رسم نمودار فازی بخش چهارم

اگر ترکیب شیمیایی یک آلیاژ در منطقه کوچک محلول جامد و یا در کناره های نمودار فازی قرار نگیرد، آلیاژ در نقطه یوتکتیک به شکل کامل جامد می شود که این به شکل خط یوتکتیک در نمودار فازی نشان داده شده است.

در دماها و ترکیبات شیمیایی بین شروع انجماد و نقطه ای که جامد کامل به دست می آید(دمای یوتکیتیک)، مخلوطی خمیری از هر دو فاز آلفا یا بتا به شکل توده های جامد با مخلوطی مایع از A و B بوجود خواهد آمد. این منطقه را که به صورت جزیی جامد شده است، در نمودار فازی زیر می توانید مشاهده کنید.

منطقۀ قرار گرفته در زیر خط یوتکتیک و خارج از منطقۀ محلول جامد، مخلوطی از آلفا و بتا خواهد بود.

خطوط ارتباطی و قانون اهرم Lever

آلیاژی را که در نمودار زیر نشان داده شده است، در دما و ترکیب مشخص ده در نظر بگیرید. در این دما آلیاژ مخلوطی از فازهای آلفا و مایع(مذاب) است اما ترکیب دقیق شیمیایی در این دما چیست؟

یک خط ایزوترمال(دمای ثابت) از نقطه مورد نظر رسم کنید. این خط دو منحنی حلالیت مجاورش را قطع می کند و به نام خط ارتباطی نامیده می شود(Tie Line). دوسر انتهایی این خط نشان دهنده ترکیب شیمیایی دو فاز موجود در حالت تعادل با دیگر فاز در این دما می باشد.

از نمودار می دانیم که فازهای آلفا و مذاب وجود دارند. خط ارتباطی نشان می دهد که فاز آلفا 5.2% B و فاز مذاب 34.5%B در این دما است. توجه داشته باشید که ترکیب کلی نمونه بدون تغییر مانده و ما فقط ترکیب شیمیایی فازهای تشکیل دهنده نمونه را تعیین می کنیم.

برای یک آلیاژ که در ترکیب شیمیایی C_o و دمای T_x سرد شده است، خطوط ارتباطی برای جواب دادن به پرسشهای زیر بکار می رود:

-چه فازهایی وجود دارند؟

- ترکیب شیمیایی آنها چیست؟

- اگر دما تا T_y کاهش یابد، ترکیب شیمیایی دو فاز چگونه تغییر می کند؟

چون ترکیب شیمیایی C_o و دمای T_x در منطقه فازی بتا + مذاب همدیگر را قطع می کنند، بنابراین فاز بتا و مذاب فازهای موجود هستند.

پاسخ پرسش دوم دربارۀ ترکیب شیمیایی:

بایستی خطی افقی از نقطه مورد نظر به نزدیکترین مرزهای نمودار فازی رسم کرد. این خط نشان دهنده موارد زیر خواهد بود:

- مذاب: X درصد وزنی از B

- فاز بتا: Y درصد وزنی B

با کاهش دما تا T_y خط جدیدی از نقطه مورد نظر که از تقاطع این دما و ترکیب شیمیایی به دست می آید، رسم کنید.

ترکیب شیمیایی عبارتست از:

- مذاب: X' درصد وزنی از B

- فاز بتا: Y' درصد وزنی B

بنابراین، هر دو فاز مذاب و بتا وقتی نمونه سرد شود،غنی تر از عنصر A می شود.

اکنون ما ترکیب شیمیایی دو فاز را می دانیم و نیاز به این داریم دریابیم که چه مقدار از هر فاز در دمای داده شده وجود دارد.

نسبت کسری از هر دو فاز را بوسیله قانون اهرم Lever می توان به دست آورد.

در نگاه اول این قانون گیج کننده به نظر می رسد. در واقع این قانون تبدیل جرم بوده و می توان آن را به شکل ریاضی تبدیل کرد.

ما ابتدا با یک ترکیب شیمیایی کلی C_o آغاز کردیم. از خط ارتباطی رسم شده دریافتیم که دو فاز موجود در یک دمای خاص دو ترکیب شیمیایی مختلف دارند، اما مقدار کلی این دو ترکیب شیمیایی بایستی به مقدارترکیب کلی آلیاژ اضافه شود. این اساس قانون اهرم است.

