چکیده:
اثــر افــزودن لانتانیــم (0، 0.1، 0.2، 0.4 درصــد) بــر ریزســاختار، خصوصیـات کشـش و رفتـار شکسـت آلیـاژ Al-7Si بـه طـور نظامنـد مــورد بررســی قــرار گرفــت، مشــخص گردیــد کــه لانتانیــم در آلیــاژ Al-7Si بــه صــورت فازهــای Al4La و Al2Si2La حضــور دارد، افــزودن مقـدار بهینـه 0.1 درصـد La فاصلـه بـازوی دندریـت ثانویـه (SDAS)1 و ذرات سیلیســیم ثانویــه را بــه ترتیــب ۷/9 و ۷ درصــد کاهــش میدهـد، هنگامـی کـه 0/1 درصـد La اضافـه شـد یـک مـادون تبریـد بالاتــری در حــد 34/4۷°C مشــاهده گردیــد.
درجــه بالاتــر مــادون تبریــد باعــث می شود کــه جوانه زایی ســرعت یابــد و بــه دنبــال آن رشـد متوقـف شـود. پـس از عملیـات حرارتـی T6 در مقایسـه بـا آلیــاژ بــدون La، اســتحکام نهایــی کشــش آلیــاژ حــاوی 0/1 درصــد La از 333 بــه 350/2 مگاپاســکال یعنــی 5/2 درصــد ارتقــا یافــت، و ازدیـاد طـول نسـبی بـا ۷3 درصـد افزایـش از ۷/3۷ بـه 12/۷5 درصـد رسـید. نـوع شکسـت نیـز از شکسـت مخلـوط تـرد – نـرم بـه شکسـت نــرم و انعطاف پــذری تبدیــل شــد، البتــه هنگامــی کــه مقــدار عنصــر La افزایــش یافتــه و بــه 0/4 درصــد رســید، جدایــش بــه صــورت شــدید در هنــگام فرآینــد انجمــاد بــه وجــود آمــد. فازهــای تــرد بــه وجـود آمـده خصوصیـات کشـش را دچـار افـت کـرده و نـوع شکسـت آلیاژ (Al7-Si-0.2/0.4La) تبدیل به شکست مخلوط نرم – ترد گردید.
1 – مقدمه
آلیاژهــای آلومینیــم در صنعــت خــودرو بــه عنــوان قطعــات ســازهای بــا عملکردهــای برتــر مکانیکــی بــرای توســعه ســبک کــردن وزن خودروهــا بــه طــور گســترده اســتفاده شــده اســت. آلیاژهــای Al-7Si بـا ریزسـاختار و خصوصیـات عالـی (1 و 2) بـه عنـوان نماینـده آلیاژهـای آلومینیـم بـه میـزان زیـادی در تولیـد چرخ هـای خـودرو بـه کار مــیرود.
همچنیــن اثبــات شــده اســت کــه خصوصیــات مکانیکــی آلیــاژ ریختگــی Al-7Si براســاس ویژگی هــای ریزســاختاری ماننــد مورفولــوژی و انــدازه فــاز اولیــه a-Al (3)، ذرات یوتکتیــک Si (4) و برخـی رسـوبات Mg2Si) و فازهـای غنـی از آهـن (50) و غیره مشـخص میگــردد.
روش هــای بهــره ور بســیاری جهــت به سازی مورفولــوژی و انـدازه فـاز اولیـه a-Al و ذرات یوتکتیـک Si شـامل به سازی شـیمیایی (6)، به سازی بـا کوئنـچ (۷)، به سازی حرارتـی (8) و غیـره پیشـنهاد شـده ولـی اخیـرا افـزودن فلـزات نـادر خاکـی بـه عنـوان به سـاز بـرای ایـن آلیاژهـا توجـه زیـادی را جلـب نمـوده اسـت. (11 تـا 9).
عناصـر نـادر خاکـی را بـه عنـوان “ویتامین هـای صنعتـی” میشناسـند کــه میتواننــد تنــوع محصــول و قابلیــت تولیــد آن را ارتقــاء دهنــد شـعاع اتمـی عناصـر نـادر خاکـی 0/1۷4 تـا 0/204 نانومتـر (12) بـوده کـه از شـعاع اتمـی آلومینیـم (0/143 نانومتـر) بزرگتـر اسـت.
