خواص مکانیکی

خواص مکانیکی

تنش، کشش و قابلیت الاستیکی Stress, Strain, and Elasticity
خواص میکانیکی فلزات شامل عکس العمل های الاستیکی فلزات بواسطه ی اعمال نیرو یا ارتباط بین تنش و تغییر طول نسبی آنان می باشد. 
قبل از این که به بحث خواص مکانیکی بپردازیم، سه اصطلاح را که برای درک دانشجو مهم هستند تعریف می کنیم این اصطلاحات عبارتند زا: تغییر طول نسبی والاستیسیته، اگر چه مردم تنش و تغییر طول نسبی را به جای یکدیگر بکار می برند، ولی حقیقت این است که دو کمیت را کاملاً با یکدیگر متفاوتند. 
تنش
تنش مقدار نیروئی است که بر واحد سطح وارد می شود و بر حسب پوند بر اینچ مربعی اندازه گیری می گردد. 
تنشی که باعث می شود تا جسم کشیده شود به تنش کششی موسوم است. تنشی که موجب کوتاهتر شدن طول جسم می شود، به تنش فشاری و تنشی که جسم را به لایه های متناوب تقسیم می کند، به تنش برشی مشهور می باشد. نیروهای خمشی و نیروهای پیچشی تنشهائی ایجاد می کنند که ترکیبی از سه تنش فوق می باشد. 
کشش (تغییر بعد) 
تغییر طول نسبی، مقدار درصد تغییراتی است که در واحد طول به هنگام ازدیاد یا کاهش طول نمونه رخ می دهد و اندازه ی تغییر شکل حاصل از اثر نیرو را نشان می دهد. 
الاستیسیته (قابلیت ارتجاعی) 
الاستیسیته در سال 1678 بوسیله رابرت هوک دانشمند معروف انگلیسی بر اساس آزمایشهائی بصورت یک تئوری بیان گردید. امروزه این تئوری به قانون هوک معروف است. این قانون را بدین صورت می توان بیان کرد: مقداری که یک جسم الاستیک خم و یا کشیده می شود. ازدیاد طول جسم (تغییر طول نسبی) با نیروی وارد بر آن (تنش) نسبت مستقیم دارد. بعداً دریافتند که این قانون فقط در حدود مشخص از تنشها صادق است. بالاتر از این تنش نقطه ای وجود دارد که حد الاستیک موسوم است. اگر میزان بار از این نقطه تجاوز کند جسم به طور دائم تغییر شکل می دهد. در حقیقت حتی بارهای کم نیز کاملاً اسلاستیک نیستند لذا بایستی از یک روش دلخواه برای تعیین حد الاستیک تجارتی استفاده کرد. 
استحکام (تاو) Strength 
استحکام همواره با قابلیت پلاستیکی شاید مهمترین ترکیب خواص یک فلز باشد. استحکام عبارتست از مقاومت جسم در برابر تغییر شکل ولی قابلیت پلاستیکی به قابلیت تغییر شکل جسم بدون آنکه بشکند گفته می شود. برای این که کاملاً به ویژگی های استحکام فلز واقف باشیم، بایستی تعدادی از انواع استحکام یک فلز را بشناسیم. از انواع استحکام 
می توان مقاومت کششی، مقاومت فشاری، مقاومت خستگی و مقاومت تسلیم (روانی) را نام برد. 
استحکام کششی (تاوکششی)Tensie strength 
مقاومت کششی بیشترین نیروی کششی است که جسم قبل از شکست تحمل خواهد کرد. این مقدارمعمولاً برای استحکام یک ماده داده می شود و واحد آن بر حسب پوند بر اینچ مربعن بیان می شود. مقاومت کششی ماده را می توان با آلیاژی کاری، سردکاری، و گاهی اوقات بوسیبله ی عملیات حرارتی، افزایش داد. 
استحکام تراکمی (مقاومت فشاری) Compressive strength
مقاومت فشاری، بیشتریین فشاری است که یک ماده قبل از مقدار فشار تعیین شده جهت تغییر شکل تحمل می کند. مقاومت های فشاری چدن و بتون بزرگتر از مقاومت های کششی شان هستند در صورتی برای اکثر مواد، این موضوع کاملاً برعکس است. 
مقاومت (تاو) خستگی Fatigue strength
مقاومت خستگی بیشترین باری است که یک جسم می تواند بدون شکست در برابر ضربه های متعدد برگشت بار تحمل کند. مثلاً یک میله ی چرخان که وزنه ای را نگهداری می کند، نیروهای کششی روی قسمت بالائی میله و نیروهای فشاری روی قسمت پائینی­اش وارد می شوند. 
وقتی میله می چرخد، تنش های کششی و فشاری بطور متناوب تغییر می کنند. از مقاومت خستگی در طرح بالهای هواپیما و سایر قطعات اسکلتی که در معرض بارهای نوسانی قرار دارند، استفاده می کنند مقاومت خستگی به عواملی نظیر ساختمان میکروسکپی، حالت سطحی، محیط خورنده، کار سرد و غیره بستگی دارد. 
استحکامل تسلیم (مقاومت روانی) Yield strength
مقاومت تسلیم حداکثر باری است ماده تغییر فرم معینی را از خود بروز می دهد. اکثر محاسبات مهندسی ساختمانها براساس مقادیر مقاومت تسلیم استوارند تا مقادیر مقاومت کششی. استحکام یک فلز به ساختمان داخلی آن، ترکیب، عملیات حرارتی و درجه ی کار سرد مربوط می شود. 
سختی Hardness 
