بازیابی دینامیکی – Dynamic Recovery

فلزات را می توان توسط فرایندهای شکل دهی مانند آهنگری و نورد به اشکال مختلفی درآورد و این فرایندها منجر به سخت شدن فلز می شوند، پدیده ای که به نام کارسختی یا کرنش سختی موسوم است. از طرفی در طول تغییرشکل در دماهای بالا، فرایندهای ترمیم (restoration processes) شامل بازیابی و تبلورمجدد نیز امکان وقوع دارند که به آنها بازیابی دینامیکی (dynamic recrystallization) و تبلورمجدد دینامیکی (dynamic recrystallization) گفته می شود و متفاوت از فرایندهای بازیابی و تبلورمجددی است که در طی فرایند تابکاری استاتیکی (static annealing) رخ می دهند. در واقع لفظ دینامیکی برای متمایز کردن این دو گروه فرایند است.

بازیابی دینامیکی

در فلزاتی با انرژی بالای نقص چیدمان (SFE)، مانند آلومینیم و آلیاژهای آن، آهن آلفا و فولادهای فریتی، نابجایی ها به سهولت صعود کرده و لغزش متقاطع انجام می دهند لذا بازیابی دینامیکی به سرعت انجام شده و در دماهای بالا به صورت گسترده ای پیشروی می کند و معمولا تنها پدیده ای است که در طی فرایند ترمیم دینامیکی انجام می شود. (در این حالات تبلورمجدد دینامیکی رخ نمی دهد.) منحنی تنش-کرنش در این موارد شامل یک ناحیه افزایش تنش و سپس ثابت ماندن تنش است. شکل ۱ نمونه ای از این نوع منحنی های تنش-کرنش را نشان می دهد.

شکل ۱٫ منحنی های تنش-کرنش برای آلیاژ Al-1%Mg در دمای °C400

1. رابطه ساختاری

در دماهایی که تغییرشکل فعال شده با دما و در نتیجه فرایندهای ترمیم رخ می دهند، تحولات ریزساختاری به دمای تغییرشکل و نرخ کرنش وابسته هستند. دما و نرخ کرنش، در معادله ای به نام پارامتر زنر-هولمن (Zener-Hollomon) با یکدیگر مرتبط هستند. پارامتر زنر-هولمن که اختصارا با Z نمایش داده می شود، مطابق رابطه ذیل است:

در این رابطه ἑ نرخ کرنش، T دما، Q انرژی فعال سازی و R ثابت جهانی گازها است.

از پارامتر زنر-هولمن خصوصا در فرایندهای کارگرم که دما و نرخ کرنش عموما مقادیر معلومی دارند و تنش سیلان ممکن است قابل اندازه گیری نباشد، استفاده می شود. مطابق این رابطه که تاثیر همزمان دما و نرخ کرنش را نشان می دهد، با افزایش دما و کاهش نرخ کرنش (کاهش Z)، به علت کاهش اثرات کارسختی، فرایندهای ترمیم در سطوح تنشی پایین تری رخ می دهند.

2. مکانیزم تحولات ریزساختاری

از عمده ترین مکانیزم های بازیابی دینامیکی، صعود نابجایی، لغزش متقاطع و لغزش است که منجر به شکل گیری مرزهای کم زاویه می شوند، همانگونه که در بازیابی استاتیکی رخ می دهد. هر چند که تنش اعمالی در ادامه، نیرو محرکه ای اضافی برای حرکت مرزهای کم زاویه فراهم می کند. با اعمال تنش، نابجایی های تشکیل دهنده مرزهای کم زاویه به سمتی با علامت مخالف خود رانده می شوند. این مهاجرت تحت تنش مرزهای نابجایی ها، ممکن است سهم عمده ای در کرنش کل داشته باشد. چنین مهاجرتی نتیجه از بین رفتن (annihilation) برخی نابجایی ها در مرزهای مخالف و اندرکنش های مرزهای متقاطع است        (Y-junction). این تحولات سبب می شود، دانه های فرعی (sub grain) در طول تغییرشکل تقریبا هم محور باقی بمانند.

فرایندهای کارسختی و بازیابی، منجر به تغییرشکل پیوسته و تجزیه مرزهای کم زاویه می شوند به گونه ای که چگالی ثابتی از نابجایی های آزاد (free dislocation) در داخل دانه های فرعی باقی می مانند. بعد از اعمال کرنش مرسوم ۰٫۵ تا ۱، ساختار دانه فرعی اغلب به شکل پایدار خود می رسد.

طرح واره ای از تغییرات ریزساختاری در طی بازیابی دینامیکی در شکل ۲ مشاهده می شود. در شکل ۳ نیز گراف هایی از تغییرات ریزساختاری مشاهده می شود.

شکل۲٫ خلاصه ای از تغییرات ریزساختاری که در طول بازیابی دینامیکی رخ می دهد.

شکل۳٫ ریزساختار در صفحه ND-RD از آلیاژ Al-1%Mg که تحت آزمون فشار با شرایط کرنش صفحه ای تغییرشکل داده شده است.

تصویر الف: گراف EBSD، نشان دهنده مرزهای کم زاویه (نواحی سفید) و مرزهای دندانه دار بزرگ زاویه (نواحی سیاه).

تصویر ب: گراف SEM، نشان دهنده ساختار دانه فرعی.

