تبلور دانه های فلزی

در فرایندهای تغییر شکل فلزات در دمای معمولی محیط تا دماهای کمتر از نصف دمای ذوب فلز، با ازدیاد تغییر شکل، چگالی نابجاییها افزایش می یابد. اما با تجمع نابجاییها پشت موانعی از قبیل ناخالصیها و مرزدانه ها و همچنین تلاقی آنها ، از تحرک نابجائیها کاسته می شود و در نتیجه استحکام و حد تسلیم افزایش و انعطاف پذیری کاهش می یابد. انرژی داخلی فلز تغییر شکل سرد یافته بیشتر از فلز تغییر شکل نیافته است. ساختار شبکه نابجایی حاصل از فلز تغییر شکل یافته از لحاظ مکانیکی پایدار اما از لحاظ ترمودینامیکی ناپایدار است. پدیده کار سختی و یا کرنش سختی که در حین تغییر شکل سرد رخ می دهد، می تواند از طریق انجام پدیده متقابلی به نام پدیده نرم شدن (softening) که با تغییر آرایش و چگالی نابجایی همراه است، جبران شود. بنابراین می توان با حرارت دادن نمونه تغییر شکل سرد یافته و افزایش دما، آن را از حالت پایداری مکانیکی خارج و شرایط را برای انجام پدیده نرم شدن فراهم آورد. در اینجا پدیده های مهمی که منجر به نرم شدن فلز تغییر شکل یافته می شوند، بازیابی و تبلور مجدد هستند. بازیابی در فلزات با stacking fault energy یا S.F.E بالا مثل آلیاژهای آلومینیم، راحت تر رخ می دهد و شامل نفوذ اتمها و جای خالی، و صعود و حرکت نابجاییها است که منجر به آرایش خاصی در موقعیت نابجاییها می شود؛ به گونه ای که ساختار حاصل شبکه چند ضلعی با مرز دانه های فرعی یا مرز های با زوایه کم را می سازد.
در مقابل تبلور مجدد یا recrystallization در فلزات با شبکه F.C.C که S.F.E پایینی دارند (مثل مس ) اتفاق می افتد. تشکیل دانه های هم محور جدید در مرحله گرم کردن، بجای ساختمان فلز تغییر شکل یافته، تبلور مجدد نامیده می شود. در فلزی مانند مس بازیابی نقصهای نقطه ای در دمای محیط انجام می شود برای مشاهده آن می توان مقاومت الکتریکی مس نورد شده را در دمای محیط و دمایی حدود -۵ درجه سانتیگراد با هم مقایسه کرد.
تبلور مجدد عبارتست از جایگزینی ساختار کار سرد شده با دسته جدیدی از دانه های فاقد کرنش. این پدیده با کاهش سختی و استحکام و افزایش نرمی اثبات می شود. چگالی نابجاییها در این پدیده به شدت کم شده و آثار کارسختی حذف می گردد.
فرایند تبلور مجدد شامل جوانه زنی یک ناحیه فاقد کرنش است که مرز آن می تواند زمینه دارای کرنش را ضمن حرکت به درون ماده فاقد کرنش دگرگون کند. با رشد مرز از جوانه ها، نابجاییها یکدیگر را خنثی کرده و حذف می شوند.
در حدود ۲ الی ۳ درصد کرنش، دانسیته نابجاییها در داخل دانه و مرز دانه یکسان است و نشانه توزیع یکنواخت کرنش در ساختار است. اما در اثر تغییر شکل زیاد، دانسیته نابجاییها در مرز دانه بیشتر شده و توزیع کرنش در ساختار ناهمگن تر می شود، در این حالت دو برابر انرژی مرز دانه انرژی ذخیره شده خواهیم داشت.
▪ عوامل موثر بر تبلور مجدد عبارتند از:
۱) میزان تغییر شکل یا کرنش اعمالی،
۲) درجه حرارت،
۳) مدت زمان نگهداشتن در دمای تبلور مجدد،
۴) اندازه دانه اولیه،
۵) آنالیز شیمیایی فلز،
۶) میزان بازیابی قبل از شروع تبلور مجدد.