رسم نمودار فازی بخش سوم

با سرد کردن آلیاژ از حالت مذاب و ثبت کردن نرخ سرد شدن آن، می توان دمای شروع انجماد را مشخص و در نمودار فازی رسم نمود. با انجام دادن آزمایشات تجربی به تعداد کافی در دامنه ای از ترکیب شیمیایی، یک منحنی شروع انجماد را در نمودار می توان رسم نمود. این منحنی به سه نقطه انجماد ساده (Single) ختم می شود و به خط لیکیدوس معروف است. بالای این خط فقط حالت مایع از آلیاژ وجود خواهد داشت.

به همان روشی که شکر در چای داغ حل می شود(محلول مایع)، برای یک عنصر نیز امکان اینکه در یک عنصر دیگر حل شده ،در حالی که هر در حالت جامد باقی بمانند، وجود دارد. به این امر حلالیت جامد می گویند که مشخصاً تا چند درصد وزنی وجود دارد. این حد حلالیت معمولا با دما تغییر می کند.

گستردگی منطقه حلالیت جامد را می توان در نمودار فازی رسم کرده و نامگذاری نمود. محلول جامدی از عنصر Bدر A(یعنی عمدتا عنصر A وجود داشته باشد)، به نام فاز آلفا(فاز تشکیل شده در سمت چپ نمودار) و وارون این حالت بتا (فاز تشکیل شده در سمت راست نمودار)نامیده می شود.

نکته قابل توجه در در مورد برخی از عناصر این است که برخی از این عناصر در حالت آلیاژی با یکدیگر دارای حلالیت صفر هستند(در همدیگر حل نمی شود). یک شاهد بسیار خوب آلیاژ های Al – Si است که آلومینیوم در سیلیکون حلالیت برابر با صفر دارد.

رسم نمودار فازی بخش دوم

تمایل در آلیاژها انجماد در یک دامنه دمایی (به جای انجماد در دمایی خاص مانند آنچه در عناصر خالص رخ می دهد)، می باشد.

در هر یک از دو سر نمودار فازی فقط یکی از عناصر (100% A یا 100%B) و در نتیجه یک نقطه ذوب خاص وجود دارد.

در برخی مواقع نیز مخلوطهایی وجود دارند که مانند عناصر خالص در یک دمای ویژه منجمد می شوند. این نقطه به نام نقطه یوتکتیک نامیده می شود. امکان وجود بیش از یک نقطه یوتکتیک در برخی نمودار های فازی وجود دارد. نقطه یوتکتیک نقطه ای است که واکنش یوتکتیک رخ می دهد.

نقطه یوتکتیک را می توان به صورت تجربی با رسم نمودارهای نرخ سرد شدن در دامنه ای از ترکیب شیمیایی آلیاژ به دست آورد.

نمودارهای فازی برای آلیاژهای بسیار ساده دوتایی دارای نقطه یوتکتیک نیست. در این حالت مخلوط مذاب (مایع) در یک دامنه انجماد (دامنه دمایی) سرد شده و محلی جامد از دو عنصر تشکیل دهنده بوجود می آید.

این نمودار ساده فازی معمولا فقط وقتی بوجود می آید که دو عنصر بسیار شبیه به هم تشکیل آلیاژی را داده و یا بخشی از یک نمودار فازی پیچیده باشند.

رسم نمودار فازی بخش اول

چگونه یک نمودار فازی رسم کنیم:

یک دیاگرام فازی دوتایی نشان دهنده فازهای تشکیل شده و موجود در درصدهای مختلف از مخلوط دو عنصر و در یک دامنه دمایی می باشد.

ترکیب شیمیایی از 100 درصد در مورد عنصر A در سمت چپ نمودار آغاز و با در نظر گرفتن تمامی مخلوطهای ممکن به 100 درصد از عنصر B در سمت راست پایان می یابد.

ترکیب شیمیایی یک آلیاژ به شکل A - x%B نشان داده می شود. برای نمونه Cu - 20%Al دارای 80 درصد مس و 20 درصد آلومینیوم می باشد.

