اثر عناصر آلیاژی بر میکروساختار و استحکام چدن خاکستری :

‏

خلاصه:
آزمایشات ریخته گری برای تولید چدنهای خاکستری باترکیباتی در محدوده(درصد وزنی):

 Fe–3.2C–wCu–xMo–yMn–zSi که w = 0.78–1.79, x = 0.11–1.17, y = 0.68–2.34 و

z = 1.41–2.32 انجام شده است.
این عناصر کلیدی بطور سیستماتیک در طی ریخته گری ماسه ای بصورت میلگردهای با قطر 30-mm برای ارزیابی تاثیرشان بر توسعه میکروساختار و خواص مکانیکی،تغییریافتند.معلوم شد که محدوده میکروساختارها از پرلیت کامل تا ترکیبی از آستنیت باقیمانده و فریت بینیتی به اصطلاح آسفریت (ausferrite) تولید شدند و یک همبستگی خطی مستدل بین کسر حجمی شکستن و استحکام آسفریت مشاهده شد. ترکیب بهینه خواص مکانیکی در یک آلیاژ با ترکیب تقریبی Fe–3.2C–1.0Cu–0.7Mo–0.55Mn–2.0Si بدست آمد که 100% آسفریت بدون کاربیدهای آلیاژی تولید شد. این آلیاژ یک میکروساختار و خواص مکانیکی قابل مقایسه با چدن خاکستری آستمپر شده بدون مشکلات زیاد همراه با آستمپرینگ داشت.

کلمات کلیدی: چدن خاکستری، میکروساختار، ریخته گری و آسفریت



1- مقدمه
چدن خاکستری یک گروه وسیع از آلیاژهای ریختگی آهنی است که معمولا" بوسیله یک میکروساختار از گرافیت ورقه ای (flake graphite) در یک زمینه آهنی مشخص می شود. آن اساسا" یک آلیاژ Fe–C–Si شامل مقادیر کوچکی از عناصر آلیاژی دیگر و بیشترین آلیاژ ریختگی مورداستفاده و با تولید جهانی سالیانه 6 میلیون تن است که چندین برابر دیگر فلزات ریختگی است[1].
میکروساختار چدن خاکستری معمولا" شامل گرافیت ورقه ای و یک زمینه پرلیت و یا فریت است که خواص مکانیکی، قابلیت ماشینکاری و غیره به آن بستگی دارد. چدنهای خاکستری معمولی، زمینه پرلیتی و استحکام کششی در محدوده 140 تا 400 Mpa دارند. وسیله اصلی برای بهبود خواص مکانیکی، کاهش کربن معادل است که درصد گرافیت را کاهش و پرلیت را افزایش می دهد. جدول(1) انواع تجاری چدن خاکستری و خواص مکانیکی مربوط به آنها را نشان می دهد.
برای بهبود خواص چدن خاکستری، تحقیق بر روی گسترش میکروساختار آسفریت بیش از 40 سال انجام گرفته است[6-2]. یک بهبود مهم ویژه در خواص، نتیجه ای از گسترش چدن خاکستری آستمپر شده است[7-3]. چدنهای خاکستری آستمپر شده به مهندس چاره هایی با ترکیبات فرایندی/موادی معمولی پیشنهاد می دهد[7]. از طریق آستمپرینگ، زمینه فریتی یا پرلیتی، چدن خاکستری به یک ساختار سوزنی شامل 70 تا 80% فریت بینیتی بدون کاربید و آستنیت باقیمانده 20 تا 30% تغییر می یابد. چنین ساختاری به اصطلاح آسفریت است[6]. نشان داده شده است که چنین ساختار زمینه ای، یک چدن خاکستری با یک ترکیب منحصر بفرد از استحکام، مقاومت سایشی، جذب صدا و یا لرزش و تافنس شکست بالا را تولید می کند[6و7].
یک عملیات حرارتی معمولی آستمپرینگ چدن خاکستری، آستنیته کردن در دمای 840–900º C برای چند ساعت بر اساس ترکیب و ضخامت ریختگی و آستمپر کردن در 230–425º C است[6و7].
در حالی که این برنامه زمانی عملیات حرارتی تولید چدن خاکستری با یک محدوده عالی از خواص ، به انرژی قابل ملاحظه و فضای تولید نیاز دارد و ممکن است باعث آلودگی محیطی بعلاوه اکسیداسیون و ترک در اجزا شود. این مشکلات ، تولید گسترده چدن خاکستری آستمپر شده را محدود کرده اند، بنابراین تحقیق بر روی گسترش چدن خاکستری آسفریتی را بوسیله ریخته گری مستقیم وادار می کنند[5]. کار حاضر قصد دارد نشان دهد که چگونه تغییرات سیستماتیک در اضافه کردن آلیاژی به یک چدن خاکستری معمولی در طی ریخته گری می تواند یک آلیاژ با میکروساختار فریت بینیتی-آستنیتی (آسفریتی) با خواص مکانیکی قابل مقایسه با چدن خاکستری آستمپر شده را تولید کند.