سختی خاصیت اصلی یک ماده نیست ولی به خواص الاستیک و پلاستیک آن مربوط 
می شود. بطور کلی، سختی جسم عبارتست از مقاومت به نفوذ آن. هر چه سختی بیشتر باشد مقاومت نفوذ نیز بیشتر می شود. این آزمایش سختی به سبب سادگی آن و نیز به این علت که چون می توان آن را به سهولت به مقاومت کششی و تسلیم فولادها ارتباط داد کاربرد وسیعی پیدا کرده است. آزمایشهای سختی خراشی و یا سایشی گاهی اوقات برای موارد بخصوصی مانند آزمایش های سختی الاستیکی و یا ارتجاعی بکار می روند. 
سفتی (چقرمگی) Toughness
اگرچه روش مستقیم و صحیحی برای اندازه گیری سفتی فلزات وجود ندارد، ولی سفتی هر دو خاصیت قابلیت کشش (قابلیت مفتول شدن) و استحکام را در بر دارد و می توان تعریف کرد که سفتی عبارتست از قابلیت یک فلز به جذب انرژی بدن آنکه بشکند. 
سفتی را می توان بصورت سطح زیر منحنی تنش- تغییر طول نسبی بیان کرد. غالباً مقاومت به ضربه ای یک ماده را بعنوان نشانه ای از سفتی آن بحساب می آورند. 
قابلیت پلاستیکیPlasticity 
یکی از خواص بسیار مهم فلزات پلاستیکی آنها است. قابلیت پلاستیکی عبارتست از قابلیت تغییر شکل بسیار زیاد یک فلز بدون آنکه بکشند. 
قابلیت مفتول شدن یا انعطاف پذیری Ductility
قابلیت مفتول شدن عبارتست از قابلیت پلاستیکی که بوسیله ی یک ماده تحت نیروی کششی نمایش داده می شود. این خاصیت را با مقداری که ماده می تواند بطور دائم ازدیاد طول پیدا کند، اندازه گیری می کنند. این قابلیت به ازدیاد طول موجب می شود تا بتوان یک فلز را از یک اندازه ی بزرگتر بصورت یک سیم با اندازه ی کوچکتر کشید. مس و آلومینیم قابلیت کشش زیادی دارند. 
قابلیت چکشخواری (چکش کاری) Malleability
قابلیت چکش کاری که شکل دیگری از قابلیت پلاستیکی است به قابلیت تغییر شکل دائم یک فلز تحت نیروی فشاری بدون آنکه گسیخته شود، گفته می شود. بخاط همین خاصیت است که می توان فلزات را به صورت ورقهای نازک چکش کاری و نورد کرد. طلا، نقره، قلع و سرب از جمله فلزاتی هستند که قابلیت چکش خواری بالائی از خود نشان می دهند. طلا قابلیت چکشخواری استثنائی دارد و می تواند بصورت ورقهای نازکی که برای عبور نور کافی است نورد شود. 
شکنندگی Brittleness
شکنندگی خاصیتی است که بر عکس قابلیت پلاستیکی می باشد یک فلز شکننده فلزی است که نمی تواند بنحو قابل ملاحظه ای تغییر شکل دادئم بدهد، بعبارت دیگر، فاقد قابلیت پلاستیکی است. فلزات شکننده، مانند فولاد کاملاً سخت شده، ممکن است قابلیت پلاستیکی بسیار اندکی را از خود نشان دهند، لذا می توان آنها را جزو گروه فلزات شکننده بحساب آورد، با وجود این سختی مقیاسی از قابلیت پلاستیکی نیست. فلزات شکننده مقاومت به برخورد یا ضربه ی بسیار کمی دارند و بدون هیچگونه اخطار و علائم قبلی 
می شکنند. 
ضریب انبساط خطی گرمایی Expansion Coefficient of Linear Thermal
خواص فیزیکی فلزات خامی هستند که به ساختمان اتم بستگی دارند و عبارتند از: وزن مخصوص، قابلیت هدایت الکتریکی و گرمائی، ذوب، قابلیت مغناطیسی، قابلیت انعکاس و ضریب انبساط خطی. 
به استثناء بعضی موارد، جامدات وقتی گرم می شوند، انبساط و وقتی سرد می شود انقباض حاص می کنند. جامدات نه تنها از لحاظ طول بلکه از لحاظ عرض و ضخامت نیز افزایش می یابند. هر گاه یک جامد را یک درجه گرم کنیم میزان افزایش واحد طول را ضریب انبساط خطی آن می گویند. 
وزن مخصوص Specific Gravity 
بعضی مواقع لازم است که زون مخصوص یک فلز را با فلز دیگر مقایسه کنیم. برای این منظور، به یک استاندارد احیتاج داریم. آب استانداردی است که فیزیکدانها برای مقایسه وزن مخصوص های جامدات و مایعات انتخاب کرده اند. بنابراین وزن یک ماده نسبت به وزن حجم مساوی از آب دانسیته ی مخصوص یا چگالی آن نامیده می شود. 
نقطه ذوب Melting Point
نقطه ی ذوب درجه حرارتی است که یک ماده از حالت جامد به حالت مایع تبدیل 
می شود. برای یخ، این نقطه 32 درجه ی فار نهایت است. موارد خالص نقطه ی مشخص دارند یعنی آنها از حالت جامد به حالت مایع، بدون تغییر درجه ی حرارت تبدیل می شوند، به هنگام ذوب مقداری گرما جذب و به هنگام انجماد مقداری گرما آزاد می کنند. 
وقتی ماده تغییر حالت می دهد، جذب یا آزادی گرما به گرمای نهان آن معروف است. 
تبدیل از یک مقیاس درجه حرارت به مقیاس دیگر بوسیله ی رابطه ی زیر امکان پذیر است. 

