بررسي تأثير افزودن مس بر ريز ساختار و خواص مكانيكي چدن داكتيل

[...SPARTACUS]

دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساوه- دانشكده فني​

پايان نامه براي دريافت درجه كارشناسي رشته​

مهندس متالوژي گرايش ذوب فلزات​

​

​

موضوع:​

بررسي تأثير افزودن مس بر ريز ساختار و خواص مكانيكي چدن داكتيل​

​

​

​

استاد راهنما:​

آقاي دكتر اسماعیلیان​

​

​

تهيه كننده:​

محمد جواد قادری​

​

​

زمستان90​

​

تقديم به :پدر و مادر عزيزم كه همچون شمعي در تمام مراحل زندگي روشنايي بخش راه من بوده‌اند.
با تشكر از:جناب آقاي دكتر عابدي استاد پروژه اينجانب كه جهت انجام اين پروژه از راهنمايي ها و تجربياتشان بهره مند شدم و همچنين از مسئول محترم كارگاه و آزمايشگاه متالوژي كه در طي اين مدت همكاري لازم را انجام داده اند.
چكيده:با توجه به كار برد وسيع چدنهاي نشكن در صنايع كه مي تواند جايگزين مناسبي براي برخي از فولادها باشد لذا اهميت اين موضوع سبب گرديده كه در اين زمينه تحقيقات فراواني صورت گيرد.در اين پروژه اثر مس بر ريز ساختار و خواص مكانيكي چدنهاي نشكن مورد بررسي قرار گرفته است. ريز ساختار نمونه هاي مورد آزماش در دو حالت قبل از اچ و پس از اچ بررسي و اثر اين عنصر بر ساختار و خواص مكانيكي پرداخته شده است.
فهرستفصل اول: مقدمه هدف آزمايش1-1 چدن با گرافيت كروي2-1 كروي سازي گرافيت3-1 مشكلات افزودن منيزيم4-1 اهميت جوانه زايي5-1 انجماد و مكانيزم كروي شدن گرافيت در چدن نشكنفصل دوم: مروري بر منابع1-2 تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكن1-1-2 تشكيل حلقه هاي فريت در اثر تجزيه آستنيت2-1-2 تشكيل پرليت در اثر تجزيه آستنيت2-2 اثر مس بر سينيتيك تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكن2-3 اثر مس منحني هاي سرد كردن1-2-2 اثر مس بر منحني هاي تغيير حالت برحسب زمان2-2-2 اثر عناصر آلياژي بر مكانيزمهاي حاكم بر فرايند تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكن3-2 اثر مس بر ريز ساختار چدنهاي نشكن1-3-2 اثر مس بر ساختار زمينه چدنهاي نشكن2-3-2 اثر مس بر مشخصات گرافيتهاي كروي4-2 اثر مس بر خواص مكانيكي چدنهاي نشكن1-4-2 اثر مس بر سختي چدنهاي نشكن3-4-2 اثر مس بر مقاومت به ضربه چدنهاي نشكنفصل سوم: روش آزمايشروش آزمايشفصل چهارم: نتايج1-4- نتايج حاصل از بررسي ساختار نمونه هاي مورد آزمايش2-4- نتايج حاصل از بررسي اثر مس بر ريز ساختار نمونه هاي مورد آزمايش3-4- نتايج حاصل از بررسي هاي اثر مس بر درصد كروي شدن4-4- نتايج حاصل از بررسي اثر مس بر اندازه گرافيتهاي كروي5-4- نتايج حاصل از بررسي اثر مس بر تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطح6-4- نتايج حاصل از بررسي اثر مس بر ساختار زمينهفصل پنجم: نتيجه گيري1-5- اثر مس بر ريز ساختار نمونه هاي مورد آزمايش1-1-5- اثر مس بر درصد كروي شدن2-1-5- اثر بر تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطح3-1-5- اثر مس بر اندازه گرافيتهاي كروي 4-1-5- اثر مس بر ساختار زمينه2-5- اثر مس بر خواص مكانيكي نمونه هاي مورد آزمايش1-2-5- اثر مس بر خواص كشتي2-2-5- اثر مس بر انرژي ضربه2-2-5- اثر مس بر سختي3-5- نتيجه گيريمنابع و مآخذپيوستها
مقدمه:هدف از انجام آزمايش:در اين آزمايش سعي شده كه به اين سؤال پاسخ داده شود كه به علت افزايش سختي در اثر افزودن مس در چدنهاي نشكن چيست. لذا لازم مي باشد كه مختصري در مورد چدنهاي نشكن نكاتي يادآوري شود.1-1 چدن با گرافيت كروي:چدنهاي نشكن يا چدنهاي گرافيت كروي، خانواده اي از چدنها هستند و همانطور كه از اسمشان پيداست شكل گرافيت در آنها كروي است. همين كروي بودن گرافيت ها، باعث افزايش استحكام و چقرمگي در مقايسه با چدنهاي با گرافيت ورقه اي مي گردد. اصولاً چدن نشكن با افزودن منيزيم Mg در مذاب، توليد مي شود. براي كروي شدن گرافيت هاي قطعاتي كه در قالبهاي ماسه اي توليد مي شوند مقدار 0.07 – 0.04% منيزيم باقيمانده در قطعات ريخته شده كافي مي باشد. براي قطعاتي كه در قالبهاي فلزي توليد مي شوند مقدار % 0.02 منيزيم باقيمانده كافي مي باشد. همانطور كه گفته شد براي كروي نمودن گرافيتها، به منيزيم احتياج داريم كه اگر ميزان منيزيم از حد مورد نظر كمي كمتر باشد، گرافيتهاي فشرده با استحكام و چقرمگي پائين تري بدست مي آيد. اصولاً چدن نشكن در مقايسه با چدن گرافيت ورقه اي، تمايل به تبريد بيشتري دارد و براي بدست آوردن ساختار عاري از كار بيد مخصوصاً در مقاطع نازك، لازم است جوانه زايي با آلياژ سيليسيم si انجام شود.اندازه گرافيت كروي مي تواند روي خواص مكانيكي تأثير بگذارد. اندازه گرافيت ها به دو پارامتر بستگي دارد:1- آهنگ سرد شدن يا اندازه سطح مقطع. چون مقاطع نازك سريع سرد مي شوند، تعداد بيشتري گرافيت كروي خواهند داشت.2- جوانه زني با آلياژ سيليسيم، افزايش تعداد گرافيت كروي و كاهش تمايل به تبريدي بودن مخصوصاً در مقاطع نازك را باعث مي شود. افزايش مقدار جوانه زا باعث افزايش تعداد گرافيتهاي كروي مي شود.در حين ريخته گري اين نوع چدن مي توان به ساختار زمينه فريت، پرليت، مخلوط فريت و پرليت، آستنيت، بينايت و مار تنزيت دست يافت. چدنهاي نشكن پرليني استحكام بالايي دارند ولي چقرمگي آنها كمتر است. چدنهاي نشكن فريتي – استحكام كمتري دارند ولي ازدياد طول مبني آنها بيشتر و مقاومت به ضربه شان خوب است.2-1 كروي سازي گرافيتدر حال حاضر، در تمام كارخانه ها، براي كروي نمودن گرافيتهاي چدن نشكن از منيزيم، استفاده مي گردد. در ضمن عناصر جزئي مانند سريم و عناصر خاكي نادر موجود در آلياژ فروسيليكو منيزيم Fe-Si-Mg براي خنثي كردن عناصر جزيي مضرو راندمال بهتر در عمل جوانه زايي، اهميت زيادي دارند.روش افزودن منيزيم به روشهاي مختلف اعم از ساده و پيچيده مي باشد. در انتخاب يكي از روشها براي يك كارگاه معين بايد فاكتور هاي زيادي مورد نظر قرار گيرد و در بين آنها مهمترين فاكتورها با تعيين اولويتها مشخص گردد. فاكتورهاي اصلي به قرار زير مي باشند:1. روش انتخاب شده نبايد با ايجاد نور و دود همراه باشد.2. قيمت تمام شده چدن توليدي بايد حداقل باشد.3. روش نبايد احتياج به سرمايه گذاري زياد در تجهيزات داشته باشد.4. كيفيت چدن توليدي بايد مطلوب باشد.5. روش بايد توانايي ريختن قطعات با وزن هاي مختلف را دارا باشد.براي توليد چدن نشكن مرغوب بايد كنترل دقيق به عمل آيد تا مقدار منيزيم باقيمانده كم يا زياد نباشد. از آنجائيكه دما و تركيب شيمياي براي بازيابي منيزيم موثر ميباشند، فرآيند و مواد مناسب كروي سازي مطلوب، بزرگترين عوامل بالقوه براي تغييرات منيزيم باقيمانده مي باشندو3-1 مشكلات افزودن منيزيمافزودن منيزيم و آلياژ آن در مذاب چدن مشكلاتي در پي دارد كه تا كنون در تمام روشهاي كروي نمودن كاملاً حل نشده است.ميزان پائين حلاليت: منيزيم بمقدار خيلي كم در مذاب چدن حل مي شود. بنابراين آلياژ منيزيم با آهن بصورت فرومنيزيم Fe- Mg به هيچ وجه مورد استفاده قرار نمي گيرد.نقطه جوش پائين: وارد كردن منيزيم خالص به چدن مذاب مشكل مي باشد زيرا منيزيم در درجه حرارت 1102 مي جوشد كه خيلي پائين تر از حرارت مذاب مي باشد. بعلاوه فشار بخار زياد منيزيم در دماي كروي نمودن، حلاليت را بسيار دشوار مي سازد.وزن مخصوص: وزن مخصوص منيزيم كه خيلي پائين تر از وزن مخصوص چدن است. چون منيزيم سبكتر است روي سطح مذاب مي آيد كه باعث جوشيدن و اكسيد شدن منيزيم و نتيجتاً كاهش راندمان بازيابي مي گردد. 4-1 اهميت جوانه زايي:جوانه زايي چدنها با آلياژ سيليسيم به دلايل زير انجام مي گيرد.1- افزايش تعداد هسته هاي يوتكتيكي2- كاهش تبريدي (كاهش مادون انجماد)استفاده از مواد جوانه زا براي توليد چدن نشكن موجب تشكيل مراكز هسته سازي براي رسوب گرافيت مي گردد و با بودن اين مراكز در طول انجماد رسوب گرافيت آسانتر انجام مي گيرد. وجود هسته هاي گرافيت به تعداد كافي يكي ار عوامل مهم براي جلوگيري از پديده مادون انجماد (Undercooking) مي باشد. بدون وجود هسته ها، كاربيدها مي توانند در قطعات تشكيل شوند. وجود كاربيد ها موجب نامرغوبي چدن از ديدگاه قابليت نشكن بودن و ماشينكاري مي گردد. علاوه بر آن، گرافيتي كه از تجزيه بعدي كاربيد ها به وجود مي آيد، ممكن است داراي شكل نامنظم باشد. چنانچه تلقيح مواد بشكل مناسب انجام پذيرد. معمولاً هسته هاي كافي براي انجام عمليات تشكيل مي گردد. بطور كلي هسته سازي بيشتر كاربيدها در طول انجماد كمتر بوده است. در حقيقت چنانچه بخواهيم قطعات چدن نشكن مي باشد و با انجام اين كار ساختار در چدن نشكن ريخته شده، قطعاتي با خواص مكانيكي مناسب خواهيم داشت. اين خواص عبارت است از: استحكام كشش و تسليم، قابليت انعطاف پذيري و مقاومت به ضربه مي باشند.5-1 انجماد و مكانيزم كروي شدن گرافيت در چدن نشكن:در انجماد چدن با گرافيت ورقه اي، يوتكتيك گرافيت و آستنيت تشكيل مي شود. در انجماد، اين يوتكتيك و گرافيت و آستنيت با مذاب در تماس است. رشد دندريت هاي آستنيت و هسته هاي گرافيت ورقه اي تا زماني كه ذوب كاملاً منجمد شود، ادامه خواهد داشت. انجماد يوتكتيك گرافيت در چدن نشكن نسبت به چدن با گرافيت ورقه اي در دماي بالاتري شروع مي شود. در حين انجماد چدن نشكن، پوسته اي از آستنيت پيرامون گرافيت كروي تشكيل مي شود. و بهمين علت، فقط فاز آستنيت با مذاب در تماس خواهد بود و چنين انجماد انجمادي را نيويوتكتيك مي نامند هر واحد گرافيت كروي و پوسته آستنيت دور آن را مي توان يك هسته در نظر گرفت كه كربن بايد به داخل اين هسته نفوذ كند تا رشد گرافيت كروي و پوسته آستنيت دور آن را به انجماد چدن خاكستري، با سرعت كمتري انجام مي شود و با شروع انجماد نيويوتكتيك هسته سازي گرافيت كروي به اتمام مي رسد بنابراين تعداد گرافيتهاي كروي در مرحله اول انجماد تعيين مي شود. با ادامه انجماد تا دماي يوتكتيك گرافيتهاي داخل پوسته هاي آستينيتي به رشد خود ادامه خواهند داد.تعداد و ميزان كروي شدن گرافيتها بر روي خواص چدن نشكن تأثير بسزايي دارد. وقتي تعداد هسته يا پوسته هاي آستنيت كم باشد، مناطق براي نفوذ كردن به داخل پوسته آستنيت كمتر شده، و نتيجتاً تعداد گرافيت هاي كروي كاهش مي يابد. بسته به فرايند توليد احتمال ايجاد گرافيت ورقه اي يا كروي ناقص و يا سمنتيت وجود دارد.شكل شماره 1-1 انجماد يوتكتيكي را با منحني خنك شدن بررسي مي كند. [h=2]شكل 1-1 منحني انجماد ايده آل واقعي چدن نشكن[/h][h=2] [/h]

