تبلورمجدد دینامیکی – Dynamic Recrystallization

تبلور مجدد دینامیکی – Dynamic Recrystallization

تبلور مجدد فرایند جوانه زنی و رشد دانه های جدید است در ماده ای که بعد اعمال تغییر شکل، تحت تابکاری قرار گرفته است. تعریف متداول از تبلور مجدد، تشکیل و مهاجرت مرزهای بزرگ زاویه است، که توسط انرزی ذخیره شده ناشی از تغییر شکل، انجام می شود. تبلور مجدد می تواند در دو شرایط عمده اتفاق بیفتد: استاتیک و دینامیک. اساسا، تبلور مجدد استاتیک در غیاب پلاستیسیته خارجی رخ می دهد و تنها عامل دما تاثیر گذار است. رایج ترین مورد برای تبلور مجدد استاتیک، گرم کردن یک فلز کار سرد شده است. اگر تبلور مجدد حین تغییر شکل رخ دهد، تبلور مجدد دینامیکی نامیده می شود به عبارتی، تبلور مجدد دینامیکی همزمان با پلاستیسیته خارجی رخ می دهد و دو عامل دما و کرنش در آن دخیل هستند.

انواع تبلور مجدد دینامیکی:

1. تبلور مجدد دینامیکی ناپیوسته-Discontinuous dynamic recrystallization

هنگامی که تبلور مجدد دینامیکی به صورت ناپیوسته رخ می دهد، دانه های متمایز جدیدی تشکیل شده و رشد می کنند. به گونه ای که مراحل جوانه زنی و رشد دانه ها قابل تشخیص است. اغلب در این حالت تبلور مجدد، یک پیک گسترده تنشی منفرد مشاهده می شود. وقتی که ماده تا یک پیک تنشی سخت می شود و سپس نرم شوندگی قابل ملاحظه ای رخ می دهد، نرم شوندگی به جوانه زنی دانه های جدیدی که در حال رشد هستند و سبب حذف نابجایی ها می شوند، نسبت داده می شود.

2. تبلور مجدد دینامیکی هندسی-Geometric dynamic recrystallization

دانه های اولیه (starting grains) یک ماده چند بلوری (poly crystal)، با تغییر شکل کرنشی نسبتا زیاد، از شکل طبیعی خود خارج می شوند. این مرزها با نزدیک شدن کرنش به ۱۰-۲ (بسته به اندازه دانه اولیه)، که در پیچش یا فشار قابل دستیابی است، تا ابعاد قطر دانه فرعی نازک می شوند. هنگامی که دانه ها تا حدود دو برابر قطر دانه فرعی نازک می شوند، تقریبا یک سوم تا یک دوم از وجوه دانه فرعی با مرزهای زاویه بزرگ (High-angle boundaries) جایگزین شده است که منشا آنها از پلی کریستال اولیه است. دو سوم باقیمانده، هنوز از مرزهای پلی گونال با عدم انطباق پایین معمولا در حدود یک درجه هستند. با ادامه تغییر شکل، ممکن است که فشردگی رخ دهد که مرزهای زاویه بزرگ (HAB) را حذف کرده و سطح مرز دانه زاویه بزرگ، ثابت باقی بماند. بنابراین با تبلور مجدد هندسی، ناحیه HAB، می تواند به طور چشم گیری افزایش یابد اما نه به طریق مشابه با تبلور مجدد دینامیکی ناپیوسته.

شکل ۱ طرح واره ای از تبلور مجدد هندسی را نشان می دهد. در این شکل مشاهده می شود که با افزایش کرنش، مرزدانه های زاویه بزرگ (خطوط ضخیم در قسمت a)، بهم نزدیک تر شده و فشردگی اتفاق می افتد. اندازه دانه فرعی (sub grain) تقریبا ثابت باقی می ماند، زیرا این اندازه در دماهای بالای تغییر شکل، مستقل از کرنش است. با افزایش کرنش، کسر حجمی مرزهای زاویه بزرگ افزایش می یابد و طبیعتا اندازه دندانه های (serration) مرزدانه ها، با ضخامت دانه قابل قیاس خواهد بود، همانطور که در قسمت b مشاهده می شود. نهایتا رسوخ (interpenetration) مرزهای کنگره دار(scalloped) اتفاق خواهد افتاد و منجر به شکل گیری ساختاری از دانه های ریز هم محور خواهد شد، که اندازه دانه آن، نظیر اندازه دانه فرعی است (قسمت c).

