رفتار كششي آلياژ AZ91 حاوي نقره و تحت ريخته‌گري با شرايط مختلف

هدف از پژوهش حاضر، مطالعه رفتار آلياژ منيزيم AZ91 در آزمون كشش سرد و گرم بود. براي اين منظور، آلياژ مذكور در شرايط انجمادي همراه با مبردگذاري و بدون مبردگذاري ريخته‌گري شد. در حين آماده‌سازي مذاب، عنصر نقره در مقادير مختلف به مذاب اضافه گرديد. آزمون كشش تك‌محوري در دماي اتاق و در دماي 120 درجه سانتيگراد بر روي نمونه‌هاي آلياژي با درصدهاي مختلف نقره و با شرايط انجمادي متفاوت انجام گرفت. نتايج نشان داد كه حضور نقره در آلياژ سبب تغيير در مورفولوژي فاز Mg17Al12 و تغيير در ريزساختار و خواص كششي آلياژ شد. ريزساختار و مورفولوژي رسوبات توسط ميكروسكوپ نوري مورد مطالعه قرار گرفت. همچنين سطح شكست آلياژ پس از آزمون كشش توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي بررسي شد. تغيير در مورفولوژي اين فاز بر خواص مكانيكي آلياژ اثر قابل ملاحظه‌اي دارد. اين فاز يك فاز ترد و شكننده بوده و مي‌تواند در كنار ساختار بلوري هگزاگونال منيزيم سبب تضعيف رفتار كششي آلياژ گردد. بهترين رفتار كششي براي نمونه با wt% 0.1 نقره بدون مبردگذاري به دست آمد. در اين نمونه فاز Mg17Al12 به صورت پراكنده و با پيوستگي كمتر در مرز دانه ظاهر شد. هنگامي كه مقدار نقره به wt% 0.4 افزايش يافت، خواص كششي به دليل افزايش اندازه رسوبات اين فاز در ريزساختار كاهش قابل ملاحظه‌اي يافت. انجماد همراه با مبرد اثر مثبتي بر خواص كششي آلياژ در دماهاي بالا و پايين نداشت.مقدمه: در پژوهش حاضر، اثر افزودن نقره به عنوان عنصر آلياژي همراه با تغيير در شرايط انجماد با و بدون استفاده از مبردگذاري بر ريزساختار و خواص كششي آلياژ AZ91 با استفاده از آزمون‌هاي كشش در دماي اتاق و كشش در دماي °C 120 مورد مطالعه قرار گرفت. نكته مهم در پژوهش حاضر استفاده از عنصر نقره است كه در مطالعات پيشين كمتر به آن پرداخته شده است. براي افزودن بسياري از عناصر آلياژي، مشكلاتي از قبيل احتمال اكسيد شدن، تبخير شدن و ورود به سرباره وجود دارد. هممچنين بسياري از عناصر آلياژي بايد به صورت تركيبي و در قالب يك آميژان وارد مذاب شوند، در صورتي كه در اين مطالعه، عنصر نقره به صورت گرانول خالص به مذاب اضافه شد. نقره به عنوان يك عنصر نجيب تمايل كمتري به ايجاد تركيبات شيميايي و بين‌فلزي از خود نشان مي‌دهد و از اين لحاظ پايداري خوبي را در هنگام آماده‌سازي مذاب و ريخته‌گري دارد. چنين خصوصياتي اين امكان را به وجود آورده كه در پژوهش حاضر، ريخته‌گري بدون نياز به اتمسفر كنترل شده انجام گيرد. در بسياري از تحقيقات مشابه، خواص كششي دماي بالا در محدوده‌اي از دما مورد بررسي قرار گرفته‌اند كه مكانيسم هاي خزشي فعال مي‌باشند، اما در اين پژوهش، دما تا اين اندازه بالا نيست و محدوده دمايي پايين‌تر است و هدف بررسي رفتار كشش در دماي بالا بدون رخداد خزش است. در اغلب مطالعات مربوط به رفتار مكانيكي آلياژ AZ91 اندازه دانه مهم‌ترين پارامتر مورد مطالعه بوده است، در صورتي كه در اين پژوهش، اهميت و نقش فاز β-Mg17Al12 به عنوان فاز ترد موجود در آلياژ مورد تأكيد بوده و اثر اين فاز بر خواص كششي مد نظر مي‌باشد. قابل ذكر است كه مباحث تفسير ريزساختار، تركيب شيميايي و آناليز عنصري فازهاي موجود در آلياژ در يك مقاله ديگر به قلم نويسندگان حاضر به چاپ رسيده است.روش :نمونه‌هاي AZ91 (با تركيب شيميايي متوسط حاوي 9 درصد وزني Al، 0.9 درصد وزني روي و 0.2 درصد وزني منگنز) با استفاده از ريخته‌گري در قالب دائمي توليد شدند. مواد اوليه به صورت شمش تجاري در داخل يك كوره مقاومت الكتريكي گرم شدند. قالب فولادي مجهز به مبرد مسي داراي سيستم آبگرد در يك جعبه عايق حرارتي نگهداري مي‌شد. عمليات ريخته گري در دماي 650، 750 و 850 درجه سانتي‌گراد با يا بدون مبرد انجام شد. نمونه‌هاي مكعبي (2×2×2 سانتي‌متر مكعب) از قسمت مياني و نزديك به مركز قطعات ريخته‌گري شده بريده شدند. سطح نمونه‌ها با استفاده از كاغذهاي سنباده SiC از شماره 60# تا 2500# سنباده‌زني شد. سپس نمونه‌ها بر روي يك نمد مخصوص و با استفاده از يك محلول شوينده تجاري صيقل داده شدند. براي بررسي ريزساختار، نمونه‌ها توسط محلول استيك پيكرال (مخلوطي از 10 ميلي‌ليتر اسيد استيك، 4.2 گرم اسيد پيكريك، 10 ميلي‌ليتر آب مقطر و 70 ميلي‌ليتر اتانول) به مدت 1 ثانيه حكاكي شدند. براي بررسي ريزساختار نمونه‌ها از ميكروسكوپ نوري استفاده شد.