​

​

فصل دوم:​

​

مروري بر منابع​

مروري بر منابع1-2) تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكنخواص مكانيكي چدنهاي نشكن بستگي به مشخصات ريز ساختار آنها دارد. قسمتي از اين ريز ساختار (شكل، اندازه و نحوة توزيع گرافيت) پس از انجماد و يا به عبارتي پس از تغيير حالت يوتكتيك و قسمتي ديگر يعني ساختار زمينه كه نقش عمده را در تعيين خواص مكانيكي چدن نشكن دارا مي باشد، پس از تغيير حالت يوتكتوئيد شكل مي گيرد ]7-1[ و از نيرو مي توان تأثير عناصر آلياژي بر روي خواص مكانيكي چدنهاي نشكن را به اثر آنها بر تغيير حالت يوتكتوئيد و مسائل سينتيكي آن داراي اهميت زيادي مي باشد.بررسي تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنها نسبت به فولادها پيچيده تر است. زيرا بر خلاف فولادها كه واكنش فراپايدار « » در آنها واكنش غالب است، در چدنها اين تغيير حالت بوسيلة هر دو واكنش پايدار « »كه منجر به تشكيل فريت و گرافيت مي شود و واكنش فرا پايدار « » كه منجر به تشكيل پرليت مي شود صورت مي پذيرد ]5-1[. بنابراين چون تغيير حالت صورت مي پذيرد، بايد با در نظر گرفتن سينتيك رشدي كه هر دو واكنش را در برداشته باشد مورد بررسي قرار گيرد ]2[.به دليل طبيعت چند جزيي چدنها، واكنشهاي پايدار و فراپايدار در يك درجه حرارت ثابت انجام نمي شوند. بلكه در يك محدودة دمايي صورت مي پذيرند. محدودة دمايي انجام اين واكنشها بستگي به تركيب شيميائي آستنيت داشته و بوسيلة عناصر آلياژي تحت تأثير قرار مي گيرد. ضمناً محدودة دمايي انجام هر يك از اين دو واكنش مي تواند بر روي هم قرار گيرد. ]7 و 6 و4[.همانطور كه قبلاً نيز اشاره شد اين واكنشها حالت رقابتي دارند، بطوريكه در خلال سرد كردن آهسته از ميان محدودة دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد، فريت در دماهاي بالاتر تشكيل شده و به رشد خود همراه با رسوب گرافيت ادامه مي دهد. با كاهش بيشتر درجه حرارت و رسيدن به محدودة دمايي تشكيل پرليت، باقيمانده آستنيت به پرليت تبديل مي شود. عامل كنترل كنندة سرعت در هر دو حالت نفوذ اتمهاي كربن در آستنيت است ]14-4[.

شكل 1-2: مقطعي از نمودار تعادليسه تايي Fe – C – Si با 2 درصد سيليسيم ]7[.​

شكل 1-2 مقطعي از نمودار تعادلي سه تايي آهن – كربن – سيليسيم با مقدار ثابت 2 درصد سيليسيم را نشان مي دهد. براساس اين نمودار تغيير حالت يوتكوئيد در يك نمونه چدن نشكن با تركيب يوتكتيك را مي توان به صورت زير توضيح داد:بلافاصله پس از كامل شده انجماد چدن نشكن و درست قبل از رسيدن درجه حرارت به دماي تغيير حالت يوتكتوئيد، ساختار چدن شامل تركيبي از گرافيتهاي كروي در زمينه اي از آستنيت است. ميزان كربن محلول در آستنيت در اين حالت مطابق شكل 1-2 حدود 57/1 درصد مي باد (نقطه E). با ادامه سرد كردن حد حلاليت كربن در آستنيت بطور قابل توجهي كاهش مي يابد، در نتيجه كربن از زمينة آستنيت خارج شده و با مهاجرت اتمهاي كربن از آستنيت به طرف گرافيتهاي كروي، درصد كربن آستنيت كاهش پيدا مي كند. بطوريكه با رسيدن درجه حرارت به محدودة دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد، ميزان كربن محلول در آستنيت به حدود 67/0 درصد مي رسد (نقطه S). تحت اين ظرايط تغيير حالت يوتكتوئيد آستنيت به «فريت + گرافيت» در يك محدودة دمايي بين درجه حرارتهاي صورت مي گيرد ]شكل 1-2[.1-1-2) تشكيل حلقه هاي فريت در اثر تجزيه آستنيتبا كاهش درجه حرارت از درجه حرارت پايداري آستنيت به زير درجة حرارتي كه در آن تغيير حالت يوتكتوئيد به وقوع مي پيوندد، آستنيت از نظر ترموديناميكي ناپايدار مي شود. در اين حالت واكنش پايدار« »نياز به جوانه زني فريت در فصل مشترك «آستنيت – گرافيت» دارد. جوانه زني و رشد فريت بايستي با پس زدن اتمهاي كربن از حجم استحاله كردة آستنيت همراه باشد، زيرا حلاليت كربن در فريت بمراتب كمتر از آستنيت است. كربن پس زده شده از آستنيت به سمت گرافيتهاي كروي نفوذ مي كند. در حقيقت اين گرافيتها كه قبل از تغيير حالت يوتكتوئيد شكل گرفته اند (گرافيتهاي پرويوتكتوئيد) بعنوان يك نوع بانك كربن عمل مي كنند، بطوريكه اتمهاي كربني را كه در خلال تشكيل فريت از ساختار زمينه پس زده مي شوند، مي پذيرند و اتمهاي كربن لازم را در خلال تشكيل آستينت در حين عمليات آستنيته كردن فراهم مي كنند ]7[.تشكيل فريت بستگي به سرعت نفوذ كربن در ساختار زمينه دارد. در مرحلة جوانه زني نفوذ در فاز آستنيت صورت مي گيرد در حاليكه به محض تشكيل حلقه هاي فريت پيرامون گرافيتهاي كروي، نفوذ كربن بايستي از ميان حلقه هاي فريت صورت گيرد. در يك درجه حرارت ثابت سرعت نفوذ كربن در فريت حدود 10 برابر سرعت نفوذ كربن در آستنيت است ]7 و 4[ در نتيجه نفوذ كربن در آستنيت عامل كنترل كنندة سرعت مي باشد. سرعت نفوذ كربن در آستنيت با كاهش درجه حرارت بصورت نمائي كاهش مي يابد و بطور كلي با حضور عناصر آلياژي در چدن نيز كاهش پيدا مي كند ]9و4و2و1[.طرح ارائه شده در شكل 2-2 به درك بهتر مطالبي كه در بالا به آن اشاره شد كمك مي كند ]7[.

