کامپوزیت....... 28

3-3  بهبود پلاستیسیته با استفاده از ذرات تقویت كننده فاز دوم.......... 31

4-3 بررسی باندهای برشی توسط TEM در یك كامپوزیت BMG_s ......... 35

1-4-3 انتشار باندهای برشی در کل قطعه...................... 39

5-3  انواع مختلف فلزات آمورف كامپوزیتی...................... 41

1-5-3  کامپوزیتهای ذره ای.............................. 42

2-5-3   كامپیوزیتهای In-situ.......................... 42

6-3  ذرات خارجی تقویت كننده در فلزات شیشه ای توده.............. 42

 1-6-3 كامپوزیت حاوی ذرات خارجی تقویت كننده ، تولید به روش تقویتBMG... 43

2-6-3 تولید كامپوزیت BMG   حاوی ذرات خارجی تقویت كننده با استفاده از فرایند ذوب    44

7-3 فرم     In situ کامپوزیت های BMG  ................ 45

1-7-3  فرم كاربید In situ  در فلزات شیشه ای پایه  Zr ......... 46

8-3  تشکیل و ساختارها................................. 47

9-3  مکانیزم تشکیل فاز آمورف نانو ساختار شده.................. 50

10-3 خواص مکانیکی و رفتار تغییر شکلی آلیاژ های آمورف نانوساختار شده توده    51

11-3   تشکیل و خواص مکانیکی آلیاژ های آمورف خوشه دار توده........ 54

12-3 مقایسه کامپوزیت های ذره ای و In situ................. 56

فصل چهارم :عوامل موثر در ایجاد داکتیلیته بیشتر در مواد آمورف...... 60

1-4  كریستالیزاسیون .................................. 61

1-1-4 اثر بیش از حد كریستالیزاسیون........................ 61

2-4  آنیلینگ........................................ 62

منابع و مآخذ....................................... 64

 

 

فهرست تصاویر

عنوان

صفحه

 

تصاویر فصل اول

شکل 1-1: دیاگرام ارتباط بین تغییرات حجم با دما از حالت مذاب تا لحظه گذر از دمای شیشه ای شدن،Tg       3

شکل 1-2 : دیاگرام ظرفیت گرمایی فلزات شیشه ای در دمایTg  ......................... 3

شكل 3-1: منحنی تنش کرنش فلز شیشه ای............................................................. 6

شكل 1-4: تصویریك آلیاژ آمورف (Ni₅₅Pd₅Nb₂₀Ti₁₅Zr₅) در TEM................. 7

شكل 1-5 : ارتباط بین  و H_c.............................................................................. 10

شكل  1-6 : مقایسه جنس چرخ دنده ها در خصوص مقاومت به سایش................. 11

شكل 1-7 : نشان دهنده پروسه حجم آزاد به وسیله معادله  Spaepen................. 15

شكل1-8 : نمودار تنش برشی نرمال در برابر كرنش برشی.................................... 16

شكل 1-9 : نمودار كرنش برشی در یك باند نسبت به كرنش برشی نهایی       17

شكل 1-10 : نمونه تست خمش و روكش كاری قلع برای بررسی باندهای برش نزدیك شكاف     20

شكل1-11: نشان دهنده باندهای برشی نزدیك شكاف در نمونه تست خمش روكش داده شده به وسیله قلع        21

شكل1-12: نشان دهنده حرارت موضعی و ذوب روكش به صورت مهره های كروی

در باندهای برشی...................................................................................................... 22

تصاویر فصل سوم

شكل 1-3 : مکانیزم ممکن برای افزایش دانسیته باند برشی در فلزات شیشه ای..... 23

شكل 2-3 : شکل میدان تنش بین سوراخ ها، در طول فشردن یک فلز متخلخل کشدار        24

شكل3-3: اثر ذرات گرافیت تقویت­کننده دریک فلز شیشه­ای پایه Zr برروی دانسیته باند برش درهمسایگی آن    34

شکل4-3 : میکروگرافی TEM از ساختار قلز کامپوزیتی مشخصه پراش در دهانه صفحه[110] در منطقه محور فاز β است........................................................................................................................ 36

شکل 5-3 : مناطق روشن ، تصویر باندهای برشی است. (a) , (b) تصویر یک منطقه یکسان با زاویه عکس‌برداری متفاوت است............................................................................................................... 37

شکل6-3 :  عکس TEM از محل بدون شکل فاز β.................................................. 39

شكل7-3 : ترکیب برخی ازخواص فلزات با کامپوزیت­کردن فلزات .......................... 41

