بسم الله الرحمن الرحیم Ni3Al And Its Alloys

1. بسم الله الرحمن الرحیم Ni3Al And Its Alloys MiladSabzehparvar Karaj Azad University www.metallurgydata.blogfa.com

2. خواص عمومی ترکیبات بین فلزی: ترکیباتی مستحکم وبا مدول الاستیسیته بالا افزایش استحکام تسلیم با افزایش درجه حرارت(دربرخی از آنها) ترکیباتی که AlوSiدارند،مقاومت به اکسیداسیون وخوردگی بالایی دارند. ترکیباتی که بر پایه عناصر سبک اند،چگالی پایینی دارند.

3. عیب ترکیبات بین فلزی: بزرگترین عیب ترکیبات بین فلزی همانند سرامیکها، داکتیلیته پایین آنها(مخصوصا در دماهای پایین و متوسط)میباشد.

4. دلایل کمبود داکتیلیته ترکیبات بین فلزی: محدود بودن ویاکم بودن لغزش متقاطع وجود عناصر حل شونده زیان آوردرمرزهای دانه سخت بودن گذر ازمرزهای دانه به وسیله لغزش ضعف ذاتی مرزهای دانه حساسیت محیطی

5. داکتیل کردن بوسیله عناصرآلیاژی: بااضافه کردن برخی ازعناصرآلیاژی،برخی ترکیبات بین فلزی را میتوان به حالت داکتیل درآورد،به عنوان مثال:Ni3Alبوسیله B،TiAlبوسیله Mn،Ti3Alبوسیله Nb جدول-1

6. آلومینایدهای نیکل: نیکل آلومنیوم(Ni3Al)باساختارکریستالیfcc،یک فاز منظم ازگروه L12(cP4)میباشد،که باعنوان شناخته میشود. سلول واحد فاز دارای4اتم میباشدکه،3اتم Ni درمراکزوجوه قرارمیگیرند ویک اتم Al درگوشه های سلول واحد(شکل1) Ni3Al ساختارکریستالی -1 شکل-

7. فاز ازیکواکنش پریتکتیکی دردمای 1395درجه سانتی گراد بوجود می آید. دیاگرام فازی: نمودار فازی نیکل و آلومینیوم نمودار فازی - 2- شکل Ni-Al

8. در این فرآیند(Exomelt) ازحرارت تولید شده در اثر واکنش Alبا Niبرای ذوب کردن عناصر آلیاژی که باعث بهبود خواص Ni3Alمیگردد، استفاده می شود.(شکل3) فرآیند تولید آلیاژهایNi3Al: شکل-3-کوره ذوب

9. ذوب و آلیاژسازی شکل-4- کوره ذوب

10. خواص آلیاژهای بهبود یافته Ni3Al((IC-221M: • ساختار کریستالی منظم • نقطه ذوب بالا • سخت ومستحکم • از نظر حرارتی پایدار • افزایش استحکام تسلیم با افزایش دما • چگالی پایین (25%کمتر از سوپر آلیاژها) • مقاومت به سایش،خستگی،اکسیداسیون بالا • مقاومت در برابر کربوریزه شدن

11. کاربرد آلیاژ :IC-221M • تجهیزات کوره • غلطک های نورد • لوله های جدار ضخیم • قالب های فرایند فورج گرم • و...

12. استفاده در کوره: شکل-5-سینی کوره عملیات حرارتی کربوریزه کردن

13. غلطک نورد شکل-6- تاب بر داشتن و پلیسه کردن غلطک های نورد

14. این فاز استحکام دهنده ی اصلی درسوپرآلیاژهای پایه نیکل،دردماهای بالامیباشد ودرنتیجه علت اصلی بالا بودن مقاومت به خزش سوپر آلیاژها می باشد (شکل7). استحکام آلیاژ شکل-7موفولوژی فاز

15. آلیاژهایNi3Alمعمولادربرابر اکسیداسیون درهوا پایدارومقاوم اند واین بدلیل لایه اکسید سطحی است که بوجود می آید. Ni3Alرفتار تسلیم غیرعادیدارد،استحکام تسلیم این ترکیب باافزایش درجه حرارت،افزایش میابد.استحکام تسلیم دردمای حدود600تا800درجه سانتی گراد به ماکزیمم مقدار خود رسیده وباافزایش بیشتر درجه حرارت ازاین محدوده دمایی،تنش تسلیم کاهش میابد .(شکل8) اکسیداسیون: شکل-8-رفتار استحکام تسلیم Ni3Al با افزایش درجه حرارت

