بررسی تاثیر افزودن مس بر ریز ساختار و خواص مکانیکی چدن داکتیل
لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه:94
پایان نامه متالوژی گرایش ذوب فلزات
فهرست مطالب :
فصل اول: مقدمه
هدف آزمایش
چدن با گرافیت کروی
کروی سازی گرافیت
مشکلات افزودن منیزیم
4-1 اهمیت جوانه زایی
انجماد و مکانیزم کروی شدن گرافیت در چدن نشکن
فصل دوم: مروری بر منابع
تغییر حالت یوتکتوئید در چدنهای نشکن
1-1-2 تشکیل حلقه های فریت در اثر تجزیه آستنیت
2-1-2 تشکیل پرلیت در اثر تجزیه آستنیت
اثر مس بر سینیتیک تغییر حالت یوتکتوئید در چدنهای نشکن
اثر مس منحنی های سرد کردن
1-2-2 اثر مس بر منحنی های تغییر حالت برحسب زمان
اثر عناصر آلیاژی بر مکانیزمهای حاکم بر فرایند تغییر حالت یوتکتوئید در چدنهای نشکن
اثر مس بر ریز ساختار چدنهای نشکن
1-3-2 اثر مس بر ساختار زمینه چدنهای نشکن
اثر مس بر مشخصات گرافیتهای کروی
اثر مس بر خواص مکانیکی چدنهای نشکن
اثر مس بر سختی چدنهای نشکن
اثر مس بر مقاومت به ضربه چدنهای نشکن
فصل سوم: روش آزمایش
روش آزمایش
فصل چهارم: نتایج
1-4- نتایج حاصل از بررسی ساختار نمونه های مورد آزمایش
2-4- نتایج حاصل از بررسی اثر مس بر ریز ساختار نمونه های مورد آزمایش
3-4- نتایج حاصل از بررسی های اثر مس بر درصد کروی شدن
4-4- نتایج حاصل از بررسی اثر مس بر اندازه گرافیتهای کروی
5-4- نتایج حاصل از بررسی اثر مس بر تعداد گرافیتهای کروی در واحد سطح
6-4- نتایج حاصل از بررسی اثر مس بر ساختار زمینه
فصل پنجم: نتیجه گیری
1-5- اثر مس بر ریز ساختار نمونه های مورد آزمایش
1-1-5- اثر مس بر درصد کروی شدن
2-1-5- اثر بر تعداد گرافیتهای کروی در واحد سطح
3-1-5- اثر مس بر اندازه گرافیتهای کروی
4-1-5- اثر مس بر ساختار زمینه
2-5- اثر مس بر خواص مکانیکی نمونه های مورد آزمایش
1-2-5- اثر مس بر خواص کشتی
2-2-5- اثر مس بر انرژی ضربه
2-2-5- اثر مس بر سختی
3-5- نتیجه گیری
منابع و مآخذ
پیوستها
چکیده :
هدف از انجام آزمایش:
در این آزمایش سعی شده که به این سؤال پاسخ داده شود که به علت افزایش سختی در اثر افزودن مس در چدنهای نشکن چیست. لذا لازم می باشد که مختصری در مورد چدنهای نشکن نکاتی یادآوری شود.
- چدن با گرافیت کروی:
چدنهای نشکن یا چدنهای گرافیت کروی، خانواده ای از چدنها هستند و همانطور که از اسمشان پیداست شکل گرافیت در آنها کروی است. همین کروی بودن گرافیت ها، باعث افزایش استحکام و چقرمگی در مقایسه با چدنهای با گرافیت ورقه ای می گردد. اصولاً چدن نشکن با افزودن منیزیم Mg در مذاب، تولید می شود. برای کروی شدن گرافیت های قطعاتی که در قالبهای ماسه ای تولید می شوند مقدار 0.07 – 0.04% منیزیم باقیمانده در قطعات ریخته شده کافی می باشد. برای قطعاتی که در قالبهای فلزی تولید می شوند مقدار % 0.02 منیزیم باقیمانده کافی می باشد. همانطور که گفته شد برای کروی نمودن گرافیتها، به منیزیم احتیاج داریم که اگر میزان منیزیم از حد مورد نظر کمی کمتر باشد، گرافیتهای فشرده با استحکام و چقرمگی پائین تری بدست می آید. اصولاً چدن نشکن در مقایسه با چدن گرافیت ورقه ای، تمایل به تبرید بیشتری دارد و برای بدست آوردن ساختار عاری از کار بید مخصوصاً در مقاطع نازک، لازم است جوانه زایی با آلیاژ سیلیسیم si انجام شود.