قابلیت رسانایی الکتریکی و گرمایی Electrical and Thermal Conductivity
قابلیت یک فلز به سهولت هدایت الکتریسیته و گرما یکی از خصوصیات بارز آن محسوب می شود. 
مقاومت به جریان برق از درون یک سیم به مقاومت آن سیم معروف است. 
بایستی در نظر داشت که چندین عامل وجود دارند که می توانند مقاومت فلزات را اصلاح کنند. برخی از آنها عبارتند از: 
1-مقاومت فلزات نسبت به جریان الکتریکی و گرمائی با درجه ی حرارت زیاد 
می شود. 
2-مقاومت به جریان الکتریکی با ناخالصی ها و آلیاژ کردن افزایش می یابد. 
3-سردکاری (تعییر شکل) فلز مقاومت الکتریکی را زیاد می کند. 
4- رسوب از محلول جامد به هنگام عمل پیر سختی مقاومت الکتریکی را زیاد می کند. 
5- فلزات یک ظرفیتی (مس، نقره، طلا) و فلزات قلیائی (لیتیم، سدیم، پتاسیم، روبیدیوم، سزیم) دارای مقاومت پائین و فلزات قلیایی خاکی دو ظرفیتی (بریلیوم، منیزیم، کلسیم، باریم، رادیم) دارای مقاومت بالاتر و فلزات انتقالی (واسطه)، (نظیر کبالت، نیکل، رادیوم، روبیدیم، سرب، اوسمیوم، اریدیوم و پلاتین) مقاومت بالائی دارند. 
هنگام عبور جریان از داخل یک هادی، مقاومت موجب آزاد شدن گرما می شود و هر چه مقاومت بزرگتر باشد، حرارت بیشتری به ازای عبور یک جریان معین آزاد می گردد. برای گرم کردن الکتریکی به فلزات با مقاومت الکتریکی بالا مانند آلیاژهای نیکل و کروم نیاز داریم. یک هادی خوب حرارت، مانند مس، اغلب برای مبدل های گرمائی، سیم پیچیهای گرم کننده و آهن های لحیم کاری مصرف می شود. ظروف آشپزخانه را معمولاً از آلومینیم می سازند زیرا هدهایت گرمایی زیاد داشته و در مقابل خوردگی ناشی از مواد غذایی مقاومت می کند. 
حساسیت مغناطیسی Magnetic Susceptibility
هر گاه جسمی را در میدان مغناطیسی قرار دهیم، نیرویی بر روی آن اعمال می شود. در این حالت می گویند که جسم مغناطیسی می شود. شدت مغناطیسی شدن به حساسیت K بستگی دارد و آن خاصیتی از فلز است که به جنس ماده وابسته می باشد. اکثراً مقدار K یک فلز با فلز دیگر فرق می کند و بر حسب علامت و مقدار K آنرا به سه دسته تقسیم
می کنند:
فلزات دیامانیتیک (دی مغناطیس): 
فلزهای دیامانیتیک، فلزهائی هستند که در آنها K کوچک و منفی است بنابراین بوسیله ی یک مغناطیسی خیل ضعیف دفع می شود. نمونه هائی از این فلز عبارتند از: مس، نقره، طلا و بیسموت. 
فلزهای پارامانیتیک (فلزهای پارامغناطیس): 
فلزهای پارامغناطیس، فلزهائی هستند که در آنها K کوچک و مثبت است. اکثر فلزها پارامغناطیس هستند که از آن جمله می تونان لیتیم، سدیم، پتاسیم، کلسیم، استرنسیم، منیزیم، مولیبدن، و تانتالم را نام برد. 
فلزهای فرومانیتیک (فرومغناطیس): 
فلزهای فرومغناطیس، فلزهائی هستند که در آنها K بزرگ و مثبت است و شامل آهن، کبالت، نیکل و گادولینیم می شوند. یکی از خصوصیات ویژه ی مواد فرومغناطیس این است که بعد از آنکه میدان مغناطیسی برطرف شد، خاصیت مغناطیسی شان را حفظ 
می کنند، لذا این مواد قابلیت مغناطیسی دائم شدن را دارند. 
قابلیت بازتابش Reflectivity
یکی زا خصوصیات برجسته ی فلز، جلای فلزی آن است. این رنگ سطحی ظاهراً به سبب انعکاس خاص نوری است که به سطح آزاد فلز تابیده شده است. قابلیت انعکاس (نسبت نور منعکس شده به نور تابیده شده) یک سطح فلز نه فقط به نوع ماده بلکه به خشنی و صافی آن نیز بستگی دارد. 
قابلیت مقاومت اکسیداسیون عالی و خصوصیات ویژه ی انعکاس گرمائی آلومینیم و فولادهای باروکش آلومینیم، آنها را برای مصارفی نظیر آسترهای اجاق، بازتابنده حرارتی و المنت های حرارتی مطلوب ساخته اند.