شكل 2-2: الف – طرحي از يك گرافيت كروي در زمينه اي از آستنيت، درست پيش از تجزيه آستنيت​

ب- طرحي از تشكيل حلقه فريت پيرامون گرافيت كروي در خلاق تجزيه آستنيت ]7[.​

در شكل (الف) 2-2 فرض بر اين است كه شعاع گرافيت كروي قبل از تغيير حالت يوتكتوئيد آستنيت برابر g[SUB]0[/SUB] است و تركيب شيميائي آستنيت يكنواخت بوده و داراي 65/0 درصد كربن است. در شكل (ب) 2-2 نشان داده شده كه با شروع تغيير حالت يوتكتوئيد حلقه اي از فريت به شعاع f[SUB]1[/SUB] بدور گرافيت كروي تشكيل شده و در اثر رسوب كربن بر گرافيت كروي، شعاع گرافيت كروي از g[SUB]0[/SUB] به g[SUB]1[/SUB] افزايش پيدا مي كند. در اين حالت مقدار كربن فريت از حدود 02/0 درصد در فصل مشترك «آستنيت – فريت» تا حدود 01/0 درصد در فصل مشترك «گرافيت – فريت» تغيير مي كند. اين اختلاف غلظت، شيب غلظتي لازم كه در حقيقت همان نيروي محركة لازم براي نفوذ كربن از ميان حلقة فريت و از فصل مشترك «آستنيت – فريت» به سمت گرافيت كروي مي باشد را فراهم مي كند. ادامة رسوب كربن و رشد گرافيتهاي كروي را احاطه كرده اند، دارد. اين عمل توسط خود نفوذي اتمهاي آهن در داخل پوستة فريت انجام مي گيرد و مكانيزم آن بر اساس حركت جاهاي خالي استوار است ]15-8 و 5-1[. مكانيزم خود نفودهاي اتمهاي آهن در داخل پوستة فريت مي تواند بعنوان يك عامل كنترل كنندة سرعت نيز به حساب آيد ولي اين موضوع هنر بطور تجربي تحقيق نشده است ]2[.پس از تشكيل و رشد حلقه هاي فريت در اطراف گرافيتهاي كروي، با كاهش درجه حرارت، باقيماندة آستنيت با توجه به عواملي همچون سرعت سرد كردن، تركيب شيميائي و ساير عوامل مؤثر به پرليت تغيير حالت پيدا مي كند. رشد بيشتر حلقه هاي فريت مي تواند با تجزيه سمنتيت « » در فصل مشترك «فريت – پرليت» و نفوذ كربن به سطح گرافيتهاي كروي صورت مي گيرد ]12و7[.بطور كلي عوامل مؤثر بر رشد حلقه هاي فريت را مي توان بصورت زير خلاصه نمود ]7[.1- عواملي كه بر نفوذ گربن در آستنيت و يا فريت تأثير مي گذارند.2- ساختار كريستالوگرافيكي مناسب براي گرافيت كه اتمهاي كربن را قادر مي سازد با رسوب بر گرافيتهاي موجود از نياز به جوانه زني مستقل گرافيت در آستنيت كه احتياج به انرژي اكتواسيون بالايي دارد اجتناب شود. رسوب كربن بر گرافيت ترجيهاً با پيوستن اتمهاي كربن موجود در آستنيت بر صفحات قاعده گرافيت صورت مي گيرد. در گرافيت هاي كروي اين صفحات به آساني در دسترس قرار دارند، چرا كه صفحات قاعده در گرافيت كروي عمود بر شعاع آن و در تمامي سطح گرافيت توزيع شده اند. ولي در گرافيت ورقه اي اين صفحات به آساني قابل حصول نيستند. به همين علت تمايل به تشكيل فريت در چدنهاي نشكن در شرايط يكسان از نظر تركيب شيميايي و سرعت سرد كردن بمراتب بيش ار چدنهاي خاكستري است.3- درجه حرارت جوانه زني براي تشكيل پرليت.4- درجه حرارت جوانه زني براي تشكيل فريت.5- سرعت سرد كردن كه تعيين كنندة زمان لازم براي تغيير حالت آستنيت به فريت و گرافيت قبل از شرع تغيير حالت آستنيت به پرليت است.2-1-2) تشكيل پرليت در اثر تجريه آستنيتتشكيل پرليت از آستنيت نيز بوسيلة مكانيزم جوانه زني و رشد صورت مي گيرد. فاصلة نفوذ اتمهاي كربن در پرليت بمراتب نسبت به همين فاصله در فريت كوتاهتر است، كاهش فاصلة نفوذ مربوط به ساختار لايه اي پرليت و كاهش فضاي لايه اي در اثر افزايش سرعت انجماد است ]13و7و4[.تشكيل پرليت از آستنيت در دماهاي پايين تري نسبت به تشكيل فريت صورت مي گيرد. درجه حرارت تشكيل پرليت بوسيلة مقدار و نوع آلياژي موجود تحت تأثير قرار مي گيرد. بنابراين در يك سرعت سرد كردن ثابت فضاهاي بين لايه هاي پرليت بستگي به تأثير عناصر آلياژي بر درجه حرارت تغيير حالت آستنيت به پرليت دارد ]10[.تشكيل پرليت غالباً در مرز دانه هاي آستنيت و در نواحي بين سلولي ريز ساختار كه در اثر جدايش در خلال انجماد داراي درصد بيشتري از عناصر آلياژي هستند آغاز مي شود، ولي جوانه زني و رشد پرليت مي تواند، بر آخالهاي موجود در آستنيت و در فصل مشترك «آستنيت – گرافيت» نيز صورت گيرد ]14و7و4[. در اثر افزايش سرعت سرد كردن يا با حضور برخي از عناصر آلياژي سرعت نفوذ اتمهاي كربن در آستنيت كاهش مي يابد، در نتيجه آستنيت در برخي از نواحي خاص مثلاً در مرز دانه ها بصورت فوق اشباع از كربن در آمده و شرايط براي جوانه زني لايه هاي سمنتيت در اين محلها فراهم مي شود. در پي آن با كاهش درصد كربن در مجاورت لايه هاي سمنتيت شرايط براي جوانه زني فريت فراهم شده و اين رشد متناوب لايه هاي فريت و سمنتيت ادامه مي يابد تا ساختار پرليتي شكل گيرد ]13و7و4[.2-2) اثر مس، بر سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكنهمان گونه كه قبلاً نيز اشاره شد چون ساختار زمينة چدنهاي نشكن در خلال تغيير حالت يوتكتوئيد شكل مي گيرد، اثر عناصر آلياژي بر ريز ساختار و در نتيجه خواص مكانيكي چدنهاي نشكن را مي توان به اثرات اين عناصر بر تغيير حالت يوتكتوئيد مرتبط ساخت. در اين باره پژوهشگران مختلف سعي بر اين داشته اند تا با انجام آزمايشات گوناگون به تشريح مكانيزمهاي اثر گذاري عناصر آلياژي بر سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد بپردازند. تا بر پايه اطلاعات بدست آمده از اين ‌آزمايشات، استفاده بهينه و مناسب از عناصر آلياژي به منظور بهبود خواص مكانيكي چدن نشكن امكان پذير گردد. در اين قسمت مروري بر مجموعه اي از نظرات موجود در رابطه با نحوة اثرگذاري عنصر مس بر سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد صورت خواهد گرفت.افزايش عنصر مس منجر به افزايش درصد پرليت در ساختار زمينة چدنها مي گردد. به همين دليل اين عناصر بعنوان پرليت زا شناخته مي شوند. عناصر پرليت زا اصطلاحاً به عناصري گفته مي شود كه باعث غلبه تغيير حالت فراپايدار« » بر تغيير حالت پايدار « » مي گردند ]3-1[. هر يك از عناصر پرليت زا مي توانند به نحوي باعث غلبه تغيير حالت فراپايدار و تشكيل پرليت گردند. بر اين اساس اينگونه عناصر را مي توان به چند گروه تقسيم بندي نمود. عناصري نظير كرم، منگنز و واناديم عناصري كاربيد زا هستند. از اينرو افزايش مقدار كمي از اين عناصر باعث تشكيل كاربيدهايي به شكل (Fe,X)[SUB]3[/SUB]C مي شود كه از نظر ترموديناميكي نسبت به كاربيد آهن (Fe[SUB]3[/SUB]C) پايدار تر مي باشند. در حقيقت اين عناصر با تشكيل كاربيد هاي مركب باعث پايداري سمنتيت شده و به اين وسيله باعث پايداري پرليت مي شوند ]7و4و1[.گروه ديگري از عناصر پرليت زا شامل عناصري نظير آرسنيك، قلع و آنتيموان هستند. در رابطه با اين عناصر نظرات مختلفي وجود دارد و اثر آنها بر تحول يوتكتوئيد هنوز كاملاً شناخته شده نيست. در مقابل عده اي معتقدند اين عناصر در تحول يوتكتوئيد شركت نمي كنند، Grigorovech (16) معتقد است اين عناصر كه نسبت به آهن الكتروپزتيوتر هستند،كاربيدهاي به شكل (X,C) بوجود آورده و باعث پايداري سمنتيت مي شوند گزارشات مربوط به پايداري بيشتر پرليت در هنگام عمليات آنيل در چدنهايي كه داراي عناصر قلع و آنتيموان هستند نسبت به چدنهايي كه حاوي اين عناصر نيستند اين فرضيه را تأئيد مي كند ]11و2[.مس با مكانيزمي متفاوت نسبت به قلع و منگنز باعث افزايش درصد پرليت شده و از تشكيل فريت جلوگيري مي نمايد و از اين جهت مي توان آن را در گروه مستقلي جاي داد. اعتقاد بر اين است كه مس مستقيماً در تحول يوتكتوئيد شركت نمي كند ]17و3-1[. در اثر جدايش و تجمع مس در فصل مشترك «آستنيت – گرافيت» سدهاي نفوذي مقاومي در مقابل نفوذ اتمهاي كربن به طرف گرافيتهاي كروي ايجاد شده و در نتيجه ضمن اينكه از انجام واكنش « » جلوگيري بعمل مي آيد، در اثر افزايش درصد در فصل مشترك «آستنيت – گرافيت» شرايط براي جوانه زني و رشد پرليت فراهم مي شود ]25-17 و11و4-1[.تقسيم بندي عناصر آلياژي به عناصر كاربيدزا و گرافيت زا در رابطه با توجيه مكانيزمهاي مؤثر در تغيير حالت يوتكتوئيد مي تواند مفيد واقع شود. در اين رابطه Grigorovech كوشيد تا خاصيت كاربيد زايي، گرافيت زايي يا اثرات دوگانة عناصر آلياژي را به موقعيت آنها در جدولي تناوبي مربوط سازد. اندازه شعاع اتمي عناصري كه در جدول تناوبي در همسايگي آهن و در سمت چپ آن قرار دارند، نزديك به شعاع اتمي آهن است. در نتيجه اتمهاي اين عناصر مي توانند وارد شبكة سمنتيت شده و جايگزين اتمهاي آهن گردند و كاربيد هاي نوع C را بوجود آورند. در اثر ورود اتمهاي اين عناصر به شبكه سمنتيت پيوند بين اتمهاي «آهن – كربن» تقويت شده و استحكام بيشتري پيدا مي كند.تحقيق جامعي در رابطه با سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكن توسط Brown و Hawkws ]11[، صورت گرفت. بخشي از اين تحقيق در رابطه با پديدة گرافيت زايي بود. در اين تحقيق، مشخصات تغيير حالت ايزوترمال چدن نشكني با تركيب 61/3 ردصد كربن، 2/2 درصد سيليسيم، 45/0 درصد منگنز، 07/1 درصد نيكل و 12/0 درصد فسفر مورد مطالعه قرار گرفت. چند نمونه از اين چدن نشكن پس از انجام تغيير حالت ايزوترمال در زمانهاي مختلف كوئنچ شد. و ريز ساختار نمونه هاي كوئنچ شده در زمانهاي مختلف پس از انجام تغيير حالت ايزوترمال مورد بررسي قرار گرفت. جز در درجه حرارتهاي بالا كه فريت در مرز دانه هاي آستنيت تشكيل شد، رشد فريت عموماً بصورت حلقه هايي در اطراف گرافيتهاي كروي صورت پذيرفت. در درجة حرارتهاي بين 722 تا 750 درجة سانتيگراد محصولات تغيير حالت كاملاً فريت و گرافيت بودند. در درجة حرارتهاي زير 722 درجة سانتيگراد رشد پرليت مشاهده شد.Brown و Hawkes مطالعات خود را بر روي سينتيك رشد حلقه هاي فريت با فرض يك شيب خطي براي نفوذ كربن و روشهاي آناليز رياضي ادامه دادند. نتيجه اين مطالعات اين بود كه رشد حلقه هاي فريت پديده اي مي باشد كه توسط نفوذ اتمهاي كربن كنترل مي شود. ضمناً اين افراد عناصر آلياژي مختلف را با توجه به اثر آنها بر ريز ساختار چدن نشكن به عناصر كاربيدزا و گرافيت زا تقسيم بندي نمودند. طبق نظر آنها عناصري نظير منگنز، آنتيموان و قلع با توجه به اثريكه بر پايداري سمنتيت دارند باعث پايداري پرليت مي شوند.Johnson و Kovacs ]1[، به منظور بررسي اثرات منگنز، آنتيموان و قلع بر سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكن دست به تحقيقاتي زدند. به منظور مقايسه ابتدا فرآيند تغيير حالت در يك نمونه چدن نشكن بدون عناصر آلياژي مزبور در خلال تغيير حالت ايزوترمال آستنيت توسط متالوگرافي نوري مورد مطالعه قرار گرفت. سپس اثر عناصر آلياژي بر تغيير حالت يوتكتوئيد بوسيلة تكرار استحالة ايزوترمال در نمونه هايي كه هر يك از آنها شامل يكي از اين سه عنصر بودند مطالعه گرديد. بعلاوه نقش مرزهاي بين فازي «گرافيت – زمينة فلزي» در استحاله با بررسي تركيب شيميائي فصل مشترك «گرافيت كروي – زمينة فلزي» توسط روش «Scanning Auger microprob» بررسي شد. بر اساس نتايج حاصل از اين تحقيقات منگنز بنا به علل زير مي تواند بر روي سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد تأثير بگذارد ]1[.1- منگنز باعث كاهش واكنش پايدار « »، واكنش فراپايدار « » و تجزيه سمنتيت « » مي شود كه اين خود ناشي از ايجاد وقفه در مراحل ابتدايي (مرحلة جوانه زني) تغيير حالت هاي فوق مي باشد. بنابراين منگنز باعث كاهش سرعت جوانه زني فريت و سمنتيت مي گردد.2- قسمتي از اثرات منگنز مربوط به اين است كه اين عنصر به سادگي جايگزين اتمهاي آهن در سمنيت شده و اين جانشيني باعث افزايش پايداري سمنتيت مي شود كه اين پايداري خود بدليل افزايش استحكام پيوندهاي Fe_C مي باشد.3- منگنز بطور اساسي باعث كاهش نفوذپذيري كربن در فريت مي گردد اين امر سرعت انتقال كربن را از كاربيد هاي تجزيه شده كاهش مي دهد. بنابراين باعث سرعت رشد فريت مي شود.بر طبق همين تحقيقات ]1[ افزايش آنتيموان (08/0 درصد)يا قلع (12/0 درصد) از واكنش « » و تجزيه سمنتيت جلوگيري مي كند. آناليزهاي انجام شده توسط روش «Scanning Auger microprob» نشان داد كه قلع و آنتيموان در خلال انجماد در مرزهاي بين فازي «آستنيت – گرافيت» تجمع مي كنند و لايه هاي غني از اين عناصر را در اين نواحي بوجود مي آورند. اين لايه هاي غني جذب شده در فصل مشترك. «آستنيت – گرافيت» بعنوان سدي در مقابل نفوذ اتمهاي كربن كه لازمة واكنش پايدار « » و تجزيه سمنتيت« » مي باشد، عمل مي كنند.