شکل8-3 : منحنی های DSC آلیاژ های آمورف Zr-Al-Ti-Ni-Cu و Zr-Al-Cu-Pd      49

شکل9-3 : میکروگراف الکترون میدان روشن و الگو های پراش الکترونی آلیاژ های امورف پایه Zr آنیل شده در دمایی درست زیر واکنش اول گرمازا........................................................................ 49

شکل10-3: شکل فرایند تشکیل فاز نانو بلورین Zr₂(Cu,Pd) احاطه شده با فازآمورف     50

شکل11-3: تغییرات S_f ، E و H_v با V_f ترکیبات برای آلیاژ­های آمورف ریختگی توده
Zr-Al-Ni-Cu-Pd................................................................................ 51

شکل12-3 : ظاهر سطح شکست کششی آلیاژ امورف ریختگی توده......................... 52

شکل 13-3: شکل شماتیکی از حالت شکست کششی برای آلیاژ های آمورف نانوبلورینه شده که خواص مکانیکی بهبود یافته ای را نشان میدهد................................................................................... 52

شکل 14-3: منحنی های تنش کرنش فشاری میله های استوانه ای در حالت مخلوط فاز های آمورف و نانو بلورین بلافاصله بعد از ریخته گری....................................................................................... 53

شکل 15-3 : سطح خارجی میله آمورف نانوبلور شده تحت طویل شدگی 5/2% پلاستیکی   54

شکل 16-3 : الگوی پراش  کوچک زاویه­ اشعه ایکس آلیاژ خوشه ای شده آمورف و اطلاعات آلیاژهای آمورف و نانو بلورین پایه Zr.................................................................................................... 55

شکل 17-3 : منحنی های تنش- کرنش خمشی آلیاژ آمورف خوشه ای .................. 56

شکل 18-3 : نتیجه تست فشار نمونه های گوناگون از فلزات شیشه ای کامپوزیتی با ئرات کامپوزیتی مختلف      57

شکل19-3 : نتایج تست فشار فلز شیشه ای Vit1 کامپوزیتی به روش W wire..... 58

تصاویر فصل چهارم

شكل 1-4 : رابطه بین استحكام شكست و افزایش درصد كریستالیزاسیون............. 62

 

فصل اول

فلزات آمورف و آمورف کامپوزیتی

1-1  مقدمه

طبق آزمایشات مستقل از دما و فشار متغیر، از نظر ترمودینامیكی، مواد سه حالت اصلی : مایع، جامد، گاز دارند.

تعیین كنندة هر یك از این حالات درجة آزادی بین اتمها و قید و بند آنها به یكدیگر است و یك مرحله تحول بین هر حالت وجود دارد. تعریف شیشه : یك مایع شیشه ای یا جامد بدون كریستال است كه مشخصه های ویسكوزیته و ساختار آن نشان دهندة هم جامد و هم مایع است. به عبارت دیگر شیشه یك جامد در دمای اتاق است زیرا ویسكوزیته آن بیش از حد توازن یعنی ^6/14 10 است و از طرف دیگر هنوز یك مایع است زیرا ساختار اتمها و مولكولهای آن یك ساختار بی نظم و شبیه مایع است . جامد از فاز كریستالی به وجود آمده است و یك كریستال از یك نظم دوره‌ای بین اتمها پیروی می كند اما مایع دارای چنین نظمی نیست و یك نظم تصادفی بین اتمها بدون تناوب و دوره خاصی را دارد.

بنابراین می گوییم، شیشه جامد و آمورفی است كه اتمهای ساختار آن مانند مایع است. مهمترین مشخصه یك شیشه علاوه بر ساختار آن، پدیده تحول و به وجود آمدن آن است.

تحول و به وجود آمدن شیشه در یك Tg [1]ایجاد می‌شود،‌مذاب تا زیر دمای انجماد سرد می‌شود و تا زمانیكه دما كاهش می یابد ویسكوزیته نیز به صورت پیوسته زیاد می‌شود (شكل 1-1).

 شکل 1-1 : دیاگرام ارتباط بین تغییرات حجم با دما از حالت مذاب تا لحظه گذر از دمای شیشه ای شدن،Tg

شکل 1-2 : دیاگرام ظرفیت گرمایی Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5

نقاط ناپیوسته Cp  فلزات شیشه ای است که از دما Tg  تابعیت می کنند .

 در (شكل 1-1) مشاهده می شود كه تغییر حجم نیز تابعی از دما است . در كریستاله شدن، در طول سرد كردن ، ناگهان با یك افت شدید حجم رو به رو می شویم اما در تحول آمورف شدن تغییر ناگهانی حجم نداریم و تغییر حجم به صورت پیوسته صورت می‌گیرد كه این روند در متغیرهای ترمودینامیكی مانند آنتروپی و آنتالپی نیز وجود دارد.