16. علت افزایش تنش تسلیم با افزایش درجه حرارتایجاد مرز های ضدفازی ((APBعنوان شده است. (شکل 9و10) علت افزایش تنش تسلیم: شکل-10-مرزهای ضدفازی بوسیله نابجای ها شکل-9-قطع ذرات منظم APB و ایجاد

17. علت کاهش تنش تسلیم،دردماهای بالاتر: علت این کاهش در تنش تسلیم، تغییردرسیستم لغزشی عنوان گردیده است.به طوریکه دردماهای پایین تا800-600درجه سانتی گراد سیستم لغزشیNi3Al میباشد.امادر دماهای بالای این محدوده سیستم لغزشی از به تغییر میکند

18. تردی ذاتی مرزهای دانه : تک کریستال های Ni3Al بسیارداکتیل هستند، درحالیکه پلی کریستال های آن دردمای اتاق، ترد می باشند وا ین بدلیل شکست مرزدانه ای این پلی کریستالها است (تردی درمرزهای دانه ایجاد می گردد). تحقیقات اولیه برروی Ni3Al کاملا خالص که مرزدانه های آنها کاملا تمیز وبدون هیچگونه نا خالصی بود،نشان داد که این آلومینایدها ،به صورت مرزدانه ای می شکنند.و لذا دلالت براین داشت که،مرزهای دانه به صورت ذاتی ترد می شکنند.

19. بر داکتیلیته: B اثر مفید Bموثرترین ماده در بهبود داکتیلیتهکششی پلی کریستال های Ni3Alکه کمتر ازat%24آلومنیوم دارند،میباشد.(شکل11) اضافه کردن مقدار کمیBشدیدا باعث افزایش داکتیلیته ونیزشدیدا باعث کاهش شکست مرزدانه ای میگردد. با اضافه کردن Bبه میزانwt%0.1،داکتیلیته بیش از 50%بدست می آید. شکل-11- اثر مفید بر برداکتیلیته

20. مکانیزم های ایجاد داکتیلیته توسط B: کوشش های فراوانی به منظوربررسی اثرداکتیلیته Bتوسط محققان مختلف انجام گرفته است که میتوان گفت اکثر این محققان به انتقال اتم هایBبه مرزدانه های Ni3Alاشاره دارند.

21. سه مکانیزم برای توجیه اثرBوجوددارد: Bموجب افزایش استحکام چسبندگی مرزهای دانه میگردد. Bموجب تسهیل در مکانیزم لغزش از مرزهای دانه میگردد. Bموجب کاهش در تردی هیدروژنیNi3Al {کهناشی از رطوبت محیط برNi3Al میباشد} میگردد.

22. Bموجب نامنظم شدن مناطق مرزدانه ای میگرددولذا موجب تسهیل در مکانیزم لغزش شده وبنابراین نابجایی های کمتری پشت مرزدانه ها تجمع میکنند ودرنتیجه تنش ناشی ازتجمع نابجایی ها کمتر میشود واحتمال ایجاد ترک نیزکمترخواهد بود.(شکل12) اثرمفیدBبرمکانیزم لغزش: شکل-12-تجمع نابجایی ها پشت مرزهای دانه

23. اثرمفید Bبر تردی هیدروژنی: داکتیلیته Ni3Alهایی که به همراه Bمیباشند،به محیط آزمایش در دمای اتاق غیر حساس میباشد،لذا B برای حذف تردی هیدروژنی مناسب میباشد. علت: بدلیل اینکه اتم های BوHهر دو مکان یکسان وهمانندی رادرشبکه Ni3Al اشغال میکنند لذا،انتقال اتم های Bبه مرزهای دانه Ni3Al ،مانع نفوذ Hدرسراسر مرزهای دانه میشود و بنابراین موجب کاهش تردی هیدروژنی خواهد شد.

24. Bموثرترین عنصردربهبود داکتیلیته و کم کردن شکست مرزدانه ای در آلیاژهایNi3Al،که کمتر ازat%24آلومنیومدارند،میباشد.بطوریکه اگر غلظت Alاز مقدار at% 24افزایش یابد،داکتیلیته شدیدا کاهش می یابد وهمچنین نوع شکست از حالت بین دانه ای به حالت ترکیبی و سپس مرز دانه ای تغییر میکند. (شکل13) اثر غلظت آلومنیوم: شکل-13-اثر غلظت آلومنیوم بر داکتیلیته