شكل 3-2: طرحي از سدهاي نفوذي در اطراف گرافيتهاي كروي ]1[​

Johnson و Kovacs در ادامة تحقيقات خود براساس قوانين فيك به تشريح طبيعت سدهاي نفوذي حاصل از لايه هاي غني از قلع و آنتيموان در اطراف گرافيتهاي كروي پرداختند.در رابطه با نحوة اثر گذاري مس بر سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد نيز تقريباً در تمامي مقالات به تئوري سدهاي نفوذي اشاره شده است ]25-17 و 3-1[.De Sy ]17[، معتقد است برخلاف آنچه در بسياري از مقالات فني انتشار يافته مبني بر اينكه مس يك عنصر پايدار كننده پرليت است، صحيح تر است كه گفته شود مس يك عنصر «پرليت زا» و يا بازهم صحيح تر است كه گفته شود مس «ضد فريت زا» مي باشد. همانگونه كه در قسمتهاي قبل نيز اشاره شد، در خلال سرد كردن چدن از مرحلة انجماد تا درجه حرارت محيط، فريت آزاد براساس دو مكانيزم زير امكان شكل گيري دارد:1- فريت زايي مستقيم بر اساس واكنش:«گرافيت + فريت آستنيت»2- فريت زايي غير مستقيم بر اساس واكنش «گرافيت + فريت پرليت آستنيت»و يا فريت زايي و گرافيت زايي در نتيجه تجزيه پرليت.شكل 4-2 مقطعي از نمودار تعادلي سيستم آهن – كربن سيليسيم با 2 درصد سيليسيم و 3 درصد كربن را نشان مي دهد ]17[.

شكل 4-2: مقطعي از نمودار تعادلي سه تايي Fe-C-Si ]17[.​

با توجه به شكل فوق مشاهده مي شود كه انتقال مستقيم آستنيت به فريت و گرافيت حد فاصل تا صورت ني گيرد. براساس واكنش پايدار چنانچه يك نمونة چدني را در اين محدودة دمايي در زمانهاي طولاني نگهداري نمائيم. تحول پايدار« » بطور كامل انجام مي گيرد. مكانيزم عمل فوق در شكل 5-2 نشان داده شده است.