جدول(1): ترکیب و خواص مکانیکی کلاسهای مختلف چدن خاکستری
 

Class	Total carbon (wt.%)	Total silicon (wt.%)	Tensile strength (MPa)	Transverse load on test bar (kg f)	Hardness (HB)
20	3.40–3.60	2.30–2.50	152	839	56
25	-	-	179	987	174
30	3.10–3.30	2.10–2.30	214	1145	210
35	-	-	252	1293	212

2- تجربی
2-1- مواد و روش ریخته گری
هدف اصلی از کار حاضر تعیین تاثیر عناصر آلیاژی کلیدی بر توسعه میکروساختاری چدن خاکستری و اثرآن بر خواص مکانیکی بود. آزمایشات ریخته گری با استفاده از یک ترکیب آلیاژی اصلی حاصله از آمیژانها (جدول2) و بوسیله تغییر سیستماتیک عناصر آلیاژی که عمده آنها : Mo, Mn, Si, Cu بود، انجام گرفت. ترکیب اصلی نشان داده شده در جدول2 مربوط به آلیاژ کلاس 35 (جدول1) است. جدول2 همجنین نشان می دهد که چگونه Mo, Mn, Si, Cu بطور سیستماتیک از این ترکیب اصلی تغییر می یابند.
چدن خاکستری اصلی در یک کوره القائی در دمای 1500º C ذوب شد که آمیژانها به مذاب برای تولید ترکیب مطلوب، اضافه شدند. از طریق ترکیب کردن در دمای 1480-1520º C ، یک قسمت از مذاب با ترکیب مورد نیاز با یک ملاقه ریخته شد که با 5/0 درصد وزنی از آلیاژ 75Si–25Fe تلقیح شد. برای نمونه های متالوگرافی، قالبهای ساخته شده از ماسه سیلیکای خشک مخلوط با رزین به همراه فالبهایی برای نمونه های تست مکانیکی تولید شده با سیلیکای خشک اما مخلوط با خاک رس و با یک رنگ گرافیتی با زمینه آب، رنگ شد. هر دو نوع قالب با همان مشخصات سرد کردن در طی ریخته گری بعلاوه همان میکروساختار تولید شد[9]. دمای ریختگری 1380-1420º C بود. در ادامه ریخته گری، همه فالبهای نمونه ها در هوا با دمای اتاق، خنک شدند.
2-2- متالوگرافی و خواص مکانیکی
میلگردهای استوانه ای با 120 mm× 30mm Ø و 350mm×30mm Ø برای آزمایش متالوگرافی و تست مکانیکی ، به ترتیب، با استفاده دومی برای تعیین تنش شکست متقاطع و تست ضربه شارپی ریخته گری شدند[9]. نمونه ها برای تعیین تنش کششی نهایی (UTS) از نیمه پایین از هر نمونه شکسته متقاطع، ماشینکاری شدند. برای یک ترکیب مفروض، سه نمونه ریخته گری شدند و میکروساختار خواص مکانیکی تعیین شدند. با ادامه گرفتن ریخته گری، نمونه ها برای متالوگرافی نوری عمود بر محور طولی میلگردهای استوانه ای قرار گرفتند و با دنبال کردن خواص مکانیکی، سطوح شکست با استفاده از میکروسکوپ الکترونی Hitachi S4500 مورد آزمایش قرار گرفتند. اندازه گیری های کسر حجمی از میکرو اجزای زمینه (فریت، پرلیت، آسفریت، مارتنزیت و گرافیت) با استفاده از Adobe Photoshop 6.0 به همراه میکروسکوپ نوری Nikon Epiphot 200 با camera DXM 1200 Nikon digital انجام گرفت. برای هر نمونه، شش مورد اتفاقی با بزرگنمایی 100 با کسر حجمی از میکرو اجزای تعیین شده بوسیله متالوگرافی کمی، مورد تحلیل قرار گرفتند.
جدول(2): محدوده آلیاژهای مورد استفاده در این کار(درصد وزنی)
 

