تبلور مجدد

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

در متالورژی انجام کار سرد باعث افزایش استحکام و سختی و کاهش انعطاف‌پذیری و یا شکل پذیری می‌شود. این پدیده در اثر ادامه انجام کار سرد افزایش یافته و در نتیجه انرژی داخی افزایش می‌یابد. این کار باعث می¬شود که ماده از نظر ترمودینامیکی ناپایدار باشد. حرارت دادن به چنین ماده‌ای می‌تواند معایب بلوری را از بین برده و ریزساختار و خواص فیزیکی و مکانیکی اولیه را بازسازی کند. این پدیده تحت عنوان «بازیابی» و «تبلور مجدد» بررسی می‌شود.[۱] تبلور مجدد فرآیندی است که در آن دانه های تغییر شکل یافته با گروهی جدید از دانه های بی نقص جایگزین می شوند که شامل دو مرحله جوانه زنی و رشد کردن تا زمانی که دانه اصلی بطور کامل دربرگرفته شود می باشند . تبلور مجدد معمولا با کاهش استحکام و سختی ماده و افزایش شکل پذیری آن همراه می باشد . بنابراین این فرآیند ممکن است معرف یک مرحله ی تعمدی از فرآیند مدنظر و یا به عنوان یک فرآورده فرعی ناخواسته توسط مرحله دیگری از فرآیند باشد . مهم ترین کاربرد صنعتی این فرآیند نرم کردن و کنترل اندازه دانه فلزاتی است که به طور پیوسته توسط کار سرد سخت شده اند و شکل پذیری خود را از دست داده اند . همچنین پس از عملیات تبلور مجدد تنش های پسماند ماده آزاد می شود و میتواند برای این منظور نیز مورد استفاده قرار بگیرد .

تعریف[ویرایش]

Three EBSD maps of the stored energy in an Al-Mg-Mn alloy after exposure to increasing recrystallization temperature. The volume fraction of recrystallized grains (light) increases with temperature for a given time. Luke Hagen

به عنوان فرآیندی که در آن دانه های یک ساختار کریستالی در ساختار جدید و یا شکل کریستالی جدید می آیند ، تعریف می شود . بیان کردن تعریف جامع تر تبلور مجدد دشوار است زیرا این فرآیند شدیدا به چند فرآیند دیگر مانند بازیابی و رشد دانه ها مربوط است . در برخی موارد تعیین اینکه کدام فرآیند شروع و کدام یک پایان میابد دشوار است . Doherty و همکارانش [۲] در سال 1997 تبلور مجدد را اینگونه تعریف کردند: " تشکیل دانه ای جدید در ما ده تغییر شکل یافته ( ماتریس ) بوسیله تشکیل و حرکت مرز دانه با زاویه زیاد توسط انرژی ذخیره شده بر اثر تغییر شکل ( مرز دانه با زاویه زیاد به مرز دانه هایی با زاویه بزرگتر از 15-10 درجه اطلاق می شود) ."

بنابراین این فرآیند می تواند از فرآیند بازیابی (که در آن مرزهای با زاویه زیاد حرکت نمی کنند ) و رشد دانه (که در آن نیروی محرکه تنها به دلیل کاهش ناحیه مرز دانه می باشد ) متفاوت شود .

تبلور مجدد ممکن است حین و یا بعد از عملیات تغییر شکل رخ دهد . تبلور مجددی که حین عملیات تغییر شکل رخ می دهد تبلور مجدد دینامیکی نام دارد که در آن دو عامل دما و کرنش دخیل می باشند . همچنین تبلور مجددی که پس از عملیات تغییر شکل و طی فرآیندی مانند خنک شدن و یا عملیات حرارتی ثانویه ایجاد می شود را تبلور مجدد استاتیکی می نامند که فقط دما در آن دخیل است . علاوه بر این تبلور مجدد می تواند به صورت غیر پیوسته که در آن دانه های متمایز جدید تشکیل می شوند و رشد می یابند و یا به صورت پیوسته که در آن میکرو ساختار رفته رفته به میکرو ساختاری تبلور مجدد یافته تکامل می یابد ، انجام شود . تحقیقات اخیر نشان داده است که مرز بین پدیده های مختلف آنیل کردن اغلب نامشخص است و مشخص شده است که بازیابی ، تبلور مجدد و رشد دانه ها ممکن است به دو طریق اتفاق بیفتد . ممکن است آنها به صورت نا همگن در سرتاسر ماده اتفاق بیفتند که شامل دو مرحله قابل تشخیص جوانه زنی و رشد می باشد . این حالت بیانگر فرآیندی پیوسته است . همچنین آنها ممکن است به صورت یکنواخت اتفاق بیفتند ، به طوری که میکروساختار رفته رفته و بدون مراحل قابل شناسایی جوانه زنی و رشد ، نمو پیدا کند . این حالت نیز فرآیند پیوسته نامیده می شود[1] . مکانیزم های مختلفی که در آنها تبلور مجدد و بازیابی اتفاق می افتد ، پیچیده اند و در بسیاری از موارد هنوز مورد بحث باقی مانده اند . توضیحاتی که در ادامه آورده شده است مربوط به تبلور مجدد پیوسته استاتیکی است .