شکل ۱- طرح واره ای از مراحل تبلور مجدد هندسی

3. جوانه زنی تحریک شده با ذرات-Particle stimulated nucleation

همان گونه که هامفریز (Humphreys) اشاره کرده است، درک تاثیرات ذرات فاز ثانویه، روی تبلور مجدد اهمیت دارد زیرا اکثر آلیاژهای صنعتی دارای ذرات ثانویه هستند و این ذرات تاثیر شدیدی روی سینتیک تبلور مجدد، ریز ساختار و بافت دارند. ذرات، اغلب به خاطر توانایی آن ها در جلوگیری از حرکت مرزهای زاویه بزرگ، حین آنیل دمای بالا یا تغییر شکل، مورد توجه قرار گرفته اند. (حلقه زنر). حین تغییر شکل آلیاژ حاوی ذرات فاز ثانویه، شیب کرنشی ایجاد شده در مجاورت ذره تغییر شکل نداده، ناحیه ای با دانسیته بالای نابجایی و گرادیان جهتی زیاد، ایجاد می کند که مکانی مناسب برای گسترش یک هسته تبلور مجدد است. مکانیزم تبلور مجدد در آلیاژهای دو فازی تفاوتی با آلیاژهای تک فاز ندارد. جوانه زنی متاثر از ذره (PSN)، در بیشتر آلیاژها مشاهده شده است. مانند آلومینیم، آهن، مس و نیکل. معمولا جوانه بیشتر روی ذراتی با قطر بیشتر از یک میکرون تشکیل       می شود. در بیشتر موارد، روی هر ذره ای یک جوانه تشکیل می شود، اما شواهدی در دست است که نشان می دهد، چندین جوانه می توانند روی ذراتی با ابعاد بسیار بزرگ تشکیل شوند. شکل ۲ یکی از اولین میکروگراف هایی است که تشکیل چندین جوانه را روی یک ذره نشان می دهد.

شکل ۲ – جوانه زنی متاثر از ذره روی آخال های اکسیدی در آهن.

4. واکنش های پیوسته-Continuous recrystallization

در تبلور مجدد پیوسته، ریز ساختار آرام آرام تغییر کرده و بدون مراحل قابل تشخیصی از پدیده های جوانه زنی و رشد، به ریز ساختاری با دانه های جدید که همان بافت تبلور مجدد یافته است، تبدیل می شود. بر اساس اظهارات مک نلی (McNelly)، مشخص شده است که ممکن است حین عملیات تابکاری (آنیل) فلزات تغییر شکل داده شده، ساختارهای دانه ای اصلاح شده به طور همگن و به آرامی، همراه با کرنش همزمان یا بدون آن، تحول یابند. واکنش های پیوسته اصطلاحی است که گاهی به جای دیگر اصطلاحات، که حداقل به فرایند مشابهی مثل تبلور مجدد پیوسته، تبلور مجدد درجا (in situ recrystallization) و بازیابی گسترش یافته (extended recovery) اشاره می کنند، استفاده می شود. شکل ۳ طرح واره ای از مراحل تبلور مجدد پیوسته را در یک ریزساختار لایه ای که به شدت تحت تغییر شکل بوده است، نشان می دهد. در قسمت a، ساختار اولیه مشاهده می شود. قسمت b، اضمحلال و فروریختن مرزدانه ها را نشان می دهد. قسمت c، آغاز تشکیل دانه های جدید با مهاجرت گره های مرز دانه ای (نقاط تقاطع دانه ها) است و در قسمت d، انحنا و خمیدگی بیشتر در مرزدانه ها و رشد بیشتر دانه ها مشاهده می شود. هنگامی که گره های (nodes)، A و A ́ (در قسمت b)، بهم می رسند، گره های جدید A₂ و A₁ تشکیل خواهند شد و توسط کشش سطحی مرزدانه ها هر کدام به صورت مجزا کشیده می شوند (قسمت c). کشش سطحی مرزدانه ها منجر به انحنا یافتن و خمیدگی بیشتر مرزدانه ها و رشد دانه ها می شود و ساختاری با دانه های هم محور تشکیل می شود. (قسمت d).

شکل ۳ – طرح واره ای از مراحل تبلور مجدد پیوسته.

