دانلود تحقیق فلزات آمورف

-1 مقدمه
طبق آزمایشات مستقل از دما و فشار متغیر، از نظر ترمودینامیکی، مواد سه حالت اصلی : مایع، جامد، گاز دارند.

تعیین کننده هر یک از این حالات درجه آزادی بین اتمها و قید و بند آنها به یکدیگر است و یک مرحله تحول بین هر حالت وجود دارد.

تعریف شیشه : یک مایع شیشه ای یا جامد بدون کریستال است که مشخصه های ویسکوزیته و ساختار آن نشان دهنده هم جامد و هم مایع است.

به عبارت دیگر شیشه یک جامد در دمای اتاق است زیرا ویسکوزیته آن بیش از حد توازن یعنی 6/14 10 است و از طرف دیگر هنوز یک مایع است زیرا ساختار اتمها و مولکولهای آن یک ساختار بی نظم و شبیه مایع است .

جامد از فاز کریستالی به وجود آمده است و یک کریستال از یک نظم دوره‌ای بین اتمها پیروی می کند اما مایع دارای چنین نظمی نیست و یک نظم تصادفی بین اتمها بدون تناوب و دوره خاصی را دارد.

بنابراین می گوییم، شیشه جامد و آمورفی است که اتمهای ساختار آن مانند مایع است.

مهمترین مشخصه یک شیشه علاوه بر ساختار آن، پدیده تحول و به وجود آمدن آن است.

تحول و به وجود آمدن شیشه در یک Tg ایجاد می‌شود،‌مذاب تا زیر دمای انجماد سرد می‌شود و تا زمانیکه دما کاهش می یابد ویسکوزیته نیز به صورت پیوسته زیاد می‌شود (شکل 1-1).

شکل 1-1 : دیاگرام ارتباط بین تغییرات حجم با دما از حالت مذاب تا لحظه گذر از دمای شیشه ای شدن،Tg






شکل 1-2 : دیاگرام ظرفیت گرمایی Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5
نقاط ناپیوسته Cp فلزات شیشه ای است که از دما Tg تابعیت می کنند .

در (شکل 1-1) مشاهده می شود که تغییر حجم نیز تابعی از دما است .

در کریستاله شدن، در طول سرد کردن ، ناگهان با یک افت شدید حجم رو به رو می شویم اما در تحول آمورف شدن تغییر ناگهانی حجم نداریم و تغییر حجم به صورت پیوسته صورت می‌گیرد که این روند در متغیرهای ترمودینامیکی مانند آنتروپی و آنتالپی نیز وجود دارد.

اگر چه متغیرهای ترمودینامیکی در ابتدا با دما به صورت پیوسته رابطه دارند اما در Tg با یک افزایش شیب و تغییر ناگهانی روبرو هستند.

تغییر ناگهانی ظرفیت گرمایی و انبساط گرمایی در (شکل1-2) نشان داده شده است.

تحول شیشه ای شدن در یک بازه دمایی مشخص انجام می گیرد و بیان می‌کند که در Tg، یک شیب تند و تغییر ناگهانی (Cp پرش می کند) در منحنی گرمایی DSC انجام می دهد.

سرعت کوئیچ لازم برای ساختن جامد آمورف از یک فلز خالص حدوداً K/S 1015 است که رسیدن به این سرعت سرد کردن در محیط آزمایشگاه غیر ممکن است.

که برای کم کردن این سرعت فلزات خالص را به صورت آلیاژی کرده و مورد استفاده قرارمی دهند.

در ابتدا لنز شیشه ای توسط Klemer و Willens و Duwez در دانشگاه Caltech در سال 1960 با تکنیک کوئیچ تفنگی که سرعت سرد کردنی معادلK/S 107 تولید می کرد، ساخته شد.

اما هنوز این سرعت سرد کردن برای تشکیل فلزهای های شیشه ای توده ، خیلی زیاد بود.