قوانین تبلور مجدد[ویرایش]

تعدادی قوانین عمدتا تجربی برای فرآیند تبلور مجدد موجود می باشد .

  1. بر اثر حرارت فعال می شوند : سرعت مکانیزم میکروسکوپی کنترل کننده جوانه زنی و رشد دانه های تبلور مجدد یافته به دمای فرآیند آنیل بستگی دارد . معادله آرنیوس حاکی از یک رابطه توانی بین این دو می باشد .
  2. دمای بحرانی : پیرو قانون قبلی مشخص می شود که انجام فرآیند تبلور مجدد نیازمند یک حداقل دما برای مکانیزم های اتمی می باشد .
  3. تغییر شکل بحرانی : مقدار کار از قبل اعمال شده بر روی ماده باید برابر مقدار انرژی لازم برای جوانه زنی و محرک رشد جوانه ها باشد .
  4. اثیر تغییر شکل بر دمای بحرانی : افزایش میزان تغییر شکل انجام شده قبلی بر ماده یا کاهش دمای تغییر شکل آن ، انرژی ذخیره شده و تعداد جوانه ها ی بالقوه را افزایش می دهد . در نتیجه دمای فرآیند تبلور مجدد با افزایش مقدار کار از قبل اعمال شده به ماده کاهش می یابد .
  5. تاثیر اندازه دانه های اولیه بر دمای بحرانی : مرز دانه ها مکان مناسبی برای تشکیل جوانه است . از آنجاییکه افزایش اندازه دانه باعث کاهش میزان مرز دانه می شود ، پس همچنین باعث کاهش نرخ جوانه زنی ( به دلیل کاهش مکان مناسب برای ایجاد جوانه ) و در نتیجه افزایش دمای مورد نیاز برای تبلور مجدد می شود .
  6. تاثیر تغییر شکل بر اندازه ی دانه نهایی : افزایش میزان تغییر شکل انجام شده قبلی و یا کاهش دمای آن باعث افزایش نرخ جوانه زنی نسبت به رشد جوانه ها می شود و تعداد جوانه های ما بیشتر می شود ، در نتیجه با افزایش میزان تغییر شکل ، اندازه دانه نهایی کوچک تر می شود .

نیروی محرک[ویرایش]

حین تغییر شکل پلاستیک کار به عنوان انتگرال تنش و کرنش در ناحیه تغییر شکل پلاستیک بیان می شود . اگر چه بخش عمده این کار به گرما تبدیل می شود ف اما کسری از آن ( % 1-5 ) در ماده به صورت نقص ، بخصوص نابجایی باقی می ماند . آرایش یافتن مجدد یا حذف این نابجایی ها انرژی داخلی سیستم را کاهش می دهد و بدین ترتیب یک نیروی محرکه ترمودینامیکی برای چنین فرآیند هایی وجود دارد . در دمای معتدل به دمای بالا ، مخصوصا در موادی که خطای انباشتگی بالایی دارند ( مانند آلومینیوم و نیکل ) فرآیند بازیابی به آسانی رخ می دهد و نابجایی های آزاد به آسانی آرایش خود را بازیابی می کنند و به صورت زیر دانه های احاطه شده بوسیله ی مرزهای کم زاویه در می آیند . نیروی محرک ، اختلاف انرژی بین ناحیه تغییر شکل یافته و ناحیه تبلور مجدد یافته است . ∆E می تواند بوسیله چگالی نابجایی ها و اندازه زیردانه و انرژی مرز دانه تعیین شود[۳]

که در آن ρ چگالی نابجایی ، G مدول برشی ، b بردار برگرز نابجایی ، γs انرژی مرزدانه زبردانه و ds اندازه زیردانه می باشد .