در مـذاب آلومینیـم عناصـر نـادر خاکـی بیشـتر فعالنـد و بـه آسـانی بـر روی سـطح بلـور مجتمـع شـده، در نتیجـه باعـث کاهـش تنـش سـطحی در فصـل مشـترک بین فـاز جدیـد و قدیمـی میگـردد (13). یــک فیلــم ســطحی فعــال بــر روی فصــل مشــترک بیــن دانه های بلــوری و مــذاب از رشــد دانه ها جلوگیــری میکنــد. عناصــر نــادر خاکـی در آلیاژهـای آلومینیـم نقـش ظریـف شـدن و تصفیـه مـذاب را در فراینــد ذوب کــردن ایفــا میکننــد.
ایــن عناصرهــم زمــان بــه عنـوان یـک عامـل آلیـاژی باعـث ظریـف شـدن و به سازی شـده در نتیجـه موجـب جوانه زایی و اسـتحکام دهی آلیـاژ در محلـول جامـد و رســوب ســختی میگــردد، (15 و 14) مطالعــات نشــان داده (17 و 16) عناصـر نـادر خاکـی سیلیسـیم یوتکتیـک ورقـه ای سـوزنی شـکل را بـه صـورت کـروی و میلـه ای شـکل در مـی آورد.
بـه علاوه عناصـر نـادر خاکــی تــا حــد اندکــی در آلیــاژ آلومینیــم حــل می شود در جریــان فراینـد انجمـاد بـا واکنـش بـا عناصـر آلیـاژی ترکیباتـی با نقطـه ذوب بـالا ایجـاد میکننـد، از آنجـا کـه ایـن ترکیبـات بـا نقطـع ذوب بـالا بــه صــورت شــبکهای یــا اســکلتی در دندریت هــا پخــش می شود، موجــب اســتحکام دهی میشــوند. اتصــال آن ها بــه ســاختار زمینــه نســبتا مهــم بــوده کــه میتوانــد باعــث اســتحکام دهی و پایــداری مــرز دانه ها شــود. در بیــن تمــام عناصــر نــادر خاکــی ،Er ،Ce ،La Eu ،Sc و Yb در آلیاژهــای آلومینیــم بیشــتر مــورد مطالعــه قــرار گرفته انــد.
Grammer و همکارانــش (18) نشــان دادنــد کــه در بیــن تمــام عناصــر نــادر خاکــی Eu و La بــه عنــوان تــک عنصــر افــزوده شــده بــه آلیــاژ آلومینیــم قوی تریــن قابلیــت بــرای به سازی ریــز ســاختار را دارنــد. بنابرایــن La بــه دلیــل قیمــت پاییــن در تحقیــق حاضـر بـه عنـوان عنصـر افزودنـی انتخـاب شـد.
مشــخص گردیــد کــه La در آلیــاژ آلومینیــم میتوانــد بــه طــور موثــری ریزســاختار و خصوصیــات مکانیکــی را بهینــه نمایــد (20 و 19)، در تحقیقــات متعــدد اثــر به سازی La بــر ذرات سیلیســیم یوتکتیـک گـزارش شـده امـا تشـریح اثـرات آن بـر کنتـرل ریزسـاختار و خصوصیــات مکانیکــی هنــوز کاملاً روشــن نشــده اســت و بــه عبــارت دیگــر اطاعــات کافــی دربــاره شــکل حضــور La ارائــه نکــرده اسـت.
همچنیـن ضـروری اسـت مقـدار بهینـه افـزودن La بـه آلیـاژ ۷Si-Al بـرای دسـتیابی بـه نتایـج دلخـواه و راهنمـای عملـی تولیـد تعییـن گـردد. بنابرایـن در تحقیـق حاضـر تأثیـر La بـه عنـوان عنصـر نـادر خاکـی بـر ریزسـاختار و خصویـات مکانیکـی آلیـاژ ۷Si-Al مـورد مطالعــه قــرار گرفــت و بــه صــورت مشــروح بررســی گردیــد.
2 – روش آزمایش
یــک ســری از آلیاژهــای Al-7Si بــا افــزودن مقادیــر مختلــف La 0)، 0.1، 0.2 و 0.4 درصــد) بــه روش ریخته گری بــا فشــار کــم آمــاده شـد. مـواد اولیـه آلیـاژ تجـاری Al-7Si و آمیـژان Al-20%La بـوده اسـت. مـواد اولیـه در یـک کـوره مقاومتـی بـا درجـه حـرارت ثابـت 800°C ذوب شــدند در ایــن درجــه حــرارت مــذاب بــه وســیله یــک همـزن مغناطیسـی بـه هـم زده شـد و درون یـک قالـب ریـژه فـولادی کــه تــا 200°C پیشــگرم گردیــد ریخته گری شــد.