 بررسی ریزساختاری در تبلورمجدد دینامیکی

تبلورمجدد دینامیکی عمدتا در مرز دانه های اولیه شروع می شود همان گونه که طرح واره ای از آن در شکل ۱-الف مشاهده می شود. دانه های جدید متعاقبا در مرزدانه ها جوانه می زنند (شکل ۴-ب ) و بدین گونه باند ضخیمی از دانه های تبلورمجدد یافته (recrystallized grain) شکل می گیرد (شکل ۴-ج).

شکل ۴ – توسعه ریزساختار در طول تبلورمجدد دینامیکی

بین اندازه دانه اولیه (D₀) با اندازه دانه تبلورمجدد یافته (D_R) تفاوت زیادی وجود دارد. با پیشروی تبلورمجدد، ساختاری موسوم به ساختار گردنبندی (necklace) ایجاد می شود که اشکال ۴-ب و ۴-ج طرح واره ای از ساختار گردنبندی را نشان می دهند.  نهایتا ماده کاملا تبلورمجدد خواهد یافت (شکل ۴-د).  شکل ۵ ساختار گردنبندی را در آلیاژ منیزیم AZ91 نشان می دهد.

شکل ۵ – تشکیل ساختار گردنبندی در آلیاژ  منیزیم AZ91 . در دمای°C 400 با نرخ کرنش ۰٫۰۱ و کرنش ۰٫۳٫

در شکل ۶ نیز، ریزساختاری از پلی کریستال مس که به صورت جزئی تبلورمجدد شده است، مشاهده می شود.

شکل ۶ – تبلورمجدد دینامیکی در مرزدانه های اولیه . دمای°C 400 با نرخ کرنش ۰٫۰۲ و کرنش ۰٫۷

در تبلورمجدد دینامیکی، بر خلاف تبلورمجدد استاتیکی، متوسط اندازه دانه تبلورمجدد یافته با پیشروی فرایند تغییر نکرده و ثابت باقی می ماند.

در بعضی موارد، تحولات ریزساختاری در حین تبلورمجدد از آنچه توضیح داده شد، پیچیده تر است زیرا شروع تبلورمجدد دینامیکی ممکن است منجر به تغییراتی در مکانیزم تغییرشکل شود. به عنوان مثال، اگر تبلورمجدد دینامیکی، سبب تشکیل ساختاری بسیار ریز دانه گردد، احتمالا تغییرشکل بعدی توسط مکانیزم لغزش مرزدانه ای (grain boundry sliding) کنترل    می شود. این اتفاق خصوصا اگر تغییرشکل توسط لغزش و صعود نابجایی مشکل باشد، رخ خواهد داد و در برنج آلفا (α-brass) گزارش شده است، زیرا پایین بودن انرژی خطای چیده شدن (stacking fault energy) منجر به کند شدن صعود نابجایی      می شود. از موارد دیگر می توان به منیزیم اشاره کرد که سیستم های لغزش کمی دارد و همچنین مس سخت شده با ذرات پراکنده، که ذرات فاز دوم (second phase particles) و ترکیبات بین فلزی (intermetalic) از حرکت نابجایی ها ممانعت     می کنند.

اندازه دانه حالت پایا

مشاهدات آزمایشگاهی، نشان داده است که اندازه دانه تبلورمجدد (D_R) در حالت پایا (steady state) وابستگی زیادی با تنش سیلان (flow stress) دارد و به دمای تغییرشکل وابستگی اندکی دارد. رابطه تجربی آن به صورت ذیل ارائه شده است :

در این رابطه m مقادیری کمتر از واحد دارد و K یک مقدار ثابت است.

تویس (Twiss) نشان داد که رابطه بین متوسط اندازه دانه با تنش سیلان، یک ثابت ماده است و یک رابطه عمومی پیشنهاد داد که می تواند به صورت نرماله شده ارائه گردد:

در این رابطه n=0.8 و K₁=15 است. پارامترهای Ϭ، G و b به ترتیب نشان دهنده تنش اعمالی، مدول برشی و بردار برگرز هستند. تویس دریافت که این معادله برای رنج وسیعی از موادی که در حوزه های متالورژیکی و زمین شناسی اهمیت دارند، کاربرد دارد.