Cu	Si	Mn	Mo	C	عنصر
<0.005	1.41	0.55	<0.005	3.2	ترکیب آلیاژ اصلی
0.32, 0.53Mo	1.0Cu	1.0Cu	1.0Cu		ترکیب آلیاژهای کنترلی
0.55Mn	0.32Mo	0.32Mo	0.55Mn
2.0Si	1.05Mn	1.80Si	2.0Si

0.78-1.79

1.41-2.32

0.68-2.34

0.11-1.17

ترکیب آلیاژی اصلی در ردیف2 آمده است و آلیاژهای کنترلی در ردیف3 آمده است و عناصر آلیاژی در این آلیاژهای کنترلی بصورت ردیف6 تغییر می یابد.
3- نتایج و بحث
3-1-تاثیر عناصر آلیاژی بر توسعه میکروساختاری
3-1-1- مولیبدن(Mo)
برای یک ترکیب اصلی ثابت Fe–3.2C–1.0Cu–0.55Mn–2.0Si ، مولیبدن به مذاب در محدوده x = 0.11–1.17 (wt.%) اضافه شد. تاثیر مولیبدن بر توسعه میکروساختاری در جدول3 و شکل1- الف نشان داده شده است که آن می تواند در بزرگتر از 0.62%Mo دیده شود که یک زمینه میکروساختار 100% آسفریت بدون تغییر در شکل گرافیت را تولید کند. میکروگرافهای SEM و نوری آلیاژ شامل 0.62%Mo در شکل2 با نشان دادن توزیع یکنواخت نوع گرافیت ورقه ای E (شکل2-الف) در یک زمینه و (شکل2-ب) آمده است. برای مقادیر کم Mo ، پرلیت به شکل لایه ای شبیه به پرلیت در فولاد تولید می شود در حالی که برای مقادیر بالاتر Mo ، آسفریت بصورت توزیع سوزنی فریت در زمینه آستنیت تولید می شود. مقدار Mo بیش از 0.95% برای تولید کاربید مولیبدن در مرزهای سلول یوتکتیکی معلوم شد.


3-1-2- منگنز و سیلیسیم
3-1-2-1- Fe–3.2C–1.0Cu–yMn–zSi. : آزمایشات ریخته گری محدود بر روی آلیاژ بدون مولیبدن بوسیله افزایش Mn و Si تا 2.75 و 2.9% ،به ترتیب، انجام گرفت[9]. در غیاب Mo ، آسفریت در طی ریخته گری تولید نشد و یک ساختار پرلیتی با کسر حجمی کم از مارتنزیت تولید شد.
3-1-2-2- Fe–3.2C–1.0Cu–0.32Mo–yMn–zSi. : برای این آلیاژ، اثر Mn و Si در محدوده 0.68-2.34 و 1.41-2.32% ، به ترتیب، بر تشکیل میکروساختار آسفریت در جدول4 با اثر ترکیب بر میکروساختار در شکل3 نشان داده شده است. نتایج نشان می دهد که با حضور 0.32%Mo ، هم Mn و هم Si تشکیل آسفریت را تقویت می کنند و مقادیر Mn و Si بیشتر از 1.02 و 1.41% ، به ترتیب، برای تولید زمینه میکروساختار شامل 95% آسفریت و تقریبا" 5% مارتنزیت لازم است. شکل4 میکروساختار ریختگی چدن خاکستری شامل 1.25%Mo و 2.0%Si را با نشان دادن 95% آسفریت و تقریبا" 5% مارتنزیت (ناحیه خاکستری سیاه در منطقه مرکزی شکل4) و بدون گرافیت ورقه ای E را ارائه می دهد.که آن شبیه ناحیه های مارتنزیت است چنانچه در شکل4 نشان داده شده، یک نتیجه از جدایش در آلیاژ ریختگی است بنابراین ناحیه های اشباع برای تبدیل به فریت بینیتی در طی سرد کردن ناتوان هستند اما به مارتنزیت تجزیه می شوند. برای یک مقدار Si مفروض (1.41-2.32%) ، مقادیر Mn بزرگتر از 1.52% ، بینیت کمتری، مارتنزیت و مقداری آستنیت تولید شد(جدول4).
      