در سال 1980-1990 دو تحقیق گروهی در دانشگاه Tohoku و Caltech انجام شد Inoue نمونه های گوناگونی از آلیاژها را مورد بررسی قرار داد که با سرعت بحرانی بین به آمورف تبدیل می شدند.

johnson, pecker در دانشگاه Caltech (Zr41.2Ti13Cu12.5Ni10Be22.5) را ساخته که بوده و قطعه ای به قطر Cm 5 را با روش ریخته گری معمولی ساختند.

Lin و john Son یک BMG پایه مس جدیدی کشف کردند (Cu77Ti34Zr11Ni8 Vitreloy 101 ) و پایه Zr Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6 Al10; vitreloy 106 ) و vitreloy 105 Zr52.5Ti5Cu17.7Ni14.6 Al10 ) با یک CCR 10 K/S بود.

از زمان کشف viterloy 1 تا حالا، بهترین شکل آلیاژی BMG ، Vitreloy 106 می باشد که از بهترین شکل آلیاژهای بدون (Non.

Be.BMG) Be است.

شکل BMG بستری مناسب جهت جستجوی خواص مکانیکی گوناگون، رفتار ترکیبات گوناگون، جریان Criteria ، شکست و خستگی و همچنین در ترمودینامیک سرعت ایجاد کرده است.

ساختار مواد و حد الاستیک بالای BMG و همچنین استحکام کششی زیاد (2Gpa) و تافنس خوب ( 20-55 Mpa.m1/2) را ارائه کرده است.

(شکل 4-1) کشش را بین مواد مختلف و BMG نشان می دهد.

(شکل 3-1) : منحنی تنش کرنش فلز شیشه ای Vit106 و تعدادی فلز خالص .

همه نمونه ها ذوب شده و انجماد پیدا کرده اند .

همه فلزات خالص کرنش شکست پایین و داکتیلیتی بالا و در مقابل فلزات شیشه ای کرنش شکست بالا و پلاستیسیته کم از خود نشان می دهند

2-1 فلزات آمورف
یک فلز آمورف ماده فلزی است که ساختار اتمی نامنظم دارد.

برخلاف اغلب فلزات که کریستالی هستند و اتم ها چیدمان منظمی دارند، آلیاژهای آمورف غیرکریستالی هستند.

ماده ای که در آن چنین ساختار نامنظمی مستقیماً از حالت مایع، و با سرد کردن آن به دست می آید.

“شیشه” نامیده می شود و از این رو به فلزات آمورف معمولاً “فلزات شیشه ای” گفته می شود.

اما راه های دیگری برای تولید فلزات آمورف وجود دارد.

این راه ها شامل موارد زیر است:
الف) رسوب بخار فیزیکی
ب) واکنش های حالت جامد
ج) پرتو افکنی یونی
د) آلیاژسازی مکانیکی
البته به فلزات آمورفی که از این روش ها تولید می شود شیشه گفته نمی شود، هر چند مهندسین مواد، فلزات آمورف را صرف نظر از نحوه تولیدشان، به عنوان یک دسته از مواد (مواد آمورف)، در نظر می گیرند.

فلزات شیشه ای بالک یاBMG ها، فلزات آمورفی هستند که دارای یک نرخ سرد کردن بحرانی هستند که چنانچه با آن نرخ سرد کردن، یا سرعت های سرد کردن بیشتر از آن، از حالت مذاب سرد شوند.

شکل (1-4): تصویریک آلیاژ آمورف (Ni55Pd5Nb20Ti15Zr5) را در زیرTEM، درحالت سریع کوئنچ شده

می توانند به صورت آمورف درآیند، ضخامت های قابل دست یافتن در این دسته از مواد به صورت آمورف می تواند تا چند سانتی متر هم باشد شکل (1-4) تصویر یک آلیاژ آمورف (Ni55Pd5Nb20Ti15Zr5) را در زیرTEM نشان می دهد[2].

برای تولید فلزات شیشه ای از مذاب، سرعت سرد شدن باید به اندازه کافی زیاد باشد تا از جوانه زنی و رشد فازهای کریستالی در منطقه مایع تحت تبرید بین دمای ذوب شدن Tm و دمای انتقال شیشهTg جلوگیری شود.

