تاپیک مقاله های مهندسی مواد

[ghasem motamedi]

ساخت و تولید قطعات سوپر آلیاژی

قطعات سوپرآلیاژی کاربردهای متنوع و وسیعی در صنایع مختلف از جمله ایمپلنتها، صنایع زیردریایی، هوافضا و غیره دارند، اما كاربرد عمده سوپر آلیاژها، در پره های توربینهای گازی است. این توربینها در سه وزارتخانه دفاع، نفت و نیرو دارای اهمیت فوق العادهای میباشند. ساخت پرههای این توربینها نیاز به توانایی بالایی از لحاظ تكنولوژی دارد

روشهای تولید

قطعات سوپرآلیاژی، به دو روش عمده تولید می شوند:

الف) روش ریخته گری دقیق: این روش، عمدتاً برای تولید پرههای ثابت و متحرک توربین استفاده می شود. به این دسته از محصولات، "قطعات سوپرآلیاژی ریختگی" (Cast Super alloy) می گویند.

ب) روش شکل دهی: این روش، شامل فرآیندهایی چون فورج و نورد است و محصولات آن از قبیل دیسک، ورق، میلگرد، لوله و مفتول میباشد. به این گروه از محصولات، "قطعات سوپرآلیاژی کارپذیر" (Wrought Super alloy) گفته میشود.

در روش ریخته گری، مهمترین تجهیزات مورد نیاز یک کوره تحت خلاء است، ولی در مورد روش شکلدهی، معمولاً تجهیزات پیچیده تر است. البته در حال حاضر امکانات وسیع شکلدهی در سطح کشور وجود دارد و مشکل اصلی در این بخش، ضعف در دانش فنی است.

تولید قطعات سوپرآلیاژی به روش ریخته گری

برای تولید یک قطعه سوپرآلیاژی به روش ریخته گری به خصوص پره توربین که مهمترین قطعه سوپرآلیاژی است، چهار مرحله باید انجام شود:

1- مهندسی معکوس (جهت تهیه نقشه و مشخصات فنی)

2- ساخت قالب و ریخته گری دقیق

3- ماشینکاری قطعات ریخته شده

4- پوششدهی

این چهار مرحله برای تولید پره، به خصوص "پرههای متحرک" ردیف اول و دوم باید انجام شوند. البته "پرههای ثابت" ممکن است بخش پوششدهی را نداشته باشند. همچنین پرههای متحرک در ردیفهای سوم و بالاتر در بعضی موتورها ممکن است از طریق فرایند فورجینگ تولید شده و پوشش نداشته باشند. همچنین برای ایجاد هر صنعت، سه عامل تجهیزات، نیروی انسانی ماهر و دانش فنی، لازم است كه با توجه به این سه عامل، میتوان به بررسی وضعیت کشور در مورد مراحل چهارگانه فوق و نیز مشکلات آنها پرداخت:

1- مهندسی معکوس

در اینجا منظور از مهندسی معکوس فرایندی است که در آن از تعدادی نمونه موجود، مشخصات فنی و نقشه های مورد نیاز برای تولید و ساخت نمونه های مشابه بدست آید.

این فرایند شامل اندازهگیریهای ابعادی به وسیله CMM و دستگاههای مخصوص دیگر و سپس تهیه نقشه میباشد. تجهیزات لازم، تقریباً در کشور موجود بوده و CMM و نرم افزارهای مورد نیاز نیز موجود است. نیاز اصلی به نیروی انسانی متخصصی است که توانایی Surface modeling با دقت کافی را داشته باشد.

مشکلی که در تولید پرههای توربین وجود دارد، این است که پره، محصول نهایی نیست بلکه محصول نهایی "توربین" است و پرهها باید طوری دقیق ساخته شوند، تا وقتی تعداد زیادی پره در توربین نصب میشوند شرایط لازم را ایجاد نمایند. ممکن است قطعه تولید شده چیزی شبیه به پره اصلی باشد، اما رعایت تلرانسهای مجاز، بالاخص در نقاط حساس پره، نیازمند تجربه کافی است. تلرانس های قسمتهای مختلف پره بالاخص در نقاط حساس بر توان خروجی موتور بویژه در موتورهای هوایی تا‌ثیر تعیین کنندهای دارد.

برای حل این مشکلات و تربیت نیروهای ماهر، باید انتقال دانش فنی لازم انجام شود و این دانش فنی باید از شرکتهایی انتقال یابد که دارای اعتبار بین المللی در این زمینه هستند. معمولاً شرکتهایی توانایی این کار را دارند که از اطلاعات OEM بهرهمند باشند؛ یعنی با طراحی موتور آشنا بوده و تلرانسها را بدانند، حساسیتها را بشناسند و با پارامترهایی که باید از نظر ابعادی کنترل شوند، آشنایی داشته باشند.

با توجه به مطالب بالا شاید این تصور پیش آید که بحث مهندسی معکوس منتفی است، چون نیازمند دانش طراحی و ساخت توربین است. اما باید توجه کرد که در قطعات با حساسیت كم و نیز توربین هایی که قدرت پایینی دارند، براحتی می توان مهندسی معکوس را پیاده كرد. برای قطعات بزرگ و حساس و به خصوص پرههای هوایی این نکات قابل چشم پوشی نیست و باید با شرکتی که توان کافی را دارا باشد، همکاری شود. فعالیتی که در این بخش در کشور انجام شده روی پرههای کوچک و ساده بوده که در آنها حفرههای خنک کننده وجود ندارد.

2- ریخته گری دقیق

در ریخته گری دقیق، ابتدا قالب موم ساخته شده و سپس قطعات از جنس تزریق شده و پس از مونتاژ روی خوشه مومی پوسته سرامیک ایجاد میشود. در مرحله بعد موم تبخیر شده و پوسته سرامیكی به عنوان قالب عمل كرده و ریخته گری انجام میگردد.

برای ساخت قطعات کوچک، دو کوره دوچمبره (Double chamber vim) موجود است. اما برای ساخت قطعات بزرگتر نیاز به کورههایی با ظرفیت بالاتر است. در حال حاضر برای ظرفیتهای بالا، در داخل كشور فقط دستگاه تکچمبره وجود دارد که معمولاً برای تولید شمش به صورت نیمه صنعتی بکار میرود. تاکنون چند قطعه به صورت آزمایشگاهی ریخته گری شده است. در این راستا چند بازدید انجام شده و امکاناتی نیز وارد شده است ولی این امکانات جهت تولید انبوه جوابگو نیست.

موضوع حایز اهمیت دیگر این است که در فرایند ریخته گری پارامترهای بسیاری از جمله پارامترهای محیطی مثل رطوبت، دما و غیره دخیل است که تجهیزات خاصی را جهت كنترل نیاز دارد. در شرکتهای معتبر این پارامترها از طریق سیستم کنترل مرکزی تنظیم میشوند که باید روی این موارد کار شود. از نظر دانش فنی قلب فرایند ریخته گری ساخت قالب سرامیکی بویژه برای پرههای نازک و ماهیچه خور است.

از نظر نیروی انسانی، در این 10 سال خوب عمل شده است اما از نظر دانش فنی باید روی قطعات مورد نظر با دقت کار شود، چون تولید قطعات به این روش دشواری خاص خود را دارد.

البته برای تولید قطعات ساده و با ضخامتهای زیاد (توربینهای قدیمی و صنعتی) که از نظر تلرانس های ابعادی حساسیت کمتری دارند، مشکل چندانی وجود ندارد. اما در مورد قطعات نازك و قطعات ماهیچه خور و سوراخدار پیچیدگیها و حساسیتهای خاص وجود دارد. از آنجا که در ریخته گری دقیق، دانش پایه آن موجود است، در بحث دانش فنی باید بیشتر به نکات پیچیده و ظریف توجه شود. یعنی بعد از این باید برای کسب دانش فنی قطعات نازک، قطعات پیچیده و قطعات بزرگ دارای حساسیت بیشتر، تلاش شود. قطعات پس از ریخته گری معمولاً باید تحت عملیات HIP قرار گیرند. به دلیل عدم وجود تجهیزات مورد نیاز در حال حاضر قطعات ریختگی در خارج از کشور HIP میشوند.

3- ماشین‌كاری

قطعات سوپرآلیاژی بعد از ریخته گری باید ماشینکاری شوند که نقشه ها و دستورالعملهای لازم از طریق مهندسی معکوس آماده میشود. ماشین‌كاری سوپرآلیاژها صنعت مربوط به خود را دارد. سوپرآلیاژها و به خصوص آنهایی كه ریخته گری می‌شوند، بسیار سخت و محكم میباشند. در 10 سال گذشته برای تراشكاری‌های ساده، تجهیزات خوبی خریداری شده است و دانش فنی آن در حال تکمیل و توسعه می‌باشد و تقریباً در تراشكاری پره ریخته شده، مشكلی وجود ندارد.

اما تكنولوژی بعدی مورد نیاز در این قسمت، تکنولوژی سوراخكاری پرهها به روش الکتروشیمیایی جهت ایجاد سوراخهای خنک کننده هوا روی پرهها می‌باشد. در این بخش فعلاً دانش فنی و تجهیزات لازم موجود نیست و وزارت نیرو در حال وارد كردن تكنولوژی آن است. در حال حاضر شركت‌های داخلی برای سوراخكاری قطعات، آنها را به خارج از كشور ارسال می‌كنند.

4- پوشش‌دهی

برای پوشش‌دهی در كشور، دو مركز خوب موجود است. یك مركز در "صها" است كه پوشش‌دهی پره‌های هوایی را انجام می‌دهد و با استانداردهای 30 سال پیش كار می‌كند. مشكل این مركز، قطع ارتباط با صنعت مادر خود و عدم به روزكردن استانداردهای خود است. مركزی نیز در کرج وجود دارد که روی پوششدهی پره‌های صنعتی وزارت نیرو مشغول فعالیت است.

مطلب قابل توجه در اینجا، حرکت به سمت پوشش‌های جدید است. در حال حاضر قطعاتی در داخل کشور وجود دارند که با "پلاسما اسپری" تحت خلاء، پوشش داده می‌شوند. هرچند که تجهیزات آن قبلاً خریداری شده است، ولی به طور متمرکز روی آن کاری صورت نگرفته است، لذا برنامه ریزی در این زمینه نیز ضروری است.

وضعیت كنونی كشور در رابطه با تولید توربین گازی

اقداماتی توسط وزارتخانه های نیرو و نفت، جهت تمركز تولید توربین در حال انجام است. یكی از مشكلات مهم در بحث ساخت و تعمیر توربینها، تنوع آنها میباشد كه در نتیجه توجیه اقتصادی از بین میرود. بنابراین در این وزارت خانه ها تصمیم گرفته شد كه تنوع، پایین آورده شود و انتقال دانش روی موتورهای خاصی انجام گیرد.