شكل 5-2: طرحي از مكانيزم تجزيه آستنيت و تشكيل حلقه هاي فريت ]17[.​

با توجه به شكل 5-2 مي توان دريافت كه واكنش ابتدا در مرز مشترك آستنيت – گرافيت آغاز مي شود و بتدريج هاله اي از فريت اطراف گرافيت را مي گيرد. از اين مرحله به بعد نه تنها فريت در اطراف فصل مشترك «آستنيت – گرافيت» رسوب مي كند. بلكه كربن نيز از داخل لايه هاي فريت به طرف گرافيت نفوذ مي كند.حال با توجه به اين مطالب بايد ديد كه مس چگونه مي تواند بر سينتيك اين واكن تأثير نهاده و باعث كاهش سرعت تغيير حالت پايدار « » شود. در اين باره گفته شده كه مس يك پايدار كنندة آستنيت است و باعث كاهش درجه حرارت تغيير حالت آستنيت به پرليت مي شود. در نتيجه در طول واكنش فريت زايي « » و در محدودة دمايي تا (شكل 4-2) مس در آستنيت تجمع پيدا مي كند و باعث افزايش پايداري آستنيت شده و به همين علت باعث كاهش سرعت واكنش مي شود. در حقيقت با پايداري آستنيت درجه حرارت تجزيه آن به دماهاي پايين تري انتقال مي يابد (محدودة دمايي تا در شكل 4-2). در نتيجه در اين محدودة دمايي آستنيت به ناچار مطابق واكنش فراپايدار به پرليت تبديل مي شود. نكته اساسي كه در اينجا وجود دارد اين است كه اثر بر پايدارسازي آستنيت نمي تواند از اهميت چنداني در رابطه با خاصيت ضد فريت زايي آن برخوردار باشد، چرا كه تأثير نيكل در پايدار سازي آستنيت و كاهش درجه حرارت تجزيه آن بيش از مس مي باشد در حاليكه اين عنصر در عمل ممانعت زيادي در جلوگيري از تشكيل فريت نمي نمايد. بنابراين در جهت توضيح خاصيت ضد فريت زايي مس به تئوري جامع تري نياز است در اين رابطه اكثر پژوهشگران به تئوري «سدهاي نفوذي»اشاره كرده اند.DeSy معتقد است مس بر خلاف نيكل به آهستگي در آستنيت نفوذ مي كند و در فصل مشترك «آستنيت – فريت» بصورت انباشته در مي آيد و به اين ترتيب يك سد نفوذي را ايجاد مي نمايد. اين سد هاي نفوذي از رسوب اتمهاي كربن بر گرافيتهاي كروي جلوگيري مي كنند. بنابراين مس بجاي اينكه مستقيماً تشكيل پرليت را جلو بياندازند در جهت به تعويق انداختن تشكيل فريت و جلوگيري از تغيير حالت پايدار « » فعاليت مي كند، در نتيجه شرايط براي تشكيل پرليت مساعد تر مي شود. تئوري سد هاي نفوذي توسط روشهاي تفريق اشعه X و يا فلورانس اشعه X و ساير روشهاي متالوگرافي پيشرفته نظير «Auger microprob Scanning» مورد تائيد قرار گرفته است ]1[.2-2) اثر مس، بر منحني هاي سرد كردنشكل 6-2 اثر مس،را بر منحني هاي سرد كن چدن نشكن نشان مي دهند. با توجه به اين شكل مشاهده مي شود كه مس باعث كاهش درجه حرارت توقف تغيير حالت يوتكتوئيد مي شوند.شكل 7-2 اثر مس و منگنز بر محدودة دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد، و بر دماهاي بالايي و پاييني اين محدوده را نشان مي دهد. ]3[ با توجه به اين شكل مشاهده مي شود كه مس و منگنز باعث كاهش محدودة دمايي درجه حرارت تغيير حالت يوتكتوئيد مي شوند. همچنين با توجه به همين شكل مي توان ديد كه افزايش مس در مقادير بيش از 5/1% تأثيري بر محدودة دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد ندارد. اين موضوع احتمالاً به علت حد حلاليت مس در آهن و كاهش حلاليت براي هر 1 درصد منگنز حدود 30 درجه سانتيگراد كاهش مي يابد. بنابراين اثر منگنز در كاهش درجه حرارت يوتكتوئيد بيش از مس مي باشد. ]3[.با افزايش درصد قلع برخلاف آنچه در مورد مس مشاهده شد (شكل 9-2)، حد پائيني محدودة دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد افزايش مي يابد، به عبارت ديگر قلع باعث افزايش درجه حرارت تغيير حالت آستنيت به پرليت مي شود ]3[.شكل 8-2 نيز نتايج حاصل از تحقيقات Loper ,lou ,Pan ]3[ را در رابطه با اثر مس بر منحني هاي سرد كردن نشان مي دهد.

شكل 6-2: منحني سرد كردن نمونه هايي از چدن نشكن با درصد هاي مختلفي از مس ]2[.​

شكل 7-2: تغييرات محدوده دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد برحسب درصد در مقادير مختلفي از منگنز ]3[.​

شكل 8-2: اثر مس بر منحني سرد كردن در محدودة تغيير حالت يوتكتوئيد ]3[​

شكل 9-2 اثر مس يا قلع را بر زمانهاي شروع و پايان تغيير حالت يوتكتوئيد نشان مي دهد ]3[. همانگونه كه مشاهده مي شود با افزايش قلع زمان پايان تغيير حالت يوتكتوئيد به سمت چپ يا به عبارتي به سمت زمانهاي كوتاهتر انتقال مي يابد. بنابراين مي توان گفت قلع باعث تسريع در تجزيه آستنيت در خلال تغيير حالت يوتكتوئيد مي شود. از طرف ديگر با توجه به همين شكل مشاهده مي شود كه افزايش مس درجه حرارتهاي شروع و پايان تغيير حالت يوتكتوئيد را به سمت راست يا به عبارتي به سمت زمانهاي طولاني تر سوق مي دهد.بنابراين مس باعث تأخير در تغيير حالت يوتكتوئيد و و تجزيه آستنيت مي گردد]3[.

شكل 9-2: اثر مس يا قلع بر زمان شروع و پايان تغيير حالت يوتكتوئيد ]3[.​

· : نمونه هاي حاوي مس · : نمونه هاي حاوي قلع · : زمان شروع تغيير حالت يوتكتوئيد: زمان پايان تغيير حالت يوتكتوئيد.1-2-2) اثر مس، بر منحني هاي تغيير حالت بر حسب زمانيكي از روشهاي معمول در زمينه بررسي سينتيكي تغيير حالت هاي متالوژيكي، رسم منحني هاي جزء تغيير حالت يافته برحسب يافته برحسب زمان مي باشد. Lalich و Loper ]2[، در مورد تأثير عناصر منگنز، آرسنيك، قلع و مس بر مكانيزمهاي تغيير حالت يوتكتوئيد تحقيقاتي را انجام دادند. اين تحقيقات شامل بررسي ريز ساختار نمونه هاي كوئنچ شده در آب در خلال تغيير حالت يوتكتوئيد و پس از گذشت زمانهاي معيني از دماي از دماي 760 درجة سانتيگراد بود. بدينوسيله اطلاعات لازم در مورد چگونگي اثر گذاري اين عناصر بر جوانه زني و رشد حلقه هاي فريت، كولوني هاي پرليت و سينتيك تشكيل فريت، پرليت و تجزيه آستنيت فراهم مي شود.شكل 10-2 قسمتي از تحقيقات Lalich و Loper را نشان مي دهد. اين شكل اثر مس، را بر منحني هاي تغيير حالت چدنهاي نشكني با تركيب پايه يكسان و درصدهاي متفاوتي از اين عناصر نشان مي دهد. از آنجا كه منگنز و مس عناصر پايدار كننده آستنيت هستند، انتظار مي رود كه با افزايش اين عناصر تجزيه آستنيت و شروع تغيير حالت يوتكتوئيد با تأخير مواجه شود و در درجه حرارتهاي پائين تري صورت گيرد. اين اثر را مي توان در شكلهاي 10-2 مشاهده نمود. با افزايش منگنز و مس منحني هاي تغيير حالت به سمت راست يعني زمانهاي طولاني تر منتقل شده اند.

شكل 10-2: منحني هاي تغيير حالت براي نمونه اي از چدن نشكن با درصد هاي مختلفي از مس برحسب زمان منقضي شده پس از 761درجه سانتيگراد]2[.​