جوانه زنی[ویرایش]

Recrystallization of a metallic material (a → b) and crystal grains growth (b → c → d).

در گذشته فرض می شد که نرخ جوانه زنی دانه های تبلور مجدد با مدل نوسانات حرارتی که بطور موفق برای فرآیندهای انجماد و رسوب سازی استفاده می شد ، مشخص می شود . در این نظریه فرض بر این است که به عنوان یک نتیجه ی حرکت طبیعی اتم ها ( که با دما افزایش می یابد ) ، جوانه های کوچک بطور خود به خود در ماتریس به وجود می آیند . تشکیل این جوانه ها با یک انرژی مورد نیاز برای تشکیل یک میانجی ( مرز ) جدید و یک انرژی آزاد شده در اثر تشکیل حجم جدیدی از ماده با انرژی پایین تر همراه است .اگر شعاع جوانه از شعاع بحرانی بزرگتر می بود ، از نظر ترمودینامیکی پایدار محسوب میشد و می توانست شروع به رشد کند . مشکل اساسی این نظریه این است که انرژی ذخیره شده به سبب نابجایی ها خیلی کم است (J/m3 0.1-1 ) در حالیکه انرژی مرز دانه کاملا بالاست (J/m2 0.5) . محاسبات بر اساس این مقادیر مشخص ساخت که نرخ جوانه زنی مشاهده شده بزرگتر از مقدار محاسبه شده بوسیله فاکتور بزرگ و غیر ممکن 1050 بود . در نتیجه نظریه جایگزین که توسط cahn در سال 1949 مطرح شد اکنون در جهان مورد پذیرش واقع شده است . دانه های تبلور مجدد یافته به صورت کلاسیک جوانه زنی نمیکنند ، بلکه از زیر دانه ها و سلول های موجود رشد می کنند . "زمان نهفتگی" قسمتی بعد از بازیابی است که در آن زیر دانه ها با زاویه ی مرز کم ( کمتر از 2-1 درجه ) شروع به انباشتن و متراکم کردن نابجایی ها و تغییر جهت کریستالی پیوسته ی بیشتر نسبت به همسایگان خود می کنند . افزایش در اختلاف جهت کریستالی تحرک مرز دانه و همچنین نرخ رشد زیر دانه را افزایش می دهد . اگر یک زیر دانه در ناحیه محلی خود یک برتری ( مانند چگالی نابجایی زیاد ، اندازه بزرگتر و یا جهت کریستالی مطلوب ) نسبت به همسایگان خود داشته باشد ، این زیردانه قادر به رشد سریع تر نسبت به رقبای خود خواهد بود .هنگامی که این زیردانه رشد می کند ، مرز هایش نیز با توجه به مواد اطرافش دارای اختلاف جهت بیشتر می شود تا زمانی که بتواند به صورت یک دانه ی کاملا عاری از کرنش در بیاید .

شکل 2 a تا b تبلور مجدد و b تا d رشد دانه های حاصل از تبلور مجدد را نشان می دهد .

سینتیک تبلور مجدد[ویرایش]

سینتیک تبلور مجدد عموما به صورت نمودار نمایش داده شده در ادامه می باشد .

یک زمان اولیه برای دوره جوانه زنی( t0 )وجود دارد که در آن جوانه تشکیل میشود و پس از آن با یک نرخ ثابت شروع به رشد در ماتریس تغییر شکل یافته میکند .ا گرچه این فرایند دقیقا از نظریه جوانه زنی کلاسیک پیروی نمیکند اما اغلب مشخص شده است که این روابط ریاضی حداقل تخمین نزدیکی با جوانه زنی کلاسیک فراهم میکند . برای مجموعه ای از دانه های به شکل کروی ، شعاع متوسط در زمان t برابر است با[۴] :

که در آن t0 زمان جوانه زنی و G نرخ رشد جوانه ها (dR/dt) است . اگر N جوانه در زمان افزایش dt و دانه ها به صورت کروی فرض شوند ، آنگاه کسر حجمی به صورت زیر خواهد شد:

این معادله در مراحل اولیه تبلور مجدد زمانیکه F≪1 و دانه های در حال رشد به هم برخورد نکرده باشند معتبر است . زمانی که دانه ها در آستانه برخورد قرار میگیرند نرخ رشد کم میشود و این مسئله به کسری از مواد تغییر شکل نیافته بستگی دارد که توسط معادله ی جانسون-مل به دست می آید :