در این رابطه وزارت نیرو برای تولید 30 عدد توربین گازی "زیمنس" که با استفاده از شرکتهای داخلی ساخته خواهد شد، قراردادی با شرکت Ansaldo ایتالیا منعقد کرده است كه در این راستا شرکت "توگا" تأسیس شده است. در این قرارداد، تکنولوژی تمامی بخشهای توربین بجز پرههای آن انتقال داده میشود و اخیراً برای تولید پرههای این توربینها با شرکتهای Non-OEM ارتباط برقرار شده است.

وزارت نفت نیز قراردادی با "Alstom" جهت ساخت 50 دستگاه توربین، برای انتقال دانش فنی به داخل کشور منعقد کرده است که البته در اینجا نیز پرهها جزء قرارداد نیست.

در بخش هوایی اطلاعات دقیقی در مورد برنامه کلان ساخت موتورهای توربین گازی در دسترس نیست. اما رشد صنعت پرههای هوایی در کشور نیاز مبرم به برنامه ریزی کلان و تعیین اهداف درازمدت در این زمینه دارد.

[ghasem motamedi]

مواد اولیه : الیاف ، رزین ها ، و دیگر پرکننده ها

لوله های FRP با استفاده از تقویت کننده های الیاف شیشه ، رزین های گرما سخت ، مواد linerviel و انواع دیگر افزودنی ها ساخته می شوند . الیاف تقویت کننده معمولا ً از جنس الیاف شیشه E است . مشخصات اسمی الیاف شیشه E عبارتند از سفتی کششی در حدود 72400 مگا پاسکال ، استحکام کششی در حدود 3450 تا 3800 مگا پاسکال و درصد افزایش طول در حدود 4 تا 5 درصد . انواع دیگری از الیاف در این رده عمومی وجود دارند که نیازهای گوناگون مقاومت به خوردگی را برطرف می کنند اما الیاف شیشه E تا حدودی تمام بازار را تحت سلطه خود درآورده است . الیاف تقویت کننده دیگری برای کاربردهای ویژه و شرایط خورنده منحصربه فرد وجود دارد مانند FCR ، C ، AR و جز آن . الیاف تقویت کننده بسته به فرآیند ساخت لوله و تحمل بار مورد نیاز ، تغییر می کنند . الیاف تک جهته تابیده شده ، الیاف کوتاه ، تقویت کننده های رشته ای ، نمد ، الیاف بافته شده و انواع دیگر الیاف درساخت لوله های FRP کاربرد گسترده ای دارند .
درصد وزنی الیاف به طراحی محصول نهایی وابسته خواهد بود . جهت الیاف ، شیوه چیدمان لایه ها روی هم و تعداد لایه های تقویت کننده ، ویژگی های مکانیکی ، سفتی و استحکام واقعی لوله را تعیین می کند . رزین مورد استفاده در ساخت لولۀ FRP ویژگی های خاص خود را دارد . درحالی که ویژگی های استحکام و سفتی رزین چندین بار کم تر از الیاف است ، رزین نقش اساسی را ایفا می کند . رزین های گرما سخت گروه عمده ای هستند که در ساخت لوله FRP به کار می روند . رزین به عنوان چسب عمل کرده و الیاف را در ساختار لایه ای محصول پخت شده به هم متصل می کند . رزین در برابر خوردگی ناشی از عبور گازها و سیالات از درون لوله مقاومت می کند . مشخصات فیزیکی و شیمیایی رزین ، مقاومت حرارتی که به شکل یک مشخصه که دمای انتقال شیشه ای ، Tg ، نامیده می شود و ویژگی های روش ساخت نقشی کلیدی در طراحی لوله ایفا می کنند . درحالی که رزین های پلی استر ، وینیل استر و اپوکسی قصد تسلط بر بازار لوله های FRP را دارند ، رزین های دیگری نیز وجود دارند که مقاومت به خوردگی منحصر به فردی ایجاد می کنند . پلی استرها اغلب برای تولید لوله هایی با قطر زیاد استفاده می شوند . وینیل استرها مقاومت به خوردگی بیشتری معمولا ً در برابر مایعات خورنده قوی مانند اسیدها و سفیدکننده ها دارند . رزین اپوکسی معمولا ً برای لوله هایی با قطر کم تراز 750 میلی متر و فشارهایی در حدود 8/20 مگا پاسکال تا 6/34 مگا پاسکال استفاده می شوند .

طراحی و تولید لوله های FRP اغلب به اجزای افزودنی نیز نیاز دارد . بیشترین افزودنی ها به شکل دهی رزین های گرما سخت کمک می کنند و همچنین ممکن است برای تکمیل واکنش های شیمیایی و پخت چند لایی مورد نیاز باشند . کاتالیزورها و سخت کننده ها در این دسته قرار می گیرند . پرکننده ها ممکن است به علت مسایل اقتصادی و یا افزایش کارایی استفاده شوند . بعضی از لوله ها به ویژه لوله های گرانشی به شدت به سفتی خمشی بالایی نیاز دارند . در مورد لوله های زیر خاک ، سفتی خمشی با عامل EI اندازه گیری می شود که حاصل ضرب سفتی چندلایی کامپوزیتی E و ممان اینرسی سطح مقطع لوله I است . سفتی چندلایی E را می توان با تغییر جهت الیاف و افزایش حجم الیاف و موارد دیگر افزایش داد . از آنجایی که ممان اینرسی I با توان سوم ضخامت دیوار نسبت دارد ؛ هرگونه کوششی برای افزایش ضخامت دیواره ، ممان اینرسی را به طور چشمگیری افزایش می دهد . در نتیجه بعضی از لوله های گرانشی با افزودن شن در مرحله تولید ساخته می شوند . افزایش شن مایۀ افزایش ضخامت دیواره و در نتیجه افزایش ممان اینرسی و افزایش عامل EI می شود . این کار افزایش سفتی با استفاده از ماده نسبتا ً ارزان مانند شن نامیده می شود . بنابراین شن می تواند یک افزودنی مهم در ساخت لولۀ FRP باشد .

چندین روش برجسته در صنعت

لوله های FRP به دو روش اصلی ساخته می شوند : ریخته گری گریز از مرکز و پیچش الیاف . با این وجود روش های بسیار متغیر و بهبود یافته ای در این سالها ایجاد شده است . در روش ریخته گری گریز از مرکز ، الیاف درون یک لولۀ فولادی قالب قرار داده می شوند . مواد تقویت کننده خشک هستند و در این مرحله به رزین آغشته نمی شوند . لایه چینی ویژه مواد در لوله فولادی به وسیله مهندس طراح و با توجه به کارآیی نهایی مورد نیاز ، مشخص می شود . هنگامی که الیاف در سر جای خود قرار گرفتند ، لوله فولادی با سرعت بالایی آغاز به چرخیدن می کند . رزین مایع در مرکز لوله پاشیده می شود و با توجه به نیروی گریز از مرکز ، تقویت کننده خشک را آغشته می کند . پوسته کامپوزیتی در حال چرخش با استفاده از گرما به لوله ای با سطح داخلی و خارجی صاف تبدیل می شود . سطح داخلی ، اغلب یک سطح هموار و غنی از رزین است .
روش شرح داده شده ، روش ریخته گری گریز از مرکز معمولی و متداول است . الیاف بافته شده ، پارچه و نمدهای سوزنی از مواد ساختاری این روش هستند . درصد وزنی الیاف دراین روش ساخت ، معمولا ً بین 20 تا 35 درصد است . می توان با استفاده از بافت های متراکم تر با افزایش سرعت چرخش برای دست یابی به فشردگی بیشتر به درصد وزنی الیاف بالاتری دست یافت .
برای ساخت لوله های گرانشی با قطرهای زیاد که سفتی لوله یک عامل بحرانی است و به سختی حاصل می شود ، اغلب اوقات از روش بهینه شده ای به نام ریخته گری گریز از مرکز Hobas استفاده می شود . روش Hobas شبیه به ریخته گری گریز از مرکز معمولی است ، افزون براین که برای افزایش عامل EI ، شن نیز به مواد اولیه افزوده می شود . این روش اغلب در قطرهای بزرگ تر از 500 میلی متر استفاده می شود و شن بخش عمده ای از سازه خواهد شد . درصد وزنی الیاف حدود 20 درصد است . درصد وزنی رزین 35 درصد و مقدار شن 45 درصد وزنی است . بنابراین درصد بالای شن باعث افزایش سفتی مقطع I می شود ولی سفتی الاستیک E را افزایش نمی دهد . به خاطر اینکه شن یک ماده ساختاری نیست ، از لولۀ Hobas به عنوان لوله گرانشی استفاده می شود نه لوله فشاری . در فرآیند پیچش الیاف ، پوسته ای پیرامون یک سنبه چرخان با قطری برابر با قطر داخلی لوله به طور پیوسته پیچیده می شود و به طور کلی در این روش ، تغییراتی ایجاد شده است . در فرآیند پیچش الیاف دو جهته یا مارپیچی ، الیاف تحت زاویه و به صورت مارپیچی روی سنبه پیچیده می شود ، تا هنگامی که تمام سطح پر شود و تعداد لایه های درست روی هم چیده شود . زاویه پیچش معمولا ً در محدوه زاویه بهینه تئوری و بین 55 تا 75 درجه است . طراحی ، زاویه پیچش مناسب را مشخص می کند . این روش بیشترین سفتی E و استحکام را ایجاد می کند ؛ چون الیاف پیوسته هستند نه بریده شده و می توان به درصد وزنی الیاف 60 تا 80 درصد رسید .
یک نسخه بهینه شده این روش ، روش پیچش الیاف پیوسته Drostholm است که برای ساخت لوله های پیوسته نوآوری شده است . در این روش یک سنبه انعطاف پذیر به کار می رود که پس از پخت لوله و حرکت لوله به جلو به جای اول خود برمی گردد . به خاطر اینکه در این روش لایه چینی به صورت کاملا ً مارپیچی امکان ندارد ، پیچش الیاف به صورت حلقه ای 90 درجه انجام می شود و بین لایه های محیطی الیاف کوتاه پاشیده می شود ، ممکن است پرکننده های شنی و الیاف نمدی نیز به کار روند . درهر حال الیاف محیطی بریده شده ساختار اولیه هستند . درصد وزنی الیاف در این روش بین 45 تا 70 درصد است . در حالت ثابت بودن طول لوله که از پیچش الیاف به صورت محیطی به همراه الیاف کوتاه استفاده می شود ، این فرآیند پیچش حلقوی کوتاه Chop-Hoop Winding نامیده می شود . ممکن است از شن نیز در این روش استفاده شود . با این کار درصد وزنی الیاف نیز به 45 تا 65 درصد کاهش می یابد .
ممکن است بر سر این که کدام یک از این روش ها بهینه است ، بحث باشد . با این وجود بحث های فنی کلیدی معمولا ً پیرامون اثر افزایش شن بر روی ویژگی های مکانیکی چند لایی کامپوزیت FRP است . اثرات دراز مدت تحمل بار و رفتار خزشی در حضور پرکننده شنی در سالهای اخیر مورد توجه بوده است .

