رفتار کششی آلیاژ AZ۹۱ حاوی نقره و تحت ریخته گری با شرایط مختلف

چکیدههدف از پژوهش حاضر، مطالعه رفتار آلیاژ منیزیم AZ۹۱ در آزمون کشش سرد و گرم بود. برای این منظور، آلیاژ مذکور در شرایط انجمادی همراه با مبردگذاری و بدون مبردگذاری ریخته گری شد. در حین آماده سازی مذاب، عنصر نقره در مقادیر مختلف به مذاب اضافه گردید. آزمون کشش تک محوری در دمای اتاق و در دمای ۱۲۰ درجه سانتیگراد بر روی نمونه های آلیاژی با درصدهای مختلف نقره و با شرایط انجمادی متفاوت انجام گرفت. نتایج نشان داد که حضور نقره در آلیاژ سبب تغییر در مورفولوژی فاز Mg۱۷Al۱۲ و تغییر در ریزساختار و خواص کششی آلیاژ شد. ریزساختار و مورفولوژی رسوبات توسط میکروسکوپ نوری مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین سطح شکست آلیاژ پس از آزمون کشش توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی شد. تغییر در مورفولوژی این فاز بر خواص مکانیکی آلیاژ اثر قابل ملاحظه ای دارد. این فاز یک فاز ترد و شکننده بوده و می تواند در کنار ساختار بلوری هگزاگونال منیزیم سبب تضعیف رفتار کششی آلیاژ گردد. بهترین رفتار کششی برای نمونه با wt% ۰.۱ نقره بدون مبردگذاری به دست آمد. در این نمونه فاز Mg۱۷Al۱۲ به صورت پراکنده و با پیوستگی کمتر در مرز دانه ظاهر شد. هنگامی که مقدار نقره به wt% ۰.۴ افزایش یافت، خواص کششی به دلیل افزایش اندازه رسوبات این فاز در ریزساختار کاهش قابل ملاحظه ای یافت. انجماد همراه با مبرد اثر مثبتی بر خواص کششی آلیاژ در دماهای بالا و پایین نداشت.مقدمه: در پژوهش حاضر، اثر افزودن نقره به عنوان عنصر آلیاژی همراه با تغییر در شرایط انجماد با و بدون استفاده از مبردگذاری بر ریزساختار و خواص کششی آلیاژ AZ۹۱ با استفاده از آزمون های کشش در دمای اتاق و کشش در دمای °C ۱۲۰ مورد مطالعه قرار گرفت. نکته مهم در پژوهش حاضر استفاده از عنصر نقره است که در مطالعات پیشین کمتر به آن پرداخته شده است. برای افزودن بسیاری از عناصر آلیاژی، مشکلاتی از قبیل احتمال اکسید شدن، تبخیر شدن و ورود به سرباره وجود دارد. هممچنین بسیاری از عناصر آلیاژی باید به صورت ترکیبی و در قالب یک آمیژان وارد مذاب شوند، در صورتی که در این مطالعه، عنصر نقره به صورت گرانول خالص به مذاب اضافه شد. نقره به عنوان یک عنصر نجیب تمایل کمتری به ایجاد ترکیبات شیمیایی و بین فلزی از خود نشان می دهد و از این لحاظ پایداری خوبی را در هنگام آماده سازی مذاب و ریخته گری دارد. چنین خصوصیاتی این امکان را به وجود آورده که در پژوهش حاضر، ریخته گری بدون نیاز به اتمسفر کنترل شده انجام گیرد. در بسیاری از تحقیقات مشابه، خواص کششی دمای بالا در محدوده ای از دما مورد بررسی قرار گرفته اند که مکانیسم های خزشی فعال می باشند، اما در این پژوهش، دما تا این اندازه بالا نیست و محدوده دمایی پایین تر است و هدف بررسی رفتار کشش در دمای بالا بدون رخداد خزش است. در اغلب مطالعات مربوط به رفتار مکانیکی آلیاژ AZ۹۱ اندازه دانه مهم ترین پارامتر مورد مطالعه بوده است، در صورتی که در این پژوهش، اهمیت و نقش فاز β-Mg۱۷Al۱۲ به عنوان فاز ترد موجود در آلیاژ مورد تاکید بوده و اثر این فاز بر خواص کششی مد نظر می باشد. قابل ذکر است که مباحث تفسیر ریزساختار، ترکیب شیمیایی و آنالیز عنصری فازهای موجود در آلیاژ در یک مقاله دیگر به قلم نویسندگان حاضر به چاپ رسیده است.روش­:نمونه های AZ۹۱ (با ترکیب شیمیایی متوسط حاوی ۹ درصد وزنی Al، ۰.۹ درصد وزنی روی و ۰.۲ درصد وزنی منگنز) با استفاده از ریخته گری در قالب دائمی تولید شدند. مواد اولیه به صورت شمش تجاری در داخل یک کوره مقاومت الکتریکی گرم شدند. قالب فولادی مجهز به مبرد مسی دارای سیستم آبگرد در یک جعبه عایق حرارتی نگهداری می شد. عملیات ریخته گری در دمای ۶۵۰، ۷۵۰ و ۸۵۰ درجه سانتی گراد با یا بدون مبرد انجام شد. نمونه های مکعبی (۲×۲×۲ سانتی متر مکعب) از قسمت میانی و نزدیک به مرکز قطعات ریخته گری شده بریده شدند. سطح نمونه ها با استفاده از کاغذهای سنباده SiC از شماره ۶۰# تا ۲۵۰۰# سنباده زنی شد. سپس نمونه ها بر روی یک نمد مخصوص و با استفاده از یک محلول شوینده تجاری صیقل داده شدند. برای بررسی ریزساختار، نمونه ها توسط محلول استیک پیکرال (مخلوطی از ۱۰ میلی لیتر اسید استیک، ۴.