اگر چه متغیرهای ترمودینامیكی در ابتدا با دما به صورت پیوسته رابطه دارند اما در Tg با یك افزایش شیب و تغییر ناگهانی روبرو هستند. تغییر ناگهانی ظرفیت گرمایی و انبساط گرمایی در (شكل1-2) نشان داده شده است.

تحول شیشه ای شدن در یك بازه دمایی مشخص انجام می گیرد و بیان می‌كند كه در Tg، یك شیب تند و تغییر ناگهانی (Cp پرش می كند) در منحنی گرمایی DSC انجام می دهد.

سرعت كوئیچ لازم برای ساختن جامد آمورف از یك فلز خالص حدوداً K/S 10¹⁵ است كه رسیدن به این سرعت سرد كردن در محیط آزمایشگاه غیر ممكن است. كه برای كم كردن این سرعت فلزات خالص را به صورت آلیاژی كرده و مورد استفاده قرارمی دهند.

 در ابتدا لنز شیشه ای  توسط Klemer و Willens و Duwez در دانشگاه Caltech در سال 1960 با تكنیك كوئیچ تفنگی كه سرعت سرد كردنی معادلK/S 10⁷  تولید می كرد، ساخته شد. اما هنوز این سرعت سرد كردن برای تشكیل فلزهای های شیشه ای توده ، خیلی زیاد بود.

در سال 1980-1990 دو تحقیق گروهی در دانشگاه Tohoku و Caltech انجام شد Inoue نمونه های گوناگونی از آلیاژها را مورد بررسی قرار داد كه با سرعت بحرانی بین  به آمورف تبدیل می شدند.

 johnson, pecker در دانشگاه Caltech  (Zr41.2Ti13Cu12.5Ni10Be22.5)  را ساخته كه  بوده و قطعه ای به قطر Cm  5 را با روش ریخته گری معمولی ساختند.

Lin و john Son یك BMG [2]پایه مس جدیدی كشف كردند (Cu₇₇Ti₃₄Zr₁₁Ni₈ Vitreloy 101 ) و پایه Zr Zr₅₇Nb₅Cu_15.4Ni_12.6 Al₁₀; vitreloy  106 )     و vitreloy 105 Zr_52.5Ti₅Cu_17.7Ni_14.6 Al₁₀ ) با یك CCR 10 K/S بود.

از زمان كشف viterloy 1 تا حالا، بهترین شكل آلیاژی BMG  ، Vitreloy 106 می باشد كه از بهترین شكل آلیاژهای بدون (Non. Be.BMG)  Be است.

شكل BMG بستری مناسب جهت جستجوی خواص مكانیكی گوناگون، رفتار تركیبات گوناگون، جریان Criteria ، شكست و خستگی و همچنین در ترمودینامیك سرعت ایجاد كرده است.

ساختار مواد و حد الاستیك بالای BMG و همچنین استحكام كششی زیاد (2Gpa) و تافنس خوب ( 20-55 Mpa.m^1/2) را ارائه كرده است. (شكل 4-1) كشش را بین مواد مختلف و BMG نشان می دهد.

(شكل 3-1)  : منحنی تنش کرنش فلز شیشه ای Vit106 و تعدادی فلز خالص .

همه نمونه ها ذوب شده و انجماد پیدا کرده اند . همه فلزات خالص کرنش شکست پایین و داکتیلیتی بالا و در مقابل فلزات شیشه ای کرنش شکست بالا و پلاستیسیته کم از خود نشان می دهند

 

2-1 فلزات آمورف

یك فلز آمورف ماده فلزی است كه ساختار اتمی نامنظم دارد. برخلاف اغلب فلزات كه كریستالی هستند و اتم ها چیدمان منظمی دارند، آلیاژهای آمورف غیركریستالی هستند. ماده ای كه در آن چنین ساختار نامنظمی مستقیماً از حالت مایع، و با سرد كردن آن به دست می آید. “شیشه” نامیده می شود و از این رو به فلزات آمورف معمولاً “فلزات شیشه ای” گفته می شود. اما راه های دیگری برای تولید فلزات آمورف وجود دارد. این راه ها شامل موارد زیر است:

الف) رسوب بخار فیزیكی

ب) واكنش های حالت جامد

ج) پرتو افكنی یونی

د) آلیاژسازی مكانیكی

البته به فلزات آمورفی كه از این روش ها تولید می شود شیشه گفته نمی شود، هر چند مهندسین مواد، فلزات آمورف را صرف نظر از نحوه تولیدشان، به عنوان یك دسته از مواد (مواد آمورف)، در نظر می گیرند.