براي ارزيابي رفتار مكانيكي نمونه‌ها، آزمون‌هاي كشش در دماي اتاق (طبق استاندارد ASTM-E8) و در دماي 120℃ (طبق استاندارد ASTM-E21) انجام شدند.يافته ها:اثر هم‌زمان 0.1 درصد وزني نقره و مبردگذاريدر شكل 3، نتايج آزمون‌هاي كشش دماي اتاق بر روي نمونه‌هاي حاوي 0.1 درصد وزني نقره و با شرايط انجمادي متفاوت مربوط به نمونه 1 (ريخته‌گري بدون مبرد در دماي 650℃)، نمونه 2 (ريخته‌گري با مبرد در دماي 750℃) و نمونه 3 (ريخته‌گري با مبرد در دماي 850℃) نشان داده شده است. همان گونه كه در شكل 3 مشاهده مي‌شود، واضح است كه رفتار كششي AZ91 با 0.1 درصد وزني نقره پس از انجماد با مبردگذاري افت داشته است. نتايج نشان مي‌دهد كه نمونه حاوي wt% 0.1 نقره و ريخته‌گري شده در 650℃ داراي بهترين خواص كششي در بين تمام نمونه‌هاي با انجماد بدون مبردگذاري است.ذوب‌ريزي از 850℃ با انجماد همراه با مبردگذاري باعث بهبود خواص كششي در مقايسه با نمونه ريخته‌گري شده در دماي ℃ 750 درجه سانتيگراد شده است. به منظور توضيح عملكرد مكانيكي نمونه‌هاي مورد بحث، بررسي ريزساختار نمونه‌ها براي توضيح عملكرد مكانيكي آنها ضروري است. شكل 4 ريزساختار نمونه‌هاي ريخته‌گري شده در شرايط مختلف در پژوهش حاضر را نشان مي‌دهد.تصاوير ميكروسكوپي نمونه‌هاي حاوي 0.1 درصد وزني نقره و ريخته گري شده در شرايط مختلف در شكل‌هاي 4-الف، 4-ب و 4-ج به نمايش در آمده است. انجماد همراه با مبردگذاري مي‌تواند مورفولوژي فاز Mg17Al12 را تغيير دهد. در نمونه‌هاي با حالت‌هاي مختلف انجماد، اندازه و توزيع Mg17Al12 متفاوت است. براي نمونه ريخته‌گري شده در 650℃ كه بدون مبردگذاري توليد شده، سرعت سرد شدن بسيار بالا بود كه باعث شده فاز Mg17Al12 به صورت رسوبات مرزدانه‌اي ريز ظاهر شود. انجماد همراه با مبردگذاري نرخ انتقال حرارت را كاهش داده و اين باعث تغيير در مورفولوژي Mg17Al12 به صورت پيوستگي كمتر و ضخامت بيشتر شده است. اين اثر توسط چن و همكاران نيز گزارش شده است. كاهش نرخ انتقال حرارت سبب افزايش اندازه دانه‌هاي فاز زمينه گرديده و به تبع آن فاز Mg17Al12 نيز ضخيم‌تر شده است. مقايسه بين نمونه‌هاي ذوب‌ريزي شده در 650℃و 850℃نشان مي‌دهد كه انجماد همراه با مبردگذاري تقريباً تأثيري بر مورفولوژي فاز β ندارد، اما دماي ذوب‌ريزي بالاتر منجر به ضخامت بيشتر فاز β شده است. به طور خلاصه بايد گفت كه پس از انجماد همراه با مبردگذاري، ريزساختار AZ91 حاوي 0.1 درصد وزني نقره تغيير يافته است.مبردگذاري منجر به كاهش مقدار فاز Mg17Al12 و به طور هم‌زمان منجر به توليد رسوبات درشت و ضخيم Mg17Al12 مي‌شود. اين واقعيت باعث خواص مكانيكي ضعيف نمونه ريخته‌گري شده در 750℃ در دماي اتاق شده است. ...نتيجه گيري:- افزودن نقره به مذاب آلياژ AZ91 باعث تغيير ريزساختار و خواص مكانيكي اين آلياژ شد.- هنگامي كه نقره به AZ91 اضافه شد، مورفولوژي فاز Mg17Al12 از شبكه‌هاي مرزدانه‌اي ريز به رسوبات درشت و ضخيم با پيوستگي كمتر تغيير يافت.- كاهش پيوستگي فاز β منجر به بهبود خواص كششي در اتاق و دماهاي بالا شد.- براي نمونه‌هاي حاوي مقادير مختلف نقره بدون مبردگذاري، در آزمون كشش سرد، افزودن نقره سبب بهبود رفتار كششي آلياژ شد. در آزمون كشش گرم نيز همين روند تكرار شد.- در آزمون كشش سرد نمونه‌هاي حاوي wt% 0.1 نقره، استحكام تسليم و استحكام كششي براي نمونه ريخته‌گري شده در 650℃بيشترين مقدار بود كه مبردگذاري سبب كاهش اين مقادير شد. با افزايش دماي ذوب‌ريزي، مقادير استحكام افزايش اندكي پيدا كرد. مقادير كرنش شكست براي نمونه توليد شده با مبردگذاري در 850℃ بيشترين مقدار بود. نتايج آزمون كشش گرم نيز تقريباً به همين منوال بود