ملاحظات طراحی و محیطی

طراحی لوله های FRP با توجه به موضوعات هیدرولیکی و شارجریان انجام می شود ؛ چون این مسایل از ملاحظات اساسی در طراحی مؤثر جریان گاز و سیال در سیستم های لوله کشی هستند . لوله های FRP برتری های قابل توجهی نسبت به مواد مرسوم مانند لوله های فلزی و بتنی دارند . به عنوان مثال ، هموار بودن سطح داخلی لوله FRP باعث کاهش مقاومت سیال و انرژی لازم برای جریان یافتن سیال در داخل لوله می شود . به دلیل مقاومت لوله FRP در برابر خوردگی ، با گذشت زمان و استفاده از لوله ، سطح داخلی هموار باقی مانده و مقاومت در برابر خوردگی نیز نقش اساسی در لوله های FRP بازی می کند .
گستره دمایی در طراحی لوله های FRP به نوع کاربرد و نوع ماده ای که در درون لوله جریان خواهد داشت بستگی دارد . لوله های زیرزمینی برای دمای ثابتی که میانگین دمای محیط پیرامون آن ها با توجه به شرایط محلی است ، طراحی می شوند . لوله های سطح زمین چون تحت شرایط باد ، باران ، برف و پرتوهای فرابنفش قرار می گیرند گستره دمایی وسیع تری دارند . در هر دو حالت گستره دمایی براساس آب و هوا و شرایط منطقه ای که لوله در آن نصب می شود تثبیت می شود . این شرایط معمولا ً از محدوده 20 تا 65 درجه سانتی گراد خارج نمی شود . در حقیقت به جز در موارد اندک ، محدوده دمای کاری معمولا ً بین 20 تا 55 درجه سانتی گراد قرار دارد .
با این وجود توجه به دمای سطح داخلی لوله مهم است چون معمولا ً سیال یا گاز در دماهای بالایی بین 52 تا 150 درجه سانتی گراد در داخل لوله جریان می یابد . رزین و لایه آستر درونی اغلب اوقات بر اساس نوع ماده خورنده عبوری از درون لوله و دمای فرآوری آن برگزیده می شود . لوله های FRP را می توان برای بسیاری از کاربردها ساخت .
طراحی لوله FRP هم چنین به شدت ، تحت تأثیر محدوده فشار کاری است ؛ در حالی که بیشتر لوله ها طی عمر کاری خود در معرض فشار داخلی مثبت قرار دارند . بار خلأ نیز می تواند به عنوان یکی از فاکتورهای طراحی لوله ، به ویژه در مورد لوله های زیرزمینی مورد توجه قرار بگیرد . در مورد لوله های گرانشی زیرزمینی ، لوله های FRP اساسا ً بر مبنای سفتی مورد نیاز و با توجه به شرایط خاک ، عمق دفن و فشار خارجی طراحی می شوند .
با این وجود ، اگرچه لوله های گرانشی در رده های متفاوت سفتی طراحی می شوند ولی این طراحی به گونه ای است که لوله بتواند در محدوده فشار روزانه که به وسیله کاربر نهایی مشخص می شود ، به طور موفقیت آمیزی کار کند . دور از انتظار نیست که حتی یک لوله گرانشی FRP هنگام کار تحت فشارهای حدود 8 مگا پاسکال قرار بگیرد . در حقیقت لوله های گرانشی نیز برای تحمل خوب بارهای طولانی مدت طراحی می شوند . لوله های فشاری درواقع بنابر شرایط تحمل بارهای فشاری بلند مدت برای کار پیوسته در خط طراحی می شوند . در نتیجه ، لوله های فشاری FRP اساسا ً برای تأمین استحکام طراحی می شوند تا سفتی ؛ چون در شرایط بارگذاری کوتاه مدت و بلند مدت بارهای فشاری ، بسیار مورد توجه هستند .
بارهای خارجی می توانند به صورت بارهای ناشی از دفن لوله لوله های زیرزمینی ، بارهای خمشی و یا تماسی ، لوله های سطح زمین و یا بارهای حاصل از ترافیک لوله های زیرزمینی باشند . بسیاری از این بارها ممکن است در کارآیی بلند مدت لوله FRP بحرانی باشند و محاسبه جابه جایی ها و تنش های چندلایی تحت بار برای تضمین یک پارچگی سازه در طول عمر مفید مورد انتظار مهم است . بسیاری از راهنماهای طراحی و استانداردها ، طراحی لوله های FRP را از طریق این گونه محاسبات و تأییدیه ها کنترل می کنند .

در برخی از کاربردها که قابلیت اشتعال ، دود ، مقاومت در برابر آتش و سمی بودن مهم هستند ، مقاومت در برابر شعله می تواند از اصول طراحی باشد . از جاهایی که این مسایل مورد توجه هستند ، سکوهای نفتی دور از ساحل است . تولید کننده ها می توانند از رزین های گوناگون مقاوم در برابر شعله و یا لایه های خارجی مقاوم ، برای این منظور استفاده کنند .

[ghasem motamedi]

پلتروژن فرآيند پيوسته‏اي براي توليد انواع پروفيلهاي كامپوزيتي است. در اين فرآيند، الياف تقويت كننده را از يك حمام عبور مي‏دهند تا به رزين آغشته شود. سپس الياف آغشته شده را وارد يك قالب گرم مي‏نمايند و نمونة پخت شده را توسط يك دستگاه كشش بيرون مي‏كشند. بعد از اين مرحله امكان برش محصول در اندازه‏هاي دلخواه وجود دارد. اين فرايند تا حدودي مشابه فرايند اكستروژن پلاستيكها و توليد پروفيلهاي پلاستيكي است.

از جمله مزاياي اين روش كه يكي از باصرفه‏ترين روشهاي توليد كامپوزيتهاست، اين است كه درصد الياف در آن بالاست و چون الياف بصورت طولي آرايش مي‏يابند، محصول داراي استحكام كششي و فشاري بسيار بالايي است. همچنين سطح محصول نهايي كاملاً صاف است و نيازي به فرآيندهاي تكميلي نيست.




مراحل فرآيند:

• ورودي الياف: الياف تقويت كننده‏ به شكلي هستند كه بطور پيوسته فرآيند امكان پذير باشد. قفسة الياف پيوسته، اولين قسمت خط فرآيند مي‏باشد. بعد از قفسة الياف، قفسة نمد الياف شيشه يه پارچة‌ها سطح قرار دارد. حركت الياف از ناحية آغشته ‏سازي مي‏بايست كنترل شود تا از هرگونه پيچش و گره و آسيب محفوظ بماند. اينكار مي‏تواند توسط راهنماهاي فلزي، سراميكي و يا تفلوني انجام ‏شود.
• ‍حمام آغشته‏‌سازي: آغشته‌‏سازي الياف تقويت كننده، از اصول فرآيند پلتروژن مي‌باشد. غوطه‏‌وري در حمام يك راه براي اين كار است. در اين روش الياف از رو و زير ميله‌‏هاي آغشته‌‏سازي عبور داده مي‏شوند تا از هم باز، و به رزين آغشته گردند. معمولاً در ساخت پروفيلهاي پيچيده، بعد از حمام و قبل از قالب، از صفحاتي براي شكل دادن به الياف آغشته به رزين، استفاده مي‏‌كنند. پوشش اين صفحات بايد از جنسي مناسب باشد تا از وارد ساختن هرگونه تنش به الياف آغشتة ضعيف شده، جلوگيري به عمل آيد. معمولاً اين قطعات از جنس تفلون، پلي‏ اتيلن با جرم مولكولي بسيار بالا ، فولاد با پوشش كرم و يا آلياژهاي مناسب فولادي مي‏باشند.
• قالب: قالب پلتروژن، قلب اين فرايند محسوب مي‏شود. چرا كه دما، كنترل كنندة سرعت واكنش پخت، محل پخت رزين در قالب و شدت گرماي حاصل از پخت رزين مي‏باشد. قطعه‌‏اي كه كامل پخت نشده باشد، خواص فيزيكي و مكانيكي ضعيفي از خود نشان مي‏دهد. همچنين اگر گرماي اضافي در قالب وجود داشته باشد، نقص و ترك حرارتي، موجب افت خواص الكتريكي، شيميايي و مكانيكي قطعه مي‏شود.
• گيره و كشش: حداقل 3 متر فاصله بين خروجي قالب و محل كشش مي‏بايس تعبيه شود تا قطعه فرصت سرد شدن پيدا كند و در برابر فشار گيرة كشش تغيير شكل ندهد. سه روش براي كشش مرسوم است؛ كشش رفت وبرگشتي متناوب، كشش رفت و برگشتي پيوسته و كشش توسط سيستم تسمه نقاله‏اي.
• برش: هر خط پيوستة پلتروژن احتياج به يك سيستم برش دارد تا طولهاي مناسب از قطعه تحويل شود. هردو روش برش خشك و تر قابل استفاده مي‏باشند. ولي در هر حال تيغه برش مي‏‌بايست الماسه باشد. در صورتيكه سرعت خط بالا باشد، تيغه برش همراه پروفيل حركت مي‏كند.