▪ توجه به نکات زیر در پدیده recrystallization ضروری بنظر می رسد:
ـ تبلور مجدد فقط در صورتی می تواند انجام گیرد که مقدار حداقل تغییر شکل معینی انجام گرفته باشد.
ـ هر چقدر میزان این تغییر شکل بیشتر باشد، دمای پایین تری برای تبلور مجدد مورد نیاز است و دانه تبلور یافته نیز کوچکتر خواهد شد.
ـ با کاهش دمای تبلور مجدد مدت زمان حرارت دادن طولانی تر می شود.
ـ اندازه نهایی دانه های تبلور مجدد یافته به میزان کرنش اعمالی و دمای تبلور مجدد بستگی دارد؛
ـ هر چقدر اندازه دانه های اولیه کوچکتر باشد، میزان تغییر شکل مورد نیاز برای یک دمای تبلور مجدد معین کوچکتر است.
ـ دمای تبلور مجدد با افزایش میزان خلوص فلز کاهش می یابد.
ـ اگر دانه های جدید فاقد کرنش در دمایی بیشتر از دمای لازم برای تبلور مجدد حرارت داده شوند، اندازه دانه بسیار زیاد خواهد شد.
ـ دمای تبلور مجدد یک دمای ثابتی نیست و به عوامل فوق بستگی دارد، اما در کارهای عملی دمای تبلور مجدد، دمایی تعریف می شود که در آن: تبلور مجدد آلیاژی که تغییر شکل سرد یافته (به مقدار زیاد) در مدت یک ساعت بطور کامل انجام گیرد.
تبلور مجدد را می توان برای فلزات خالص صنعتی به کمک رابطه T > (۰.۴-۰.۵) Tm بصورت تقریبی تخمین زد. البته برای مسی که ۲-۳ درصد کرنش داشته باشد، دمای تبلور مجدد ۰/۵Tm یعنی حدوداً ۴۰۰ درجه سانتیگراد قابل تصور است اما با افزایش میزان تغییر شکل و مثلاً برای ۹۰ درصد تغییر شکل، دمای تبلور مجدد کاهش یافته و به سمت ۲۰۰ درجه سانتیگراد میل می کند.
سینتیک تبلور مجدد: با افزایش دما، افزایش میزان کرنش، و کاهش اندازه دانه، سرعت پدیده تبلور مجدد بیشتر می شود.
نکته دیگر آنکه ریزساختار تبلور مجدد یافته در حالت تعادل ترمودینامیکی نیست. از این رو با طولانی تر شدن زمان حرارت دهی دانه های کریستالی به رشد خود ادامه می دهند. نیرو محرکه رشد دانه ها، انرژی مرز دانه (کاهش انرژی آزاد) حاصل از کاهش سطح خارجی مرزدانه ها در واحد حجم نسبت به افزایش اندازه دانه است. مرحله رشد دانه به شدت به درجه حرارت بستگی دارد. تبلور مجدد ثانویه نیز در مرحله رشد دانه، شناسایی شده است: در تبلور مجدد ثانویه فقط تعدادی از دانه ها بطور ترجیحی رشد می کنند، بطوری که در حین تبلور مجدد ثانویه دانه های بزرگتر در کنار دانه های نسبتاً کوچک تبلور مجدد اولیه شکل می گیرند.
در فرایند recrystallization فلزاتی چون مس و آهن و آلومینیم، گاهی کریستالهای جدید در موقعیتهای مرتبی که تعیین شده است رشد می کنند، و بافت یا texture تبلور مجدد می سازند. این texture اغلب با texture تغییر شکل فرق دارد اما در بعضی موارد ممکن است این دو یکسان باشند.