قطعــات ریختگــی تـا درجـه حـرارت محیـط (اتـاق) سـرد شـدند و نمونه ها بـا شـرایط ریختگــی و پــس از عملیــات حرارتــی T6 تحــت آزمایشــات قــرار گرفتنــد. عملیــات حرارتــی T نمونه ها ابتــدا بــه مــدت 4 ســاعت
در 535°C در قالــب عملیــات انحلالــی و کوئنــچ در آب گــرم 50°C و سـپس پیرسـازی بـه مـدت 8 سـاعت در 1۷0°C و در انتهـا خنـک شـدن در هـوا تـا درجـه حـرارت محیـط (اتـاق) انجـام شـد. آزمایــش کشــش بــر روی نمونه های اســتوانه ای بــا طــول محــل کشـش 25 و قطـر 6 میلـی متـر کـه بـه روش وایـرکات (سـیم بـرش) آمــاده شده اند، بــه وســیله دســتگاه کششــی 8801 Instron بــا ســرعت کشــش 1 میلــی متــر در دقیقــه در درجــه حــرارت محیــط (اتـاق) انجـام گردیـد.
جهـت اطمینـان از تکرارپذیـری تولیـد و دقـت، میانگیـن نتایـج سـه نمونـه بـه عنـوان خصوصیـات مکانیکـی ثبـت گردیــد. از انتهــای نمونه های کشــش نمونــه بــرای بررســی ریــز ســاختاری برداشــته شــد. نمونه ها پــس از ســمباده زنی بــه صــورت مکانیکــی پولیــش شــده و بــا اســتفاده از مخلــوط HF و H2O اچ شـده و بـه وسـیله میکروسـکوپ نـوری (OM)، الکتـرون میکروسـکوپ (SEM) و سیســتم آنالیــز (EPMA)2 مجهــز بــه اســپکترومتر طــول مــوج نشــر یافتــه (WDS)3 مــورد بررســی قــرار گرفتنــد.
بــه منظــور تشـخیص فـازی و بررسـی سـطح شکسـت از میکروسـکوپ الکترونـی مجهـز بـه سیسـتم نشـر زمینـه (FM-SEM)4 بـه همـراه اسـپکترومتر انـرژی نشـر یافتـه (EDS)5 اسـتفاده شـد. بـه وسـیله پـراش اشـعه (XRD) X اجــزای فــازی آلیــاژx=0) ،0.1 ،0.2 ،(0.4% Al-7Si-xLa تعییـن گردیـد، جهـت اندازه گیـری درجـه مـادون تبریـد بـا سـرعت ثابــت حــرارت دادن 10°C در دقیقــه از 500 تــا ۷00°C کالریمتــر روبشــی تفاضلــی (DSC)6 انجــام شــد. بــرای انــدازه گیــری انــدازه ذرات Si یوتکتیـک و فاصلـه بـازوی دندریـت هـای ثانویـه (SDAS)۷ از نــرم افــزار (IPPG.O) Plus Pro – Image اســتفاده گردیــد.
3 – نتایج و سگالش
3-1- آنالیز حرارتی
شــکل 1 منحنــی تفــاوت جریــان حــرارت انجمــاد (DSC) آلیــاژ Al-7Si-xLa را بیــن ســل مرجــع و نمونــه در برابــر درجــه حــرارت در یـک سـرعت ثابـت 10°C در دقیقـه نشـان میدهـد، فراینـد انجمـاد گرمــازا بــوده کــه در ابتــدای شــکل 1 ارائــه شــده اســت، در فراینــد انجمــاد دو پیــک شــدید گرمــازا بــرای آلیــاژ )Al-7Siشــکل (1a و ســه پیــک گرمــازا بــرای آلیــاژ Al-7Si-0.1La شــکل (1b) مشــاهده می شود. پیــک اول (A) در ارتبــاط بــا فــاز آلومینیــم اولیــه و پیــک دوم (B) در ارتبــاط بــا واکنــش یوتکتیــک و پیــک گرمــازای ســوم (C) در ارتبــاط بــا تشــکیل ترکیبــات بیــن فلــزی خصوصــا فــاز غنــی از La در آلیـاژ Al-7Si-xLa اسـت (1۷) درجـه حـرارت اولیـن نقطـه اگزوترمیـک در ارتبـاط بـا درجـه حـرارت جوانه زنـی دانه ها ، نقطـه دوم جوانه زنـی یوتکتیـک (TE) بـوده کـه مقادیـر آنهـا از منحنی هـای DSC در جـدول 1 ارائـه شـده و بنابـر ایـن نتایـج افـزودن La موجـب افزایــش TE و TN گردیــده اســت. درجــه مــادون تبریــد عامــل مهــم و تعیین کننــده در ســرعت جوانه زنــی اســت. درجــه مــادون تبریــد میتوانــد براســاس مرجــع (21) و معــادلات 1 تــا 3 تعییــن می شود:
بـرای کالبیـره کـردن منحنی هـای DSC، درجـه حـرارت یوتکتیـک بـه عنـوان یـک درجـه حـرارت مرجع محسـوب میشـود . براسـاس مقادیر خاصــه شــده TN و TE در جــدول 1، درجــه مــادون تبریــد جوانه زنــی همچنیــن محاســبه شــده و در جــدول 1 ارائــه شــده اســت. در آلیــاژ Al-7Si-0.1La درجــه حــرارت محاســبه شــده 598/53°C و مقــدار نظــری یوتکتیــک 5۷۷°C بــوده بنابرایــن De=-21.53°C اســت.
