در این آزمایش هدف بررسی فرایند پیر سختی یا رسوب سختی precipitation hardening  و یا age hardening  روی آلیاژهای غیر آهنی و خصوصا آلومینیوم و مس است .

دانلود بررسی فرایند پیرسختی (رسوب‌سختی) در آلیاژهای غیرآهنی (پیرسختی آلومینیوم: افزایش استحکام به روش رسوب‌سختی)

گزارش آزمایش: بررسی فرایند پیرسختی (رسوب‌سختی) در آلیاژهای غیرآهنی

هدف آزمایش

هدف از این آزمایش، مطالعه فرایند پیرسختی (Age Hardening) یا رسوب‌سختی (Precipitation Hardening) در آلیاژهای غیرآهنی، به‌ویژه آلیاژ آلومینیوم-مس، و بررسی تأثیر دما و زمان بر سختی و ریزساختار آن است.

مقدمه: مکانیسم پیرسختی

پیرسختی یک عملیات حرارتی چند مرحله‌ای برای افزایش استحکام آلیاژهاست. این فرایند بر اساس دو شرط اصلی استوار است:

1. حلالیت متغیر: فاز ثانویه باید در دمای بالا در زمینه (محلول جامد) قابل حل باشد اما با کاهش دما، حلالیت آن کم شود.
2. فصل مشترک کوهرنت (Coherent Interface): رسوبات تشکیل شده باید فصل مشترکی هم‌شکل با زمینه داشته باشند تا جلوی حرکت نابجایی‌ها را بگیرند.

این فرایند در سه مرحله انجام می‌شود:

1. آنیل انحلالی (Solution Annealing): آلیاژ تا دمایی بالاتر از خط حلالیت گرم می‌شود تا تمام فاز ثانویه (مثلاً مس در آلومینیوم) در محلول جامد حل شود.
2. کوئنچ (Quenching): آلیاژ به سرعت در محیطی مانند آب سرد می‌شود تا اتم‌ها فرصت نفوذ و تشکیل رسوب را نداشته باشند و یک محلول جامد فوق‌اشباع تشکیل شود.
3. پیرسازی (Aging): آلیاژ تا دمایی متوسط (پایین‌تر از خط حلالیت) گرم می‌شود تا اتم‌های اضافی فرصت نفوذ در فواصل کوتاه و تشکیل رسوبات ریز و پراکنده را پیدا کنند. این رسوبات، استحکام و سختی آلیاژ را به شدت افزایش می‌دهند.

نتایج آزمایشگاهی بر روی آلیاژ Al-4%Cu

• نمونه شاهد (As-Cast): ساختار اولیه شامل زمینه فاز α (سفید) و ذرات فاز θ (تیره) در مرز دانه‌ها بود. سختی: ۶۴ HB.
• آنیل انحلالی و سرد کردن در کوره: حرارت‌دهی در ۵۴۰∘C و سرد کردن آهسته در کوره، باعث شد مس در مرز دانه‌ها رسوب کند. سختی: ۶۱ HB. این ساختار بسیار شبیه به نمونه شاهد است.
• آنیل انحلالی و کوئنچ در آب: با حرارت‌دهی در ۵۴۰∘C و سرد کردن سریع در آب، یک محلول جامد فوق‌اشباع از فاز α (سفید یکدست) به دست آمد. سختی: ۸۹ HB. این مرحله، پیش‌نیاز اصلی برای پیرسختی است.
• پیرسازی در ۲۵۰∘C به مدت ۳ ساعت: نمونه کوئنچ شده در آب، در دمای ۲۵۰ درجه به مدت ۳ ساعت حرارت داده شد. در این حالت، رسوبات بسیار ریز و کروی θ به صورت یکنواخت در زمینه پخش شدند. سختی: ۱۱۴ HB. این نتیجه نشان‌دهنده سختی حداکثری و ساختار مطلوب پیرسختی شده است.
• پیرسازی در ۲۵۰∘C به مدت ۱۲ ساعت: افزایش زمان پیرسازی به ۱۲ ساعت باعث رشد بیش از حد و درشت شدن رسوبات θ و کاهش سختی شد. سختی: ۶۶ HB. این پدیده به عنوان پیرسازی بیش از حد (Overaging) شناخته می‌شود.

بحث و نتیجه‌گیری

نتایج این آزمایش نشان داد که فرایند پیرسختی یک روش مؤثر برای افزایش استحکام آلیاژهای غیرآهنی مانند آلومینیوم-مس است. موفقیت این فرایند به دقت در کنترل دما و زمان هر سه مرحله، به‌ویژه مرحله پیرسازی، بستگی دارد. زمان بیش از حد در مرحله پیرسازی باعث درشت شدن رسوبات و کاهش شدید استحکام می‌شود.

پاسخ به سؤالات

1. تفاوت روش رسوب‌سختی با سخت شدن توسط محلول جامد چیست؟
   • رسوب‌سختی: اساس کار آن بر تغییر حلالیت یک فاز در فاز دیگر بر حسب دما است. در این روش، با حرارت‌دهی، یک محلول جامد فوق‌اشباع تشکیل می‌شود که در مرحله پیرسازی، رسوبات ریز در آن تشکیل شده و باعث افزایش سختی می‌شوند.
   • سخت شدن توسط محلول جامد: اساس کار آن بر افزودن اتم‌های حل‌شونده به زمینه فلز اصلی است. اتم‌های ناهم‌اندازه با جای‌گیری در شبکه بلوری (به صورت جانشینی یا بین‌نشینی)، آن را از حالت ایده‌آل خارج می‌کنند. این اعوجاج در شبکه باعث ایجاد میدان‌های تنشی می‌شود که حرکت نابجایی‌ها را مختل کرده و استحکام را افزایش می‌دهد.
2. رسوب‌سختی در فولادها را توضیح دهید. در فولادها، پدیده رسوب‌سختی معمولاً در اثر رسوب اتم‌های بین‌نشینی مانند کربن و نیتروژن در فریت رخ می‌دهد. حلالیت این اتم‌ها در فریت با کاهش دما به شدت کم می‌شود. این پدیده باعث ایجاد یک نوع پیرسختی به نام پیر کرنش (Strain Aging) می‌شود. در این فرایند، اتم‌های کربن یا نیتروژن به اطراف نابجایی‌ها نفوذ کرده و آن‌ها را قفل می‌کنند. این قفل شدن، حرکت نابجایی‌ها را متوقف کرده و استحکام فولاد را افزایش می‌دهد، اما انعطاف‌پذیری آن را کاهش می‌دهد. این پدیده بیشتر در فولادهای کم‌کربن اتفاق می‌افتد.

مطالعه بیشتر