فلزات شیشه ای بالك یاBMG ها، فلزات آمورفی هستند كه دارای یك نرخ سرد كردن بحرانی هستند كه چنانچه با آن نرخ سرد كردن، یا سرعت های سرد كردن بیشتر از آن، از حالت مذاب سرد شوند.

شكل (1-4): تصویریك آلیاژ آمورف (Ni₅₅Pd₅Nb₂₀Ti₁₅Zr₅) را در زیرTEM، درحالت سریع كوئنچ شده

 

می توانند به صورت آمورف درآیند، ضخامت های قابل دست یافتن در این دسته از مواد به صورت آمورف می تواند تا چند سانتی متر هم باشد شكل (1-4) تصویر یك آلیاژ آمورف (Ni₅₅Pd₅Nb₂₀Ti₁₅Zr₅) را در زیرTEM نشان می دهد[2].

برای تولید فلزات شیشه ای از مذاب، سرعت سرد شدن باید به اندازه كافی زیاد باشد تا از جوانه زنی و رشد فازهای كریستالی در منطقه مایع تحت تبرید بین دمای ذوب شدن T_m و دمای انتقال شیشهT_g جلوگیری شود. جدیداً “اشنایدر” و “تورن بول” با به كار بردن تئوری ساده جوانه زنی نشان دادند كه “دمای گذار شیشه كاهش یافته” T_rg=T_g/T_m پارامتر كلیدی در مشخص كردن این مسئله است كه یك فلز در حین سرد شدن می تواند شیشه ای شود یا خیر و نتیجه گرفتند كه برای تولید فلزات شیشه ای به صورت بالك،T_rg باید تقریباً مقدار بالایی باشد.

به منظور توسعه برخی از بهترین آلیاژهای شیشه ای“جانسون” تركیبات مناسبی (Cu,Ni) را برای پایین آوردن دمای یوتكتیك در سیستم هایZr-Ti-Be افزود تا شیشه Cu-Ni-Be-Zr-Ti را به دست آورد. این آلیاژها قابلیت شیشه ای شدن استثنایی و سرعت سرد شدن بحرانی بسیار پایین برای شیشه‌ای شدن دارند. مثلاً در مورد آلیاژ Vitreloy، سرعت سرد شدن بحرانی1k/s است كه این آلیاژ را برای كاربردهای مهندسی ویژه نموده است.

با همان هدف و برای بهینه كردن پایداری مایع تحت تبرید فلزی و آلیاژهای آمورف بالك،“اینو” پیشنهاد داد كه سه شرط عملی زیر برای تشكیل فلزات شیشه ای بالك لازم است:

1) سیستم چند جزئی متشكل از بیش از 3 عنصر

2) اختلاف قابل توجه در نسبت اندازه اتمی حدوداً بالاتر از 12% در سه عنصر اصلی تشكیل دهنده.

3) گرمای اختلاط منفی بین عناصر اصلی تشكیل دهنده.

با انتخاب سیستم های چند جزئی مذكور، امكان تولید رشته های آمورف، توسط ریسندگی مذاب (وقتی نرخ سرد شدن بالایی مورد نیاز است) و آلیاژهای آمورف بالك به وسیله تكنیك های انجماد مثل ریخته گری قالب مسی، ریخته گری دایكاست فشار بالا، ذوب تك جهته یا كوئنچ با آب وجود دارد.

فلزات آمورف پایداری حرارتی بالا و خواص فیزیكی، مكانیكی و شیمیایی بسیار خوبی دارند كه اعتقاد بر این است كه پتانسیل بالایی برای كاربرد در مواد مهندسی پیشرفته دارند. در حال حاضر BGM های پایه Zr كاربرد صنعتی پیدا كرده است و كمپانی های زیادی در آمریكا، ژاپن و چین (مانند كمپانیLiquid Metal Technologies در آمریكا) تلاش های زیادی را برای توسعه كاربرد این مواد در صنعت و صنایع نظامی آغاز كرده اند. در حال حاضر فعالیت های بسیار زیادی در زمینه توسعه و مطالعه بر روی BGM های جدید توسط كشورهای صنعتی و صنایعشان در آمریكای شمالی، آسیا و اروپا در حال انجام است.