درجــه حــرارت جوانه زنی اندازه گیری شــده بــر روی منحنــی DSC 623/69°C و مقـدار نظـری حـد مـذاب 639/63°C بـوده و در نهایـت DTN معـادل 3۷/4۷°C و بـه طـور مشـابه بـرای آلیـاژ Al-7Si معـادل 15/63°C اسـت. امـا بـه دلیـل افـزودن 0/1 درصـد La درجـه مـادون تبریــد آلیــاژ Al-7Si-0.1La نســبتا بالاتــر می باشد، درجــه مــادون تبریــد بالاتــر جوانه زنی دانه ها را شــتاب داده و رســوبات نشــان میدهــد کــه جوانه زنی افزایــش یافتــه در نتیجــه بــرای رشــد مانــع ایجـاد شـده اسـت.
2-3 ریزساختار
ســاختارهای یوتکتیــک آلیاژهــای Al-7Si-xLa در شــرایط ریختگــی بــه وســیله میکروســکوپ نــوری (OM) بــا بزرگنمایــی پاییــن در شــکل 2 نشــان داده شــده کــه در آن ســاختار آلیــاژ متشــکل از زمینــه a-Al فـاز یوتکتیـک Si و مقـدار کمـی فـاز غنـی از Fe اسـت.
قبـل و بعـد از افـزودن La، سـاختارهای آلیـاژ تحـت تغییـر قابـل توجهـی قـرار مـی گیـرد، ایـن تغییـرات در مـورد فاصلـه بـازوی دندریت هـای ثانویـه و انــدازه ذرات Si می باشد. در شــرایط ریختگــی آلیــاژ Al-7Si بــدون به سازی (شــکل 2a) ذرات Si یوتکتیــک دارای شــکل صفحــه ای بــا انــدازه بــزرگ (10 تــا 15 میکــرون) بــا گــردی پاییــن و نســبت شــکل بـالا اسـت، بـا افـزودن La، ذرات Si یوتکتیـک بـه شـکل خـرد شـده شـکل (2b تـا 2d) درآمـده و همچنیـن انـدازه ذرات Si اندکـی کاهـش یافتــه اســت.
البتــه بــه دلیــل خصوصیــت انجمــادی الیافــی شــکل یوتکتیـک Si، تشـریح کمیتـی آن دشـوار میباشـد . آلیـاژ Al-7Si بـه مقادیــر مختلــف La در شــرایط عملیــات حرارتــی T6 مــورد بررســی قـرار گرفـت، و ریـز سـاختارهای آن نیـز در شـکل 3 ارائـه شـده اسـت. در شـکل 3 مشـاهده میشـود کـه فراینـد عملیـات حرارتـی T6 بـرای ارتقــای مورفولــوژی فــاز Si یوتکتیــک از شــکل الیافــی بــه صــورت کـروی مفیـد اسـت.
از آنجـا کـه عملیـات حرارتـی انحلالـی در درجـه حــرارت بــالا (535°C) انجــام شــده، قابلیــت انحلال Si در زمینــه a-Al بالاسـت، بـه علاوه درجـه حـرارت بـالا قابلیـت حرکـت اتمـی
شـتاب می بخشـد کـه ایـن امـر شـرایط دینامیـک را بـرای اسـتحاله فــاز Si فراهــم مینمایــد. بــه دلیــل نفــوذ اتم هــا، ذرات Si بــا اعوجـاج کمتـر شـکل میگیرنـد. بـه منظـور کاهـش انـرژی در فصـل مشــترک در حــد امــکان، ذرات Si میــل بــه شــکل گیری بــه صــورت کـره خواهنـد داشـت. بنابرایـن کـروی و گـرد شـدن ذرات Si یوتکتیک پــس از عملیــات حرارتــی رخ میدهــد.