 

 

آموزش کشش
ساده ترین بارگذاری آموزش کشش یک بعدی است منحنی تنش - کرنش بیانگر عملکرد نمونه است که در آن بار به طور یکنواخت تا شکست افزایش می یابد. 
منحنی های تنش – کرنش معمولاً به صورتهای زیر ارایه می شوند: 
1) منحنی های تنش « مهندسی» - کرنش که در آنها ابعاد اولیه نمونه ها در اکثر محاسبات بکار می روند.
2) منحنی های تنش « واقعی» - کرنش که در آنها ابعاد لحظه ای نمونه در هر نقطه در طی آزمون در محاسبات استفاده می شوند. این نتایج در منحنی های واقعی بالاتر از منحنی های مهندسی هستند و بخصوص در قسمتی از منحنی که کرنش بیشتر دارد دیده، می شوند. 
برای ثبت آزمون کشش، منحنی تنش « مهندسی» - کرنش از اندازه گیری های بار- افزایش طول در روی نمونه آزمایشی استفاده می شود (شکل 1). تنش مهندسی، S، که در منحنی تنش – کرنش رسم شده است، تنش طولی متوسط در نمونه کششی است و از تقسیم بار، P، بر سطح مقطع اولیه نمونه A0 بدست می آید: 
(1) 
کرنش، e، که در منحنی تنش مهندسی – کرنش، کرنش خطی متوسط است و از تقسیم افزایش طول سنجش نمونه، ، بر طول اولیه L0، بدست می آید. 
(2) 
چون تنش و کرنش از تقسیم بار و افزایش طول بر مقادیر ثابت به دست می آیند، منحنی بار- افزایش طول، شبیه منحنی تنش مهندسی – کرنش است. این دو منحنی غالباً به جای هم استفاده می شوند.

مجذور طول

 

نیرو


واحدهای تنش هستند و کرنش واحد ندارد. محور کرنش منحنی ها معمولاً بر حسب in/in یا mm/mm است و تنها به صورت یک عدد خالص نیست. گاهش کرنش به صورت درصد افزایش طول نیز بیان می شود. 
شکل منحنی تنش- کرنش و مقادیر مربوط به نقاط روی منحنی تنش – کرنش فلز به موارد زیر بستگی دارد: 
1) ترکیب شیمیایی 2) عملیات حرارتی و بهنیه سازی 3) سابقه قبلی تغییر شکل مومسان 
4) نرخ کرنش آزمون 5) دما 6) جهت و موقعیت تنش وارده نسبت به ساختار نمونه آزمایشی 
7) اندازه و شکل 
پارامترهای مورد استفاده برای توصیف منحنی تنش- کرنش یک فلز استحکام کششی، استحکام تسلیم یا نقطه تسلیم، استحکام کششی نهایی، درصد افزایش طول و کاهش سطح مقطع هستند. سه پارامتر اول، پرامترهای استحکام هستند و دو مورد آخر انعطاف پذیری را نشان می دهند. 
بارگذاری کامل یک نمونه از بار اولیه تا شکست را نشان می دهد. این منحنی، یک منحنی کامل (full

range) است. غالباً منحنی های مهندسی پس از نقطه تسلیم 0.2% قطع می شوند.

آماده سازی نمونه

آماده سازی نمونه متالوگرافی را تا حد زیادی می توان یک هنر دانست معمولا در آزمایشگاه های مختلف از شیوه های متفاوتی برای آماده سازی نمونه استفاده می شود با توجه به اینکه فلزات از نظر سختی و بافت با یکدیگر متفاوت هستند از این رو با توجه به نوع فلز مورد آزمایش روش آماده سازی نمونه ممکن است کمی متفاوت باشد ولی بصورت کلی عملیات آماده سازی نمونه ها مشابه می باشد. برای آشنایی با فرایند آماده سازی یک نمونه متالوگرافی روش رایج در مورد آهن و فولاد مورد بررسی قرار می گیرد.

شرح

یک نمونه کوچک که از یک قطعه فولادی جدا شده را در نظر بگیرید که یک سطح تخت مناسب در یک طرف این نمونه بوسیله اره کردن و سنگ زنی آمده شده است روش معمول اینست که این نمونه در یک قرص پلاستیکی با قطر یک اینچ 25 میلیمتر و ضخامت یک دوم اینچ نصب می شود به طوری که سطحی از نمونه که قرار است پولیش شود در یک طرف دیسک قرار بگیرد .دریک روش برای تولید این قرص نمونه در داخل یک قالب ساده استوانه ای قرار داده شده و سپس رزین اپوکسی مایع در داخل قالب ریخته می شود این مراحل به چهار مرحله مختلف طبقه بندی می شود :

1) سایش نرم 

2) پرداخت خشن

3) پرداخت نهایی

4) اچ کردن 

در سه قسمت اول هدف اصلی کاهش ضخامت لایه تغییر شکل یافته زیر سطح نمونه است عملیّات برش سنگ زنی و سایش فلز نزدیک به سطح را به شدت تغییر شکل می دهند ساختار واقعی فلز تنها زمانی آشکار می شود که لایه تغییر شکل یافته کاملا از روی سطح برداشته شود چون هر مرحله از آماده سازی نمونه نیز به خودی خود باعث تغییر شکل در سطح می شود ، بنابراین در هر مرحله باید از ساینده های نرم تر از قبلی استفاده شود هر ساینده سبب جدا شدن لایه تغییر شکل یافته ناشی از مرحله قبل می شود در حالی که همین ساینده ، یک لایه اعوجاج یافته با عمق کمتر نیز تولید می کند