برای نشان دادن خواص عناصر آلیاژی معمولا از درصد وزنی (Weight percentage ) استفاده می شود از درصد اتمی ( Atomic percentage ) هم می توان استفاده نمود.د درصد وزنی با wt% و درصد اتمی باا at%نشان داده می شود. در این نوشته ما از درصد وزنی استفاده می کنیم.

تفاوت درصد وزنی و اتمی را با یک مثال نشان می دهیم:

وقتی از Cu-27at%Al حرف می زنیم، یعنی در این آلیاژ 27% اتمها مربوط به آلومینیوم و 73 % اتمها مس هستند و هنگامی که آلیاژ به شکل Cu-27wt%Al باشد، 27% از وزن آلیاژ Al و 37% Cu خواهد بود.

---

تبدیل درصد وزنی و اتمی به یکدیگر

الف تبدیل درصد وزنی به اتمی:

در ابتدا باید وزن را برحسب گرم در نظر گرفت. پس در 100 گرم از آلیاژ Fe-7wt%C به میزان 7 گرم کربن و 93 گرم آهن وجود دارد.

وزن اتمی آهن 56 و وزن اتمی کربن 12 است. عدد آووگادرو 6.022 x 10²³ می باشد.

تعداد اتمها در 7 گرم کربن برابر است با:

7 ضربدر عدد آووگادرو تقسیم بر وزن اتمی کربن

7 x 6.022 x 10²³ / 12= 3.513 x 10²³

برای 93 گرم آهن به همین ترتیب داریم:

93 x 6.022 x 10²³ / 56= 10.000 x 10²³

بنابراین درصد اتمی کربن برابر است با:

تعداد اتمهای کربن ضربدر 100% بخش بر مجموع اتمهای کربن و آهن

3.513 x 10²³x 100 / (3.513 + 10.000) x 10²³= 26%

پس آلیاژ Fe-7wt%C معادل با Fe-26at%C می باشد.

---

الف تبدیل درصد اتمی به وزنی:

سمانتیت در Fe-25at%C تشکیل می شود. این فاز را درچه درصد وزنی خواهیم داشت؟

در نظر بگیرید یک نمونه دارای 100 اتم می باشد. برای مثال، نمونه ای از Fe-25at%C دارای 25 اتم کربن و 75 اتم آهن است.

وزن 25 اتم کربن= 25 ضربدر وزن اتمی کربن بخش بر عدد آووگادرو= 4.98 واحد جرم اتمی

وزن 75 اتم آهن= 75 ضربدر وزن اتمی آهن بخش بر عدد آووگادرو= 69.74 واحد جرم اتمی

بنابراین:

درصد وزنی کربن = وزن اتمهای کربن ضربدر 100 بخش بر مجموع وزن اتمهای کربن و آهن=

4.98 x 100 / (4.98 + 69.74)= 6.66%

پس at%C 25 معادل با 6.66wt%C است.

سایت خواص مواد

سایت زیر سایت بسیار جامعی درباره مواد و خواص مربوط به آنها می باشد.
مثلا اگر نیاز به دانستن مشخصات فولاد خاصی دارید می توانید تقریبا تمام اطلاعات مربوط به فولاد مورد نظر را در این بخش پیدا کنید.

اگر در این وب سایت ثبت نام کنید می توانید از سرچ پیشرفته و همچنین export داده های مورد استفاده در نرم افزارهایی چون ANSYS , Solidworks ,.... استفاده کنید.
نمونه ای از اطلاعاتی که من از این سایت بدست آوردم:
اطلاعات درباره فولاد ابزار H13

AISI Type H13 Hot Work Tool Steel, air or oil quenched from 995-1025°C

Subcategory: Ferrous Metal; Hot Work Steel; Metal; Tool Steel

Key Words: UNS T20813, ASTM A681, FED QQ-T-570, BS 4659 BH13, BS 4659 H13, BS EN ISO 4957 :2000 X40CrMoV5-1, Werkstoff 1.2344

Component Wt. % C 0.32 - 0.4 Cr 5.13 - 5.25 Fe Min 90.95 Mo 1.33 - 1.4 Si 1 V 1

Material Notes:
Iron content is calculated as a remainder. High hardenability, excellent wear resistance and hot toughness. H13 has good thermal shock resistance and will tolerate some water cooling in service. Nitriding will improve hardness, but can diminish shock resistance if hardened layer is too thick. Electroslag Remelted (ESR) H13 has greater homogeneity and an exceptionally fine structure, resulting in improved machinability, polishability and high temperature tensile strength.