اندازه گرافیت کروی می تواند روی خواص مکانیکی تأثیر بگذارد. اندازه گرافیت ها به دو پارامتر بستگی دارد:
- آهنگ سرد شدن یا اندازه سطح مقطع. چون مقاطع نازک سریع سرد می شوند، تعداد بیشتری گرافیت کروی خواهند داشت.
- جوانه زنی با آلیاژ سیلیسیم، افزایش تعداد گرافیت کروی و کاهش تمایل به تبریدی بودن مخصوصاً در مقاطع نازک را باعث می شود. افزایش مقدار جوانه زا باعث افزایش تعداد گرافیتهای کروی می شود.
در حین ریخته گری این نوع چدن می توان به ساختار زمینه فریت، پرلیت، مخلوط فریت و پرلیت، آستنیت، بینایت و مار تنزیت دست یافت. چدنهای نشکن پرلینی استحکام بالایی دارند ولی چقرمگی آنها کمتر است. چدنهای نشکن فریتی – استحکام کمتری دارند ولی ازدیاد طول مبنی آنها بیشتر و مقاومت به ضربه شان خوب است.
2-1 کروی سازی گرافیت
در حال حاضر، در تمام کارخانه ها، برای کروی نمودن گرافیتهای چدن نشکن از منیزیم، استفاده می گردد. در ضمن عناصر جزئی مانند سریم و عناصر خاکی نادر موجود در آلیاژ فروسیلیکو منیزیم Fe-Si-Mg برای خنثی کردن عناصر جزیی مضرو راندمال بهتر در عمل جوانه زایی، اهمیت زیادی دارند.
روش افزودن منیزیم به روشهای مختلف اعم از ساده و پیچیده می باشد. در انتخاب یکی از روشها برای یک کارگاه معین باید فاکتور های زیادی مورد نظر قرار گیرد و در بین آنها مهمترین فاکتورها با تعیین اولویتها مشخص گردد. فاکتورهای اصلی به قرار زیر می باشند:
- روش انتخاب شده نباید با ایجاد نور و دود همراه باشد.
- قیمت تمام شده چدن تولیدی باید حداقل باشد.
- روش نباید احتیاج به سرمایه گذاری زیاد در تجهیزات داشته باشد.
- کیفیت چدن تولیدی باید مطلوب باشد.
- روش باید توانایی ریختن قطعات با وزن های مختلف را دارا باشد.
برای تولید چدن نشکن مرغوب باید کنترل دقیق به عمل آید تا مقدار منیزیم باقیمانده کم یا زیاد نباشد. از آنجائیکه دما و ترکیب شیمیای برای بازیابی منیزیم موثر میباشند، فرآیند و مواد مناسب کروی سازی مطلوب، بزرگترین عوامل بالقوه برای تغییرات منیزیم باقیمانده می باشندو
3-1 مشکلات افزودن منیزیم
افزودن منیزیم و آلیاژ آن در مذاب چدن مشکلاتی در پی دارد که تا کنون در تمام روشهای کروی نمودن کاملاً حل نشده است.
میزان پائین حلالیت: منیزیم بمقدار خیلی کم در مذاب چدن حل می شود. بنابراین آلیاژ منیزیم با آهن بصورت فرومنیزیم Fe- Mg به هیچ وجه مورد استفاده قرار نمی گیرد.
نقطه جوش پائین: وارد کردن منیزیم خالص به چدن مذاب مشکل می باشد زیرا منیزیم در درجه حرارت 1102 می جوشد که خیلی پائین تر از حرارت مذاب می باشد. بعلاوه فشار بخار زیاد منیزیم در دمای کروی نمودن، حلالیت را بسیار دشوار می سازد.
وزن مخصوص: وزن مخصوص منیزیم که خیلی پائین تر از وزن مخصوص چدن است. چون منیزیم سبکتر است روی سطح مذاب می آید که باعث جوشیدن و اکسید شدن منیزیم و نتیجتاً کاهش راندمان بازیابی می گردد.
4-1 اهمیت جوانه زایی:
جوانه زایی چدنها با آلیاژ سیلیسیم به دلایل زیر انجام می گیرد.
- افزایش تعداد هسته های یوتکتیکی
- کاهش تبریدی (کاهش مادون انجماد)
استفاده از مواد جوانه زا برای تولید چدن نشکن موجب تشکیل مراکز هسته سازی برای رسوب گرافیت می گردد و با بودن این مراکز در طول انجماد رسوب گرافیت آسانتر انجام می گیرد. وجود هسته های گرافیت به تعداد کافی یکی ار عوامل مهم برای جلوگیری از پدیده مادون انجماد (Undercooking) می باشد. بدون وجود هسته ها، کاربیدها می توانند در قطعات تشکیل شوند. وجود کاربید ها موجب نامرغوبی چدن از دیدگاه قابلیت نشکن بودن و ماشینکاری می گردد. علاوه بر آن، گرافیتی که از تجزیه بعدی کاربید ها به وجود می آید، ممکن است دارای شکل نامنظم باشد. چنانچه تلقیح مواد بشکل مناسب انجام پذیرد. معمولاً هسته های کافی برای انجام عملیات تشکیل می گردد. بطور کلی هسته سازی بیشتر کاربیدها در طول انجماد کمتر بوده است. در حقیقت چنانچه بخواهیم قطعات چدن نشکن می باشد و با انجام این کار ساختار در چدن نشکن ریخته شده، قطعاتی با خواص مکانیکی مناسب خواهیم داشت. این خواص عبارت است از: استحکام کشش و تسلیم، قابلیت انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه می باشند.