جدیداً “اشنایدر” و “تورن بول” با به کار بردن تئوری ساده جوانه زنی نشان دادند که “دمای گذار شیشه کاهش یافته” Trg=Tg/Tm پارامتر کلیدی در مشخص کردن این مسئله است که یک فلز در حین سرد شدن می تواند شیشه ای شود یا خیر و نتیجه گرفتند که برای تولید فلزات شیشه ای به صورت بالک،Trg باید تقریباً مقدار بالایی باشد.

به منظور توسعه برخی از بهترین آلیاژهای شیشه ای“جانسون” ترکیبات مناسبی (Cu,Ni) را برای پایین آوردن دمای یوتکتیک در سیستم هایZr-Ti-Be افزود تا شیشه Cu-Ni-Be-Zr-Ti را به دست آورد.

این آلیاژها قابلیت شیشه ای شدن استثنایی و سرعت سرد شدن بحرانی بسیار پایین برای شیشه‌ای شدن دارند.

مثلاً در مورد آلیاژ Vitreloy، سرعت سرد شدن بحرانی1k/s است که این آلیاژ را برای کاربردهای مهندسی ویژه نموده است.

با همان هدف و برای بهینه کردن پایداری مایع تحت تبرید فلزی و آلیاژهای آمورف بالک،“اینو” پیشنهاد داد که سه شرط عملی زیر برای تشکیل فلزات شیشه ای بالک لازم است: 1) سیستم چند جزئی متشکل از بیش از 3 عنصر 2) اختلاف قابل توجه در نسبت اندازه اتمی حدوداً بالاتر از 12% در سه عنصر اصلی تشکیل دهنده.

3) گرمای اختلاط منفی بین عناصر اصلی تشکیل دهنده.

با انتخاب سیستم های چند جزئی مذکور، امکان تولید رشته های آمورف، توسط ریسندگی مذاب (وقتی نرخ سرد شدن بالایی مورد نیاز است) و آلیاژهای آمورف بالک به وسیله تکنیک های انجماد مثل ریخته گری قالب مسی، ریخته گری دایکاست فشار بالا، ذوب تک جهته یا کوئنچ با آب وجود دارد.

فلزات آمورف پایداری حرارتی بالا و خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی بسیار خوبی دارند که اعتقاد بر این است که پتانسیل بالایی برای کاربرد در مواد مهندسی پیشرفته دارند.

در حال حاضر BGM های پایه Zr کاربرد صنعتی پیدا کرده است و کمپانی های زیادی در آمریکا، ژاپن و چین (مانند کمپانیLiquid Metal Technologies در آمریکا) تلاش های زیادی را برای توسعه کاربرد این مواد در صنعت و صنایع نظامی آغاز کرده اند.

در حال حاضر فعالیت های بسیار زیادی در زمینه توسعه و مطالعه بر روی BGM های جدید توسط کشورهای صنعتی و صنایعشان در آمریکای شمالی، آسیا و اروپا در حال انجام است.

1-2-1 خواص آلیاژهای آمورف - مقاومت به خوردگی با انتخاب صحیح عناصر آلیاژی در آلیاژهای آمورف پایه Fe می توان مقاومت به خوردگی های بسیار بالا دست پیدا کرد.

به عنوان مثال کاهش جرم ناشی از خوردگی یک میله آلیاژی آمورف پایه آهنFe-Cr-Mo-C-B با قطر3mm در محلول6N HCL در درجه حرارت 289 درجه کلوین حدود104 برابر کوچکتر از فولادهای ضد زنگ 304 و فولادهای کرم دار است مقاومت به خوردگی بالا (مشابه حالت قبل) برای دیگر سیستم های آلیاژی آمورف (BGM) مانند Co-Ta-B,Fe-Nb-B نیز گزارش شده است.

- خواص مغناطیسی همه آلیاژهای آمورف(BGM) پایه Fe-b-Si-(Nb,Zr) ، Fe-Ga-(P,C,B), Fe- (Zr,Hf,Nb) خواص مغناطیسی نرم بسیار عالی در درجه حرارت اتاق از خود نشان می دهند شکل ( 1-5) ارتباط بین Coercive force (Hc),saturation magnetostrication را برای آلیاژهای آمورف (BMG) پایه آهن و کبالت را نسبت به آلیاژهای آمورف معمول و آلیاژهای نانوکریستال نشان می‌دهد.