Applications: hot work applications: pressure die casting tools, extrusion tools, forging dies, hot shear blades, stamping dies, plastic molds. ESR H13 is great for aluminum die-casting tools and plastic mold tools requiring a very high polish.

Weldability: Pre and Post-heating recommended, can be welded with oxy-acetylene, inert shielded gas and shielded metal arc; Filler should be similar to the base metal.

Click here to view available vendors for this material.

سایت جامعی درباره مهندسی و علوم

در این وب سایت می توانید اطلاعات کاملی درباره تعاریف واژه های مختلف در فیزیک، مکانیک ، ریاضی و محاسبات، بیولوژی و شیمی پیدا کنید.
این تعاریف با فرمول و شکل توضیح داده شده است. از بخش های جالب این وب سایت بخش های تبدیل واحدها و محاسبات است.
در بخش تیدیل واحدها شما می توانید اکثر واحدها ذکر شده در رشته های بالا را در سیستمهای مختلف اندازه گیری به هم تبدیل کنید.
در قسمت محاسبات هم نحوه محاسبه فاکتورها ی مختلف نشان داده شده است.
بطور کلی می توان گفت وب سایت بسیار خوبی برای مهندسین و محققین علوم پایه است.

آدرس وب سایت

سایت دانشگاه کمبریج و چند کتاب الکترونیکی رایگان

- سایت دانشکده مواد دانشگاه کمبریج که از اون می تونید برخی درسهای مرتبط رو دانلود کنید:

http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/teaching.html

- در سایت این گروه می تونید ۳ کتاب زیر رو بصورت رایگان دانلود کنید:

الف) Worked examples in the Geometry of Crystals

این هم آدرس لینک دانلود

http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/crystal.html

ب) Bainite in Steels

این کتاب رو هم میتونید فصل به فصل و هم کامل دانلود کنید که کامل اون هم به ۲ صورت کم حجم و با حجم زیاد موجود است.

دانلود از:

http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/newbainite.html

ج) The Alloying Elements in Steel

دانلود از:

http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2004/Bain.Alloying/ecbain.html

علت نامگذاری فازها در متالورژی

شاید بارها نام فازهای مختلف دیاگرام آهن- کربن را شنیده اید و دوست داشته ایدبدانید منشا این نامها چیست. در ادامه مطلب در این مورد بحث شده است.

سمانتیت (Cementite): حدس زدن این مورد شاید آسان باشد. این لغت برگرفته از کلمه Cement در زبان انگلیسی به معنای ماده ای است که مواد مختلف را به هم می چسباند، می باشد.
در سال 1855 Osmond و Werth تئوری سلولی را ارائه دادند که در آن نه تنها وجود گونه های آلوتروپیک آهن( که امروزه به نام آستنیت و فریت معروف هستند) را پیشنهاد دادند، بلکه در این تئوری نگاه تازه ای به تشکیل کاربید ها شده بود. تحقیقات آنها در خصوص فولادهای پرکربن نشان داد که مخلوطی شامل سلولهای و دانه های آهن وجود دارد که توسط لایه ای از کاربید آهن محصور شده است.در حین انجماد ابتدا گلبولها یا سلولهای آهن تشکیل شده و رشد می کنند و باقیمانده مذاب به صورت کاربید آهن منجمد می شود. بدین ترتیب کاربید تشکیل شده با قرار گرفتن در اطراف سلولهای قبلی شکل گرفته، آنها را به هم می چسباند. از این شرح می توان دریافت چرا Osmond کاربید تشکیل شده را از لغت فرانسوی Ciment نامگذاری کرد.
این فاز در زبان آلمانی با Zementit و در انگلیسی با Cementite نشان داده می شود.
فریت (Ferrite): Ferrum ریشه لاتین برای بیشتر لغات جدید ساخته شده در خصوص آهن و ترکیبات آن می باشد که احتمالا ریشه سامی دارد.آستنیت (Austenite): این فاز به یادبود Sir William Chandler Roberts-Austen متالورژیست انگلیسی تبار(1843-1902) نامگذاری شده است.
Robert-Austen اولین کسی بود که دیاگرام اولیه آهن – کربن را در سال 1897 (شکل زیر) و فرم نهایی آن را در سال 1899 منتشر کرد.