5-1 انجماد و مکانیزم کروی شدن گرافیت در چدن نشکن:
در انجماد چدن با گرافیت ورقه ای، یوتکتیک گرافیت و آستنیت تشکیل می شود. در انجماد، این یوتکتیک و گرافیت و آستنیت با مذاب در تماس است. رشد دندریت های آستنیت و هسته های گرافیت ورقه ای تا زمانی که ذوب کاملاً منجمد شود، ادامه خواهد داشت. انجماد یوتکتیک گرافیت در چدن نشکن نسبت به چدن با گرافیت ورقه ای در دمای بالاتری شروع می شود. در حین انجماد چدن نشکن، پوسته ای از آستنیت پیرامون گرافیت کروی تشکیل می شود. و بهمین علت، فقط فاز آستنیت با مذاب در تماس خواهد بود و چنین انجماد انجمادی را نیویوتکتیک می نامند هر واحد گرافیت کروی و پوسته آستنیت دور آن را می توان یک هسته در نظر گرفت که کربن باید به داخل این هسته نفوذ کند تا رشد گرافیت کروی و پوسته آستنیت دور آن را به انجماد چدن خاکستری، با سرعت کمتری انجام می شود و با شروع انجماد نیویوتکتیک هسته سازی گرافیت کروی به اتمام می رسد بنابراین تعداد گرافیتهای کروی در مرحله اول انجماد تعیین می شود. با ادامه انجماد تا دمای یوتکتیک گرافیتهای داخل پوسته های آستینیتی به رشد خود ادامه خواهند داد.
تعداد و میزان کروی شدن گرافیتها بر روی خواص چدن نشکن تأثیر بسزایی دارد. وقتی تعداد هسته یا پوسته های آستنیت کم باشد، مناطق برای نفوذ کردن به داخل پوسته آستنیت کمتر شده، و نتیجتاً تعداد گرافیت های کروی کاهش می یابد. بسته به فرایند تولید احتمال ایجاد گرافیت ورقه ای یا کروی ناقص و یا سمنتیت وجود دارد.
شکل شماره 1-1 انجماد یوتکتیکی را با منحنی خنک شدن بررسی می کند.
مروری بر منابع
1-2) تغییر حالت یوتکتوئید در چدنهای نشکن
خواص مکانیکی چدنهای نشکن بستگی به مشخصات ریز ساختار آنها دارد. قسمتی از این ریز ساختار (شکل، اندازه و نحوة توزیع گرافیت) پس از انجماد و یا به عبارتی پس از تغییر حالت یوتکتیک و قسمتی دیگر یعنی ساختار زمینه که نقش عمده را در تعیین خواص مکانیکی چدن نشکن دارا می باشد، پس از تغییر حالت یوتکتوئید شکل می گیرد ]7-1[ و از نیرو می توان تأثیر عناصر آلیاژی بر روی خواص مکانیکی چدنهای نشکن را به اثر آنها بر تغییر حالت یوتکتوئید و مسائل سینتیکی آن دارای اهمیت زیادی می باشد.
بررسی تغییر حالت یوتکتوئید در چدنها نسبت به فولادها پیچیده تر است. زیرا بر خلاف فولادها که واکنش فراپایدار «» در آنها واکنش غالب است، در چدنها این تغییر حالت بوسیلة هر دو واکنش پایدار «»که منجر به تشکیل فریت و گرافیت می شود و واکنش فرا پایدار «» که منجر به تشکیل پرلیت می شود صورت می پذیرد ]5-1[. بنابراین چون تغییر حالت صورت می پذیرد، باید با در نظر گرفتن سینتیک رشدی که هر دو واکنش را در برداشته باشد مورد بررسی قرار گیرد ]2[.
به دلیل طبیعت چند جزیی چدنها، واکنشهای پایدار و فراپایدار در یک درجه حرارت ثابت انجام نمی شوند. بلکه در یک محدودة دمایی صورت می پذیرند. محدودة دمایی انجام این واکنشها بستگی به ترکیب شیمیائی آستنیت داشته و بوسیلة عناصر آلیاژی تحت تأثیر قرار می گیرد. ضمناً محدودة دمایی انجام هر یک از این دو واکنش می تواند بر روی هم قرار گیرد. ]7 و 6 و4[.