مواد: با توجه به خواص مورد نظر، مي‏توان از الياف و رزينهاي مختلفي استفاده نمود. الياف تأمين كنندة خواصي چون استحكام كششي و ضربه، سفتي و مانند آن مي‏باشند ولي رزين تأمين كنندة خواص فيزيكي مانند آتشگيري، مقاومت در برابر شرايط جوي، هدايت حرارتي و مقاومت شيميايي مي‏‌باشند. براي بهبود خواص نيز از انواع افزودني‏ها استفاده مي‌‏شود.
الياف: در انتخاب الياف سه ويژگي مورد بررسي قرار مي‏گيرد: نوع الياف (شيشه، آراميد و كربن)، شكل آنها ( Roving,Mat,Fabrics ) و آرايش يافتگي آنها.
الياف شيشه مرسوم ترين نوع الياف مورد مصرف مي‏باشند. الياف شيشه نوع الكتريكي ( E-grade )، استحكام كششي حدود Mpa 3450 و مدول كششي Gpa 70 و ازدياد طول 3 تا % 4 دارند و با قطر و وزن مختلف در دسترس مي‏باشند. سطح الياف نيز متناسب با رزين كاربردي پوشش داده شده‌‏اند. براي كاربردهاي خاص مي‏توان از الياف نوع S يا R استفاده نمود.
ماتريس پليمري:
پلي استر غير اشباع: هر دو نوع ايزو و ارتو فتاليك قابل استفاده مي‏باشند. پلي استر مورد مصرف در فرآيند پلتروژن بايد امكان ژل شدن و پخت سريع را داشته باشد تا قطعه از قالب جدا شود و بيرون كشيدن آن به سهولت انجام پذيرد. ويسكوزيته رزينهاي معمول پلتروژن cP 500 مي‏باشد. اگر ويسكوزيتة رزين بالا باشد، مي‏توان آنرا با مقاديري استايرن مخلوط نمود تا ويسكوزيته مناسب بدست آيد. البته بايد توجه داشت مقدار استايرن آنقدر زياد نشود كه بصورت واكنش نكرده يا پلي ‏استايرن درآيد.
پراكسيدهاي مورد استفاده در اين فرآيند، بايد در دماي بالاتر از محيط فعال شوند. به عنوان نمونه مي‏توان به موارد زير اشاره نمود:

به علت پيوندهاي غير اشباع، پلي استر پس از پخت 7 درصد جمع‏شدگي نشان مي‏دهد. اين نقص مي‏تواند توسط فيلر و افزودني‏هاي Low Profile جبران گردد.
خواص الكتريكي پلي‏استر، قطعات آنرا مناسب براي كاربردهاي ولتاژ بالا ساخته است. مقاومت در برابر شرايط محيطي پلي‏استر، متوسط تا خوب است. خواص بهتر توسط افزودني‏ها و پارچه و پوشش (حتي بعد از فرآيند) قابل دستيابي است.
وينيل استر: اين رزين نسبت به پلي‏استر داراي مقاومت خورندگي، خواص مكانيكي و حرارتي بهتري مي‏باشد ولي حدود 75 درصد گرانتر مي‏باشد.
رزين اپوكسي: اين رزين براي استفاده در دماهاي بالاتر مناسبتر است ضمن آنكه خواص مكانيكي آن عاليست.
ساير رزينها: از رزينهاي ديگري مانند فنوليك، پلي‏متيل متااكريلات و حتي ترموپلاستها استفاده نمود.
مواد افزودني:
فيلر: در فرآيند پلتروژن پركردن قالب اهميت فراواني دارد. براي اين منظور از پركننده‏ها استفاده مي‏شود. بعد از رزين و الياف، سومين بخش رزين را تشكيل مي‏دهد. از معمولترين فيلرها، كربنات كلسيم، سيليكات آلومينيم و هيدروكسيد آلومينيم را مي‏توان نام برد. با توجه به ويسكوزيتة فرمولاسيون، تا 50 درصد وزني فيلراستفاده مي‏شود.
عامل جدا كننده( release agent ): به منظور جداشدن قطعه از قالب، مي‏بايست از يك عامل جداساز استفاده شود. اين عامل نبايد كاملاً ناسازگار با رزين باشد و همچنين سازگاري آن به حدي نباشد كه به سطح قطعه مهاجرت نكند. همچنين بايد قبل از پخت رزين مذاب شده باشد.
ساير افزودني‏ها: در فرآيند پلتروژن مي‏توان از انواع رنگدانه‏ها، افزودني‏هاي بهبود خواص حرارتي و ساير مواد مرسوم در صنعت كامپوزيت استفاده نمود.

[ghasem motamedi]

بررسی ساختمان کریستالی نیمه هادی ها

همانطور که هادی ها در صنعت امروزی به خصوص در زمینه های حرارتی و برودتی کاربردی ویژه یافته اند عناصر نیمه هادی نیز اهمیت زیادی در صنعت الکترونیک و ساخت قطعات پیدا کرده اند.


هدف اصلی که در الکترونیک آنالوگ دنبال می شود تقویت سیگنالها بدون تغییر شکل آن سیگنال است. همین هدف بشر را به سمت استفاده از نیمه هادی ها در ساخت قطعات تقویت کننده پیش برده است. اما آن چیزی که عملکرد این قطعات را رقم می زند چگونگی حرکت الکترون ها و حفره ها در ساختار کریستالی این عناصر می باشد.
و این مقدمه ای ست برای پیدایش قطعاتی نظیر ترانزیستور ها –دیود ها و...
عامل موثر بر چگونگی حرکت الکترون ها و حفرها چیزی نیست جز درجه حرارت. به طوری که گفته شد درجه حرارت صفر مطلق ساختمان کریستالی نیمه هادی هایی نظیر ژرمانیوم و سیلسکن را تحت تاثیر خود قرار می دهد. یعنی در این درجه حرارت الکترون ها کاملا در باند ظرفیت قرار گرفته و نیمه هادی نظیر یک عایق عمل می کند. (به علت اینکه هیچ الکترون آزادی در باند هدایت خود ندارد).


اگر درجه حرارت افزایش یابد الکترون های لایه ظرفیت انرژی کافی کسب کرده و پیوند کو والانسی خود را شکسته وارد باند هدایت می شوند. به مراتب ای جابه جایی باعث تولید حفره ناشی از الکترون می گردد.
انرژی لازم برای شکستن چنین پیوندی در سیلسکن 1.1(الکترون ولت) و در ژرمانیوم 0.72 (الکترون ولت) می باشد. اهمیت حفره در این است که نظیر الکترون حامل جریان الکتریکی بوده و و نظیر الکترون آزاد عمل می نماید. حال آنکه تا چندی پیش دانشمندان حفره ها را حامل جریام نمی دانستند!
هنگامی که یک پیوند از الکترون خالی شده و حفره ای در آن به وجود می آید در این صورت الکترون های ظرفیت اتمهای مجاور در باند ظرفیت به سادگی قادر به اشغال این حفره هستند. الکترونی که از یک پیوند کووالانسی دیگر این حفره را اشغال می کند خود یک حفره بر جای می گذارد. بنابر این می توان به جای حرکت الکترون های باند ظرفیت تصور نمود که در این باند حفره ها حرکت می نمایند.


حرکت حفره ها بر خلاف حرکت الکترو نها می باشد. حفره جدیدی که به وجود می آید به نوبه خود توسط الکترون دیگری از پیوندی دیگر اشغال شده و بنابراین حفره پله به پله بر خلاف جهت الکترون حرکت می نماید. پس در اینجا با پدیدهی دیگری از هدایت الکتریکی روبه رو خواهیم بود که مربوط به الکترون های آزاد نمی باشد. در این صورت می توان چنین تصور کرد که حفره در جهت عکس الکترون حرکت نموده است . بنابراین حرکت الکترون در باند ظرفیت را می توان معادل حرکت حفره در خلاف جهت آن دانست.


حال میبینیم که چرا با توجه به اینکه حرکت الکترون همان حرکت حفره است از مفهمم حفره استفاده می شود. !با کمی دقت ملاحظه می شود که حرکت حفره حرکت الکترون های باند ظرفیت بوده ولی حرکت الکترون های آزاد در باند هدایت صورت می گیرد و برای بیان این تفاوت بین حرکت الکترون در باند ظرفیت و هدایت از مفهوم حفره کمک می گیریم.


به عنوان مثال فرض می شود که نیمه هادی تحت تاثیر یک میدان خارجی قرار گیرد یعنی به دو سر آن ولتاژی اعمال شود در ایک صورت الکترون های آزاد باند هدایت که تحت تاثیر نیرو های هسته ای اتم ها نیستند در این باند در خلاف جهت میدان اعمال شده حرکت خواهند نمود. انرژی این الکترون ها در جهتی نیست که در باند هدایت قرار گیرد. ولی می توانند در همان باند ظرفیت حرکت کرده و حفره های مجاور خود را اشغال نمایند. بنابر این حرکت این الکترون ها بیشتر از الکترو ن های آزاد به هسته وابسته می باشد. در حقیقت برای هر ولتاژ اعمال شده به دو سر یک نیمه هادی یک الکترون در باند ظرفیت فاصله متوسط کو تاهتری از الکترون های باند هدایت را در فاصله زمانی یکسان طی خواهند نمود.


بنابر این می توان گفت که الکترون های آزاد دارای تحرک بیشتری نسبت به حفره ها هستند. به طوری که گفته شد در درجه حرارت معمولی اتاق تعدادی از پیوند های کو والانسی شکسته سده به ازای شکسته شدن هر پیوند یک الکترون-حفره تولید می شود. الکترون و حفره هر دو حامل های بادار می باشد. با اعمال یک پتانسیل الکتریکی به دو سرهر قطعه ای نیمه هادی این حامل هر دو حرکت نمود ه و جریان به وجود می آورند.


دیدید که این حرکت ها در چگونکی رفتار یک نیمه هادی تا چه میزان می توانند موثر باشند.با پیشرفت علم و تکنولوژی استخراج کشف هر نیمه هادی جدیدی انقلابی عظیم در عصر ارتباطات حاصل می شود.

[ghasem motamedi]

آلیاژهای حافظه دار گروه جدیدی از مواد هستند که اگر با ترکیب شیمیایی مشخّص تحت عملیات حرارتی مناسبی قرار گیرند؛ توانایی بازگشت به شکل یا اندازه از قبل تعیین شده را از خود نشان می دهند.
همچنین این مواد قابلیت تبدیل انرژی گرمایی(الکتریکی)را به انرژی مکانیکی دارند واگر گرم وسرد کردن این آلیاژها با جریان الکتریکی کنترل شود؛ میتوان حرکتهای سیکلی با قابلیت تکرار در دفعات متوالی ایجاد کرد.
آلیاژهای حافظه دار از عناصر نیکل و تیتانیوم تشکیل شده اند، که تحت نام نایتینول شناخته می شوند.
این آلیاژها کاربردهای گوناگون و بسیار مفیدی در زمینه هایی همچون: هوا وفضا، صنایع خودروسازی، پزشکی،دندانپزشکی و....
خاصیت منحصر به فرد این آلیاژها بر اساس تغییر فاز در آلیاژ نایتینول میباشد.
چگونگی پی بردن به حافظه داربودن این آلیاژها:History”SMAs” (تاریخچه)×

در سال 1961در لابراتوار اسلحه و مهمات نیروی دریایی White Oak بود ،که به خاصیت بی همتاو شگفت انگیز این گونهآلیاژها پی برده شد.