سایش نرم

در این مرحله سطح نمونه با استفاده از پودر های کاربید سیلیسیم که بر ریو کاغذ های مخصوص تعبیه شده اند ساییده می شود ممکن است نمونه بصورت دستی روی کاغذ سنباده ای که روی یک سطح تخت نظیر یک تکه شیشه تخت قرار دارد ساییده شود همچنین ممکن است کاغذ سنباده روی سطح یک چرخ دوار افقی و تخت چسبانیده شده و سپس نمونه متالوگرافی روی آن قرار داده شود در هر دو روش معمولا از آب به عنوان یک روانساز استفاده می شود که باعث حمل ذرات جدا شده از سطح نیز می شود سه نوع ساینده با شماده های 320 ،400، 600 که در آنها به ترتیب اندازه ذرات کاربید سیلیسیم برابر 33 ، 23 ، 17 میکرون است مورد استفاده قرار می گیرند در هر یک از مراحل سایش اولیه نمونه بصورتی روی یک سطح حرکت داده می شود که خراش ها فقط دریک جهت تشکیل شود هنگام تعویض یک کاغذ سنباده نمونه به اندازه تقریبی 45 درجه دوران داده می شود که در نتیجه خراش های جدید تشکیل شده در روی سطح با خراش های قبلی زاویه می سازند سایش تا زمانی ادامه می یابد که خراش های تشکیل شده از مراحل قبل ناپدید شوند.

پرداخت خشن

این مرحله بسیار حساس است در حال حاضر ماده ساینده مورد استفاده برای عملیات پرداخت خشن پودر الماس با اندازه دانه تقریبی 6 میکرون است پودر الماس در خمیری قابل حل در روغن نگه داری و حمل نقل می شود در این مرحله مقدار کمی از این خمیر بر روی سطح یک چرخ دوار که با یک پارچه نایلونی پوشیده است قرار می گیرد روانساز مورد استفاده در حین عملیات پرداخت روغنی مخصوص است نمونه روس چرخ دوار با فشار قابل ملاحظه ای فشار داده می شود در طول این مرحله نمونه در یک محل خاص و ثابت روی چرخ دوار با فشار قابل ملاحظه ای فشار داده می شود در طول این مرحله نمونه در یک محل خاص ثابت روی چرخ پرداخت نگه داشته نمی شود و د حول چرخ و در جهت مخالف دوران چرخ حرکت داده می شود در نتیجه عمل پرداخت با یکنواختی بالایی انجام می شود ذرات الماس خاصیت داده می شود در نتیجه عمل پرداخت با یکنواختی بالایی انجام می شود ذرات الماس خاصیت برش شدیدی داشته و در جدا کردن لایه عمیق تغییر شکل یافته ناشی از عملیات سایش اولیه بسیار موثرند پودر الماس 6میکرون  قادر به جدا سازی لایه تغییر شکل یافته حاصل از ساینده کاربید سیلیسیم 17 میکرونی در مرحله آخر سایش اولیه است.

پرداخت نهایی

در این مرحله خراش های ظریف و لایه های اعوجاج یافته بسیار ریز که از مرحله پرداخت خشن باقی مانده اند جدا می شوند ماده پرداخت مورد استفاده اغلب پودر آلومینا از نوع گاما با اندازه دانه 05/0 میکرون است این پودر روی یک چرخ دوار پوشیده شده با پارچه ریخته شده و از آب مقطر به عنوان رونساز استفاده می شود بر خلاف پارچه نایلونی بدون پرز استفاده شده در پولیش خشن ، پارچه مورد استفاده در مرحله عموما پرزدار است چنانچه این مرحله و مرحله قبلی با دقت کافی انجام شوند ، سطحی عاری از خراش و تقریبا بدون هیچ لایه  فلزی اعوجاج یافته قابل تشخیص تشکیل می شود.

اچ کردن

معمولا در نمونه متالوگرافی ساختار داده ها پس از پایان عملیات پرداخت نهایی در زیر میکروسکوپ مشخص نیست  ضخامت مرز دانه های یک فلز در بهترین حالت در حد ضخامت چند اتم است در حالی که توان آشکار سازی یک میکروسکوپ بسیار کمتر از حد لازم برای تشخیص آنهاست تنها در فلزی که بلور هایی با رنگ های مختلف در تماس با یکدیگر باشند ، قابل رویت ساختن مرز دانه ها نمونه های متالوگرافی اچ می شوند که این عملیات با فرو بردن سطح نمونه پولیش شده در یک محلول اچ ضعیف اسیدی یا قلیایی انجام می شود رایج ترین محلول مورد استفاده برای فولاد های نایتال نام دارد که محتوی محلول 2% اسید نیتریک در الکل است در بعضی حالات می توان عمل اچ را توسط مالش ملایم یک تکه پنبه آغشته به محلول اچ بر روی سطح انجام داد در هر صورت در نتیجه این عمل مقداری از سطح فلز حل شده و از سطح خارج می شود چنانچه محلول اچ مورد استفاده مناسب باشد سطح فلز بصورت یکنواخت حل نمی شود گاهی عامل اچ کننده به مرز دانه ها سریع تر از سطح دانه ها حمله می کند سایر محلول سایر محلول های اچ ، دانه های مختلف را بر اساس جهت گیری آن ها حل خواهند کردپس از اچ کردن مرز ها به صورت پله هایی کم عمق در سطح ظاهر می شوند جداره های عمودی این پله ها نور را همانند سطوح بلوری نسبتا صاف به عدسی های شیئ میکروسکوپ منعکس نمی کنند و در نتیجه محل مرز بلوری در زیر میکروسکوپ قابل رویت می شوند.