آلیاژهای آمورف (BMG) پایه آهن بسیار بزرگتری (در حدود5-10*3)وHc کوچکتری نسبت به دیگر مواد دارند.

شکل 1-5 : ارتباط بین و Hc - قابلیت جوش پذیری با استفاده از پدیده پایدار کردن مایع فوق تبرید شده (SL) ورقه های آلیاژ آمورفAl-Ni-Cu-Zr با ضخامت2.5mm می تواند بدون شکل گیری هیچ گونه فاز کریستالی به کمک جوشکاری الکترون بیم electronbeam welding (EB) به یکدیگر متصل می‌شود.

تحت شرایط مناسب جوشکاری می توان یک ساختار کاملاً آمورف بدون شکل گیری هیچگونه فاز کریستالی در زمینه فلزی، منطقه دوباره ذوب شده و منطقه تحت تأثیر حرارت قرار گرفته را داشته باشیم همچنین استحکام کششی شکست نمونه های جوشکاری شده حدود1400Mpa گزارش شده است که در حدود90%-85 استحکام ورق جوشکاری شده می باشد.

- مقاومت به سایش در حال حاضر موتورهای دنده ای بسیار کوچک (Micro-gear motor) با قطر 1.5mm به کمک آلیاژ آمورف پایهNi ساخته شده است موتورهای دنده ای با قطر 1.5mm به کمک هیچ تکنیک ماشین کاری مکانیکی نمی تواند ساخته شود موتورهای دنده ای با قطر2.4mm به سختی به وسیله ماشین کاری مکانیکی فولادی SK-4 ساخته شده که دوام دنده های آلیاژ آمورف پایه Ni،313 برابر دنده های فولادی (SK-4) می باشد که طبق شکل ( 1-12)‌ چرخ دنده‌ای از جنس آلیاژ پایه Ni حتی بعد از 1875 میلیون دور شکل ظاهری خود را حفظ کرده است در حالی که چرخ دنده فولادی SK-4 به مقدار زیادی ساییده شده است.

شکل 1-6 : مقایسه جنس چرخ دنده ها در خصوص مقاومت به سایش 2-2-1 عمده نقطه ضعف مکانیکی مواد آمورف مکانیزم کار سختی در فلزات آمورف که تحت تنش به طور الاستیکی به تنش تسلیم می رسند دیده نمی شود و پس از تسلیم کرنش در یک تنش ثابت ادامه پیدا می‌کند.

در تنش بالا و دمای اتاق کرنش غیر یکنواخت است و داخل باندهای نازک برشی متمرکز می‌شود که سبب ایجاد جریان پلاستیک دندانه دندانه می شود شکل (2-6).

عمده نقطه ضعف مکانیکی فلزات آمورف داکتیلیته آنها است که محدود است فلزات آمورف یکپارچه فقط در حدود 1% کرنش پلاستیک در فشار تحمل می کنند که کمتر از فولادهای مخصوص و آلیاژهای Ti است در کشش به طور کلی فلزات آمورف بعد از گسترش یک باند برشی می شکنند و هیچ گونه تغییر شکل پلاستیک از خود نشان نمی دهند.

اما تحت شرایط بارگذاری خاص مثل پروسه نورد می توان با ایجاد چندین باند برش، کرنش بیشتری ایجاد کرد و از شکسته شدن نمونه جلوگیری نمود[6].

3-1 مکانیزم های تغییر شکل در فلزات آمورف اگرچه رفتار مکانیکی ماکروسکوپی فلزات آمورف به طور گسترده و وسیع مطالعه شدند ولی ماهیت واقعی مکانیزم تغییر شکل در مواد آمورف آشکار نیست که در این خصوص دو نظریه بیان شده است[7].

1- تشکیل حجم آزاد تغییر شکل در فلزات آمورف به تغییر موضعی ویسکوزیته در باندهای برشی در صفحاتی که ماکزیمم نیروی برشی به آنها وارد می شود وابسته است که در