                       

شکل(1) : تاثیر Mo بر Fe–3.2C–1.0Cu–0.55Mn–1.8Si ( a : ارائه فازها در میکروساختار b,c : خواص مکانیکی)

دول(3) : اثر Mo بر میکروساختار ریختگی xMo–0.55Mn–2.0Si Fe–3.2C–1.0Cu–
 

گرافیت ورقه ای		ساختار زمینه (%)			Mo%
درصد	نوع	پرلیت	بینیت	آستنیت
7.5	E	100	0	0	0.11
8.2	E	100	0	0	0.22
7.9	E	94.5	4.7	0.8	0.31
7.5	E	80.2	16	3.8	0.40
6.8	E	28	50.9	21.1	0.51
6.5	E	5	68.2	27.8	0.62
6.7	E	2.3	69	28.7	0.73
6.4	E	0	68.1	31.9	0.95
6.1	E	0	68.7	31.3	1.17

شکل(2) : a : نوری و b : میکروگراف SEM از چدن خاکستری ریختگی شامل 0.62%Mo با نمایش توزیع گرافیت ورقه ای و زمینه کاملا" آسفریت.

                       
شکل(3): اثر Mn و Si بر کسر حجمی آسفریت در چدن خاکستری ریختگی(0.32%Mo-1.0%Cu)

جدول(4) : افزودنی های آلیاژی و ارائه فازها در نمونه های متالوگرافی از آلیاژ Fe–3.2C–1.0Cu–0.32Mo–yMn–zSi
 

مارتنزیت(%)	پرلیت(%)	بینیت(%)	آستنیت(%)	Si%	Mn%
1-2	98	0	0	1.41	0.68
1-2	98	0	0	1.63
1-2	98	0	0	1.85
1-2	98	0	0	2.10
1-2	98	0	0	2.32
1-2	98	0	0	1.41
1-2	98	0	0	1.63
1-2	98	0	0	1.85
1-2	98	0	0	2.10
1-2	98	0	0	2.32
3.1	78	13.1	5.7	1.41
4.2	41.2	40.0	14.6	1.63
1.8	27.3	50.4	20.5	1.85
2.3	15.8	61.6	20.3	2.10
1.5	8.7	68.7	21.1	2.32
5.5	61.3	23.0	10.2	1.41
4.9	7.5	65.4	22.2	1.63
4.3	5.6	68.0	22.1	1.85
4.2	4.8	68.4	22.6	2.10
5.4	1.7	69.9	23.0	2.32
22.8	0	50.2	17.0	1.41
33.5	0	50.5	16.5	1.63
34.4	0	55.6	10.0	1.85
34.2	0	56.4	9.4	2.10
22.3	0	57.2	9.5	2.32
93.3	0	0	6.7	2.10
92.6	0	0	7.4	2.32

همه آلیاژها شامل گرافیت ورقه ایE هستند.