25. تردی محیطی عامل اصلی تردی مرزدانه ای: قابلیت ازدیاد طول(El%)آلیاژهایNi3Alبه محیط آزمایش دردمای اتاق حساس میباشد ،لذا مستعد به تردی محیطی دردمای اتاق میباشند. دردو محیط متفاوت Ni3Al جدول-2خواص کششی آلیاژهای

26. بنابراین یک عامل خارجی (تردی محیطی)عامل اصلی داکتیلیته پایین وشکست ترد مرزدانه ای Ni3Alمیباشد. تردی محیطی باواکنش شیمیایی زیر همراه است: واکنش(1) اتم های Alدرآلومینایدها بارطوبت هواواکنش میدهندواتم های Hتولید می شود. اتم های Hدرداخل نوک ترک ها نفوذمی کنند وباعث رشد ترک مرزدانه ای وشکست زودرس میشوند. نحوه ی رفع تردی مرزدانه ای: افزودن مقدار کمی B

27. همانطورکه ازجدول2ملاحظه میگردد،بهترین داکتیلیته درمحیط اکسیژن خشک بدست می آید. واکنش(2) علت:واکنش اتم های Alبا اکسیژن؛باواکنش اتم های Alبارطوبت رقابت میکند ودرنتیجه تولید اتم های هیدروژن ازواکنش1کاهش میابد ولذا هیدروژن کمتری تولید شده وتردی محیطی کمترخواهد شد. از جدول2مشاهده میگردد که،هردونمونه های آزمایش شده در هوا ودر اکسیژن خشک ، داکتیلیته کمی داشتند وبه صورت مرزدانه ای می شکنند،لذا مشاهده میشود که تردی محیطی تنها علت شکست ترد مرز دانه ای نخواهد بود.

28. تردی محیطی در دماهای بالا: تردی در دمای پایین ،همراه باتولید هیدروژن از واکنش رطوبت هوا با اتم هایAlموجود در Ni3Alمیباشد . عامل تردی در دماهای بالا ،اکسیژن میباشد که درسراسرمرزهای دانه نفوذ می کندو باعث شکست مرزدانه ای ترد میشود .

29. محیط علاوه بر تاثیر برخواص کششی برمقاومت به خستگی نیز تاثیر گذار است(شکل14) آلیاژNi3Alباwt%Al24 دردماهای بالاتراز500 درجه سانتی گراد،کاهش شدیدی را در عمرخستگی نشان می دهد. اثر دما بر مقاومت به خستگیNi3Al: شکل-14

30. مکانیزم تردی دینامیکی: • تردیNi3Alتنها ناشی از اثر محیط نمی باشد بلکه بعلت عوامل مختلف شامل؛تمرکز تنش زیاد دریک منطقه،دمای بالا(نفوذ آسان)و وجود اکسیژن گازی بوجود می آید. • یک اثردینامیکی همراه با ضعیف شدن وترک مرزهای دانه ،بعنوان نتیجه ای از جذب اکسیژن درنوک ترک ها می باشد.

31. ایجادترک سطحی در مرحله اول تغییر شکل جذب اکسیژن گازی به نوک های ترک (درمناطقی که تنش زیادی متمرکز شده است) نفوذ اکسیژن بصورت اتمی به میدان تنش روبروی نوک های ترک پیشرفت ترجیحی سطوح ترک درطول مرزهای دانه وایجاد ترک های ثانویه تردی دینامیکی شامل چهار مرحله متوالی زیر است: شکل-15

32. اثر اندازه دانه بر شکل گیری فیلم اکسید سطحی: • برسطح نمونه های دانه ریز، یک لایه اکسید پیوسته، نازک و غنی ازآلومنیوم ایجاد میگردد. • برسطح نمونه های دانه درشت، یک لایه اکسید غنی ازنیکل ایجاد میگردد. • لایه غنی ازنیکل تشکیل شده برسطح مواد دانه ریز، بطور موثری ازنفوذ اکسیژن به داخل آلیاژ جلوگیری می کند وباعث جلوگیری از کاهش داکتیلیته میگردد. • اکسید تشکیل شده برسطح مواد دانه درشت ،اجازه نفوذ اکسیژن را در طول مرز دانه می دهد وباعث تردی شدیدی میگردد.

33. References: • J.H. Westbrook- R.L. Fleischer –Structral Application Of Intermetallic Compounds-2000-John Wiley & Sons • James K.Wessel- Handbook Of Advanced Material-2004-John Wiley &Sons. • R.E. Smallman- R.J. Bishop- Modern Physical Metallurgy And Materials Engineering- 1999- Butterworth-Heinemann. • R.W.Hertzberg- Deformation And Fracture Mechanics Of Engineering Materials-1996- John Wiley & Sons.