دانلود مقاله فازها وساختارهای بلوری

فازها وساختارهای بلوری
1-1 مقدمه
فولادها گروهی از آلیاژهای آهن – کربن و عناصر دیگرند که بیشترین کاربرد را در صنعت و فن آوری دارند. یکی از دلایل اصلی کاربرد وسیع فولادها از خواص کاملاً متنوعی که می توان به کمک روشهای مختلف عملیات حرارتی در آنها به وجود آورد. در شکل 1-1 اثر درصد کربن و عملیات حرارتی مختلف بر روی میکروساختار، استحکام تسلیم و انعطاف پذیری فولادهای کربنی ساده نشان داده شده است. با افزایش کربن از تقریباً صفر در صد تا 8/0 درصد استحکام تسلیم از 103 Mpa (1500psi) به 448 Mpa (65000 psi) افزایش یافته و انعطاف پذیری از 62 درصد به 14 درصد کاهش می یابد. اگر فولاد یاد شده به مدت یک ساعت در 1000 درجه سانتگیراد حرارت داده شود و سپس به آهستگی (به عنوان مثال در مدت 24 ساعت) تا 25 درجه سانتگیراد سرد شود، میکروساختار نشان داده شده در شکل 1-1 (ج) به دست می آید. فولاد یاد شده دارای استحکام تسلیم 448 Mpa (6500 psi) و انعطاف پذیری 14 درصد است. لیکن، اگر فولاد یاد شده به مدت یک ساعت در 1000 درجه سانتگیراد حرارت داده شود و سپس خیلی سریع (سرد کردن در آب) تا 25 درجه سانتیگراد سرد شود میکروساختار کاملاً تغییر کرده و مشابه شکل 1-1 (ه) خواهد شد. در این حالت استحکام تسلیم تا 2070 Mpa (300000 psi) افزایش یافته و انعطاف پذیری تا 1 درصد کاهش می یابد. گرچه سرد کردن فولاد در آب باعث افزایش استحکام آن می شود، ولی شکنندگی آن را نیز افزایش می دهد. اگر فولاد در آب سرد شده را مجدداً حرارت داده و به مدت یک ساعت در 500 درجه سانتگیراد نگه داشته و سپس تا دمای اتاق سرد کنیم میکروساختار نشان داده شده در شکل 1-1 (و) به دست می آید. در این حالت انعطاف پذیری تا 7 درصد افزایش می یابد ولی استحکام تسلیم به 966 Mpa (140000 psi) کاهش خواهد یافت. کاربرد وسیع فولادها ناشی از خواص کاملاً متنوع آنهاست که به کمک تغییر درصد کربن و/ یا تغییر درصد عناصر آلیاژی و/یا تغییر نوع عملیات حرارتی امکانپذیر است. گسترده وسیع خواص متنوع فولادها ناشی از نوع، مقدار، اندازه و توزیع فازهای مختلف (به عنوان مثال سمنتیت یا کاربید آهن (Fe3C) است.

1-2 نمودار تعادلی آهن – کربن
نمودار تعادلی آهن – کرب (Fe-C) راهنمایی است که به کمک آن می توان روشهای مختلف عملیات حرارتی را بررسی و مطالعه کرد. از آنجایی که بیشتر فولادها دارای عناصر آلیاژی دیگری بجز آهن و کربن اند و این عناصر موقعیت مرز بین نواحی فازی را نسبت به فولادهای کربنی ساده تغییر می دهند، نمودار تعادلی آهن- کربن باید فقط به عنوان یک راهنما استفاده شود. ساختارهای ناتعادلی حاصل از بعضی از روشهای عملیات حرارتی (به عنوان مثال سرد کردن فولادها در آب) باعث می شود که کاربرد نمودار تعادلی آهن – کربن در عملیات حرارتی محدودتر شود. فولادها آلیاژهای آهن-کربن و عناصر دیگر بوده که دارای کمتر از 2 درصد کربن (معمولاً یک و یا کمتر از آن) اند. بنابراین، قسمتی از نمودار که دارای کمتر از 2 درصد کربن است بیشترین اهمیت را در رابطه با عملیات حرارتی فولادها دارد. خط ممتد، تعادل بین فازهای مختلف آهن و سمنتیت (Fe3¬C) و خط منقطع، تعادل بین فازهای مختلف آهن و گرافیت یا کربن آزاد را مشخص می کند. گرافیت حالتی از کربن بوده که بسیار پایدارتر از سمنتیت است و در صورتی که به سمنتیت فرصت داده شود سرانجام به گرافیت تجزیه خواهد شد. در فولادها گرافیت زایی به ندرت انجام و به همین دلیل نمودار آهن- سمنتیت جهت مطالعه و بررسی عملیات حرارتی فولادها مناسبتر است. در چدنها، وجود مقادیر کربن و سیلیسیم نسبتاً بالاتر تجزینه سمنتیت و تشکیل گرافیت را ترغیب می کند. بنابراین فن آوری چدنها بیشتر بر اساس نمودار آهن- گرافیت استوار است.
نمودار شکل 1-2 فقط در فشار یک اتمسفر صادق است. تحت فشارهای بیشتر فصل مشترکهای بین نواحی مختلف فازی تغییر مکان داده و همچنین فازهای جدیدی به وجود می آیند. آهن خالص، تحت فشارهای زیاد، آهن با شبکه بلوری منشور فشرده (hcp) موسوم به آهن اپسیلن به وجود می آید. نقطه سه گانه بین آهن آلفا، آهن گاما و آهن اپسیلن در 770 درجه کلوین و 110 کیلوبار است.
1-2-1 ساختارهای بلوری و خواص آهن خالص
آهن عنصری چند شکلی است. بدین معنی که در فشار یک اتمسفر با افزایش دما، شبکه بلوری آن تغییر می کند. آهن آلفا یا آهن فریتی از صفر مطلق تا 912 درجه سانتیگراد آهن گاما یا آهن آستنیتی در دماهایی بین 912-1394 درجه سانتیگیراد و آهن دلتا از 1394 درجه سانتیگراد تا نقطه ذوب آهن خالص یا 1538 درجه سانتگیراد پایدار است.
الف: آهن آلفا
آهن آلفا یا آهن فریتی جزء سیستم مکعبی بوده و شبکه بلوری آن مکعب مرکزدار (bcc) است (شکل 1-3). بدین صورت که تمام اضلاع آن مساوی بوده (به طول a) و بر همدیگر عمودند. جمع کل اتمهای واحد شبکه برابر با یک اتم در مرکز مکعب به علاوه از 8 اتم موجود در گوشه هاست که برابر 2 اتم می شود.
پارامتر شبکه آهن آلفا در دمای اتاق 86/2 انگسترم (nm 286/0) است. قطرهای اصلی واحد شبکه bcc در جهات > 111< است="" که="" همان="" جهات="" با="" چگالی="" زیادند.="" اتم="" مرکزی="" دارای="" 8="" اتم="" همسایه="" با="" نزدیکترین="" فاصله="" از="" آن="" است.="" فاصله="" مراکز="" اتمهای="" یاد="" شده="" از="" مرکز="" اتم="" مرکزی="" برابر="" با="" نصف="" قطر="" اصلی="" یا="" است.="">