Dr.Wiliam.j.Buehler اولین نفری بود که به حافظه دار بودن این آلیاژها پی برد.
اکتشاف حقیقی خاصیت حافظه دار بودن آلیاژ به طور تصادفی به دست آمد.در نشست هیئت مدیره لابراتوار یک نوار از این آلیاز که مدتها از خم شدن آن می گذشت مهیا بود.یکی از حاضران به نام « دکتر دیوید» نوار را با فندک مخصوص پیپش گرم کرد وبه طور شگفت آوری نوار کشیده شد و به حالت اولیه خود برگشت.
ترکیبات آلیاژهای حافظه دار×
تشکیل شده اند وبا نام تجاری نایتینول شناخته می شوند Ti,Niآلیاژهای حافظه دار عموما از را Si-Mg-Fe وAl-Zn-Cu;;Ni-Cu-Al همچنین در مواردی این گونه آلیاژها سایر آلیاژها مانند :
نیز در خود دارند.
اساس حافظه داری آلیاژ NiTinol×

اصل حافظه داری درآلیاژ نایتینول تغییر فاز می باشد. در واقع پس از کشف این خاصیت درآلیاژهای حافظه دار سؤال این بود که تا چه مقدار این فلزات می توانند شکل اولیه خود را به خاطر آورند.
« دکتر فردریک» که یک پژوهشگر در ساختمان کریستالی است با دقت تغییرات ساختمانی که در تراز اتمی خاصیت بی همتای این فلزات تاثیر داشتند بررسی کرد.او فهمید که نیتینول یک فاز متغییر دارد (البته در حالت جامد) و این فاز متغییر مارتنزیت و آستنیت می باشد.نیتینول می تواند در دمای نسبتا پایین تغییر فرم پلاستیک یافته و سپس در درجه حرارت بالا به شکل قبل از تغییر فرم پلاستیک برگردد.
اساس خاصیت برگشت پذیری این آلیاژها«تغییر حالت مارتنزیتی فاز آستنیت می باشد».

درفاز مارتنزیت نیتینول می تواند خم شود و به اشکال مختلف تغییر شکل بدهد.


آزمایش جهت بررسی حافظه دار بودن یک آلیاژ حافظه دار×
به منظور بررسی اثر حافظه دار بودن یک آلیاژ حافظه دار پایه مس،چندین ترکیب مختلف از سیستم سه تایی مس-روی-آلومینیوم انتخاب شد ند.نمونه های آزمایشی با استفاده از مواد اولیه با خلوص تجارتی توسط فرایند ذوب در کوره القايی و نورد گرم و سرد تهیه شدند و بر روی یکی از ترکیبات ساخته شده درمحدوده حرارتی 290-200 درجه سانتیگراد رفتار پیری ایزو ترمال مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از آزمایشات خمش، سختی، کشش مکانیکی، اندازه گیری ضریب مقاومت الکتریکی وبررسی(اثرحافظه دار ورفتار پیری مورد مطالعه قرار گرفت. SEMمتالوگرافی با میکروسکوپ نوری و الکترونی ) نتایج بدست آمده بیانگر آن است که اثر حافظه دار در این آلیاژها در اثر تحول مارتنزیتی بوده ودر محدوده حرارتی تغییر حالت خواص آلیاژ بطور قابل توجهی تغییر پیدا می کند.
رفتار پیری با استفاده از روابط سینتیکی مورد بررسی قرار گرفت.نتایج حاصله نشان می دهند که از بین رفتن اثر حافظه دار در این آلیاژها با تغییرات خواص آلیاژ(افزایش سختی، استحکام کششی، تسلیم،ضریب مقاومت الکتریکی ومدول الاستیسیته)همراه می باشند. چنین تغییراتی ناشی از تحولهای اکتیواسیون حرارتی بوده و انرزی محرکه تغییر حالت پیری ایزوترمال در حدود 110 kj/mol می باشد.
روش تهیه: ( براساس یک آزمایش وتحقیق)×
برای تهیه آلیاژ حافظه دار تیتانیوم- نیکل؛چهار روش ذوب در کوره مقاومتی، کوره مقاومتی خلاء، کوره کوانتومتری و توسط روش سنتز احتراقی بررسی شده اند.
محصول دو روش اول همگن نبوده وقابلیت نورد گرم ندارند ولی قطعهً ذوب شده در کوره کوانتومتری از نظر ترکیب شیمیایی یکنواخت است وقابلیت کار گرم دارد. درفرایند سنتز احتراقی علاوه بر اینکه صرفه جوئی قابل ملاحظه ای در مصرف انرژی وزمان صورت می گیرد ؛محصول فرآیند نیز می تواند به راحتی نورد گرم وسرد شوند وبر خلاف سه روش قبلی نیازی به عملیات حافظه دار کردن ندارند.
توضیحات×
درصد اتمی نیکل نیز فاز R تشکیل می شود ودر دو ترکیب شیمیایی3.50با روش سنتز احتراقی حتّی در آلیاژ آزمایش شده، منحنی تغییرات MS,RT بر حسب دمای پیری دارای یک ماکزیمم است که با افزایش محتوای نیکل زیاد می شود. همچنین با طراحی مناسب عملیات حرارتی می توان AS را پایین تر از MS کاهش داد.
پیر کردن باعث پدیداری درجه حرارت هایAS,MS وTR نسبت به چرخه های حرارتی می شوددر دمای C 500 کار سرد بعد از عملیات حرارتی (محلولی) باعث کاهش نرخ تغییراتMS,AS نسبت به دمای پیری می شود و از تشکیل فاز R در دمای پیریC 350 جلوگیری می کند.در دمای پیری ثابت MS,TR تابع مقدار کار سرد بوده ورفتار یکنواختی از خود نشان می دهد.
کاربردهای آلیاژ حافظه دار×
آلیاژهای حافظه دار کاربرد وسیعی در صنایع مختلف دارند ؛ از جمله این کاربردها، کاربردهای پزشکی و دندانپزشکی، هواوفضا، صنایع خودروسازی، صنایع الکترونی و بعضی کاربرد های دیگر می باشد.
مواد حافظه دار عملکردهای ویژه و بدیعی از خود به نمایش می گذارند که از آن جمله حس گرایی(که شامل سه بخش حرارتی یا میدان می شود) به کار انداز ضربه بالا ، میرایی بالا، پاسخ های انطباقی، قابلیت حافظه داری و سوپرالاستیسیته میباشند که قابل استفاده در وسایل مختلف مهندسی جهت سیستمهای هوشمنداست. کاربردهای آلیاژهای حافظه دار در مقاله ای فنی و مهندسی به چهاردسته:
۱- بازیابی آزاد ۲- بازیابی مقید
۳- محرکها ۴- تغییر شکل سوپر الاستیک
تقسیم بندی شده است.
همچنین این آلیاژها ها برای مواردی از قبیل فعّال کننده (محرک بازوی عامل مکانیسم) ویا در پاسخگویی به حرارت ویا میدان مغناطیسی مفید هستند.
کاربرد در صنایع خودروسازی×
امروزه آلیاژهای حافظه دار جهت کنترل موتور، انتقال قدرت وتوقّف اتومبیل استفاده می شودهمچنین از آن به عنوان جا یگزینی به جای موتور DC استفاده می شودکه درهرچه سبکترکردن سیستم تحریک، حذف گیربکس وکلاچ کمک بسیارزیادی می کندودرلغایت تمام این مذایاباعث افزایش اعتماد به نفس راننده وبالا رفتن ضریب اطمینان براثر کنترل دقیق اتومبیل خواهد شد.
کاربرد در پزشکی×
کاربرد آلیاژهای حافظه دار به عنوان سیستم تحریک روز به روز بیشتر می شود.از جمله استفاده آلیاژهای حافظه دار در پزشکی را می توان در ساخت پلاکها و ایمپلنت های پزشکی نام برد.
شناخت این گونه آلیاژها×
برای شناخت ترمودینامیکی ومکانیکی آلیاژ های حافظه دارTI- NI آزمایشاتی از قبیل اندازه گیری مقدار گرما برای انتقال فاز ؛ مقدار کرنش قابل بازیافت ، عمر و ضریب میرایی آلیاژ باید انجام پذیرد . برای مطالعه بر روی این آلیاژها و ا رائه ترکیب آلیاژهای جدید و ساخت این گونه آلیاژها آزمایشات مختلف از جمله ذوب، بررسی فرآیند انجماد، انجام عملیات نورد، انجام عملیات حرارتی وتستهای متالوگرافی انجام می گیرد.

[ghasem motamedi]

روش فلورسانس اتمي
تئوري
اتم هاي آزاد بر خلاف ملكول ها ، داراي ترازهاي چرخشي و ارتعاشي نيستند و در آنها فقط جهشهاي الكتروني صورت خواهد گرفت . بدين ترتيب هنگامي كه انرژي توسط اتم ها جذب يا نشر مي شود خطوط طيفي مجزا مشاهده خواهد شد كه اساس روشهاي طيف سنجي اتمي را تشكيل مي دهد . روشهاي طيف سنجي اتمي تحت عنوان نشر اتمي ، جذب اتمي و فلورسانس اتمي مورد بررسي قرار مي گيرند . گاهي روشهاي اتمي را بر حسب اتمي شدن ، يعني فرايندي كه در آن فرايندي كه در آن اجزاي محلول به يونو اتم هاي گازي يا يك پلاسما تبديل مي شوند ، تقسيم بندي مي كنند.
طيف سنجي فلورسانس اتمي بر اساس برانگيختگي اتم هاي گازي توسط نور و اندازه گيري تابش فلورسان ايجاد شده ، انجام مي شود . فلورسانس اتمي اساسا" عكس فرايند جذب اتمي است . هر اتم داراي يك طيف فلورسان خاص خود مي باشد . طول موج فلورسان ممكن است بزرگتر ، كوچكتر يا معادل طول موج برانگيختگي باشد . فلورسان اتمي به سه دسته تقسيم مي شود :
1. فلورساني تشديدي
اين نوع فلورسان اتمي زماني رخ مي دهد كه اتم ها در همان طول موجي كه جذب كرده اند مجددا" نشر نمايند . جهش هايي كه از حالت پايه انجام مي شود جزء اين دسته است . ( متداول ترين نوع فلورسانس اتمي مي باشد .)
2. فلورسانسي خط مستقيم
در اين حالت اتم توسط يك منبع تابش برانگيخته مي شود و مستقيما" به يك تراز نيمه پايدار مي رود .
فلورساني خط پله اي
در اين حالت ترازهاي انرژي بالايي خطوط برانگيختگي و فلورسان متفاوتند اما ترازهاي پاييني يكسان هستند .
شدت فلورساني اتمي به شدت منبع تابش ، غلظت اتم هاي نمونه در حالت پايه ، كارايي جذب و ميزان خودجذبي در سل اتم ساز بستگي دارد .
در طيف سنجي فلورسان اتمي از منابع تابش با شدت بالا مانند لامپ هاي كاتد توخالي ، لامپ هاي تخليه بدون الكترود ، پلاسما ، ليزر و لامپ هاي قوس زنون استفاده مي شود

[ghasem motamedi]

مطالعه بازگشت (Tempering) فولاد هاي آبديده و بررسي دما و زمان بازگشت بر سختي و ريز ساختار آن ها .