بــه منظــور تعییــن اثــرات عنصـر La بـر سـطح ظریـف شـدن ملاحظه شـده در ریزسـاختارهای فـوق الذکـر، SDAS و انـدازه ذرات Si یوتکتیـک (شـامل سـطح Siو نسـبت شـکل Si) در شـرایط عملیـات حرارتـی T6 شـده بـا اسـتفاده از نــرم افــزار6.0 IPP اندازه گیری شــد و نتایــج در جــدول 2 ارائــه گردیــد. از نتایــج میتــوان دریافــت کــه مقادیــر در مقایســه بــا ریزســاختار عملیــات حرارتــی T6 شــده، آلیــاژ Al-7Si-0.1La نســبت به آلیـاژ Al-7Si عملیـات حرارتـی T6 شـده، مقادیـر SDAS و سـطح فـاز Si بـه ترتیـب ۷/9 و ۷ درصـد کاهـش یافتـه کـه نشـان میدهـد.
افـزودن La میتوانـد هـم سـاختار دندریتـی و هـم ذرات Si یوتکتیـک را ظریـف نمایـد. ایـن امـر مرتبـط بـا مـادون تبریـد بـالای بـه وجـود آمـده در اثـر La اسـت. البتـه هنگامـی کـه La بـه 0/2 و 0/4 درصـد افزایــش می یابــد، ســاختار دانه بندی درشــت می شود در شــکل 4d مشـاهده میشـود بـا افزایـش La بـه 0/4 درصـد یـک نـوع فـاز غنــی از La بــا انــدازه بــزرگ در آلیــاژ بــه وجــود می آید، کــه تأثیــر ظریف کنندگـی La را کاهـش میدهـد. بـه علاوه بـه دلیـل اختلاف در انـدازه و مقـدار فازهـای غنـی از La بیـن آلیاژهـای La Al-7Si-0.2 و La Al-7Si-0.4 آلیــاژ Al-7Si-0.4La اثــر ظریــف شــدن بیشــتری نســبت بــه آلیــاژAl-7Si-0.2La نشــان میدهــد.
3-3 توزیع فاز در Al-Si-XLa
از طیــف XRD بــرای تشــخیص فازهــای غنــی از La در آلیاژهــای عملیــات حرارتــی T6 شــده بــا مقادیــر مختلــف La اســتفاده شــد و نتایــج در شــکل 4 ارائــه شــده اســت. ســاختار آلیــاژ Al-7Si بــه طــور عمــده از زمینــه a-Al و ذرات Si یوتکتیــک تشــکیل یافتــه کــه بــا افــزودن La علاوه بــر ایــن فازهــای اصلــی، فازهــای Al4La و Al2Si2La هــم بــه وجــود می آید.
بــا اســتفاده از EPMA مقایســه نتایــج توزیــع عنصــر La بیــن آلیاژهــای عملیــات حرارتــی T6 شــده Al-7Si-0.1La و Al-7Si-0.4Laبررســی و در شــکل 5 نتایــج ارائــه شـد. ذرات غنـی از La بـا دوایـر سـفید رنـگ در شـکل 5 علامت گذاری شده اند، در آلیــاژ حــاوی 0/1 درصــد La تعــداد کمــی فازهــای غنــی از La بـا توزیعـی یکنواخـت در آلیـاژ وجـود دارد کـه ایـن فازهـا -Al4 La بــدون عنصــر Si هســتند.
تعــداد زیــادی فازهــای غنــی از La در اطــراف Si یوتکتیــک بــه شــکل فــاز جدایــش یافته اند. میانگیــن انـدازه ایـن فازهـای غنـی از (La Al4La و Al2Si2La) حـدود 0/5 تـا 1 میکـرون هسـتند. فازهـای غنـی از La بـه شـدت در اطـراف فـاز Si یوتکتیـک جدایـش یافتـه و هیـچ مـورد غنـی شـدن قابـل توجـه از La در فــاز اولیــه Al وجــود نــدارد. ایــن امــر نشــان میدهــد مســیر توزیــع La جدایــش یافتــه، بــا ذرات Si یوتکتیــک ســازگار اســت.
عنصـر La قابلیـت انحلال محـدودی در آلومینیـم داشـته و حداکثـر قابلیــت انحلال آن در a-Al در 625°C معــادل 0/26 درصــد اســت. در جریــان فراینــد انجمــاد، اتم های La میتوانــد در مراحــل رشــد در فصــل مشــترک مــذاب – جامــد در ذرات سیلیســیم جــذب شــده و مانــع رشــد ذرات سیلیســیم یوتکتیــک در نتیجــه ظریــف شــدن ذرات سیلیســیم یوتکتیــک میگــردد.