شکل(4) : میکروگراف نوری با نمایش میکروساختار آسفریت در Fe–0.32Mo–1.0Cu–1.25Mn–2.0Si با نشان دادن ناحیه مارتنزیتی(قسمت مشکی).
3-1-3- مس
برای یک ترکیب اصلی ثابتFe–3.2C–0.55Mn–2.0Si ، مولیبدن به مذاب با غلظت 0.32 و 0.53% اضافه شد و سپس به همراه Cu در محدوده 0.78-1.79% تغییر یافت. تاثیر Cu بر توسعه میکروساختار در جدول5 داده شده است. واضح است که یک مقدار کم Mo (0.32%) ، آسفریت را تولید نمی کند در حالی که 0.53%Mo برای تولید افزایشی کسر حجمی از آسفریت(0-95.9%) با افزایش مقدار Cu کافی است. این گرایش ها عموما" شبیه به دیگر عناصر آلیاژی هستند.
3-2- مورفولوژی آسفریت
آسفریت برای تشکیل در طی ریخته گری مستقیم چدن خاکستری بوسیله کنترل افزودنی های آلیاژی Mo, Mn, Si, Cu نشان داده شده است. این ترکیب معمولا" شامل فاز خشن پر مانند، معمولا" به اصطلاح فریت بینیتی [7-3]، جاسازی شده با ذرات آستنیت باقیمانده ( شکل2) است. با استفاده از پراش X-ray و میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داده شده است[9] که یک فاز BCC بدون کاربید است. بعلاوه، پراش بازپخشی الکترونی با دقت بالا high-resolution electron backscatter diffraction) ) (HR-EBSD) در یک FEGSEM [11] نشان داده است که و در آسفریت از نظر کریستالوگرافی بوسیله رابطه جهت Kurdjumov–Sachs به هم مربوط می شوند: {1 1 1}γ//{0 1 1}α و (0 1 1) γ//(1 1 1) αکه مشخصات کریستالوگرافی همچون آسفریت دارد که در چدن داکتیل آستمپر شده تشکیل می یابد[12].
3-3- روش تجزیه آستنیت
چندین نفر نشان داده اند که افزودنی های آلیاژی به چدن خاکستری بطور موثر ترتیب استحاله را برای تولید یک محدوده از میکروساختارها اصلاح می کنند.برای مثال، Hayrynen و همکاران [5] ، Mo و Cu را در چدن خاکستری Fe-C-Si تغییر دادند و نشان دادند که میکروساختار کاملا" آسفریتی می تواند در اندازه های کوچک تولید شود که در اصل، نیاز به آستمپرینگ را حذف می کند. کار حاضر همچنین نشان داده است که تغییر سیستماتیک مقادیر Mo, Mn, Si, Cu در طی ریخته گری می تواند محدوده وسیع از میکروساختارهای ریختگی (پرلیت کامل، مارتنزیت یا آسفریت با مقادیر آلیاژی بالا همچنین تولید کننده کاربیدهای آلیاژی) را تولید کند.

جدول(5): اثر Cu بر میکروساختار ریختگی Fe–3.2C–wCu–xMo–0.55Mn–2.0Si
 

گرافیت(%)	پرلیت(%)	بینیت(%)	آستنیت(%)	Cu(%)	Mo(%)
6.8	100	0	0	0.91	0.32
6.5	100	0	0	1.26
6.6	100	0	0	1.40
7.1	97	3.0	0	1.48
7.5	95.9	4.1	0	1.65
7.8	96.8	3.2	0	1.72
6.3	86.5	10.9	2.6	0.78	0.53
6.2	33.8	48.6	12.3	0.98
6.7	31.6	55	13.4	1.05
6.9	22.3	58.6	19.2	1.14
7.3	11.5	65	23.5	1.36
7.1	8.8	68.2	23	1.75
7.8	4.7	68.1	27.8	1.79

 ترتیب عمومی استحاله در چدن خاکستری ریختگی طی سرد شدن پیوسته تا دمای محیط شبیه به آنچه که بوسیله آستمپرینگ تولید می شود است. با وجود این، میکروساختارهای تولید شده بوسیله فرایند اخیر بطور قابل توجه تاثیرگذارند بوسیله : 1- شرایط آستنیته کردن(دمای آستنیته کردن و زمان نگهداری) 2- دما(و زمان) که آستنیت به بینیت و غیره تجزیه می شود[13]. بنابراین میکروساختار نهایی چدن خاکستری آستمپر شده به تعداد متغیراتی که آنرا برای مقایسه مستقیم با کار حاضر مشکل می کند، وابسته است. تجزیه آستنیت در چدن خاکستری ریختگی ممکن است براحتی با استفاده از دیاگرامهای استحاله سرد کردن پیوسته (CCT) توضیح داده شود. اما، این دیاگرامها برای تولید در طی ریخته گری شمشهای با قطر بزرگ (30mm) مشکل است همچنانکه نرخ سرد کردن زیاد(100–200º C بر دقیقه در محدوده دمایی 300–600º C ( تغییر نمی یابد. یک دیاگرام CCT شماتیک برای چدن خاکستری هایپریوتکتیک در شکل5 داده شده است که روش مورد انتظار تجزیه آستنیت را همچون تابعی از مقدار آلیاژ (Mo در این دیاگرام) نشان می دهد. برای مقادیر کم از Mo ، استحاله ها زیر مورد انتظار هستند[2و5] :
                                    