1-2-1 خواص آلیاژهای آمورف

- مقاومت به خوردگی

با انتخاب صحیح عناصر آلیاژی در آلیاژهای آمورف پایه Fe می توان مقاومت به خوردگی های بسیار بالا دست پیدا كرد. به عنوان مثال كاهش جرم ناشی از خوردگی یك میله آلیاژی آمورف پایه آهنFe-Cr-Mo-C-B با قطر3mm در محلول6N HCL در درجه حرارت 289 درجه كلوین حدود10⁴ برابر كوچكتر از فولادهای ضد زنگ 304 و فولادهای كرم دار است مقاومت به خوردگی بالا (مشابه حالت قبل) برای دیگر سیستم های آلیاژی آمورف (BGM) مانند Co-Ta-B,Fe-Nb-B نیز گزارش شده است.

- خواص مغناطیسی

همه آلیاژهای آمورف(BGM) پایه Fe-b-Si-(Nb,Zr) ،   Fe-Ga-(P,C,B), Fe- (Zr,Hf,Nb)  خواص مغناطیسی نرم بسیار عالی در درجه حرارت اتاق از خود نشان می دهند شكل ( 1-5) ارتباط بین Coercive force (H_c),saturation magnetostrication را برای آلیاژهای آمورف (BMG) پایه آهن و كبالت را نسبت به آلیاژهای آمورف معمول و آلیاژهای نانوكریستال نشان می‌دهد. آلیاژهای آمورف (BMG) پایه آهن بسیار بزرگتری (در حدود^5-10*3)وH_c كوچكتری نسبت به دیگر مواد دارند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 1-5 : ارتباط بین  و H_c

- قابلیت جوش پذیری

با استفاده از پدیده پایدار كردن مایع فوق تبرید شده (SL) ورقه های آلیاژ آمورفAl-Ni-Cu-Zr با ضخامت2.5mm می تواند بدون شكل گیری هیچ گونه فاز كریستالی به كمك جوشكاری الكترون بیم electronbeam welding (EB) به یكدیگر متصل می‌شود.

تحت شرایط مناسب جوشكاری می توان یك ساختار كاملاً آمورف بدون شكل گیری هیچگونه فاز كریستالی در زمینه فلزی، منطقه دوباره ذوب شده و منطقه تحت تأثیر حرارت قرار گرفته را داشته باشیم همچنین استحكام كششی شكست نمونه های جوشكاری شده حدود1400Mpa گزارش شده است كه در حدود90%-85 استحكام ورق جوشكاری شده می باشد.

- مقاومت به سایش

در حال حاضر موتورهای دنده ای بسیار كوچك (Micro-gear motor) با قطر 1.5mm به كمك آلیاژ آمورف پایهNi ساخته شده است موتورهای دنده ای با قطر 1.5mm به كمك هیچ تكنیك ماشین كاری مكانیكی نمی تواند ساخته شود موتورهای دنده ای با قطر2.4mm به سختی به وسیله ماشین كاری مكانیكی فولادی SK-4 ساخته شده كه دوام دنده های آلیاژ آمورف پایه Ni،313 برابر دنده های فولادی (SK-4) می باشد كه طبق شكل  ( 1-12)‌ چرخ دنده‌ای از جنس آلیاژ پایه Ni حتی بعد از 1875 میلیون دور شكل ظاهری خود را حفظ كرده است در حالی كه چرخ دنده فولادی SK-4 به مقدار زیادی ساییده شده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل  1-6 : مقایسه جنس چرخ دنده ها در خصوص مقاومت به سایش

 

2-2-1 عمده نقطه ضعف مكانیكی مواد آمورف

مكانیزم كار سختی در فلزات آمورف كه تحت تنش به طور الاستیكی به تنش تسلیم می رسند دیده نمی شود و پس از تسلیم كرنش در یك تنش ثابت ادامه پیدا می‌كند. در تنش بالا و دمای اتاق كرنش غیر یكنواخت است و داخل باندهای نازك برشی متمركز می‌شود كه سبب ایجاد جریان پلاستیك دندانه دندانه می شود شكل (2-6). عمده نقطه ضعف مكانیكی فلزات آمورف داكتیلیته آنها است كه محدود است فلزات آمورف یكپارچه فقط در حدود 1% كرنش پلاستیك در فشار تحمل می كنند كه كمتر از فولادهای مخصوص و آلیاژهای Ti است در كشش به طور كلی فلزات آمورف بعد از گسترش یك باند برشی می شكنند و هیچ گونه تغییر شكل پلاستیك از خود نشان نمی دهند. اما تحت شرایط بارگذاری خاص مثل پروسة نورد می توان با ایجاد چندین باند برش، كرنش بیشتری ایجاد كرد و از شكسته شدن نمونه جلوگیری نمود[6].

---

جهت دریافت فایل  فلزات آمورفلطفا آن را خریداری نمایید