در حالی که این معادله تعریف بهتری از فرایند را بیان میکند اما هنوز فرض بر این است که دانه ها به شکل کروی میباشند ، نرخ جوانه زنی و رشد ثابت است ، دانه ها به صورت تصادفی پخش شده اند و زمان جوانه زنی(t0)کوچک است . در عمل تعداد کمی از این فرضیات معتبر هستند و نیاز است که یک مدل بهتر جایگزین استفاده شود . عموما اینگونه تصدیق شده است که هر مدل مفیدی باید نه تنها برای شرایط اولیه ی ماده جواب دهد ، بلکه همواره برای روابط در حال تغییر بین رشد دانه ها ، ماتریس تغییر شکل یافته و هر فاز ثانویه یا فاکتور های میکرو ساختاری دیگر نیز پاسخگو باشد . این مسأله بیشتر در سیستم های دینامیکی که تغییر شکل و تبلور مجدد همزمان انجام میشود ، پیچیده تر میشود . در نتیجه بطور کلی ثابت کردن یک مدل پیشبینی دقیق برای فرایند های صنعتی بدون توسل به آزمون های تجربی گوناگون غیر ممکن است .

فاکتور های مؤثر در سرعت[ویرایش]

دمای فرایند آنیل تاثیر چشم گیری بر سرعت تبلور مجدد که در معادله بالا آورده شد دارد . اگرچه در یک درجه حرارت معین ، چندین فاکتور دیگر نیز در سرعت تاثیر گذار خواهند بود. سرعت تبلور مجدد به شدت تحت تاثیر میزان تغییر شکل و به میزان کمتری تحت تاثیر شیوه اعمال تغییر شکل است . موادی که در آنها تغییر شکل بیشتری اتفاق افتاده است بسیار سریعتر از موادی که به میزان کمتری تغییر شکل یافته اند ، تبلور مجدد میابند . در واقع یک میزان تغییر شکل حداقل نیاز است تا تبلور مجدد اتفاق بی افتد و با میزان تغییر شکل کمتر از این مقدار ، تبلور مجددی اتفاق نمی افتد . تغییر شکل در دمای بالاتر ممکن است باعث بازیابی شود که موافق با تبلور مجدد می باشد و در چنین مواردی تبلور مجدد با سرعت آهسته تر نسبت به مواد تغییر شکل یافته در دمای محیط انجام می شود (به طور مثال نورد سرد و گرم) در موارد خاص ممکن است تغییر شکل به صورت غیر معمولی همگن و یا فقط در صفحات خاص کریستالوگرافی اتفاق بی افتد. جهت دانه و این موضوع که در حین تغییر شکل این جهت چگونه تغییر میکند بر مقدار انرژی انباشتگی و در نتیجه بر سرعت تبلور مجدد تاثیر میگذارد . تحرک مرز دانه تحت تاثیر جهت آن است و بنابراین برخی از بافت های کریستالوگرافی نسبت به دیگری دارای سرعت رشد بیشتر هستند . اتم های حل شده چه نا خالصی ها و چه اتم هایی که به صورت عمدی اضافه شده اند تاثیر عمیقی بر سینتیک تبلور مجدد دارند . حتی یک غلظت جزئی ممکن است تاثیر مهمی داشته باشد ، به طور مثال 0.004% آهن دمای تبلور مجدد را حدود 100 درجه بالا میبرد[۴] درحال حاضر مشخص نیست که این اثر اصولا باعث کاهش جوانه زنی شده و یا تحرک مرزدانه را برای رشد کاهش میدهد .

تاثیر فاز ثانویه[ویرایش]

بسیاری از آلیاژ ها به منظور هدف صنعتی خود کسری حجمی از رسوبات فازی ثانویه را شامل میشوند ، خواه این رسوبات به صورت ناخالصی باشد و یا از عمد و به منظور خاصی به آلیاژ اضافه شده باشد .اندازه و نحوه توزیع این رسوبات ممکن است باعث تسریع و یا کند کردن تبلور مجدد شوند .