۲ گرم اسید پیکریک، ۱۰ میلی لیتر آب مقطر و ۷۰ میلی لیتر اتانول) به مدت ۱ ثانیه حکاکی شدند. برای بررسی ریزساختار نمونه ها از میکروسکوپ نوری استفاده شد.برای ارزیابی رفتار مکانیکی نمونه ها، آزمون های کشش در دمای اتاق (طبق استاندارد ASTM-E۸) و در دمای °C ۱۲۰ (طبق استاندارد ASTM-E۲۱) انجام شدند.یافته­ ها:اثر هم زمان ۰.۱ درصد وزنی نقره و مبردگذاریدر شکل ۳، نتایج آزمون های کشش دمای اتاق بر روی نمونه های حاوی ۰.۱ درصد وزنی نقره و با شرایط انجمادی متفاوت مربوط به نمونه ۱ (ریخته گری بدون مبرد در دمای ˚C ۶۵۰)، نمونه ۲ (ریخته گری با مبرد در دمای ˚C ۷۵۰) و نمونه ۳ (ریخته گری با مبرد در دمای ˚C ۸۵۰) نشان داده شده است. همان گونه که در شکل ۳ مشاهده می شود، واضح است که رفتار کششی AZ۹۱ با ۰.۱ درصد وزنی نقره پس از انجماد با مبردگذاری افت داشته است. نتایج نشان می دهد که نمونه حاوی wt% ۰.۱ نقره و ریخته گری شده در  °C ۶۵۰ دارای بهترین خواص کششی در بین تمام نمونه های با انجماد بدون مبردگذاری است.ذوب ریزی از °C ۸۵۰ با انجماد همراه با مبردگذاری باعث بهبود خواص کششی در مقایسه با نمونه ریخته گری شده در دمای °C ۷۵۰ درجه سانتیگراد شده است.  به منظور توضیح عملکرد مکانیکی نمونه های مورد بحث، بررسی ریزساختار نمونه ها برای توضیح عملکرد مکانیکی آنها ضروری است. شکل ۴ ریزساختار نمونه های ریخته گری شده در شرایط مختلف در پژوهش حاضر را نشان می دهد.تصاویر میکروسکوپی نمونه های حاوی ۰.۱ درصد وزنی نقره و ریخته گری شده در شرایط مختلف در شکل های ۴-الف، ۴-ب و ۴-ج به نمایش در آمده است. انجماد همراه با مبردگذاری می تواند مورفولوژی فاز Mg۱۷Al۱۲ را تغییر دهد. در نمونه های با حالت های مختلف انجماد، اندازه و توزیع Mg۱۷Al۱۲ متفاوت است. برای نمونه ریخته گری شده در °C ۶۵۰، که بدون مبردگذاری تولید شده، سرعت سرد شدن بسیار بالا بود که باعث شده فاز Mg۱۷Al۱۲ به صورت رسوبات مرزدانه ای ریز ظاهر شود. انجماد همراه با مبردگذاری نرخ انتقال حرارت را کاهش داده و این باعث تغییر در مورفولوژی Mg۱۷Al۱۲ به صورت پیوستگی کمتر و ضخامت بیشتر شده است. این اثر توسط چن و همکاران نیز گزارش شده است. کاهش نرخ انتقال حرارت سبب افزایش اندازه دانه های فاز زمینه گردیده و به تبع آن فاز Mg۱۷Al۱۲ نیز ضخیم تر شده است. مقایسه بین نمونه های ذوب ریزی شده در °C ۶۵۰ و °C ۸۵۰ نشان می دهد که انجماد همراه با مبردگذاری تقریبا تاثیری بر مورفولوژی فاز β ندارد، اما دمای ذوب ریزی بالاتر منجر به ضخامت بیشتر فاز β شده است. به طور خلاصه باید گفت که پس از انجماد همراه با مبردگذاری، ریزساختار AZ۹۱ حاوی ۰.۱ درصد وزنی نقره تغییر یافته است.مبردگذاری منجر به کاهش مقدار فاز Mg۱۷Al۱۲ و به طور هم زمان منجر به تولید رسوبات درشت و ضخیم Mg۱۷Al۱۲ می شود. این واقعیت باعث خواص مکانیکی ضعیف نمونه ریخته گری شده در °C ۷۵۰ در دمای اتاق شده است. ...نتیجه­ گیری:- افزودن نقره به مذاب آلیاژ AZ۹۱ باعث تغییر ریزساختار و خواص مکانیکی این آلیاژ شد.- هنگامی که نقره به AZ۹۱ اضافه شد، مورفولوژی فاز Mg۱۷Al۱۲ از شبکه های مرزدانه ای ریز به رسوبات درشت و ضخیم با پیوستگی کمتر تغییر یافت.- کاهش پیوستگی فاز β منجر به بهبود خواص کششی در اتاق و دماهای بالا شد.- برای نمونه های حاوی مقادیر مختلف نقره بدون مبردگذاری، در آزمون کشش سرد، افزودن نقره سبب بهبود رفتار کششی آلیاژ شد. در آزمون کشش گرم نیز همین روند تکرار شد.- در آزمون کشش سرد نمونه های حاوی wt% ۰.۱ نقره، استحکام تسلیم و استحکام کششی برای نمونه ریخته گری شده در  °C ۶۵۰ بیشترین مقدار بود که مبردگذاری سبب کاهش این مقادیر شد. با افزایش دمای ذوب ریزی، مقادیر استحکام افزایش اندکی پیدا کرد. مقادیر کرنش شکست برای نمونه تولید شده با مبردگذاری در °C ۸۵۰ بیشترین مقدار بود. نتایج آزمون کشش گرم نیز تقریبا به همین منوال بود