هر چند که ساختارهای نابجایی و دانه فرعی، اغلب در طول مرحله تغییرشکل پایا (steady-state) ثابت باقی می مانند ولی مرزدانه های اولیه، مهاجرت و تغییر عمده ای ندارند و شکل دانه ها است که در طول تغییرشکل عوض می شود. این بدین مفهوم است که اگر چه تنش سیلان ممکن است ثابت باشد ولی یک حالت ریزساختاری حقیقتا پایا (true microstructural steady state) در طول بازیابی دینامیکی حاصل نمی شود.

بررسی ریزساختاری در طول بازیابی دینامیکی

1. دانه های فرعی

ایجاد مرزهای فرعی که نتیجه تغییر آرایش و چیدمان نابجایی ها بوده منجر به تشکیل دانه های فرعی (sub grain) می شود. تشکیل دانه های فرعی اولین مرحله از تغییرات ریزساختاری در طی بازیابی دینامیکی است. اندازه دانه فرعی در کرنش های تقریبا بیشتر از ۰٫۵ مستقل از کرنش است هر چند که هنوز به دما و سرعت تغییرشکل وابسته است. دانه های فرعی که در طول دماهای بالای تغییرشکل ایجاد می شوند، شامل تعدادی از نابجایی های آزاد هستند که در اتصال با مرزهای فرعی کم زاویه نیستند و دانسیته این نابجایی های آزاد به تنش سیلان (flow stress) وابسته است.

2. دندانه دار شدن مرزهای بزرگ زاویه

در طول تغییرشکل گرم، تحت شرایطی که پارامتر زنر-هولمن (Z )کم است، مرزدانه ها در مقابله با کشش سطحی ساختار فرعی و تغییرات موضعی در دانسیته نابجایی ها، به صورت موضعی مهاجرت می کنند لذا به شکل دندانه دار (serrated) در می آیند با طول موجی که تقریبا به اندازه دانه فرعی وابسته است. شکل ۴-الف نمونه ای از این نوع مرزهای دندانه دار را نشان می دهد. اگر ذرات ریز فاز دوم (second phase) در ریزساختار موجود باشند، ممکن است از مهاجرت مرزها جلوگیری کنند و مرزدانه ها به صورت مسطح (planar) باقی بمانند که در شکل ۴-ب نمونه ای از این مورد نیز مشاهده می شود.

شکل ۴٫ مرزهای بزرگ زاویه در آلیاژهای آلومینیم در دمای °C400 در آزمون فشار با شرایط کرنش صفحه ای

الف- آلیاژ Al-5%Mg، تشکیل دندانه ها در مرزهای بزرگ زاویه

ب- آلیاژ Al-2%Cu، ذرات فاز دوم از مهاجرت و گسترش مرزها ممانعت کرده اند.

3. اثر شرایط تغییرشکل

تولید نابجایی و بازیابی، در محدوده وسیعی از دما و نرخ کرنش (strain rate) روی می دهد ولی بایستی توجه شود که نرخ های کرنش بسیار پایین و دماهای بسیار بالا (مانند شرایط خزشی)، ممکن است مکانیزم های دیگری مانند نابارو و کوبل را نیز فعال کند. در دماهای کم و نرخ کرنش بالا (شرایط با پارامتر زنر-هولمن بالا) فاکتور تولید نابجایی یعنی کارسخت شدن (work hardening)، غالب است و برعکس آن در دماهای بالا و نرخ کرنش پایین (شرایط با پارامتر زنر-هولمن پایین) بازیابی دینامیکی غالب است. بنابراین، ریزساختار کارگرم شده به هر دو عامل کرنش و پارامتر زنر-هولمن (Z) وابسته خواهد بود.

4. اثر شرایط متغیر تغییرشکل

در طول بسیاری از فرایندهای کارگرم، دما و نرخ کرنش ثابت باقی نمی مانند. از آنجا که فاکتورهای ریزساختاری مانند دانسیته نابجایی ها تقریبا به شرایط تغییرشکل وابسته هستند، دانستن چگونگی سیر تغییرات ریزساختاری تحت این شرایط (دما و نرخ کرنش متغیر) ضروری است.

آزمایشات کارگرم بر روی آلیاژهای آلومینیم، در شرایطی که نرخ کرنش در طول تغییرشکل روند افزایشی داشته است، نشان داده است که ریزساختار بعد کمی تغییرشکل به حالتی تعادلی می رسد. هرچند اگر نرخ کرنش کاهش یابد، کرنش های بیشتر از تقریبا ۰٫۵، مورد نیاز است تا ریزساختار به حالت پایا (steady state) برسد. هانگ (Huang) و هامفریز (Humphreys)، دریافتند که مکانیزم عمده رشد دانه فرعی در طول بازه کاهش نرخ کرنش، مهاجرت مرزهای کم زاویه است. سرعت رشد دانه فرعی تحت این شرایط خیلی بیشتر از شرایط آنیل استاتیکی است، همان گونه که در شکل ۵ نشان داده شده است. سرعت مهاجرت مرزها نیز قویا تحت تاثیر تنش اعمالی است.

شکل۵٫  اثر تغییر نرخ کرنش روی نمونه هایی از آلومینیم خالص تجاری، تغییرشکل اولیه تا کرنش ۰٫۹ در دمای °C400 و با نرخ کرنش S^-1 0.5 انجام شده است. سرعت رشد دانه های فرعی در شرایط استاتیکی نیز مشاهده می شود.

همچنین در صورت تمایل میتوانید مطلب “تبلورمجدد دینامیکی – Dynamic Recrystallization” را از این لینک+ مشاهده نمایید.

منابع :

F.J. Humphreys and M. Hatherly, Recrystallization and related annealing phenomena, Oxford, U.K., Pergamon, 1996.