اما مقادیر بزرگتر عناصر آلیاژی همچون Mo تمایل به تغییر ناحیه تولیدی استحاله نفوذی با زمانهای طولانی تر بدون تغییر ناحیه بینیت بطور افزایشی دارد[5]، بنابراین اجازه می دهد تا آسفریت تشکیل شود :
                                    

                         

شکل(5) : دیاگرام CCT شماتیک تاثیر افزودنی های آلیاژی(همچون Mo ) بر موقعیت ناحیه تولیدی استحاله ای فریت، پرلیت، آسفریت و مارتنزیت.

نوع بینیت تشکیل شده در داخل فاز آستنیت طی سرد شدن پیوسته بوسیله غلظت و نوع افزودنی های آلیاژی تاثیرگذار خواهد بود و ممکن است از بینیت بالایی تا بینیت پایینی تغییر یابد[13]. برای مقادیر پایین MO (<1.0%) ، میکروساختار زمینه شامل فریت بینیت با کاربید آزاد و آستنیت باقیمانده با کربن اشباع شده است[5و9و13‍]. غلظتهای بالا از عناصر آلیاژی همچون Mn ، همچنین قابلیت سختی پذیری آلیاژ را افزایش می دهد و مقداری مارتنزیت در طی سرد شدن پیوسته تشکیل می شود(همچنانچه در شکل6a نشان داده شده است). عناصر آلیاژی معین همچنین تمایل قوی برای جدایش در محلهای مختلف در میکروساختار دارند بعلاوه کاربیدهای آلیاژی تشکیل می دهند. جدایش و تشکیل کاربید یک اثر مضر بر خواص مکانیکی چدن خاکستری دارند همچنانکه در بخش 3-4 بحث می شود.

3-4- تاثیر میکروساختار بر خواص مکانیکی
کلاس استاندارد 35 چدن خاکستری بطور کامل پرلیتی با یک UTS و FTS اسمی 252 و 475MPa ،(به ترتیب) می باشد‍]2]. آلیاژ اصلی آزمایشی داده شده در جدول(2) با یک UTS و FTS، 285 و 530MPa (به ترتیب) معلوم شد، با وجود اینکه این آلیاژ همچنین یک میکروساختار کاملا" پرلیتی را نشان می دهد. بهبود در خواص مکانیکی احتمالا" نتیجه افزودن 1.0%Cu است که شناخته می شود که استحکام دهنده محلول جامد قابل قبول فریت و همچنین بعنوان ریزکننده فضای پرلیت عمل می کند[2].
مثالهای انتخاب شده از اثر افزودنی های آلیاژی بر خواص مکانیکی چدن خاکستری در شکل 1b,c و 6b,c داده شده، نشان می دهد که برای Fe–3.2C–1.0Cu–0.55Mn–2.0Si یک افزایش در مولیبدن، افزایش در UTS و FTS با بهبود قابل توجه در مقاومت به ضربه شارپی و داکتیلیته در طی خمش عرضی را نتیجه می دهد(شکل1c ). می توان دید که ترکیب بهینه خواص مکانیکی برای یک آلیاژ با مقدار 0.7%Mo بدست می آید که به میکروساختار زمینه 100% آسفریت مربوط می شود. در مقادیر بالاتر Mo ، یک افت جزئی در خواص مکانیکی وجود دارد که احتمالا" نتیجه جدایش مولیبدن به مرزهای سلول یوتکتیک در طی ریخته گری و همچنین از طریق تشکیل کاربیدهای مولیبدن در این ناحیه ها باشد. برای Fe–3.2C–1.0Cu–0.32Mo–2.0Si ، یک افزایش در منگنز تا 1/1% همچنین UTS و FTS (شکل6b ) و مقاومت به ضربه و داکتیلیته(شکل6c ) را ، اما با یک مقدار کمتر از MO، بهبود می بخشد. در این آلیاژ، ترکیب بهینه در خواص مکانیکی با یک میکروساختار زمینه شامل 27% پرلیت، 70% آسفریت و 3% مارتنزیت همراه می شود(جدول4).