به علت تنش هاي داخلي ايجاد شده در ضمن سريع سرد شدن ، تقريبا تمامي قطعات سخت شده نسبتا ترد و شكننده اند . از اين رو به ندرت فولاد ها پس از سريع سرد شدن و در شرايط سخت (مارتنزيت ) شده استفاده مي شوند ، مگر در موارد استثنايي نظير هنگامي كه به سختي فوق العاده زيادي نياز با شد و يا در رابطه با فولاد هاي كم كربن . معمولا فولاد پس از سرد شدن و قبل از استفاده بايد بازگشت شود. بازگشت عبارت است از حرارت دادن فولاد سخت شده تا دمايي زير دماي Ae1 ، نگه داشتن براي مدت زمان مشخص و سپس سرد كردن آهسته تا دماي اتاق . دما و زمان حرارت دادن به تركيب شيميايي فولاد ، ابعاد قطعه و خواص مكانيكي مورد نظر بستگي دارد . در اثر باز پخت تنش هاي داخلي كاهش يافته و يا حذف مي شوند و بنابراين استحكام ضربه اي افزايش مي يابد (شكنندگي كم مي شود) . در عوض سختي و استحکام قطعه سخت شده تا حدودي كاهش خواهد يافت .

تغييرات ميكرو ساختار
ساختار يك فولاد سريع سرد (مارتنزيت) شده ، ناپايدار است . دلايل ناپايداري عبارتند از :
وجود كربن به صورت فوق اشباع در شبكه بلوري مارتنزيت ، انرژي تنشي ناشي از وجود نابجايي ها و دوقلو هاي بسيار زياد در ساختار بلوري صفحات مارتنزيتي ، انرژي سطحي ناشي از فصل مشترك هاي بسيار زياد بين صفحات مارتنزيتي و بالاخره وجود آستنيت باقيمانده كه حتي در فولاد هاي كم كربن نيز اجتناب ناپذیر است . هنگامي كه يك فولاد مارتنزيت شده به منظور بازگشت دادن حرارت داده مي شود ، هر كدام از پارامتر هاي فوق نقش نيروي محركه اي را براي تغيير ساختار در مراحل مختلف بازي مي كند ، كه عبارتند از : كربن فوق اشباع در شبكه مارتنزيت نيروي محركه جهت تشكيل كاربيد .
انرژي تنشي نيروي محركه براي بازيابي .انرژي فصل مشترك نيروي محركه براي رشد دانه ها و يا افزايش پيوستگي و وسعت زمينه فريتي و بالاخره آستنيت باقيمانده نيروي محركه براي تشكيل مخلوط فريت و سمنتيت در ضمن بازگشت .
بررسيهاي سيستماتيك كه به كمك پراش پرتو ايكس برروي ميكروساختار فولاد هاي سريع سرد و بازگشت شده انجام شده است ، سه مرحله كاملا مشخص و مجزا از يكديگر را در رابطه با تغيير ميكروساختار مارتنزيت در ضمن بازگشت نشان مي دهد . اين سه مرحله عبارتند از :
مرحله اول : تشكيل كاربيد هاي انتقالي نظير كاربيد اپسيلن و يا كاربيد اتا و در نتيجه كاهش درصد كربن زمينه مارتنزيتي تا حدود 25/0 درصد .
مرحله دوم : تبديل آستنيت باقيمانده به فريت و سمنتيت .
مرحله سوم : جايگزين شدن كاربيد هاي انتقالي ومارتنزيت كم كربن توسط فريت و سمنتيت .

در اين جا تذكر اين نكته ضروري است كه به جز موارد اشاره شده در مراحل سه گانه فوق تغييرات ساختاري ديگري نيز در ضمن بازگشت فولاد هاي سريع سرد شده گزارش شده است .از آن جمله تشكيل كاربيد هاي آلياژي و ايجاد سختي ثانويه است ، كه مي توان آن را مرحله چهارم بازگشت ناميد .مطالعات و گزارشات ديگري در همين رابطه نشان است كه در ضمن سريع سرد شده يا نگه داشتن فولاد سريع سرد شده در دماي اتاق احتمال رسوب اتمهاي كربن بر روي نابجاييها و محل هاي پر انرژي ديگر نظير فصل مشترك هاي بين صفحات مارتنزيتي وجود دارد . تحت شرايط فوق رسوب و تجمع اتمهاي كربن مي تواند تشكيل كاربيد را به دنبال داشته باشد . در حقيقت در چنين شرايطي مرحله اول بازگشت در ضمن سريع سرد شدن يا نگه داشتن در دماي اتاق انجام مي شود . به اين ترتيب ملاحظه مي شود كه تغييرات ساختار يك فولاد سريع سرد شده را در ضمن بازگشت به بيشتر از سه مرحله مي توان تقسيم كرد . با اين حال نظر به اهميت موضوع و سهولت مطالعه رفتار فولاد هاي بازگشت شده ، ‌‌‌‌اثرات باز گشت بر روي تغييرات ميكرو ساختار در چهارچوب مراحل اول ، دوم و سوم بررسي مي شود .

تغييرات خواص مكانيكي
مارتنزيت كه ميكرو ساختار مورد نظر در عمليات سريع سرد كردن سريع فولاد هاست ، كاملا سخت ودر عين حال بسيار ترد و شكننده است . برخي پارامتر ها كه منجر به ترد و شكننده شدن مارتنزيت مي شوند عبارت اند از :
- خارج شدن شبكه بلوري فولاد از شكل طبيعي خود در اثر محبوس شدن كربن اضافي در فضاي هشت وجهي .
- رسوب اتم هاي ناخالصي در مرز دانه آستنيت اوليه .
- تشكيل كاربيد در ضمن سرد شدن .
- تنش هاي حاصل از سريع سرد شدن .
هدف اصلي از عمليات حرارتي بازگشت كاهش تردي و شكنندگي و يا به بيان ديگر افزايش چقرمگي و مقاومت فولاد در برابر ضربه است . از آن جايي كه در عمليات باز گشت هر دمايي در گستره دماي اتاق تا دماي Ae1 را مي توان استفاده كرد ، بنا براين ميكرو ساختار و در نتيجه خواص مكانيكي كاملا متنوعي از مارتنزيت تا سمنتيت كروي در زمينه فريت را مي توان بدست آورد . عملا دما و زمان بازگشت با توجه به خواص مكانيكي يعني ميزان سختي ، استحكام و چقرمگي كه در عمل لارم است انتخاب مي شود .
دماي مناسب براي بازگشت فولاد هاي كربني ساده و كم آلياژ را مي توان با توجه به تركيب شيميايي آن ها و سختي نهايي مورد نظر به طور تقريب مشخص كرد . اين روش بر اساس فرمول ارائه شده توسط گرون وجف است كه فرض مي كند فولاد پس از سريع سرد شدن عمدتاًساخاتر مارتنزيتي داشته باشد . فرمول ارائه شده به صورت زير است :

( T = 30 ( Hc – Ha
در اين فرمول :
T : دماي بازگشت بر حسب فارنهايت ،
Hc : سختي محاسبه شده از تركيب شيميايي ،
Ha : سختي مورد نظر پس از بازگشت است .
اگر دماي باز گشت به سانتيگراد تبديل شود فرمول فوق به صورت زير در مي آيد :
T = 16.67 ( Hc – Ha ) – 17.8
ارتباط دما وزمان بازگشت
در عمليات بازگشت هنگامي كه به زمان باز گشت اشاره اي نشود منظور زمان يك ساعت است . براي حصول سختي مورد نظر مي توان زمان بازگشت را تغيير داد . به شرط اينكه دماي بازگشت تغيير داده شود . رابطه دما وزمان بازگشت توسط پارامتر بازگشت مشخص مي شود { T(C+log t ) } در اين رابطه T دماي بازگشت بر حسب درجه كلوين و t زمان بازگشت بر حسب ساعت و C ثابت بازپخت است . لازم به اشاره است كه C تابع درصد كربن فولاد بوده و عناصر آلياژي بر روي آن اثر قابل ملاحظه اي ندارند . مقدار C را تقريباً برابر با 18 پيشنهاد داده اند .

[ghasem motamedi]

نابجايي ها(عيوب خطي):
عيوب خطي به صورت يك خط در شبكه كريستالي ظاهر مي شود، تقارن يك كريستال ممكن است در طول يك خط به هم خورده و با عيبي در كريستال وجود داشته باشد كه حركت آن عيب در شبكه تقارن شبكه بر هم بزند كه به آن عيب خطي و يا نابجايي مي گويند.در واقع نابجايي ها مرز بين قسمت تغيير شكل يافته و تغيير شكل نيافته شبكه هستند. نابجايي ها به دو دسته زير تقسيم مي شوند:
الف) نابجايي لبه اي
ب) نابجايي پيچي


الف) نابجايي لبه اي:

مجموعه اي از اتم ها كه به صورت يك نيم صفحه اضافي در داخل شبكه كريستالي ايجاد مي شود.



نكات:
- موقعيت نابجايي ها را با علامت t وارونه نشان مي دهند.
- علامت موقعيت نابجايي لبه اي چنان به سمت بالا باشد مثبت و چنانچه به سمت پايين باشد منفي است.
- ميزان تغيير شكل نابجايي ها را با بردار برگردز نشان مي دهند.
- در نابجايي هاي لبه اي، بردار برگردز در خط نابجايي عمود است.
- نابجايي هاي لبه اي تنها بر روي يك صفحه لغزشي عمل لغزش را انجام مي دهند.نابجايي هاي لبه اي در دماهاي بالا در صورتي كه به يك مانع سخت برخورد كنند مي توانند صفحه ي لغزش خود را تغيير داده تا بتوانند عمل بالا رفتن از مانع را انجام دهند .


ب) نابجايي پيچي:
هر گاه در يك كريستال فقط قسمتي از كريستال نسبت به قسمتي ديگر به اندازه ي مضرب صحيحي از فاصله ي اتمي (پارامتر شبكه)جابجا شده باشد نابجايي به صورت پيچي خواهد بود. در واقع در نابجايي پيچي يك سطحي اتمي مارپيچ به وسيله ي صفحات اتمي دور خط نابجايي بوجود مي آيد
نابجايي پيچي به دو نوع راست گرد و چپ گرد تقسيم مي شوند بردار برگردز و خط نابجايي موازي هم هستند.
نابجايي هاي پيچي صفحه ي لغزشي معيني ندارند.

[ghasem motamedi]

تاریخچه




J. W. Gibbs در یازدهم فوریه 1839 در نیوهاون و در بیست و هشتم آوریل 1903 در همان شهر از دنیا رفت.

او فارغ التحصیل کالج یال در سال 1858 بود و درجه دکتری خود را در سال 1863 دریافت نمود و مدت سه سال در همان کالج بعنوان مربی منصوب شد.

بعد از این مدت، به پاریس ( زمستان 66-67) و برلین (67) رفت تا در کنفرانس های و ماگنوس و دیگر اساتید فیزیک و ریاضی شرکت کند.

در سال 1868 به هدل برگ به دیدن استاد کیرشهف رفت و سپس به نیوهاون برگشت. دوسال بعد وی بعنوان استاد ریاضی فیزیک کالج هال منصوب شد و تا زمان مرگش در این سمت بود.

در 1876 و 1878 او دو قسمت از مقاله " در بررسی تعادل فازهای ناهمگن" را منتشر کرد که این مقاله بطور کلی مهمترین سهم وی در گسترش علوم فیزیکی بود.