امــا هنگامــی کــه مقــدار La تــا 0/4 درصــد افزایــش یابــد (شــکل 5)، La در ناحیــه سیلیســیم یوتکتیـک جدایـش La و فازهـای غنـی از آن بـا انـدازهای بزرگتـر از ۷ میکـرون بـه وجـود می آید، بدیـن ترتیـب اثـر ایـن فازهـای غنـی از La نســبت بــه فازهــای کوچــک غنــی از La در آلیــاژAl–7Si 0.1La ضعیفتــر اســت.
3-4 خصوصیات کشش
خصوصیــات کشــش آلیــاژ هیپویوتکتیــک Al-7Si بــا مقادیــر متفــاوت La پــس از عملیــات حرارتــی T6 در شــکل 6 ارائــه شــده اســت. اســتحکام بهینــه کشــش (UTS)، اســتحکام (YS) و ازدیــاد طـول نسـبی در هنـگام افـزودن 0/1 درصـد La بـه ترتیـب بـه 350/2 مگاپاســکال، 2۷5/5 مگاپاســکال و 12/۷5 درصــد رســیده اســت.
اســتحکام نهایــی کشــش 5/2 درصــد ارتقــاء یافتــه (از 333 بــه 350/2 مگاپاسـکال) و ازدیـاد طـول نسـبی ۷3 درصـد افزایـش یافتـه (از ۷/3۷ تـا 12/۷5 درصـد) اسـت البتـه هنگامـی کـه افـزودن La بـه 0/2 درصــد میرســد، خصوصیــات کششــی کاهــش مییابــد.
خصوصیــات کششــی آلیاژهــای Al-7Siبــه شــدت بســتگی بــه انــدازه دانــه، SDAS، خصوصیــات Si یوتکتیــک و غیــره دارد، بنابــر مشــاهدات ذکــر شــده، خصوصیــات کششــی آلیاژهــای Al-7Si بــا افــزودن عنصــر La ارتقــاء مییابــد کــه ایــن امــر بــه دلیــل کاهــش مقــدار SDAS و ظریــف شــدن ذرات Si یوتکتیــک اســت.
براســاس بررســی تحقیقــات گذشــته (22 تــا 2 و 1) انعطاف پذیــری بیشــتر بــه مورفولـوژی Si حسـاس بـوده بنابرایـن به سازی بـا افـزودن 0/1 درصد La و تغییـر موفولـوژی ذرات Si یوتکتیـک بـه صـورت کـروی، موجـب افزایــش قابــل توجــه انعطاف پذیــری آلیــاژ Al-7Si میگــردد.
البتـه هنگامـی کـه مقـدار La بـه 0/2 درصـد برسـد تشـکیل فازهـای درشـت و تـر غنـی از La باعـث بـروز تـردی در زمینـه آلومینیـم و افـت خصوصیـات کشـش ایـن آلیاژهـا خواهـد شـد. در مقایسـه بـا آلیـاژ 1LaآلیاژهـایAl-7Si-0.2La افـت کمـی از نظر اسـتحکام کشـش ولـی کاهـش بسـیار زیـادی از نظـر ازدیـاد طـول نسـبی دارد.
3-5 شکست نگاری
شکســت نــگاری بــه وســیله SEM بـ ر روی نمونه های کششــی آلیــاژ Al-7Si عملیـ ات حرارتـی T6 شــده بــا مقادیــر مختلــف La در شـکل ۷ ارائـه شـده اسـت. بـرای تشـخیص مکانیـزم حرکـت از آنالیـز EDS جهت تعییـن ترکیـب شـیمیایی فازهـا (نقـاط C ،B ،A) در شـکل (۷) اسـتفاده شـد و نتایـج بـه دسـت آمـده نیـز در جـدول 3 ارائـه گردیـده اسـت.
همانطــور کــه مشــاهده می شود ســطح شکســت آلیــاژ Al-7Si عملیــات حرارتــی T6 شــده بــدون افــزودن La نشــان دهنــده یــک مورفولـوژی مخلـوط شکسـت نیمـه تـرد و نـرم بـه همـراه صفحـات بی نظـم و بـزرگ کلیـواژ و برخـی لبه های بـرش بـوده بنابرایـن نـوع شکســت مخلــوط شکســت تــرد و نــرم اســت. در شــکل ۷e بــر روی سـطح شکسـت آلیـاژ Al-7Si عملیـات حرارتـی شـده ذرات شکسـته شـده Si وجـود دارد.