پرداخت الکتریکی و اچ الکتریکی

در فلزاتی نظیر فولاد زنگ نزن تیتانیم و زیر کونیم که از بین بردن لایه های سطحی اعوجاج یافته بسیار مشکل است پولیش مکانیکی مناسب نیست بنابراین اغلب این مواد توسط روش پرداخت الکتریکی در آخرین مرحله پرداخت می شوند در این حالت نمونه به عنوان آند و یک ماده غیر قابل حل به عنوان کاتد در یک حمام الکترولیتی به صورت مناسب قرار می گیرند چنانچه از دانسیته جریان مناسب استفاده شود می توان سطح نمونه را به صورتی حل کرد که یک سطح پرداخت مناسب تولید شود در روش پرداخت الکتریکی حمام و دانسیته جریان باید به صورت مجزا طوری کنترل شوند که سطحی صاف و بودن پستی و بلندی تولید شود همچنین با تغییر ترکیب شیمیایی حمام و دانسیته جریان می توان سطحی با پستی بلندی های مناسب عملیات اچ را تولید کرد به این مراحل پرداخت الکتریکی گویند.

شرح هر یک از مراحل آماده سازی قطعه :

نمونه برداری

 سنباده زنی

پرداخت کاری

اچ کردن

نمونه برداری

مقوله نمونه برداری که تابع زمان ، مکان ، تعداد نمونه لازم برای دستیابی به یک نتیجه تکرار پذیر و . . . است ، از زمره کارهایی است که امروزه در اکثر نقاط جهان به صورت دستورالعمل درآمده و لازم الاجرا است . در متالورژی بحث نمونه برداری در دو بخش پژوهشی و صنعتی خلاصه می شود . مقصود پژوهشگر از تهیه یک نمونه در یک کار پژوهشی ، بررسی خواص آن قبل از ساخت و تولید انبوه است ، در حالی که نمونه برداری صنعتی به منظور بررسی خواص و حصول اطلاعات لازم و کافی در مورد محصولات یک فرآیند تولید خاص قابل کنترل می باشد ، مانند یافتن علل عیوب در قطعات ریختگی .در این صورت نمونه برداری از آنجا اهمیت بسزایی می یابد که می  باید نماینده شایسته ای ازکل محصولات تولیدی باشد که با شرایط یکسان تولید شده اند .

نمونه متالوگرافی

یک نمونه متالوگرافی مطلوب برای مطالعات میکروسکوپی و ماکروسکوپی ساختار ، به درستی و با دقت انتخاب شده و از سطح مناسبی برخوردار است  به منظور بررسی دقیق تر جزئیات ساختاری ، لازم است که سطح نمونه عاری از هر گونه تغیرات ناشی از عملیات نمونه برداری و آماده سازی نمونه بوده ، فاقد هر گونه لکه ، خراش و تغییر شکل باشد . در مواردی خاص نیز باید لبه یا نوک نمونه ها محافظت گردد . تهیه و آماده سازی نادرست و نامناسب می تواند به نتایج غلط منجر گردد.

برش و مقطع زدن

جدا سازی یک تکه کوچک ( نمونه) از قطعه اولین مرحله از فرآیند آماده سازی نمونه بوده و از اهمیت شایانی برخوردار است . بریدن نمونه از قطعه می باید از مکانی صورت گیرد که سطحی مناسب و واقعی از قطعه را نمایان ساخته و بتواند نماینده قطعه و مبین ساختار عمومی آن باشد . این امر به مشخصات قطعه ، روش پژوهش و اهداف مورد نظر نیز بستگی دارد . در این میان به مواردی چون فشار ، دما ، سرعت بریدن ، توسعه ترک ، تولید گرما ( و در نتیجه تبلور مجدد ، باز پخت موضعی و گاهی ذوب موضعی ) ، دقت عمل و غیره ، که هر یک به نوعی می توانند بر خواص قطعه تاثیر بگذارند نیز توجه خواهد شد . کمک گرفتن از یک روانکار و یا خنک کننده می تواند این اثرات را به حداقل برساند.

 انواع روش های برش به سه دسته تقسیم می شوند :

برش مکانیکی

برش با قوس الکتریکی

برش الکتروشیمیایی

 برش مکانیکی

 برش مکانیکی به طرق مختلف امکان پذیر است . در روش برشی سایشی – که یکی از روش های برش مکانیکی است – با استفاده از یک صفحه گردنده با دور بالا در زمان کوتاهی ، با دقت مناسبی نمونه بریده می شود . در بسیاری موارد با استفاده از سیم و یا اره الماسه ، با حرکت گردشی مناسب ، می توان عمل بریدن نمونه را در حد مطلوب به انجام رساند . گاهی نیز با یک قلم تیز که با امواج مافوق صوت عمل می کند ، می توان عملیات نمونه برداری در شرایط خاص را آسان نمود.

برش با قوس الکتریک

 ماشینی که برای این نوع برش ساخته شده است ، به نام اسپارک سیمی و یا اسپارک صفحه ای خوانده می شود . در این روش به منظور جلوگیری از افزایش دما هنگام برش ، عملیات برش داخل روغن انجام می گیرد . این روش اغلب برای آلیاژهای بسیار سخت استفاده می شود . سطح بریده شده با این روش بسیار صاف بوده و عملیات بعدی آماده سازی نمونه را تسهیل می نماید . شایان ذکر است از این روش اخیر برای بریدن لایه های بسیار نازک از قطعه به عنوان نمونه نیز استفاده می شود.برش الکتروشیمیایی :

 در این روش ضمن بریدن با فرز یا اره ، مایع خنک کننده اسید خورنده ای است که در یک مدار الکتریکی ، بریدن نمونه را سرعت بخشیده و کار بریدن نمونه در زمان کوتاهی به اتمام می رسد . گاهی اوقات با استفاده از یک افشانه ( جت ) محلول خورنده را با شتاب بر روی قسمتی که باید بریده شود پرتاب می کنند . در این صورت جریان الکتریسته موجود نیز کمک نموده و خوردگی چنان سرعت می گیرد که می توان نمونه را به راحتی و سریع از قطعه مورد نظر جدا ساخت.