Lalich و Loper بر اساس نتايج از بررسي ريز ساختار هاي بدست آمده پس از عمليات كوئنچ در مراحل مختلف تغيير حالت يوتكتوئيد و شكل ]10-2[ به نكات زير اشاره مي كند:1- تجزيه آستنيت به محض شروع و در مراحل اوليه براي تمامي تركيبات با سرعت يكساني پيش مي رود و زمان لازم براي شروع تجزيه آستنيت براي تمام تركيبات تقريباً يكسان است. بنابراين عنصر مس، تغيير زيادي در زمان لازم براي شروع تجزيه آستنيت ايجاد نمي كنند.2- در هر يك از نمونه هايي كه شامل منگنز و قلع هستند (عناصر پايدار كنندة پرليت)، تجزيه آستنيت به «فريت + گرافيت» معمولاً قبل از اينكه مقادير قابل توجهي پرليت بوجود آيد كامل مي گردد. اما در حضور مس شروع تشكيل پرليت همزمان با شروع رشد فريت مي باشد.3- افزايش عناصر آلياژي پرليت زا تأثير عمده اي بر سينتيك تجزيه آستنيت دارد بگونه اي كه انجام گرفتن يا نگرفتن تحول تبديل آستنيت به «فريت + گرافيت» يا پرليت به طور محسوسي متأثر از وجود عناصر پرليت زا مي باشد. افزايش مقاديري از عناصر منگنز، آرسنيك يا قلع مانع از تغيير حالت پايدار شده و منحني تحول پرليت را به سمت چپ انتقال مي دهد. اين انتقال نشان مي دهد كه اين عناصر باعث كند كردن سرعت نفوذ اتمها كربن در آستنيت شده و از تشكيل حلقه هاي فريت جلوگيري مي كنند. برخلاف عناصر ذكر شده با وجود اينكه افزايش مس باعث كاهش در مقدار فريت مي شود (شكل 1-2)، ولي هيچ تغييري در انتقال منحني پرليت به طرف چپ مشاهده نمي گردد و اين خود دليل ديگري بر اين موضوع است كه مس با مكانيزمي متفاوت با عناصر قلع، منگنز و آرسنيك بر سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد تأثير مي گذارد.4- مشاهدات ريز ساختاري حاكي از اين كه پرليت تمايل به جوانه زني و رشد در فصل مشترك «آستنيت – فريت» دارد و در مقادير كم فريت، جوانه زني و رشد ممكن است در داخل آستنيت صورت مي گيرد.2-2-2) اثر عناصر آلياژي بر مكانيزمهاي حاكم بر فرآيند تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكنمنحني تغيير حالت (شكل 10-2) نشان مي دهند كه روابط قوي بين واكنش پايدار « » و واكنش فراپايدار « »وجود دارد. اثر عناصر آلياژي بر مكانيزمهاي حاكم بر فرآيند تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكن هنوز كاملاً روشن نيست. ولي Lalich و Loper بر اساس كارهاي تحقيقاتي كه در اين زمينه توسط محققين مختلف صورت گرفته معتقدند كه چند مكانيزم مي تواند كنترل كنندة سرعت در چدنهاي نشكن بوده و براي توضيح اثرات عناصر آلياژي بر فرآيند تغيير حالت يوتكتوئيد بكار گرفته شوند كه اين مكانيزمها به شرح زير مي باشند:1- حضور يك عنصر آلياژي ممكن است باعث كند تر نفوذ اتمهاي كربن از داخل فاز فريت و به طرف گرافيتهاي كروي شود. ثابت شده است كه سرعت نفوذ كربن از آستنيت اشباع از كربن به طرف گرافيتهاي كروي كنترل كننده رشد فريت در چدن نشكن مي باشد.2- به منظور فراهم كردن فضاي لازم براي رشد گرافيتهاي كروي خود نفوذي اتمهاي كربن در داخل پوسته هاي فريت ضروري به نظر مي رسد. فرآيند خود نفوذي كه بر اساس حركت جاهاي خالي استوار است، ممكن است بعنوان عامل كنترل كنندة سرعت به حساب آيد.3- انرژي پيوندهاي فاز سمنتيت در پرليت ممكن است با حضور عناصر آلياژي تغيير كند. بعنوان مثال منگنز در تشكيل كاربيد هاي نوع (C,As) و (C,Sn) را تشكيل مي دهند. بنابراين تشكيل كاربيدهاي هر يك باعث افزايش پايداري فاز فراپايدار سمنتيت در مقابل فاز پايدار گرافيك مي شود.مكانيزمهاي حاكم بر تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكن با فرآيند گرافيت زايي در آستنيت يا چدنهاي نشكن نفوذ در فاز فريت صورت مي گيرد. ثانياً احتمال تشكيل كاربيد در چدنهاي نشكن بيش از تجزيه آن وجود دارد. با وجود اين اختلافات در فرآيند تغيير حالت يوتكتوئيد، ممكن است از نظر مكانيزمهاي كنترل كنندة سرعت شباهتهايي نيز بين واكنش گرافيت زايي در آستنيت و چدنهاي ماليبل، با تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي نشكن وجود داشته باشد. بنابراين توجه به تئوري هاي گرافيت زايي در آستنيت يا انتقال اتمهاي آهن از مجاورت شبكة كريستالي گرافيت مي تواند كنترل كنندة سرعت باشد. حالت دوم ممكن است شامل تغيير فرم پلاستيك زمينة فلزي و يا خود فلزي باشد ]11[.اطلاعات موجود در مورد سيليسيم، مس و نيكل نشان مي دهد كه افزايش اين عناصر باعث افزايش ضريب نفوذ كربن در آستنيت در درجه اول حرارت هاي بين 860 تا 920 درجة سانتيگراد مي شود. درصورتيكه ضريب نفوذ كربن با افزايش عناصر منگنز و كرم كاهش پيدا مي كند ]2[.اطلاعات موجود در رابطه با نفوذ كربن در فريت و كارهاي انجام گرفته در اين زمينه كمتر از اطلاعاتي است كه در رابطه با نفوذ كربن در آستنيت وجود دارد. اطلاعات محدود نشان مي دهد كه نيكل و سيليسيم بر نفوذ كربن در فريت تأثيري ندارند و يا تأثيرات كمي دارند. در حاليكه عناصر كاربيد زا نظير كرم، منگنز و موليدن باعث كاهش سرعت نفوذ كربن در فريت مي شوند ]11و2[.اطلاعات موجود در مورد تأثير عناصر آلياژي در پديده خود نفوذي محدود مي باشد بهر حال تأثير عناصر آلياژي در نفوذ و حركت جاهاي خالي اتم در فاز آستنيت مي تواند در جهت تشريح مكانيزم خود نفوذي مؤثر باشد. با افزايش سيليسيم از 64/0 درصد به 22/1 درصد ضريب نفوذ جاهاي خالي اتم در آستينت از 10 * 265/0 به 10 * 833/0 افزايش مي يابد. اين اثر سيليسيم بر ضريب نفوذ جاهاي خالي آهن در آستنيت مربوط به ضعيف شدن پيوند هاي شبكة كريستالي آستنيت و اعوجاج اين شبكه در اثر حضور سيليسيم مي باشد. اطلاعات موجود در مورد نيكل نيز افزايش مشابهي را در آهنگ نفوذ جاهاي خالي در آستنيت نشان مي دهد. نيكل باعث تضعيف باندهاي شبكة آستنيت نمي شود اما باعث تغيير شكل و اعوجاج در شبكه كريستالي مي گردد. براساس اين نتايج هنگاميكه در صد سيليسيم از 64/0 درصد به 22/1 درصد افزايش يابد، انرژي اكتواسيون جاهاي خالي از اتم از 4800 به 35600 كاهش مي يابد. انرژي اكتواسيون براي نفوذ جاهاي خالي در نيكل، با افزايش نيكل از 94/0 درصد به 96/4 درصد تقريباً ثابت و برابر 41500 باقي مي ماند. در مقابل با افزايش عناصري همچون كرم و منگنز سرعت نفوذ جاهاي خالي كاهش پيدا مي كند كه دليل اين موضوع را بايستي در قوي بودن پيوندهاي اين عناصر با آهن و همچنين اثرات كمي كه اين عناصر بر تغيير شكل و اعوجاج شبكة آستنيت دارند جستجو كرد ]2[.3-2) اثر مس، بر ريز ساختار چدنهاي نشكن خواص مكانيكي، فيزيكي و حرارتي مواد فلزي و از جمله چدنهاي نشكن توسط مقدار، اندازه، شكل، توزيع و اثر متقابل اجزاء تشكيل دهندة ريز ساختار آنها كنترل مي شود ]21[.بررسي اثر عناصر آلياژي بر ريز ساختار چدنهاي نشكن و ايجاد ارتباط بين تغييرات حاصل در ريز ساختار اينگونه از چدنها (در اثر افزايش عناصر آلياژي) و خواص مكانيكي آنها همواره يكي از موضوعات مهم بوده كه توسط پژوهشگران مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است.ريز ساختار چدن نشكن نشكن شامل ذرات پراكندة گرافيت كروي در يك زمينة فلزي است. اين زمينة فلزي در حالت سياهتاب معمولاً شامل مجموعه اي از فاز فريت و كولوني هاي پرليتي مي باشد. عناصر آلياژي مي توانند هم بر روي مشخصات گرافيت و هم بر روي فازهاي تشكيل دهندة ساختار زمينه از لحاظ كيفيت كمي تأثير بگذارند. بنابراين بررسي اثر عناصر آلياژي بر ريزساختار چدنها معمولاً در دو حالت زير صورت مي گيرد. ]22[.قبل از اچ به منظور بررسي مشخصات گرافيت مانند شكل، نوع، اندازه و توزيع پس از اچ به منظور بررسي و تعيين فازهاي تشكيل دهندة ساختار زمينه عنصر مس نيز به نحوي مي توانند بر موارد فوق الذكر تأثير بگذارد بنابراين بررسي و مرور مجموعه اي از مقالات موجود در رابطه با اثرات اين عناصر بر ريز ساختار چدنهاي نشكن از جنبه هايي كه در بالا به آن اشاره شد مي تواند مفيد واقع گردد.1-3-2) اثر مس، بر ساختار زمينة چدنهاي نشكنبرخلاف چدنهاي خاكستري كه خواص مكانيكي آنها شديداً به نوع، اندازه و توزيع گرافيت بستگي دارد، خواص مكانيكي چدنهاي نشكن حساسيت كمتري نسبت به مشخصات فاز گرافيت داشته و بيشتر تابع ساختار زمينه مي باشد، بطوريكه از طريق كنترل ساختار زمينه چدنهاي نشكن چه در حالت سياهتاب و چه پس از عمليات حرارتي مي توان به رده هاي مختلفي از آن دست يافت ]23[.عناصر مس، قلع و منگنز از جمله عناصري هستند كه به منظور افزايش درصد پرليت در ساختار زمينة چدنهاي نشكن مورد استفاده قرار مي گيرند. بطور كلي در مقالات مختلف از عناصر نيكل، مس، منگنز، قلع، آرسنيك و آنتيموان بعنوان عناصر پرليت زا نامبرده شده است ]37-22و3-2[. در اين ميان نيكل به علت گراني قيمت و همچنين آرسنيك و آنتيموان به علت اثرات مضري كه بر شكل گرافيتهاي كروي دارند بندرت به اين منظور مورد استفاده مي گيرند ]22[.با استفاده از عناصر مس، قلع و منگنز مي توان به درصد هاي متفاوتي از پرليت در ساختار زمينه دست يافت. در مقالات مختلف به اين نكته اشاره شده كه مقدار مس، قلع و منگنز لازم براي رسيدن به يك ساختار كاملاً پرليتي به عوامل مختلفي همچون اندازه ضخامت قطعه ريختگي، تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطح، مجموعة عمليات كيفي مذاب و تركيب شيميايي بستگي دارد. ]28-26 و 5و4و3[.از لحاظ مقايسه توان پرليت زايي مي توان پرليت زايي قلع كمي بيش از آرسينك است. در همين حال مس بمراتب تأثيري بيش از منگنز در افزايش درصد پرليت دارد و توان پرليت زايي مس و منگنز بسيار كمتر از قلع و آرسينك است ]28و27و24و20و3-1[.مجموعه گزارشهايي كه در رابطه با اثر مس بر ريزساختار چدنهاي نشكن وجود دارد حاكي از اين حاكي از اين است كه مس يك پرليت زاي نسبتاً قوي مي باشد كه با تمركز در فصل مشترك «آستنيت – گرافيت» و تشكيل سدهاي نفوذي از مهاجرت اتمهاي كربن و به طرف گرافيتهاي كروي جلوگيري نموده و بدين ترتيب از تغيير حالت آستنيت به فريت و گرافيت جلوگيري مي نمايد و باعث افزايش درصد پرليت در ساختار زمينه مي شود. ]39و27و17و9و3و2[.در رابطه با توان مس در جهت پيشگيري از تشكيل فريت گزارش شده كه توان اين عنصر بمراتب بيش از عناصر نيكل و موليبدن است و مقدار نيكل و موليبدن لازم براي دستيابي به مقدار معيني از پرليت، در حدود سه تا پنج برابر مس مي باشد ]7[.مس باعث كاهش حساسيت نسبت به سطح مقطع مي گردد. به عبارت ديگر با افزايش درصد مس اختلاف بين مقدار پرليت تشكيل شده در ضخامت هاي مختلف كاهش پيدا مي كند ]29و27و3[.شكل 11-2 اثر مس را بر افزايش سختي محلولي فاز فريت در مقايسه با ساير عناصر آلياژي نشان مي دهد [17]. همانگونه كه مشاهده مي شود تأثير زيادي در افزايش سختي محلول جامد فاز فريت دارد.

