پاسخ تعدادی از سوالات درس فرایندهای تولید رشته ساخت و تولید - بخش سوم

خواص مکانیکی آلیاژهای آلومینیوم، تیتانیوم، مس، منیزیم را مقایسه کنید؟
طیف وسیعی از انواع آلیاژهای آلومینیوم با خواص مکانیکی متفاوت وجود دارد. معمولا استحکام کششی آنها در حدود 600 مگاپاسکال است. استحکام کششی ویژه آنها بسیار بالاتر از سایر آلیاژها است.
در حالت کلی، آلیاژهای منیزیم ضعیف تر، شکننده تر و دارای خواص وابسته به دمای ضعیف تر نسبت به آلیاژهای آلومینیوم هستند. مقاومت آنها در برابر خوردگی بالا است، البته تنها زمانی که محیط مرطوب نباشد. استحکام کششی آلیاژهای منیزیم معمولا بین 220 تا 240 مگاپاسکال است. قابلیت انجام سردکاری بر روی آنها کم است، هزینه و قیمت آنها بالاتر از آلیاژهای آلومینیوم است.
خواص مکانیکی آلیاژهای مس در بین خواص آلیاژهای آلومینیوم و فولاد است. خواص وابسته به دمای آنها خیلی بهتر از آلیاژهای آلومینیوم است. آلیاژهای مس به دلیل ظاهر جذاب و مقاومت در برابر خوردگی بالای آنها دارای اهمیت هستند.
مقاومت آلیاژهای تیتانیوم در برابر خوردگی و خواص مکانیکی دیگر آنها تا حدودی شبیه به خواص آلیاژهای فولادی با فاز آستنیت است.

آلیاژ آلومینویم 2024 به عنوان یک آلیاژ بدون دگرشکلی nonallotropic به چه صورت پیرسختی می شود؟
آلیاژ آلومینیوم 2024 یکی از معروف ترین و مهمترین آلیاژهای آلومینیوم است که به طور عمده به کار می رود و المان آلیاژ کننده آن مس می باشد و به صورت Al-Cu شناخته می شود. برای پیرسختی این گونه مواد، برای مثال Al 2024، اولین مرحله حرارت دادن آن تا دمای 491-499 درجه سانتیگراد است تا خاصیت حل شوندگی در آن ایجاد شود. دقت شود که در این مرحله، حرارت به اندازه ای نیست که آلیاژ ذوب شود و تنها فاز آن به فاز آلفا عوض میشود تا میزان قابلیت حل شوندگی مس افزایش یابد. این مدت زمان نگهداری در این دما معمولا حدود یک ساعت است. سپس در مرحله بعدی آلیاژ را کوئنچ می کنند یعنی به سرعت سرد می کنند. به این ترتیب مس در داخل دانه ها گیر می افتد. پس از آن می توان آلومینیوم را به حال خود رها کرد و در دمای 20 درجه بعد از 24 ساعت به طور طبیعی استحکام آن افزایش می یابد که به این پدیده پیرسختی گفته می شود و پدیده ای است که نیاز به زمان دارد و به همین دلیل پیرسختی یا aging گفته می شود. گاهی با افزایش دما می توان سرعت پیرسختی را افزایش داد. در مرحله پیرسختی، فاز مس سعی می کند که از دانه های آلومینیوم خارج شود و به همین دلیل کمی جابجایی می شود ولی در نهایت در فضاهای خالی و نابجاییها به طور کامل گیر می افتند و به همین دلیل مانعی می شود در حرکت نابجایی ها که به نوبه خود منجر به افزایش استحکام می گردد. در صورتی که عجله وجود داشته باشد و بخواهیم پیرسختی به سرعت انجام گیرد می توان آلیاژ را بعد از کوئنچ در دمای 175 درجه به مدت 2 ساعت نگه داشت تا به استحکام کامل خود دست یابد.

مکانیزم اصلی در سختی سازی فولاد چیست؟
دلیل اصلی سخت شوندگی فولاد این است که کربن در داخل فازهایی با ساختار FCC (فاز آستنیت) بیشتر از فازهای دیگر در دماهای بالاتر حل می شود. در صورتی که آهن تا دمای به وجود آمدن آستنیت گرم شود و در آن دما برای مدت مناسب نگه داشته شود تا کربن به خوبی وارد فاز آستنیت شود و در آن حل گردد، و سپس به سرعت محلول را سرد کرد (کوئنچ کرد)، کربن امکان خروج از فاز و دانه ها را نخواهد داشت و در داخل دانه ها به دام خواهد افتاد. این فاز از کربن شبیه به مانعی از حرکت نابجایی ها در داخل دانه ها و بین دانه ها جلوگیری می کند که منجر به افزایش استحکام و سختی فولاد می گردد.

دیاگرام T-T-T و یا S-curve چیست و چه چیزی را نشان می دهد؟
این دو دیاگرام در واقع یک چیز می باشند. محور افقی برابر زمان و محور عمودی دما می باشد. این نمودار تنها برای یک نوع از آلیاژ مشخص کاربرد دارد و برای انواع آلیاژهای مختلف نمودار T-T-T و S-curve جداگانه ای وجود دارد. هدف از این نمودار تاثیر زمان در تغییرات در فازها در آلیاژ می باشد. به عبارت دیگر ممکن است، یک محلول جامد از یک آلیاژ را در دمایی ثابت نگه داشت، وبا گذشت زمان یک فاز به فاز دیگری تبدیل شود. این نشان می دهد که زمان فاکتوری مهم در عملیات حرارتی است و بایستی نمودارهایی برای بررسی تاثیرآنها وجود داشته باشد. همچنین از این نمودارها برای برنامه ریزی یک عملیات حرارتی برای دست یابی به فاز و خواص مکانیکی مدنظر در بازه زمانی خاص استفاده می شود.