همانطور که قبلاً نیز اشاره شد این واکنشها حالت رقابتی دارند، بطوریکه در خلال سرد کردن آهسته از میان محدودة دمایی تغییر حالت یوتکتوئید، فریت در دماهای بالاتر تشکیل شده و به رشد خود همراه با رسوب گرافیت ادامه می دهد. با کاهش بیشتر درجه حرارت و رسیدن به محدودة دمایی تشکیل پرلیت، باقیمانده آستنیت به پرلیت تبدیل می شود. عامل کنترل کنندة سرعت در هر دو حالت نفوذ اتمهای کربن در آستنیت است .
شکل 1-2: مقطعی از نمودار تعادلیسه تایی Fe – C – Si با 2 درصد سیلیسیم ]7[.
شکل 1-2 مقطعی از نمودار تعادلی سه تایی آهن – کربن – سیلیسیم با مقدار ثابت 2 درصد سیلیسیم را نشان می دهد. براساس این نمودار تغییر حالت یوتکوئید در یک نمونه چدن نشکن با ترکیب یوتکتیک را می توان به صورت زیر توضیح داد:
بلافاصله پس از کامل شده انجماد چدن نشکن و درست قبل از رسیدن درجه حرارت به دمای تغییر حالت یوتکتوئید، ساختار چدن شامل ترکیبی از گرافیتهای کروی در زمینه ای از آستنیت است. میزان کربن محلول در آستنیت در این حالت مطابق شکل 1-2 حدود 57/1 درصد می باد (نقطه E). با ادامه سرد کردن حد حلالیت کربن در آستنیت بطور قابل توجهی کاهش می یابد، در نتیجه کربن از زمینة آستنیت خارج شده و با مهاجرت اتمهای کربن از آستنیت به طرف گرافیتهای کروی، درصد کربن آستنیت کاهش پیدا می کند. بطوریکه با رسیدن درجه حرارت به محدودة دمایی تغییر حالت یوتکتوئید، میزان کربن محلول در آستنیت به حدود 67/0 درصد می رسد (نقطه S). تحت این ظرایط تغییر حالت یوتکتوئید آستنیت به «فریت + گرافیت» در یک محدودة دمایی بین درجه حرارتهای صورت می گیرد ]شکل 1-2[.
1-1-2) تشکیل حلقه های فریت در اثر تجزیه آستنیت
با کاهش درجه حرارت از درجه حرارت پایداری آستنیت به زیر درجة حرارتی که در آن تغییر حالت یوتکتوئید به وقوع می پیوندد، آستنیت از نظر ترمودینامیکی ناپایدار می شود. در این حالت واکنش پایدار«»نیاز به جوانه زنی فریت در فصل مشترک «آستنیت – گرافیت» دارد. جوانه زنی و رشد فریت بایستی با پس زدن اتمهای کربن از حجم استحاله کردة آستنیت همراه باشد، زیرا حلالیت کربن در فریت بمراتب کمتر از آستنیت است. کربن پس زده شده از آستنیت به سمت گرافیتهای کروی نفوذ می کند. در حقیقت این گرافیتها که قبل از تغییر حالت یوتکتوئید شکل گرفته اند (گرافیتهای پرویوتکتوئید) بعنوان یک نوع بانک کربن عمل می کنند، بطوریکه اتمهای کربنی را که در خلال تشکیل فریت از ساختار زمینه پس زده می شوند، می پذیرند و اتمهای کربن لازم را در خلال تشکیل آستینت در حین عملیات آستنیته کردن فراهم می کنند ]7[.
تشکیل فریت بستگی به سرعت نفوذ کربن در ساختار زمینه دارد. در مرحلة جوانه زنی نفوذ در فاز آستنیت صورت می گیرد در حالیکه به محض تشکیل حلقه های فریت پیرامون گرافیتهای کروی، نفوذ کربن بایستی از میان حلقه های فریت صورت گیرد. در یک درجه حرارت ثابت سرعت نفوذ کربن در فریت حدود 10 برابر سرعت نفوذ کربن در آستنیت است ]7 و 4[ در نتیجه نفوذ کربن در آستنیت عامل کنترل کنندة سرعت می باشد. سرعت نفوذ کربن در آستنیت با کاهش درجه حرارت بصورت نمائی کاهش می یابد و بطور کلی با حضور عناصر آلیاژی در چدن نیز کاهش پیدا می کند ]9و4و2و1[.
طرح ارائه شده در شکل 2-2 به درک بهتر مطالبی که در بالا به آن اشاره شد کمک می کن.
و...