         
شکل6- تاثیر منگنز بر Fe–3.2C–1.0Cu–0.32Mo–2.0Si a : فازهای حاضر در میکروساختار ریختگی b,c : خواص مکانیکی.

شکل7 توضیح می دهد که چگونه UTS و FTS بوس‍یله میزان ارائه آسفریت در میکروساختار برای آلیاژهای داده شده در قسمت3-1 تحت تاثیر قرار می گیرند. یک رابطه خطی معقول بین مقدار آسفریت و استحکام وجود دارد. پراکندگی در داده ها احتمالا" نتیجه تاثیر عنصر آلیاژی داده شده است : 1- استحکام دهی محلول جامد یک فاز خاص، 2- گرایش آن به جدایش به مرزها و فازهای مختلف، 3- تمایل تشکیل کاربید آن و 4- تاثیر آن بر قابلیت سختی پذیری[10]. کسرهای نسبی از فازها (پرلیت، آسفریت و مارتنزیت) در میکروساختار مفروض با نوع بینیت که نسبت آستنیت/بینیت را در آسفریت تشکیل می دهد، نیز احتمالا" فاکتورهای سهیم در پراکندگی هستند.

                   
شکل7- تاثیر کسر حجمی آسفریت در میکروساختار ریختگی بر UTS و FTS

شکل7 بطور واضح نشان می دهد که یک افزایش در آسفریت، یک افزایش اساسی در خواص مکانیکی را نتیجه می دهد. یک آزمایش سطوح شکست نمونه های TFS نشان داد که شکست بوسیله گسستگی لایه های گرافیت در مقادیر تنش پایین شروع می شود که میکرو ترک ها را ایجاد می کند(شکل8a ).

                 
شکل8- میکروگرافهای اسکن الکترونی با نشان دادن سطح شکست a : چدن خاکستری آسفریتی و b : چدن خاکستری پرلیتی معمولی.

شکست نشان می دهد که بوسیله میکرو ترک ها از میان گرافیت و زمینه اتفاق می افتد جایی که برای مورفولوژی گرافیت مفروض، تنش شکست یک تابع از استحکام و تافنس زمینه است. در مقایسه با یک میکروساختار پرلیتی(شکل 8b )، انتشار ترک از میان آستنیت بطور منطقی مشکل تر از طریق نرخ بالای کار سختی این فاز با استحاله به مارتنزیت در طی تغییر شکل، یک پدیده به اصطلاح "استحاله-پلاستیسیته"(TRIP) است[10]. بنابراین مرزهای فاز آستنیت/بینیت همراه با داکتیلیته خوب بینیت[5]، انرژی قابل ملاحظه برای انتشار ترک نیاز دارد. در مجموع، این فاکتورها، یک استحکام و تافنس خیلی بالاتر چدن خاکستری آسفریتی را در مقایسه با گریدهای پرلیتی معمول را نتیجه می دهند[6و7و14]. نتایج حاضر نشان داده است که افزودنی های آلیاژی قویا" بر نوع و توزیع اجزای میکروسکوپی در یک چدن خاکستری ریختگی تاثیر می گذارد. یک آلیاژ با ترکیب تقریبی Fe–3.2C–1.0Cu–0.55Mn–0.7Mo–2.0Si شامل 100% آسفریت با این آلیاژ، ترکیب عالی از خواص مکانیکی را نشان می دهد : UTS=530MPa TFS=920Mpa و انرژی ضربه شارپی و شکست 6mm در طی تست عرضی (خط چین در شکل1). توجه داشته باشید که Mo بیش از 7/0% ، تشکیل کاربید مولیبدن را در مرزهای سلول یوتکتیک با یک کاهش پیوسته در خواص مکانیکی تقویت می کند. از آنجاییکه کاربیدهای آلیاژی همچنین یک اثر مضر بر قابلیت ماشینکاری چدن دارند[2]،از افزودن Mo بیش از 7/0% باید جلوگیری شود.