غیر از فعالیت های علمی، گیبس زندگی بی دغدغه ای را گذراند؛ او فقط یکبار از اروپا دیدن کرد که حدود سه سال به طول انجامید؛ بقیه تعطیلات تابستانی خود را در کوهستان می گذرانید. تمام عمر زندگی او در نیوهاون طی شد. فروتنی او نسبت به کارها و فعالیتش های از صفاتی است که تمامی کسانی که او را می شناختند گفته می شود.
پروفسور گیبس بعنوان اولین دانشمند علوم نظری در آمریکا شناخته شده است و بعنوان پدر علم شیمی ترمودینامیک شناخته شده است.

درجات آزادی و متغییرهای آن




متغییر F تعداد متغییرهای مستق یک سیستم است که با تغییر آنها حالت تعادل سیستم و تعداد فازهای در تعادل برهم نخورد. در یک سیستم تک جزئی تک فاز (P=1, C=1) هر دو متغییر فشار و دما می توانند بطور مستقل تغییر یابند، بدون اینکه هیچ تغییری در تعداد فازهای در حال تعادل سیستم حاصل شود:

F=2 ، سیستم دومتغییره است و به عبارت دیگر دارای دو درجه آزادی است.

اگر سیستم تک جزئی با دو فاز در تعادل(C=1, P=2) (برای مثال تعادل فاز مایع با بخار آن)، دما (یا فشار) می تواند تغییر کند، بدیهی است که بایستی یک وابستگی با تغییرات فشار (یا دما) وجود داشته باشد تا تعادل فازی ایجاد شود:

F=1 سیستم دارای درجه آزادی یک می باشد.

اگر در یک سیستم تک جزئی با سه فاز در حال تعادل باشد (C=1, P=3) (مثل تعادل فازهای جامد، مایع، بخار) هیچ کدام از متغییرهای دما یا فشار نمی توانند بطور مستقل تغییر یابند و در صورت تغییر آنها، مطمئناً حالت تعادل برهم خواهد خورد.

F=0 سیستم هیچ درجه آزادی ندارد

قانون فاز

پروفسور گیبس ثابت کرده است که اگر C تعداد اجزاء سیستم و P تعداد فازهای در تعادل برای یک سیستم باشد، در هر ترکیب دلخواه خواهیم داشت:

F = C - P + 2

1- تعداد متغییرهای مستقل را شمرده (فشار و دما 2 به حساب می آیند)

2- ترکیب فاز را بوسیله جزء مولی اجزاء C-1 ( به C-1 نیاز داریم نه C، چرا که جمع تمام جزء مولی ها =1 بشود، در اینصورت اگر تمام اجزاء بجز یک کسر مولی مشخص نباشد قابل محاسبه خواهد بود)

3- از انجائیکه P فاز وجود دارد، تعداد کل حالتها ترکیبی P(C-1) خواهد بود و تعداد کل معادلات موجود برای متغییرهای سیستم برابر خواهد بود با:

P(C - 1) + 2

4- در هنگام تعادل، پتانسیل شیمیایی J باید در تمامی فازها برابر باشد:

μJα= μJβ = ....فاز Pبرای

P-1 معادله از این نوع برای هر جزء J وجود دارد. اگر C جزء باشد تعداد معادله برابر خواهد بود :

C(P - 1)

5- هر معادله، آزادی ما را به اندازه P(C - 1) + 2 کاهش می دهد بنابراین تعداد درجات آزادی ما برابر خواهد بود با:

F = P(C - 1) + 2 - C (P - 1) = C - P + 2

مثالی برای اثبات درستی قانون گیبس:







فاز دیاگرام برای سیستم های چند جزئی بسیار مفید می باشد، و برای بیان تعادل شیمیایی و فیزیکی در محدوده ترکیبات مختلف اجزاء بکار می‌رود.

برای یک سیتم یک جزئی، خواهیم داشت:

F = 3 – P




اگر یک فاز موجود باشد، F=2 و فشار و دما می‌توانند بدون تغییر دادن تعداد فازها تغییر کنند (تک فاز یک محدوده بروی دیاگرام فاز می باشد)

اگر دو فاز در تعادل باشد، F=1 اگر بر حسب دما بررسی کنیم آنگاه دیگر فشار یک متغییر مستقل نخواهد بود

اگر سه فاز در تعادل باشد، F=0 و سیستم نامتغییر است – بنابراین این حالت فقط در یک دما و فشار خاصی وجود خواهد داشت

چهار فاز در یک سیستم تک جزئی نمی توانند در تعادل با هم قرار گیرند چرا که F نمی تواند منفی باشد.

[ghasem motamedi]