او همچنین اولین دانشمندی است که اندازه گیری کمی (Quantitative ) نفوذ در حالت جامد (طلا در مس ) را با توجه به قوانین نفوذ فیک انجام داد.
پرلیت(Pearlite): برگرفته از ظاهر درخشنده مروارید شکل (Pearl) و رنگین کمانی این فاز می باشد.علت اینکه ساختار این فاز به صورت مروارید این است که تیغه های تشکیل شده با داشتن خاصیت انعکاس نور متفاوت به علت جهت گیری مختلف، تشکیل کریستال های متفاوت نوری می دهند.
لدبوریت (Ledeburite): نامگذاری شده به افتخار Adolf Ledebur (1837- 1916).
Ledebur اولین پروفسوری بود که در سال 1882 مخلوط کریستالی آهن کربن را کشف نمود.
مارتنزیت (Martensite): به افتخار Adolf Martens(1850-1914) نامگذاری شده است.
وی کارش را در آزمایشگاه مکانیکی رویال در برلین به عنوان مهندس شروع نمود. امروزه یک جایزه مشهور به نام او اهدا می شود.
بینیت (bainite): این فاز به یادبود E.C. Bain شیمیدان آمریکایی نامگذاری شده است.
تاریخچه آستمپرینگ به سال 1930 بر می گردد، زمانی که Grossman و Bain در آزمایشگاه های فولاد ایالات متحده بر روی ارزیابی پاسخ متالورژیکی فولادهای سرد شده با سرعت زیاد از دمای 1450 درجه فارنهایت (788 درجه سانتیگراد) به دماهای متناوبا بالا و نگهداری در این دماها به مدت زمانهای مختلف های در حال کار بودند.
نتیجه تحقیقات آنها چیزی است که ما امروزه به عنوان دیاگرامهای استحاله همدما (Isothermal Transformation Diagram) می شناسیم.
Grossman و Bain با ساختارهای معمول متالورژیکی فریت، پرلیت و مارتنزیت آشنا بودند. چیزی که آنها کشف کردند ساختار دیگری بود که در بالاتر از دمای آغاز تشکیل مارتنزیت (Ms) و پایین تر از دمای تشکیل پرلیت بود.
در فولادها این ساختار شکل ساختارهای سوزنی (بشقابی) با ظاهری پر مانند را داراست. تحقیقات X ray نشان داد که بینیت شامل فریت و کاربید فلزی است.

منبع:http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_8/advanced/t8_4_1.html

کتاب الکترونیکی

کتاب الکترونیکی متالورژی مکانیکی دیتر رو که همه متالورژها می شناسند میتونید از این آدرس دانلود کنید البته حجم کتاب در حدود 52 مگا بایت است و فرمت کتاب پی دی اف .
دانلود

سایت فارسی درباره متالورژی و فلزات

این آدرس سایت جالبی درباره متالورژی و فلزات است
حتما بهش سر بزنید:
http://www.felezat.com