نمونه گیر

نمونه تهیه شده برای مطالعات متالوگرافی با میکروسکوپ، کوچک بوده وتا قبل از رسیدن به بررسی های میکروسکوپی کارهای زیادی بر روی آن صورت می گیرد . بنا بر این لازم است که نمونه توسط یک نمونه گیر طوری تحت کنترل و ثابت باشد که کار کردن بر روی آن با سهولت انجام شود . جنس نمونه گیر ها معمولا از فولاد نرم ، فولاد ضد زنگ ، آلیاژهای آلومینیوم و آلیاژهای مس می باشد.

مانتینگ

در بیشتر موارد ترجیح داده می شود که نمونه در یک ماده غیر فلزی مانند شیشه ، پلاستیک و یا رزین جای داده شود . این عمل مانتینگ نام دارد و به روش های گوناگونی صورت می پذیرد . مانتینگ نمونه زمانی که نمونه نا منظم ، کوچک ، خیلی نرم ، خیلی ترد و یا متخلخل باشد و یا اینکه نیاز به حفظ لبه های آن احساس شود ، لازم و ضرورری است . فرو بردن نمونه در مواد پلاستیک پر کاربرد ترین روش مانتینگ در متالوگرافی می باشد که به دو روش مانت گرم و سرد انجام می پذیرد :

مانت گرم = رزین + فشار + گرما

مانت سرد = رزین ( مونومر ) + کاتالیستدر

روش مانت گرم از دستگاهی استفاده می شود که بتواند پس از قرار دادن نمونه در داخل مواد ، دمایی در حدود 150 درجه سانتی گراد و فشاری حدود  29  مگاپاسکال ایجاد نماید . در اثر فشار و گرما ، پودر رزین سفت شده و نمونه را در خود حبس می کند .

رزین های گرما سخت  (Thermosetting)

مانند فنل ها ، با گذشت زمان به طور یک طرفه سخت می شوند .

رزین های گرما نرم ( Thermoplastic)

با کاهش درجه حرارت و تحت فشار منجمد و سخت می گردند ، اما قابلیت ذوب مجدد را دارا می باشند.

علامت گذاری بر روی نمونه

نمونه ها در صورتی قابل استفاده دوباره می باشند که علامت گذارده شده بر روی آنها در تمام مدت آماده سازی و مطالعه میکروسکوپی به وضوح قابل رویت بوده و هویت آنها گم نشود . علامت گذاری بر روی نمونه می بایست بر روی سطحی انجام شود که مورد متالوگرافی قرار نمیگیرد . در مورد نمونه هایی که مانت می شوند ، می توان روی ماده مانت علامت گذاری نمود . در هنگام استفاده از مانت های شفاف ( شیشه ای ) نیز مشخصات نمونه روی یک تکه کاغذ نوشته شده و طوری همراه نمونه قالب گیری می شود که نوشته قابل خواندن باشد.

سنباده زنی و پرداخت

در تهیه نمونه های متالوگرافی از نمونه های نا هموار ، استفاده از سنباده های درشت تا ریز مطلوب می باشد . سنباده زنی موجب صاف شدن سطح ، از بین رفتن لایه های نا خواسته و هویدا شدن لایه های مورد نظر می شود . سنباده خشن باعث از بین رفتن سطوح و برجستگی های نا مطلوب شده و یک سطح صاف با زبری 10 تا 100 میکرومتر را به وجود می آورد . زبری این سطح با استفاده از سنباده های نرم تر به حدود 1تا 10 میکرو متر می رسد . اگرچه عملیات سنباده زنی یک سطح صاف ایجاد می کند  اما این سطح فقط برای آزمایش های ماکروسکوپی ( نظیر سختی سنجی ) و یا ماکرواچ مناسب می باشد . به دلیل عدم وجود یک مرز مشخص میان سنباده زنی و پرداخت کاری ، همواره یک ارتباط نزدیک و قابل توجه بین سنباده زنی نرم و پرداخت کاری سخت وجود دارد و به همین علت دو بحث سنباده زنی و پرداخت کاری با هم مورد بحث قرار می گیرند.

سنباده زنی و پرداخت کاری مکانیکی

متداول ترین روش سنباده زنی و پرداخت کاری روش مکانیکی است . این عمل با استفاده از سنباده ثابت ، سنباده متحرک ، صفحه گردان و یا تسمه های چرخشی انجام می شود . هدف از سنباده زنی که عموما مرحله به مرحله زبری سنباده را کاهش می دهند ، به دست آوردن یک سطح صاف بدون شیار و تغییر شکل در سطح نمونه است . تنوع مکان ها در سطح نمونه موجب اختلاف هایی در خواصی نظیر پتانسیل الکتروشیمیایی می گردد . به عنوان مثال مناطقی که بیشترین میزان تغییر شکل را دارند ، بیشترین واکنش را با محلول های اچ نشان می دهند.  در نتیجه با سرعت بیشتری حل می شوند . این ناصافی ها به دلیل وجود خراش هایی در سطح نمونه پرداخت شده بعد از اچ بوده و مبین یک آماده سازی نامناسب است . مجموع عمق خراش ها و منطقه تغییر شکل یافته ، معادل عمق کل منطقه معیوب در نمونه می باشد .از بین برد خراش های ظاهری از سطح نمونه به تنهایی کافی نیست ، بلکه باید به همان میزان لایه های تغییر شکل یافته نیز از میان برداشته شوند . به جای سنباده های خشن باید از سنباده های نرو و دانه ریز استفاده نمود ، زیرا با سنباده زنی خشن تمایل به تغیر شکل بیشتر می باشد .