شكل 11-2: اثر عناصر آلياژي مختلف بر سختي محلولي فاز فريت [17].​

Albert de Sy [17]، در رابطه با اثرات كلي مس بر ريزساختار چدنها به موارد زير اشاره نموده است:-مس در مرحلة انجماد يك گرافيت زاي متوسط بوده و تمايل به تجزيه يا جلوگيري از تشكيل كاربيد هاي لدبوريتي را دارد.- مس به علت خاصيت ضد فريت زايي در خلال سرد كردن در محدودة دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد باعث افزايش پرليت در ساختار زمينه شده و به علت تأثيري كه بر پايداري آستنيت دارد باعث كاهش درجه حرارت تجزيه آستنيت به پرليت مي شود و بدين وسيله باعث ريز شدن پرليت مي گردد.- مس يك سخت كنندة قوي فاز فريت است.چون مس در مرحلة انجماد خاصيت گرافيت زايي داشته و در مرحلة تغيير حالت جامد (تغيير حالت يوتكتوئيد) خاصيت ضد فريت زايي دارد از تشكيل كاربيد در مقاطع نازك و تشكيل فريت آزاد در مقاطع ضخيم جلوگيري مي كند. بنابراين فزايش مس باعث ايجاد يك ساختار يكنواخت عاري از نقاط سخت و يا نقاط نرم در ساختار زمينه مي گردد [17].نكتة ديگري كه در رابطه با اثر عنصر مس، بر ريز ساختار چدنهاي نشكن در برخي مقالات به آن اشاره شده، اثر اين عناصر بر ريز سختي فاز پرليت است[29و27و7]. Guerin و Gagne [27] عقيده دارند كه اثر مس در اين زمينه مي تواند ناشي از مسدود كردن نفوذ كربن به گرافيتهاي كروي و بنابراين افزايش كربن فوق اشباع در آستنيت (در اثر انباشته شدن كربن در اطراف سد هاي نفوذي) باشد. اين عمل همراه با جوانه زني سمنيت و ريز شدن پرليت است. همچنين سختي بالاتر پرليت در نمونه هايي كه حاوي مس هستند را مي توان به اثر اين عنصر بر افزايش استحكام فريت از طريق تشكيل محلولهاي جامد نيز نسبت داد. ضمناً مس پايدار كنندة آستنيت بوده و درجه حرارت تحول يوتكتوئيد را كاهش مي دهد، لذا پرليت در درجه حرارتهاي پايين تري شكل گرفته و ريز تر خواهد شد [27]. در رابطه با اثر مس، بر پايداري پرليت در درجة حرارتهاي بالا نيز تحقيقاتي صورت گرفته است. شكل 13-2 قسمتي از نتايج حاصل از تحقيقات Guerin و Gagne [27]، را نشان مي دهد. براي مشخص كردن پايداري نسبي پرليت ابتدا سه نمونه مختلف به ترتيب با 21/0 درصد منگنز، 25/0 درصد مس و 02/0 درصد قلع در دماي 680 درجة سانتيگراد و در زمانهاي متفاوت آنيل شده اند. با توجه به شكل 13-2 مشاهده مي شود كه زمان لازم براي شروع تجزيه پرليت در هر سه مورد تقريباً يكسان است. با توجه به همين شكل مي توان دريافت كه در زمانهاي كمتر از 5 ساعت قلع بيشترين و مس كمترين اثر را در پايداري پرليت دارا مي باشد. ولي بطور كلي در زمانهاي آنيل طولاني منگنز بعنوان قويترين پادار كنندة پرليت ظاهر مي شود.

شكل 12-2: اثر مس، بر ريز سختي پرليت​

شكل 13-2: اثر مس، قلع يا منگنز بر تجزيه حرارتي پرليت در دماي 680 درجة سانتيگراد [27].​

تجزيه نسبتاً سريع پرليت در چدنهاي آلياژ شده با مس بيانگر اين است كه سد نفوذي محكمي كه در هنگام انجماد ساخته شده تأثير پردامنه و زيادي در خلال عمليات آنيل در دماي بالا ندارد. اعتقاد بر اين است كه سد نفوذي در هنگام عمليات آنيل از بين مي رود [27]. اين مسئله دلالت بر اين دارد كه پس از گذشت يك زمان بحراني (زمان نهفتگي يا اختفاء) اتمهاي مس و قلع كه در اطراف گرافيتهاي كروي قرار گرفته اند به سمت زمينه كه داراي غلظت بسيار كمي از اين عناصر مي باشد نفوذ مي كنند. با وجود اينكه در دماي 680 درجة سانتيگراد قلع داراي ضريب نفوذ بالاتري نسبت به مس مي باشد. و همچنين داراي حلاليت بيشتري در آهن است ولي با اين حال تأثير قلع در پايداري پرليت در درجة حرارتهاي بالا بيش از مس مي باشد. اين امر ممكن است ناشي از تراكم و استحكام بيشتر سدهاي نفوذي ايجاد شده بوسيله قلع در مقايسه با مس باشد [27].2-3-2) اثر مس بر مشخصات گرافيتهاي كروي هرچند خواص مكانيكي چدنهاي نشكن عمدتاً تحت تأثير ساختار زمينة آنها قرار دارد ولي با اين حال شكل، اندازه و نحوة توزيع گرافيتهاي كروي يا بطور خلاصه مشخصات گرافيتهاي كروي مي تواند نقش مهمي را در كنترل خواص چدن نشكن داشته باشد.عناصر آلياژي كه در چدنها مورد استفاده قرار مي گيرند را مي توان در يك طبقه بندي به دو گروه. گرافيت زا و سمنتيت زا تقسيم نمود [32و17و11] بعضي از عناصر وجود دارند كه در مقادير خاصي مي توانند خاصيت گرافيت زايي داشته و در مقادير كمتر يا بيشتر يا بيشتر از آن مقدار قابليت سمنتيت زايي داشته باشند. اثر گرافيت زايي يا سمنتيت زايي عناصر متأثر از چگونگي اثر گذاري اين عناصر بر خواص ترموديناميكي آلياژ هاي آهن – كربن است. و بطور كلي با اثر ترموديناميكي و سينتيكي عناصر بر تحول پايدار « » و يا تحول فراپايدار « » در ارتباط است [33].در رابطه با مس گفته شده كه اين عنصر گرافيت زايي معتدل بوده و تمايل به تجزيه و يا جلوگيري از تشكيل كاربيد هاي يوتكتيك را دارد و بنابراين باعث كاهش عمق تبريد مي شود [17]. ضمناً گزارش شده كه قدرت گرافيت زايي مس بين تا سيليسيم مي باشد [17] de Sy قدرت گرافيت زايي مس را حدود سيليسيم اعلام نموده. بنابراين قدرت گرافيت زايي مس نسبت به نيكل كه حدود تا سيليسيم است، قدري ضعيف تر مي باشد. de Sy معتقد است كه تأثير گرافيت زايي سيليسيم، نيكل و مس به ايجاد يك پيش نظم در اتمها درست قبل از رسيدن به درجه حرارت انجماد مربوط مي شود. از آنجا كه اين عناصر تمايلي به تشكيل كاربيد ندارند، باعث افزايش اكتيويته كربن در مذاب مي شوند. بعلاوه سيليسيم به دليل داشتن ميل تركيبي با آهن، تمايل دارد كه آرايشي بصورت Fe-Si را در مذاب داشته باشد. به اين ترتيب اتمهاي كربن درگير با آهن آزاد شده و در نتيجه اكتيويتة كربن افزايش مي يابد [2].مس اثر مستقيمي بر خواص فاز گرافيت ندارد زيرا در آن نا محلول است و تنها ممكن است بصورت اتمهاي محبوس شده در فاز گرافيت موجود باشد [17]. اثر مس بر خواص فيزيكي فاز سمنتيت نيز ناچيز است. تنها تعداد كمي از اتمهاي مس مي توانند در فاز سمنتيت حل شوند كه اين تعداد از اتمهاي حل شده نيز تأثير چنداني بر خواص فيزيكي نمي گذارند.افزايش مس تا حدد 2 درصد علاوه بر گرافيت زايي، باعث اصلاح ساختار و مشخصات گرافيت نيز مي گردد [34و27و22و17] اين موضوع هم در چدنهاي نشكن و هم در چدنهاي خاكستري صدق مي كند. گزارش شده كه با افزايش مس، درصد كروي شدن تا اندازه اي بهبود مي يابد [22] همچنين گزارشاتي وجود دارد مبني بر اينكه مس باعث كاهش اندازه، يكنواخت تر شدن توزيع و افزايش تعداد گرافيت هاي كروي در واحد سطح مي شود [27و26و22]. در رابطه با اثر مس بر تعداد گرافيت هاي كروي در واحد سطح گزارش شده، هنگاميكه مقدار مس در يك نمونه با ضخامت 4/25 ميليمتر از 03/0 درصد به 5/1 درصد افزايش يابد، تعداد گرافيتهاي در واحد سطح از 65 تا 70 عدد در هر ميليمتر مربع به 80 عدد در هر ميليمتر افزايش مي يابد [27].مس در مقادير بيش از 5 درصد اثر مخرب بر مشخصات گرافيت داشته و درصد كروي شدن را به شدت كاهش مي دهد [22].در هيچيك از مقالات گزارشي مبني بر جدايش نامطلوب مس و ايجاد فازهاي ترد بين سلولي و اشكال نامطلوب گرافيت كه باعث افت خواص مكانيكي مي شوند در اثر افزايش اين عنصر تا حدود 2 درصد مشاهده نشده است.در ارتباط با مكانيزم اثر گذاري مس بر ساختار گرافيتها، اعتقاد بر اين است كه سدهاي نفوذي ايجاد شده توسط اين عناصر ارزشمند ترجيهي گرافيتهاي كروي جلوگيري مي نمايد و بدينوسيله باعث بهبود مشخصات گرافيتها مي شوند. همچنين در اثر محدود شدن نفوذ كربن به گرافيتهاي كروي سد ايجاد شده باعث مي شود كه اتمهاي كربن بصورت فوق اشباع در آمدهو در نتيجه در اين صورت امكان بيشتري براي جوانه زني گرافيتهاي كروي فراهم مي شود (27).4-2) اثر مس، بر خواص مكانيكي چدنهاي نشكنبهبود و ارتقاء كيفي خواص مكانيكي چدنهاي نشكن معمولاً مهمترين هدفي مي باشد كه بوسيلة افزايش عناصر آلياژي دنبال مي شود و اين موضوع همواره مورد توجه پژوهشگران مختلف بوده و كارهاي تحقيقاتي وسيعي نيز در اين باره صورت گرفته است. در رابطه با اثرات عنصر مس، بر خواص مكانيكي چدنهاي نشكن بر جاي مي گذارند. در اين قسمت سعي شده تا مجموعه اي از كارهاي تحقيقاتي انجام شده در راطه با اثرات اين عناصر بر خواص مكانيكي چدنهاي نشكن از جمله خواص كششي، سختي و خواص ضربه به اجمال مورد بررسي قرار گيرد[39]. 1-4-2) اثر مس، بر خواص كششي چدنهاي نشكندر تمامي مقالات موجود به اين نكته اشاره شده كه افزايش عنصر مس، تا حدود معيني، باعث افزايش استحكام كششي، استحكام تسليم و كاهش درصد ازدياد طول نسبي چدنهاي نشكن مي گردد [36و35و…و10و17و3].شكل 14-2 اثر مس، قلع و منگنز را بر خواص كششي چدنهاي نشكن نشان مي دهد.