براسـاس ترکیـب شـیمیایی (در جـدول 3) درصـد وزنــی Si در نقطــه A معــادل ۷۷/0۷ درصــد اســت تاییــد گردیــد، کـه سـطح شکسـت نیمـه کلیـواژ بـا غلبـه فـاز Si اسـت. ایـن ذرات درشــت Si موجــب تمرکــز تنــش در جریــان تغییــر شــکل شــده ، تبدیــل بــه منبــع ترک ها می شود و موجــب کاهــش ازدیــاد نســبی میگــردد. در شــکل ۷b ملاحظه می شود آلیــاژ Al-7Si بــا افــزودن 0/1 درصـد La در سـطح شکسـت دارای تعـداد زیـادی فرورفتگی هـای کوچـک و عمیـق بـوده کـه مبیـن شکسـت نـرم اسـت.
انـدازه ایـن فرورفتگی هــا (دیمپل ها) بــر روی ســطح شکســت حــدود 5 تــا 10 میکـرون میباشـد و ذرات غنـی از La بـا انـدازهای کوچـک بیـن ایـن فرورفتگیهــا مطابــق شــکل ۷f پخــش هســتند، کــه نقــس رســوبات اسـتحکام را ایفـا کـرده و بدیـن ترتیـب موجـب ارتقـای خصوصیـات کششــی میشــوند.
بــا افــزودن 0/1 درصــد La انــدازه فرورفتگی هــا کاهـش و تعـداد آنهـا اندکـی افزایـش مییابـد. ایـن امـر بـا تغییـر انـدازه SDAS و ذرات Si یوتکتیـک نیـز سـازگار اسـت، امـا بـا افزایش مقـدار La در آلیاژهـای حـاوی 0/2 و 0/4 درصـد La در شـکل های ۷c و ۷d)مشــخص شــده بــا دایــره ســفید( فازهــای درشــت Al2Si2La در سـطح شکسـت مشـاهده میشـود.
ایـن فازهـای تـرد و شـکننده نقــش نقــاط تمرکــز تنــش را در فراینــد کشــش ایفــا کــرده و بدیــن ترتیـب باعـث بـروز شکسـت تـرد میشـوند. بنابرایـن نـوع شکسـت آلیـاژ بـه شکسـت مخلـوط تـرد – نـرم تغییـر می یابـد و اسـتحکام و ازدیــاد طــول نســبی بــه دنبــال آن افــت مینمایــد.
4- نتیجه گیری
در تحقیــق حاضــر ریــز ســاختار و شکســت آلیاژهــای Al-7Si بــا مقادیــر مختلــف La مــورد بررســی قــرار گرفــت و مــواردی بدیــن ترتیــب اســتنتاج گردیــد:
4-1 هنگامــی کــه عنصــر نــادر خاکــی La بــه آلیــاژ Al-7Si افــزوده می شود. فازهــای غنــی از La بــه صــورت فازهــای Al2Si2La و Al4La در ناحیــه یوتکتیــک رســوب میکننــد و یــک مــادون تبریــد
نسـبتا بالاتـر بـرای جوانه زنـی حـدود 3۷/4۷°C بـه وجـود می آید.
درجــه مــادون تبریــد بالاتــر نشــان میدهــد کــه جوانه زنی شــتاب یافتـه و رشـد Si یوتکتیـک محـدود و کنـد گردیـده اسـت.
4-2 عنصـر نـادر خاکـی La بـه اثربخشـی ریزسـاختار یعنـی SDAS و ذرات Si یوتکتیـک را ظریـف مینمایـد، بـه طـوری کـه بـا 0/1 درصـد
افــزودن La بــه آلیــاژ ۷Si-Al عملیــات T6 شــده مقــدار SDAS و سـطح ذرات Si بـه ترتیـب ۷/9 و ۷ درصـد کاهـش مییابـد. در ایـن خصوصیــات کششــی بهینــه بــرای YS ،UTS و ازدیــاد طــول نســبی
بــه ترتیــب 350/2 مگاپاســکال، 2۷5/5 مگاپاســکال و 12/۷5 درصــد خواهـد رسـید.