قابلیت سختی پذیری فولاد را توضیح داده و بگویید به چه پارامترهایی وابسته است؟
قابلیت سختی پذیری عبارت است از اندازه و عمقی سختی است که می توان بر اساس عملیات حرارتی در یک آلیاژ ایجاد کرد.
در آلیاژهای فولاد، جهتی ایجاد سختی بایستی تا حد امکان فاز آستنیت را به فاز مارتنزیت تبدیل کرد. هرچه قدر که فاز آستنیت به پرلیت تبدیل شود از میزان فاز ماتنزیت کمتر می شود و میزان سختی فولاد کاهش می یابد.
هر نوع المان آلیاژ کننده در داخل آهن باعث می شود که منحی اس شکل در نمودار S-curve به سمت راست کشانده شود و به همین دلیل احتمال تشکیل فاز مارتزنیت را محتمل تر می کند.
ساختار یکنواخت دانه های آستنیت با یکنواخت کردن نمودار s-curve احتمال به دست آوردن ساختار مارتنزیت را افزایش می دهد.
ساختار آستنیت با دانه های بزرگ نیز منحنی نمودار s-curve را به سمت راست می کشد و به همین دلیل میزان سختی پذیری را افزایش می دهد.
کاربیدهای حل نشده و یا ناخالصی ها می تواند منجر به کاهش سختی پذیری فولاد گردند.

چگونه قابلیت سخت شوندگی اندازه گیری می شود؟
تست Jominy end-quench برای تعیین قابلیت سخت شوندگی استفاده می شود. در این تست تمام پارامترها به غیر از ترکیبات ثابت نگه داشته می شود تا تاثیر انواع ترکیبات در قابلیت سخت شوندگی اندازه گیری شود. یک میله به طول 76.2 تا 101.6میلیمتر و قطر 25.4 میلیمتر از آلیاژ مدنظر تهیه می شود. سپس این میله حرارت داده می شود تا وارد فاز آستنیت شده و سپس انتهای آن را کوئنچ به روشی استاندارد با آب انجام می دهند. نتیجه این می شود که میزان سختی در انتهای کوئنچ شده میله بیشترین مقدار بوده و با فاصله گرفتن از انتها مقدار آن کمتر می شود. این نتایج تنها به ترکیبات آن آلیاژ مرتبط است. سپس تست راکول را در نقاطی با فاصله 1.588میلیمتر از انتهای میله تا 25.4 میلیمتر و پس از آن با فاصله 6.4 میلیمتری تا 51 میلیمتری از انتهای میله تست کرده و نتایج را در یک نمودار می کشیم. این نمودار در واقع نشان می دهد که تا چه عمقی از فلز می توان با کوئنچ سطح تحت تاثیر قرار گیرد و هر چه قدر این میزان بیشتر باشد قابلیت سخت شوندگی آن نیز بالاتر است.

تفاوت شیمیایی بین مواد ترموپلاستیک و ترموستینگ را به همراه تفاوت های فیزیکی بین آنها را توضیح و شرح دهید؟
مواد ترموپلاستیک دسته وسیعی از مواد پلاستیکی هستند که در آن ملکول های دراز آن به صورت شیمیایی از هم جدا هستند. آنها توسط نیروی بین ملوکولی ثانویه در کنار یکدیگر نگه داشته می شوند که قدرت آنها کمتر از نیروی بین اتمی اولیه است. زمانی که به مواد ترموپلاستیک حرارت داده می شود، نیروی بین ملکولی ثانویه کاهش پیدا کرده و ماده نرم می شود و در نهایت ذوب می شود.
دسته دوم از مواد پلاستیکی، مواد ترموستینگ هستند. که از موادی ساخته شده اند که دارای ملکول های درازی بوده که توسط نیرو اولیه یا والنسی به صورت سه بعدی به هم وصل شده اند. این نیروهای بین ملکولی با حرارت دادن کاهش نمی یابند و تا اینکه کاملا ترکیب به طور آنی از هم جدا شود. این ویژگی باعث می شود که ماده سفت تر و شکننده تر شود.
طبیعت ملکول ها و نحوه در کنار هم قرار گرفتن آنها خواص فیزیکی ماده را تعیین میکند. نیروی بین ملکولی به طور مستقیم وابسته به وزن و به طور معکوس وابسته به فاصله بین ملکول ها است.
بنابراین ملکولهای سنگین و دراز نیروی بین ملکولی بالاتری داشته و منجر به تولید پلاستیک هایی سفت و مستحکم می شوند. موادی با ملکولهایی با انحنا و پیچیده شدن و دارای شاخه های بیشتر، انعطاف پذیر هستند.
پلاستیک های آمورفوس دارای نیروهای بین ملکولی کمتری هستند و در دمای پایین نیز نرم هستند. هرچه قدر که ماده به صورت کریستالی باشد، تعداد نیروهای بین ملکولی هم بیشتر می شود و لذا می توانند تا دمای بیشتری سختی خود را حفظ کنند.
مواد ترموستیگ معمولا مستحکم تر و سخت تر بوه و در برابر حلال ها و گرما بیشتر مقام هستند و همچنین دارای قیمت پایین تری نیز می باشند. نیروهای ثانویه بین ملکولی در آنها اجازه می دهد که ماده در برابر نیروها به راحتی تغییرشکل دهد. که باعث می شود تنش در کل ماده پخش شود و ماده را سفت تر کند. اما مواد ترموستینک شکننده هستند و در برابر گرما مستعدتر می باشند. آنها معمولا در بسته بندی محصولات در دمای اتاق به کار می روند.