اگر ورق مس را پس از نوردکاری سرد تا کاهش مقطع ۸۰ درصد یا بیشتر، آنیل کنند، بافتی مکعبی تشکیل می دهد که در آن امتدادهای <۱۰۰> با امتدادهای نوردکاری، پهنا و ضخامت ورق همراستا می باشد در تحقیقی که با همکاری آژانس بین المللی انرژی اتمی و مرکز بین المللی فیزیک تئوری در سال ۱۹۸۷ در مراکز دانشگاهی مصر انجام گرفت، توان اورامی بعنوان پارامتری مستقل از دما در تبلور مجدد مس خالص (حین فرایند آنیل ایزوترمال و ایزوکرونال به معنی همدما و همزمان) مورد بررسی قرار گرفت . در این تحقیق مشاهده شد که جوانه زنی مس خالص در دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد آغاز می شود؛ توان اورامی مستقل از دما و برابر ۱ بدست آمد؛ ضریب ثابت K در معادله اورامی وابسته به دما بوده و با افزایش دما زیاد می شود، این مقدار برای دماهای ۳۰۰ و ۳۵۰ درجه سانتیگراد به ترتیب ۰۰۰۲/۰ و ۰۰۰۷۵/۰ گزارش شده است؛ در تحقیق دیگری که توسط Kazeminazhad & Karimi Taheri انجام شده است، سیمهای مسی (مس خالص ۹۹ درصد) نورد تخت (بعنوان یک فرایند تغییر شکل ناهمگن) و سپس آنیل شده ، و تبلور مجدد و توزیع اندازه دانه در نمونه های نهایی مورد بررسی قرار گرفته است. انرژی ذخیره شده در نمونه ها بعد از نورد تخت از سطح به مرکز افزایش می یابد، همچنین کرنش موثر ماکزیمم و مینیمم به ترتیب در مرکز و سطح نمونه ها بدست می آیند، این نشانه عدم یکنواختی در توزیع کرنش و انرژی ذخیره شده بعد از نورد تخت در ماده مورد نظر است و می تواند باعث عدم یکنواختی ساختار بعد از آنیل هم بشود. به دلیل دانسیته بالای جوانه ها در مناطق با انرژی ذخیره شده بیشتر، بعد از فرایند آنیل و وقوع پدیده تبلور مجدد، اندازه دانه ها نیز از سطح به مغز نمونه ریزتر می شوند.
Christian ، توان اورامی (Avrami Exponent) را برای جوانه زنی از سایتهای اشباع در مس و در همه بازه های دمایی عدد ۳ و با آنالیز دو بعدی تغییر شکل همگن عدد ۲ گزارش کرده است. اما در این تحقیق با استفاده از شبیه سازی مونت کارلو، و رسم نمودار تغییرات کسر تبلور یافته بر حسب زمان، توان اورامی (شیب نمودار) ۱ بدست آمد که در سازگاری با عدد گزارش شده از Rollett et al. برای تغییر شکل ناهمگن فلزات می باشد. دلیل توان اورامی کوچکتر در تغییر شکلهای ناهمگن به دلیل تبدیل تبلور مجدد سریع به تبلور مجدد با سرعت کمتر می باشد. نمودار تغییرات کسر تبلور یافته بر حسب زمان به شکل S ناقص است که این امر می تواند به دلیل شیب کم ابتدای تبلور مجدد باشد.
به دلیل آنکه سینتیک رشد دانه در دانه های ریز بیشتر از دانه های درشت است، با افزایش زمان آنیل و رشد دانه، تفاوت بین اندازه دانه ها در مناطق مختلف کمتر می شود.
اما در تحقیق دیگری که بر روی آلیاژ ۵۰۸۳ آلومینیم انجام شده است، کاملاً عکس مشاهدات فوق گزارش شده است: تمرکز بیشتر انرژی ذخیره شده در سطح نمونه های نورد شده، به دلیل وجود اصطکاک و کرنشهای برشی در سطح تماس نمونه با غلطک و به دنبال آن اندازه دانه ریزتر در سطح نمونه ها .
در پایان این نکته را بار دیگر متذکر می شویم که کنترل فرایندهایی چون تبلور مجدد می تواند متخصصان شکلدهی فلزات را در بدست آوردن خواص مطلوب بعد از کار گرم یاری رساند.

شیوا اسلامی
منابع لاتین در دفتر مجله موجود است.

منبع : مجله گسترش صنعت