رسوبات ریز[ویرایش]

تبلور مجدد به وسیله ی رسوبات ریزی که پراکنده شده اند و فاصله آنها از هم کم میباشد ، یا متوقف میشود و یا سرعت آن به طور قابل ملاحظه ای کاهش میابد که این عمل به دلیل فشار ناشی از سنجاق شدن مرز های دانه های با زاویه کم و زیاد است . این فشار مستقیما با نیروی محرک ناشی از چگالی نابجایی ها مخالفت میکند و تاثیر آن بر سینتیک جوانه زنی و رشد جوانه می باشد . این تاثیر می تواند با توجه به تراز پراکندگی رسوبات توجیه شود که در آن Fv کسر حجمی فاز ثانویه و r شعاع آن میباشد . در نسبت پایین ، اندازه دانه به وسیله تعداد جوانه ها تعیین میشود و به همین ترتیب ممکن است که در ابتدا این اندازه خیلی کوچک باشد . اگر چه دانه ها از نظر رشد دانه ناپایدارند اما در حین عملیات آنیل آنقدر رشد میکنند تا رسوبات ، فشار کافی سنجاق کردن را برای متوقف کردن دانه ها از خود نشان دهند . در نسبت های مناسب ، اندازه دانه بازهم توسط تعداد جوانه ها مشخص میشود ، اما در اینجا دانه ها از نظر رشد معمولی پایدارند (در حالی که احتمال رشد غیر طبیعی هنوز وجود دارد) و در نسبت بالا ، ساختار تغییر شکل یافته که دچار تبلور مجدد نشده است ، پایدار میباشد و جلوی انجام تبلور مجدد گرفته شده است .

رسوبات بزرگ[ویرایش]

نواحی تغییر شکل در اطراف رسوبات بزرگ غیر قابل تغییر شکل(بالای 1 میکرومتر) ، به وسیله ی چگالی نابجایی بالا و گرادیان جهت گیری کریستالی بزرگ مشخص شده اند و مکان های ایده آل برای گسترش جوانه های تبلور مجدد میباشند . این پدیده جوانه زنی متاثر از رسوب (PSN) نامیده میشود که یکی از معدود راه های کنترل فرایند تبلور مجدد به وسیله ی کنترل توزیع رسوبات است.

اندازه ی ناحیه و اختلاف جهت مرز دانه ها در ناحیه تغییر شکل یافته به اندازه رسوبات وابسته است . بنابراین یک مقدار کمینه برای اندازه رسوبات به منظور جوانه زنی اولیه وجود دارد . افزایش میزان تغییر شکل، کمینه ی اندازه ی رسوبات را کاهش خواهد داد . اگر بازده ای PSN برابر 1 باشد ( یعنی هر رسوب یک جوانه را تحریک کند ) آنگاه اندازه دانه نهایی به آسانی توسط تعداد رسوبات تعیین میشود . اگر چندین جوانه در هر رسوب تشکیل شود این بازده بزرگتر از 1 است ، اما این موضوع یک امر غیر معمول میباشد . این بازده میتواند کمتر از 1 هم باشد اگر رسوبات نزدیک به اندازه بحرانی باشند . در این حالت بخش بزرگی از رسوبات کوچک به جای شروع به تبلور مجدد، جلوی انجام آن را میگیرند .

پیشبینی رفتار تبلور مجدد موادی که توزیع گسترده ای از اندازه رسوبات را شامل میشوند دشوار است . رسوبات آلیاژ های مرکب از نظر حرارتی ناپایدار اند و ممکن است رشد کنند و یا در اثر زمان حل شوند . این حالت در آلیاژ های دو جزئی که فقط دو جزء مجزا دارند ساده تر میشود . یک مثال آلیاژ Al-Si است که در آن نشان داده شده است که حتی در حضور رسوبات بزرگ ، رفتار تبلور مجدد توسط رسوبات کوچک تعیین میشود[۵]. در چنین مواردی میکروساختار نهایی تمایل دارد شبیه آلیاژی شامل تنها رسوبات کوچک شود .

منابع[ویرایش]

  1. عملیات حرارتی فولادها، گلعذار، ویرایش دوم، انتشارات دانشگاه اصفهان
  2. RD Doherty; DA Hughes; FJ Humphreys; JJ Jonas; D Juul Jenson; ME Kassner; WE King; TR McNelley; HJ McQueen; AD Rollett (1997). "Current Issues In Recrystallisation: A Review". Materials Science and Engineering. A238: 219–274
  3. RD Doherty (2005). "Primary Recrystallization". In RW Cahn; et al. Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Elsevier. pp. 7847–7850.
  4. ۴٫۰ ۴٫۱ FJ Humphreys; M Hatherly (2004). Recrystallisation and related annealing phenomena. Elsevier.
  5. HM Chan; FJ Humphreys (1984). "The recrystallisation of aluminium-silicon alloys containing a bimodal particle distribution". Acta Metallurgica. 32 (2): 235–243. doi:10.1016/0001-6160(84)90052-X