4- نتایج
افزودن آلیاژی Mo, Mn, Si, Cu در طی ریخته گری با قالب ماسه ای یک چدن خاکستری نوع 35 از ASTM با ترکیب Fe–3.2C–0.55Mn–1.41Si برای تولید یک محدوده وسیع از میکروساختارها و خواص مکانیکی مشخص شد. معلوم شد که:
1- راجع به میزان و نوع افزودنی آلیاژی، گرافیت نوع E در همه آلیاژها تشکیل می شود.
2- برای چدن خاکستری بدون Mo ، ترکیبات مختلف Mn, Cu, Si تشکیل یک میکروساختار شامل یک پراکندگی از آستنیت و فریت بینیتی (به اصطلاح آسفریت) را تقویت می کند اما یک آلیاژ پرلیتی کامل شامل لایه های گرافیت تولید شد.
3- یک زمینه آسفریت در یک آلیاژ شامل 0.32%Mo بوسیله اضافه کردن بیشتر از 1.02%Mn برای همه مقادیر Si تولید شد یا برای یک مقدار ثابت 1.21%Mn و بیشتر از 1.41%Si ، یک میکروساختار مارتنزیتی شامل یک کسر کوچک از آستنیت باقیمانده ایجاد شد.
4- یک رابطه خطی معقول بین کسر حجمی آسفریت تشکیل شده و استحکام با مقداری پراکندگی در داده ها همچون یک نتیجه طبیعی از یک عنصر آلیاژی مفروض به جدایش و تشکیل کاربیدهای آلیاژی در طی ریخته گری وجود دارد.
5- ترکیب بهینه خواص مکانیکی در یک چدن خاکستری ریختگی با ترکیب تقریبی Fe–3.2C–1.0Cu–0.7Mo–0.55Mn–2.0Si تولید شد که یک میکروساختار 100% آسفریت بدون کاربید، شامل لایه های گرافیت نوعE را نشان می دهد. این آلیاژ یک میکروساختار و خواص مکانیکی قابل مقایسه با چدن خاکستری آستمپر شده را بدون مشکلات زیاد آستمپرینگ، دارد.

مراجع
[1] American Foundry Society web page: http://www.afsinc.org, 2002.
[2] H.T. Angus, Cast Iron: Physical and Engineering Properties, 2nd ed.,Butterworths, 1976.
[3] B.V. Kovacs, J.R. Keough, AFS Trans. 101 (1993) 283.
[4] M.D. Vanmaldegiam, K.B. Rundman, AFS Trans. 94 (1986)
249.
[5] K.L. Hayrynen, D.J. Moore, K.B. Rundman, AFS Trans. 106 (1998)
665.
[6] C.-H. Hsu, Y.-H. Yu, S.-C. Lee, Mater. Chem. Phys. 63 (2000) 75.
[7] K. Brandenberg, K.L. Hayrynen, J.R. Keough, Gear Technol. 18
(2001) 42.
[8] Standard Specification for Gray Iron Castings, ASTM A48-94a
(1994) 16.
[9] W. Xu, M.Sc. Thesis, Xi’an University of Technology, China, 1991.
[10] R.W.K. Honeycombe, H.K.D.H. Bhadeshia, Steels – Microstructure
and Properties, 2nd ed., Edward Arnold, London, UK,
1995.
[11] M. Ferry, W. Xu, Mater Charact., in press.
[12] T.J. Marrow, H. Cetinel, N. Wardman, I. Brough, H. Bolyan, Proceedings
of the 20th ASM Heat Treating Society Conference, St.Louis, USA, 2000, p. 491.
[13] H.K.D.H. Bhadeshia, Bainite in Steels, 2nd ed., Institute of Materials,London, UK, 2001.
[14] W. Xu, M. Ferry, Y. Wang, Scripta Mater. 51 (2004) 709.