عملیات حرارتی پسگرمی
پسگرمی کل جوش و یا فقط یک قسمت از آن برای بدست آوردن یک یا تمامی اهداف زیر انجام می شود:
1 – تنش زدایی
2 – افزایش چقرمگی
3 – افزایش استحکام
4 – افزایش مقاومت خوردگی
5 – زدودن کار سرد
عملیات حرارتی گوناگونی وجود دارند که با تغییرات فوق مرتبط بوده و به نامهای :
الف – عملیات حرارتی تنش زدایی
ب – آنیله کردن یا تابانیدن
ج – نرمالیزه کردن
د – سخت کردن
ﻫ - آب دادن یا تمپره کردن
و – آستمپره کردن
ز – مارتمپره کردن خوانده می شوند .
اختلاف بین این عملیات حرارتی عموما به دمای بکار گرفته شده و یا روش سرد کردن مربوط می گردد. دماهای عملیات حرارتی تنش زدایی زیر حد بحرانی فولاد است در حالیکه دماهای لازم برای آنیله کردن ، نرمالیزه کردن و سخت کردن همیشه بالای حد بحرانی می باشند . شاید یک مورد استثناء برای این وجود داشته باشد . عمل نرم کردن گاهی در دمای درست زیر حد بحرانی انجام می شود که به آن ((آنیله زیر بحرانی )) یا آنیله تمپره ای می گویند . گاهی دو عمل حرارتی برای یک منظور خاص بکار گرفته می شود. انتخاب صحیح روش عملیات حرارتی نیازمند بررسی عوامل متعددی نظیر نوع فولاد ، شرایط ایجاد تنش در جوش و ساختار ناحیه گرما دیده می باشد .
1-3) عملیات حرارتی تنش زدایی
عملیات حرارتی تنش زدایی عبارت است از گرم کردن یکنواخت یک سازه تا دمای مناسب زیر حد بحرانی و سپس سرد کردن یکنواخت آن است . معمولا عملیات حرارتی در محدوده دمای بحرانی ناگوار هستند و به همین علت تنش زدایی در بیشتر موارد زیر حد بحرانی انجام می گیرد.
تصمیم تنش زدایی یک جوش بر اساس مقررات استاندارد (( دیگهای بخار و ظروف تحت فشار )) که توسط انجمن مهندسان آمریکا تنظیم می شود اخذ می گردد . مقررات این استاندارد شرایط مواد ، ترکیب شیمیایی ، ضخامت و موارد لزوم تنش زدایی بعد از جوشکاری را تعریف می کند.
دمای تنش زدایی برای فولادهای معمولی و کم آلیاژ که جوشکاری می شوند در محدوده 900 – 1250 f می باشد که پایین تر از حد بحرانی است.
مدت دمای تنش زدایی فولاد معمولا برای هر اینچ ضخامت یک ساعت است ، اگر چه مدت لازم برای 1000f طولانی تر از زمان مورد نیاز برای 1100f است . برای قطعات پیشگرم شده اغلب تنش زدایی لازم می شود . قطعات پیچیده یا فولادهایی که میل زیادی به ترک خوردن دارند باید بلافاصله پس از جوشکاری و قبل از سرد شدن تا دمای پیشگرمی ، در کوره های تنش زدایی قرار بگیرند . اگر چه عملیات تنش زدایی فقط بخاطر از بین بردن تنش ها بکار می روند و تغییرات ساختاری فولاد از آن انتظار نمی رود ولی با این حال تأثیرات عمومی
عملیات حرارتی تنش زدایی بصورت های زیر می باشند :
1 – بازیابی Recovery
2 – توقف Relaxation
3 – تمپره کردن ( از بین بردن نواحی سخت ) Tempering
4 – تبلور مجدد Recrystallization
5 – کروی کردن Spheroidizing
اثر اول عمومی است ؛ اثر دوم هنگامی ایجاد می شود که تنش زدایی در دمای بالا و بمدت کافی انجام بگیرد ؛ اثر سوم فقط موقعی بدست می آید که در اثر جوشکاری نواحی سخت بوجود آمده باشند و دو اثر آخر در جوشکاری کم اهمیت هستند.
سازه های جوش شده چه هنگام جوشکاری مهار شده و چه آزاد بوده باشند در آستانه تنش تسلیم دارای تنشهای باقیمانده هستند ، این تنشها قادر می باشند اشکالاتی در جوش بوجود بیاورند . البته احتمال پدید آمدن این اشکالات به ترکیب شیمیایی فولاد ، روش جوشکاری ، طرح جوش و شرایط بهره برداری و غیره بستگی دارد . با این وصف از بین بردن این تنشها فواید زیر را در پی خواهد داشت.
- به حداقل رسانیدن احتمال گسترش خرابی ، مخصوصا در مواردی که چقرمگی بالایی مورد نیاز باشد.
- پایداری بیشتر ابعاد
- مقاومت فراوان در مقابل خوردگی ، مخصوصا ترک خوردگی تنشی( SCC )
از بین بردن این تنشهای باقیمانده و تنشهای واکنش در جوش چقدر اهمیت دارد ؟ لازم است این تنشها به صفر برسند، و آیاممکن است که یک جوش کاملا از تنش آزاد شود ؟
جوشها در اثر انقباض ناشی از جوشکاری دارای تنش های چند محوره می باشند ، در بررسی و تحلیل احتمال شکست ترد این تنشها اهمیت زیادی دارند . عوامل دیگری نظیر چقرمگی فولاد ، احتمال ایجاد شیار در طراحی جوش ، ماهیت تنشهایی که در اثر بارهای مختلف در حین بهره برداری ایجاد می شوند ، و دماهایی که این بارها در آن وارد می آیند در این بررسی نقش دارند . لازم است یک فرمول عملی و تجربی برای محاسبه و برآورد میزان اهمیت این عوامل در پدیده شکست ترد بدست آید.
تصمیم آزاد سازی تنشها در جوش عموما بر اساس تجربه بوده و از اطلاعات بدست آمده از آزمایشات چقرمگی ، تیزی و مقدار شیار و میزان تنشهای باقیمانده حاصل می گردد.
پایداری بعدی در یک جوش مستقیما از تنشهایی که در قطعه محبوس مانده باشد متأثر می شود. هنگامی که یک جوش در عین حال که در زیر تنشهای باقیمانده قرار دارد تراشیده شود پخش مجدد تنشها و انقباض جوش رخ می دهد . تراشکار نمی تواند مطمئن باشد که در جهت درستی تراشکاری می کند یا نه ، چون جوش همزمان با تراش قطعه به انقباض خود ادامه می دهد . تنش زدایی جوش قبل از ماشینکاری باعث می شود که قطعه از نظر شکل پایدار بماند و ابعاد آن هنگام ماشینکاری تغییر نکند.
تنشها باید تا چه حد پایینی آزاد شوند تا پایداری اندازه ها تأمین شود ؟ میزان مجاز تنش باقیمانده در مرحله اول به مقدار فلزی که باید تراشیده شود ، محل آن نسبت به ناحیه تنش دار و اختلاف مجاز در اندازه های نهایی بستگی دارد.
بسیاری از فلزات و آلیاژها در معرض ترک خوردگی تنشی قرار دارند . فولاد از این امر مستثنی نمی باشد . این نوع خرابی خوردگی در فولاد را شکنندگی سوز آور می نامند . تغییر ماهیت محیط خورنده یا کاهش تنش می تواند احتمال ترک خوردگی تنشی را از بین ببرد .
اغلب تنش باقیمانده خیلی زیاد در نزدیکی جوش باعث افزایش حد شرایط ایجاد ترک می گردد و کاهش این تنش ها بوسیله عملیات حرارتی تنش زدایی برای از بین بردن احتمال ایجاد ترک کافی می باشد.
در روی جوشها اکثرا کار سرد انجام می شود و مهندس جوش یا ناظر از آن بی اطلاع می ماند . این نوع کار سرد معمولا در اثر خمش سرد یا چکش کاری اتصال در هنگام جفت کردن و ترتز بوجود می آید.
2-3) بازیافت
اولین تأثیری که باید هنگام افزایش دما در عملیات حرارتی تنش زدایی حاصل شود بازیافت است . دما بطور یکنواخت افزایش داده می شود تا کلیه قسمتهای سازه در تمام مدت تا حد امکان هم دما باشند تا از ایجاد تنشهای حرارتی جلوگیری گردد .هر چه دما از اولین 400Fمی گذرد تغییر قابل ملاحظه ای در ساختار دانه بندی رخ نمی دهد و لذا تنشهای انقباضی کمی کاهش می یابند . این کاهش به علت پدیده ای بنام (( بازیافت )) اتفاق می افتد . این یک قانون کلی است که هنگام افزایش دمای یک ماده ، تنشهای داخلی آن کاهش پیدا می کند.
چون مقاومت تسلیم فولاد در 400F از مقدار آن در دمای محیط بیشتر می باشد لذا علت کاهش تنشهای داخلی بخاطر کاهش مقاومت تسلیم فولاد نیست . بازیافت همچنین باعث تغییراتی در خواص مغناطیسی و الکتریکی می شود و به نظر می رسد با افزایش دمای فولاد ، حرکات ویژه ای بین اتمها و الکترونهای آن ایجاد می شود که باعث کم شدن تنشهای داخلی می گردد.
3 – 3 ) توقف
با افزایش دمای جوش تا 1200F یا بالاتر توقف اتفاق می افتد و در آن تنشها به آرامی و به طور کامل آزاد می شوند . یک میله فولادی درز هنگام جوشکاری در داخل یک چهار چوب در دمای محیط تا تنش تسلیم کشیده می شود. اتم ها به موازات بار و عمود بر جهت تنش به همدیگر نزدیک می گردند . مقاومت تسلیم فولاد در دمای 1200F نسبت به مقدار آن در دمای محیط خیلی کم است و این به آن معنی است که اتمها دیگر قادر به تحمل تنش نبوده و اجبارا به همدیگر نزدیک می شوند و با فاصله های مساوی همانند کریستالی که از تنش آزاد باشد آرایش می گیرند . در این حالت مقاومت تسلیم فولاد از تنشی که به آن وارد می گردد کمتر است و تا زمانیکه مقدار تنش ( فشاری یا کششی ) با مقاومت تسلیم فلز در دمای 1200F برابر نشده باشد بطور پلاستیک کرنش خواهد کرد.
عملیات حرارتی تنش زدایی اتمها را قادر می سازد تا به حالت با فاصله های مساوی برگشته و تنشها را آزاد کند.
تنش تا زمانیکه اتم ها دیگر کرنش نکنند کاهش می یابد . اتم های فولاد در دمای محیط تنش هایی به بزرگی تنش تسلیم را می توانند تحمل کنند . در دمای 1200F اتمها فقط در صورتی قادر خواهند بود که مقدار تنش قابل توجهی را بدون کرنش تحمل نمایند که مدت اعمال تنش کوتاه باشد . به عبارت روشن تر ، اتم ها بطور مداوم و تحت هر تنشی جابجا می شوند . حرکت در دمای محیط بقدری کند است که با گذشت صدها سال نیز قابل تشخیص نیست ، ولی در دمای 1200F حرکت اتم ها ضرورتا از آن نوعی نیست که بررسی کرده ایم ولی ممکن است بصورت حرکت در مرز دانه بندی ها باشد . هر دو نوع حرکت به پدیده خزش یا کرنش منتهی می شوند . بنابراین توقف یک شکلی از خزش است.
محاسبه انقباض ناشی از توقف یا تنش زدایی یک جوش دشوار است ولی عموما مقدار آن از انقباض حاصل از ماشینکاری قطعاتی که تنش زدایی نشده اند خیلی کمتر است چون در ماشینکاری ، معمولا قسمتی از قطعه را که تنش زیادتری دارد از آن جدا می کنیم ( می تراشیم ).
افزایش زمان یا مدت نیز، فرآیند تنش زدایی را بهبود می بخشد . قاعده کلی آن است که اندازه درشتی دانه بندی در دمای بالاتر از 800F مقاومت در برابر خزش را زیاد می کند ولی این افزایش تأثیر قابل ملاحظه ای بر روی تنش زدایی در 1100 – 1200F ندارد . هر چه تنش باقیمانده اولیه بیشتر باشد تنش بعد از تنش گیری با مدت معینی به همان اندازه زیادتر خواهد شد ( به علت آزاد ساختن زیاد تنش بوسیله کرنش ). این کرنش همانند کار سرد ضمن تنش زدایی که معمولا کریستالها را تقویت می کند ، می باشد. چون تنشهای باقیمانده تمام انواع جوش در یک فولاد معین ، تقریبا با مقاومت تسلیم آن برابر است ، لذا نمی توان مدت تنش زدایی را فقط به علت غیبت ظاهری مهار در حین جوشکاری کاهش داد.
سازه های فولادی ویژه ای که در دماهای زیاد ، مقاومت فوق العاده ای در برابر خزش دارند ، کندتر از فولاد معمولی به نقطه توقف می رسند. فولادهای مقاوم در برابر خزش ، مثلا فولاد با ترکیب 2% کربن ، 5% مولیبدن ، برای یک تنش زدایی یا درجه خاص ، نسبت به فولادهای غیر آلیاژی به دمای بیشتر و زمان طولانی احتیاج دارد.
ملاحظه خواهد شد که فولادهای با آلیاژ بیشتر با افزایش دما استحکام بالایی دارند . فولاد ضد زنگ آستنیتی 316 حتی در دمای بالای 1200F مقاومت تسلیم خوبی دارد.
لایه دوم جوش تنش های باقیمانده لایه اول را آزاد می کند ولی تنش های جدیدی بوجود می آورد. بنابراین تنش های باقیمانده جوشهای چند لایه ای کمتراز جوش های تک لایه ای نبوده و به همان اندازه احتیاج به تنش زدایی دارد . بعلاوه با ضخیم شدن جوش، تنش های باقیمانده پیچیده تر می شود . قسمتهای ضخیم تر نسبت به قسمت های نازکتر برای از بین بردن تنشها به زمان طولانی تری نیاز دارند چون سطح قطعه اولین جایی است که به دمای کوره می رسد و مدت زیادی سپری می شود تا وسط قطعه های ضخیم به دمای کوره برسد.
4-3 ) تمپره کردن ( نرم کردن )
افزایش دمای فولاد کوئینچ شده را تا هر دمایی زیر محدوده بحرانی تمپره کردن می گویند . نواحی گرما دیده مجاور جوشهایی که بدون پیشگرمی یا پسگرمی ناقص و ناکافی بوجود آمده اند در فولادهای با کربن متوسط و بسیاری از فولادهای با استحکام زیاد آنچنان سریع سرد می شوند که به سخت کردن یا کوئینچ شباهت دارند . در موقع جوشکاری که ناحیه کوئینچ شده در دمای بحرانی است ساختار دارای آستنیتی خواهد بود که ده برابر کربنی که در دمای محیط قابل حل است در محلول جامد دارد . ضمن کوئینچ بیشتر آستنیت به مارتنزیت تبدیل می شود . شکل کریستالی BCT سختی فوق العاده مارتنزیت نسبت به شکلهای دیگری بخاطر وجود کربن در آن است که معمولا یا بصورت اتمهای کربن است و یا بصورت کریستالهای نازک کربور آهن.
هنگامی که دما افزایش می یابد ، در ناحیه ای که دارای مارتنزیت است سه تغییر اتفاق می افتد :
1 – مارتنزیت به ضریب ( کریستالهای BCC ) تبدیل می شود که کریستالهای ریز کربور از شبکه فوق اشباع کریستالهای هشت ضلعی در آن رسوب می کنند.
2 – هر آستنیتی که در طول کوئینچ به مارتنزیت تبدیل نشده است به ضریب و کربور تبدیل می شود.
3 – اندازه کریستالهای کوچک کربور در مارتنزیت و کریستالهای بزرگتر کربور در سایر ساختارها نظیر پرلیت ریز افزایش می یابند.
دماهایی که تغییرات 1 و 2 در آنها اتفاق می افتد بدرستی معلوم نیستند . در فولادهای کربنی با 7% کربن تغییر 1 در 300F و تغییر 2 در 450Fرخ می دهد . در کوئینچ کردن فولادهای کربنی با حداقل 4% کربن و با کنترل دقیق فرآیند می توان مقدار کمی از آستنیت را حفظ کرد . اگر عناصر آلیاژی وجود داشته باشند با درصد کمتر کربن نیز می توان آستنیت را از تبدیل شدن به اشکال دیگر باز داشت . با افزایش دما ، رشد مداوم دانه های کربور ادامه خواهد یافت . به نظر می رسد که تغییر 3 در اثر کار سختی در طول تمپره کردن پیش می آید .
یعنی سختی فولاد مارتنزیتی به انتشار دانه های ریز کربور در هر صفحه کریستال که مانع لغزش گردیده و در ضمن کاهش نرمی ، سختی را افزایش می دهد بستگی دارد . گرم کردن مجدد دانه های کربور را درشت کرده و تعداد آنها را کم و در نتیجه سختی را کاهش می دهد.