سنباده زنی و پرداخت کاری تر

در برخی از موارد ، آماده سازی نمونه در هوا یا در محیط گاز خنثی و بدون حضور مایعات صورت می گیرد . اما این موارد نادر بوده و در آماده سازی نمونه به مایعاتی چون آب ، به عنوان خنک کننده و پراکنده کننده ذرات نیاز است تا موجب سنباده زنی و پرداخت کاری راحت تر و یکنواخت تری گردد . سنباده زنی و پرداخت کاری تر مزایای زیادی دارد که از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره نمود :

کنترل حرارت در فصل مشترک نمونه با سنباده

 دور ساختن ذرات نامناسب از روی نمونه

 افزایش طول عمر برای سنباده های ثابت

فشار ، زمان و سرعت سنباده زنی و پرداخت کاری

افزایش فشار ، زمان و سرعت عموما به کنده شدن سریعتر مواد منجر می شوند .تاثیر این عوامل بر تغییر شکل به صورت زیر متغیر است :افزایش فشار ممکن است به تولید گرما منجر گشته و در نتیجه اثرات و تغییراتی بر ریز ساختار بر جای گذارد . فشار ، به خصوص در هنگام پرداخت کاری ، نباید بیش از حد زیاد باشد.

 به طور کلی هرچه زمان سنباده زنی کوتاه تر وزمان پرداخت کاری بلند تر باشد ، بهتر است.

 با افزایش سختی نمونه ، از سرعت کمتر سنباده زنی و پرداخت کاری استفاده به عمل می آید . البته این نکته عمومیت نداشته و برای برخی مواد مانند سرامیک ها ، ترکیبات بین فلزی و کاربیدهای سیمانی ، عمدتا سرعت پرداخت کاری بالاتر ترجیح داده می شود.

 به دلیل آن که افزایش سرعت سنباده زنی و پرداخت کاری موجب تولید گرمای زیادی در سطح می گردد ، مواد حساس به گرما باید با سرعت های پایین تری پرداخت گردند و یا در حین عمل از خنک کننده بیشتری استفاده شود.

 حرکت نمونه بر روی سطح ساینده

برای دریافت بهترین نتیجه ، باید سطح پهن تر نمونه انتخاب گشته ، در تمام مدت عملیات ثابت نگه داشته شده و روی سطح ساینده قرار گیرد. به منظور جلوگیری از تشکیل شیار های جهت دار ناشی از سنباده و پرداخت بر روی نمونه ، بهترین کار این است که نمونه بعد از هر مرحله به اندازه 90 درجه چرخانده شود . در مواقع استفاده از سنباده یا پرداخت کنده چرخان ، چرخش نمونه در خلاف جهت چرخش چرخ ، موجب جلوگیری از تشکیل اثرات جهت دار چرخ سنباده یا پرداخت بر روی سطح نمونه می گردد.

سنباده زنی و پرداخت کاری

در زمینه سنباده زنی و پرداخت کاری نمونه های متالوگرافی ، توجه به نکات زیر مفید است:در مراحل مختلف سنباده کاری ، نمونه متالوگرافی در هر مرحله نسبت به مرحله قبل 90 درجه چرخانده شود و عملیات سنباده زنی در هر مرحله تا زمان از بین رفتن کامل اثر و امتداد خطوط مرحله قبلی ادامه می یابد.

 کاغذ سنباده از جنس SiC  برای فلزات نرم و کاغذ سنباده ازجنسAl2O3  برای فلزات سخت و پایه آهنی به کار می رود. برای سنباده زدن سرامیک ها ازصفحات الماسه استفاده می شود.

 در سنباده زنی نرم برای فلزات نرم از عدد ریزی بالای سنباده SiC استفاده می شود ، ولی برای فلزات سخت تر ، صفحات سنباده الماسه یا نمونه های مخصوص همراه با خمیر الماسه (با اندازه ذرات 9 الی 45 میکرون) مورد استفاده قرار می گیرد.

 در مرحله صیقل کاری و پرداخت کردن ، که مقدار تغییر شکل سطح به حداقل می رسد ، دو روش با علایم اختصاری OP و DP اعمال می شود  .

روش DP

صیقل کاری با استفاده از خمیر الماسه و نمونه مخصوص است . در این روش به دلیل اصطکاک بالای ناشی از سختی خمیر الماسه ، از مواد خنک کننده مناسب استفاده می شود .

روش OP 

در نمونه های نرم تر که شکل پذیری بالا دارند به کار می رود . پودر های اکسیدی  MgO و  SiO2 ، Al2O3 با دانه بندی حدود 0,04 میکرون همراه با محلول امولسیونی در دو گروه مورد استفاده قرار می گیرند .

در گروه اول ( OP-U ) پودر SiO 2 با یک محلول به Ph حدود 9,8 برای از بین بردن لایه تغییر شکل یافته و در گروه دوم ( OP-S) پودر اکسیدی با دانه بندی 0,04 میکرون به صورت مخلوط سوسپانسیون و محلول H به کار می رود.

 نمد مورد استفاده در روش OP به دلیل بالا بودن  Ph در محلول امولسیون و پایین بودن آن در مخلوط سوسپانسیون باید مقاومت خوردگی خوبی در این محیط ها ( بازی و اسیدی ) داشته باشد.

&nbs

/ 0 نظر / 134 بازدید