4-3 رفتــار شکســت آلیــاژAl-7Si عملیــات حرارتــی T6 شــده بــه صـورت شکسـت مخلـوط تـرد – نـرم اسـت بـا افـزودن 0/1 درصـد La و ظریـف شـدن و یکنواخـت شـدن ریـز سـاختار شکسـت بـه تدریـج بـه شکسـت نـرم تغییـر میکنـد، البتـه بـا بیشـتر شـدن La دوبـاره در آلیاژهـای Al-7Si-0.2/0.4La بـه دلیـل بـه وجـود آمـدن فازهـای درشـت غنـی از La شکسـت مجـددا بـه صـورت مخلـوط تـرد – نـرم تبدیـل خواهـد شـد.
منبع خارجی: 5/2021 Foundry C
منبع فارسی: ماهنامه مرداد 1403 – صنعت ریخته گری
ترجمه: محمدجواد توسلی کیالنی
منابع:
Wu X Y, Yun Y, Zhang H R, et Effect of holding pressure on microstructure and fracture behavior of low pressure die cast A356-T6 alloy. Material Research Express, 2017, 4: 1-8.
Wu X Y, Zhang H R, Chen H L, et Evolution of microstructure and mechanical properties of A356 aluminium alloy processed
Birol Y. Impact of grain size on mechanical properties of AlSi7Mg0.3 Materials Science and Engineering: A, 2013, 559: 394-400.
Nogita K, Ysuda H, Yoshiya M, et The role of trace element segregation in the eutectic modification of hypoeutectic Al-Si alloys. Journal of Alloys and Compounds, 2010, 489: 415-420.
Wu X Y, Zhang H R, Ma Z, et Interactions between Fe-rich intermetallics and Mg-Si phase in Al-7Si-xMg alloys. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 786: 205-214.
Samuel A M, Doty H W, Valtierra S, et Effect of grain refining and Sr-modification interactions on the impact toughness of Al-
Si-Mg cast alloys. Materials & Design, 2014, 56: 264-273.
Zhang L Y, Jiang Y H, Ma Z, et Effect of cooling rate on solidified microstructure and mechanical properties
of aluminum-A356 alloy. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 207(1-3): 107-111.
Hosseini V A, Shabestari S G, Gholizadeh Study on the effect of cooling rate on the solidification parameters, microstructure, and mechanical properties of LM13 alloy
using cooling curve thermal analysis technique. Materials and Design, 2013, 50: 7-14.
Li D F, Cui C X, Wang X, et Microstructure evolution and enhanced mechanical properties of eutectic Al-Si die cast alloy by combined alloying Mg and La. Materials & Design, 2016, 90: 820-828.
Wan B B, Chen W P, Liu L S, et Effect of trace yttrium addition on the microstructure and tensile properties of recycled Al-7Si-0.3Mg-1.0Fe casting alloys. Materials Science and Engineering: A, 2016, 666: 165-175.
Li J H, Wang X D, Ludwig T H, et Modification of eutectic Si in Al-Si alloys with Eu addition. Acta Materialia, 2015, 84: 153- 163.
Tsai Y C, Chou C Y, Lee S L, et Effect of trace La addition on the microstructures and mechanical properties of A356
(Al-7Si-0.35Mg) aluminum alloys. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 487(1-2): 157-162.
Qiu C R, Miao S N, Xia X R, et Synergistic effect of Sr and La on the microstructure and mechanical properties of A356.2 alloy. Materials & Design, 2017, 114: 563-571.
Karnesky R A, Dunand D C, Seidman D N. Evolution of nanoscale precipitates in Al microalloyed with Sc and Acta Materialia, 2009, 57(14): 4022-4031.
Dalen M E, Karnesky R A, Cabotaje J R, et al. Erbium and ytterbium solubilities and diffusivities in aluminum as determined by nanoscale characterization of Acta Materialia, 2009, 57(14): 4081-4089.
Li Q L, Li B Q, Li J B, et Effect of yttrium addition on the microstructures and mechanical properties of hypereutectic Al- 20Si alloy. Materials Science and Engineering: A, 2018, 722: 47-57.
Liu S Q, Cui C X, Zhao L C, et Enhanced grain refinement of in situ CeB6/Al composite inoculant on pure aluminum by
microstructure control. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 701: 926-934.
Gammer K, Ogris E, Uggowitzer P J, et SIMS investigations on the distribution of trace elements in modified aluminiumsilicon- magnesium alloys. Microchimica Acta, 2003, 141: 23-27.
Wang T M, Zhao Y F, Chen Z N, et The bimodal effect of La on the microstructures and mechanical properties of in-situ A356- TiB2 composites. Materials and Design, 2015, 85: 724-732.
Du J F, Tu H, Peng H P, et Phase equilibria of the Al-Si-La system between 0 and 50at.% La at 600 and 800 °C. Journal