آنالیز EDX و WDX

آنالیز EDX و WDX
EDX مخفف کلمات Energy Dispersive X ray است، که برخی اوقات به آن EDS یا EDAX هم می گویند.
این تکنیک روشی برای مشخص کردن ترکیب عنصری یک نمونه یا بخشی از یک نمونه است. EDX به تنهایی بکار نمی رود بلکه سیستمی است که به همراه میکروسکوپ الکترونی عبوری SEM بوده و در حقیقیت بخشی از این میکروسکوپ به شمار می رود.
در این روش سطح نمونه توسط یک اشعه الکترونی درون میکروسکوپ تحت بمباران قرار گرفته و با برخورد الکترونهای این اشعه به الکترونهای مربوط به اتمهای نمونه تحت بررسی، برخی از این الکترونها از جای خودشان خارج می شوند. با توجه به اینکه جای اتمها نمی تواند خالی مانده و بایستی به حالت تعادل برسند، الکترونهایی از لایه های بالاتر اتمی به این جای خالی مهاجرت کرده و جای آن را پر می کنند. برای انجام این عمل الکترونهایی لایه های بالاتر که انرژی بیشتری دارند، بایستی بخشی از انرژی خود را از دست بدهند تا به سطح انرژی لایه جدید رسیده و پایدار باشند که این انرژی بصورت اشعه ایکس منتشر می گردد.
مقدار انرژی آزاد شده بستگی نوع لایه ها دارد هم لایه ای که الکترون از آن جدا شده و هم لایه ای که الکترون به آن مهاجرت می کند. از طرفی اشعه ایکس اتمهای هر عنصر مقدار انرژی منحصر بفردی در حین انتقال از لایه ای به لایه دیگر اتمی ساطع از خودشان می کنند. بنابراین با اندازه گیری مقدار انرژی موجود در اشعه ایکس آزاد شده در یک نمونه در حین بمباران توسط اشعه الکترونی می توان نوع اتم موجود را مشخص نمود.
خروجی یک آنالیز EDX طیف EDX است(شکل2). طیف EDX فقط یک نمودار است که بر اساس دریافت انرژی ایکس از هر سطح انرژی رسم شده است.
هر یک از پیک های نشان داده شده در این نمودار مختص یک اتم بوده و بنابراین نشانگر فقط یک عنصر می باشند. پیک های با ارتفاع بیشتر در طیف به معنی غلظت بیشتر عنصر مورد نظر در نمونه است.
در خصوص طیف Edx این نکته را باید ذکر کرد که نوع اشعه X آزاد شده ممکن است متفاوت باشد، بطور مثال اگر الکترون از لایه L به لایه K مهاجرت کند به اشعه آزاد شده پیک K-Alpha و به پیک ناشی از رفتن الکترون از لایه M به لایه K پیک K-Beta می گویند(شکل 1)

WDX Analysis (Wavelength Dispersive X ray)
این تکنیک به WDS نیز معروف است.روش کار این تکنیک مشابه EDX بوده با این تفاوت که آشکارساز این روش اشغه ایکسهای منشتره را بر اساس طول موجشان به حساب آورده و دسته بندی می کند. آشکارساز این سیستم از یک کریستال آنالیز کننده اشعه ایکس استفاده می کندکه فقط اجازه پراش طول موجهای دلخواه را به آشکارساز می دهد.
مزایای WDX در برابر EDX:
1- چلوگیری از روی هم قرار گرفتن پیکهای عناصر مختلف که در EDX معمول است که علت این امر وجود مزیت تمایز بهتر بین انرژی ها (energy resolution) در WDX می باشد.2- اغتشاشات (noise) موجود در زمینه (background) کمتر که اجازه آنالیز دقیق تر مقداری را به ما می دهد.
محدودیتها:1- وقت گیر بودن 2- آسیب بیشتری به نمونه و محفظه وارد می شود زیرا نیاز به اشعه با انرژی بیشتر است.
3- قیمت بالاتر

نشانگرهاي بزرگنمايي در تصاوير متالوگرافي

شاید شما هم جزء افرادی باشید که با عکسهای متالوگرافی سروکار داشته اید. قرار دادن بزرگنمایی روی عکسها یکی از اصلی ترین موارد لازم برای هر تصویری است. که این به دو روش امکان پذیر است:

۱- قراردادن عدد بزرگنمایی مثلا عدد 500x که نشانگر بزرگنمایی 500 است.

۲- قراردادن نشانگر که راهی مناسب تر است زیرا اگر ابعاد تصویر در مواردی تغییر کند ابعاد نشانگر هم تغییر کرده و بزرگنمایی تصحیح می شود.

ادامه مطلب و چگونگی قرار دادن نشانگر را می توانید با دانلود کردن فایل زیر ببینید.

به امید مفید بودن آن برای شما


لینک دانلود