تبلورمجدد دینامیکی یک فرایندی پیوسته از تغییرشکل است در ابتدا جوانه زنی دانه ها و متعاقبا مهاجرت مرزدانه ها، به گونه ای که دانه های جدید عاری از نابجایی در ساختار باقی بمانند. برای اینکه حالت پایا رخ دهد باید یک تعادل دینامیکی بین جوانه زنی دانه های جدید و مهاجرت مرز دانه هایی که قبلا جوانه زده اند، وجود داشته باشد. دربای (Derby) و اشبی (Ashby) دریافتند که این تعادل به این ترتیب پیش می رود که در مدت زمان لازم برای حرکت رفت و برگشتی مرز متحرک برای فراهم آوری حجمی معادل اندازه متوسط دانه حالت پایا (D_R)، نرخ جوانه زنی (N) باید برای ایجاد یک جوانه جدید در حجم مشابه این اندازه متوسط، در سرتاسر ریزساختار، به اندازه کافی باشد. اگر جوانه زنی منحصر به مرزدانه های از پیش موجود باشد، امکان دارد که این شرایط با رابطه ذیل ارائه گردد:

در این رابطه G مدول برشی است و C یک ثابت هندسی بوده و تقریبا برابر ۳ است.

بنابراین اندازه دانه حالت پایا به نسبت سرعت های جوانه زنی و رشد وابسته خواهد بود. دربای و اشبی استدلال کردند که هر چند اندازه دانه حالت پایا به نسبت سرعت های جوانه زنی و رشد وابسته است اما هر دوی این نرخ ها می تواند وابستگی مشابهی به دما داشته باشند، لذا انتظار می رود اندازه دانه حالت پایا وابستگی ضعیفی به دما داشته باشد، همانگونه که عملا نیز چنین مشاهده شده است.

ویژگی های تبلورمجدد دینامیکی

• منحنی تنش-کرنش برای ماده ای که تحت تبلورمجدد دینامیکی قرار دارد، عموما یک پیک عریض (broad pick) نشان می دهد. شکل ۱ نمونه ای از این منحنی ها را نشان می دهد. اگر ماده تنها تحت بازیابی دینامیکی قرار گیرد، منحنی دارای یک ناحیه افزایش تنش است که با ناحیه مسطحی (تنش ثابت) دنبال شده و پیکی در منحنی مشاهده نمی شود. (شکل ۷)

شکل ۷ – اثر دما روی منحنی های تنش-کرنش فولاد ۰٫۶۸%C در آزمون فشار محوری با نرخ کرنش ۱٫۳*۱۰^-۳S^-1

• یک نقطه تغییرشکل بحرانی (ϵ_c) لازم است تا تبلورمجدد دینامیکی شروع شود. این مورد قبل از رسیدن به پیک تنشی (Ϭ_max) رخ می دهد. در بازه ای از شرایط آزمون، تنش بیشینه (Ϭ_max)، منحصرا به پارامتر زنر-هولمن (Z) وابسته است.
• کرنش بحرانی ϵ_c به صورت یکنواخت با کاهش تنش یا کاهش پارامتر زنر-هولمن کاهش می یابد. اگر چه در نرخ های کرنش بسیار پایین مانند شرایط خزشی، کرنش بحرانی ممکن است، مجددا افزایش یابد.
• اندازه دانه های تبلورمجدد یافته (D_R)، با کاهش تنش، افزایش یکنواختی دارد. رشد دانه اتفاق نمی افتد و اندازه دانه در طول تغییرشکل ثابت باقی می ماند.
• تنش سیلان و اندازه دانه تبلور یافته تقریبا مستقل از اندازه دانه اولیه هستند. اگر چه سینتیک فرایند تبلورمجدد دینامیکی، در نمونه هایی با اندازه دانه اولیه بسیار ریز، شتاب می گیرد.
• تبلورمجدد دینامیکی معمولا در مرزدانه های اولیه شروع می شود هر چند که در نرخ کرنش های خیلی پایین و اندازه دانه اولیه بزرگ، جوانه زنی درون دانه ای (intragranular) ممکن است، مهم تر باشد.

همچنین در صورت تمایل میتوانید مطلب “بازیابی دینامیکی” را از این لینک+ مشاهده نمایید.

منابع :

1. کاسنر، ام. ای. (۱۳۹۱)، مبانی خزش فلزات و آلیاژها، ترجمه سید عبدالکریم سجادی، چاپ اول، نشر مشهد.
2. J. Humphreys and M. Hatherly, Recrystallization and related annealing phenomena, Oxford, U.K., Pergamon, 1996.
3. ابراهیمی، غلامرضا. (۱۳۹۰). بررسی تأثیر تغییر شکل گرم بر ریزساختار آلیاژ منیزیم AZ91 ، نشریه مهندسی مواد و متالورژی، سال بیست و سوم، شماره ۱٫