شكل 14-2: اثر مس، قلع يا منگنز بر خواص كششي نمونه هايي از چدن نشكن (نمونه هاي كششي از كيل بلوكهاي به ضخامت 4/25 ميليمتر تهيه شده است [27].​

نكته اي كه در تمامي مقالات به آن اشاره شده و با توجه به شكل 14-2 نيز مي توان به آن پي برد اين است كه با افزايش مس تا حدود 2 درصد استحكام كششي چدنهاي نشكن بطور پيوسته افزايش مي يابد. بطوريكه حتي پس از ايجاد يك زمينة كاملاً پرليتي، افزايش استحكام ادامه پيدا مي كنند. به عبارت ديگر با افزايش درصد مس، استحكام كششي و استحكام تسليم به دليل افزايش درصد پرليت زمينه افزايش مي يابد و پس از رسيدن به يك ساختار كاملاً پرليتي، استحكام كششي و استحكام تسليم باز هم با افزايش درصد مس افزايش مي يابد ولي در اين حالت آهنگ افزايش استحكام كندتر است. افزايش استحكام پس از ايجاد يك ساختار كاملاً پرليتي به مقاوم شدن فريت در اثر مكانيزم تشكيل محلول جامد و نيز ريز شدن پرليت در اثر افزايش مس نسبت داده شده است [29و27و7و3].2-4-2) اثر مس، بر سختي چدنهاي نشكندر تمامي گزارهاش موجود به اين نكته اشاره شده كه افزايش عنصر مس، افزايش قابل ملاحظه اي را در سختي چدنهاي نشكن بدنبال دارد [31و35و27و3] شكل 15-2 نتايج حاصل از تحقيقات Guerin و Gagne را بر سختي كيل بلوكهايي از جنس چدن نشكن و به ضخامت 4/25 ميليمتر نشان مي دهد [27]. [h=3]شكل 15-2:اثر مس، بر سختي نمونه اي از چدن نشكن با درصد هاي متغير از اين عنصر[/h]با توجه به شكل فوق مي توان ديد كه عنصر مس، تا رسيدن به يك ساختار كاملاً پرليتي باعث افزايش قابل توجهي در سختي چدن نشكن مي گردند. پس از آن با افزايش مس سختي همچنان افزايش مي يابد، بر اساس نتايج حاصل از همين تحقيقات سختي نمونه بدون عنصر آلياژي 187 برينل بوده كه با افزايش 5/1 درصد مس سختي برابر 284 برينل حاصل شده و با افزايش 5/2 درصد مس سختي به 340 برينل خواهد رسيد.بنا به عقيده بسياري از محققين عنصر مس، بنا به علل زير مي توانند باعث افزايش سختي چدنهاي نشكن گردند. [37و22و17و7].الف- افزايش درصد پرليت در ساختار زمينه (پرليت زايي).ب- اصلاح پرليت توسط كاهش فضاي بين لايه هاي آن (ريز نمودن پرليت).پ- سخت نمودن فريت از طريق مكانيزم تشكيل محلول جامد (سختي محلولي فريت).ت- تشكيل فاز ها و تركيبات بين فلزي با سختي بالا در ريز ساختار.شكل 16-2 اثر درصد پرليت زمينه، حاصل از افزايش عنصر مس، را بر سختي چدن نشكن نشان مي دهد [27]. همانطور كه مشاهده مي شود درصد پرليت اثر قابل ملاحظه اي را بر سختي چدنهاي نشكن دارا مي باشد و بطور كلي مي توان گفت تا قبل از رسيدن به يك ساختار كاملاً پرليتي، افزايش درصد پرليت در اثر افزايش عنصر مس، علت اصلي افزايش سختي چدن نشكن مي باشد.در تعدادي از مقالات به كاهش فضاي بين لايه هاي پرليت در اثر افزايش مس اشاره شده و اين امر بعنوان يكي از علل افزايش سختي بخصوص پس از ايجاد يك ساختار كاملاً پرليتي شناخته شده است [29و27و17و3]. شكل 16-2 اثر درصد پرليت حاصل از افزايش عنصر مس، بر سختي نمونه اي از چدن نشكن [27].
مس تأثير قابل ملاحظه اي را در افزايش سختي محلولي فريت موجود در كولوني هاي پرليت داشته و به اين وسيله باعث افزايش سختي پرليت و در نتيجه سختي برينل چدن مي گردد [شكل 12-2].تمايل به تشكيل بعضي از فاز هاي سخت و يا تشكيل تركيبات بين فلزي با سختي بالا در اثر افزايش اين عناصر ممكن است يكي از علل افزايش سختي در چدن نشكن باشد بعنوان مثال افزايش مس در مقادير بيش از 3 درصد باعث ايجاد لكه هاي از مس در ساختار زمينه مي گردد كه اين لكه ها داراي سختي بالايي هستند [22].استفاده از مس و قلع بطور همزمان اثر بيشتري بر افزايش سختي در مقايسه با استفاده از هريك از اين عناصر به تنهايي دارد [شكل 17-2]. شكل 17-2: تغييرات سختي در چدنهاي نشكن با درصدهاي متفاوتي از مس و قلع، برحسب درصد قلع [30].
3-4-2) اثر مس، بر مقاومت به ضربه چدنهاي نشكناطلاعات محدودي كه در اين رابطه وجود دارد حاكي از اين است كه مقاومت به ضربه چدنهاي نشكن در حالت سياهتاب با افزايش اين عناصر كاهش مي يابد [38و31و30و21]. در اين حال گزارشي نيز وجود دارد مبني بر اينكه مس تا حدود 1 درصد به دليل بهبود مشخصات گرافيت ها و اصلاح ساختار زمينه باعث افزايش مقاومت به ضربه مي شود [22].جدول 1-2 و شكل 18-2 روند نزولي مقاومت به ضربه چدنهاي نشكن در اثر افزايش مس تا 5/1 درصد و قلع تا 15/0 درصد را نشان مي دهند [30].جدول 1-2: انرژي ضربة نمونه هايي از چدن نشكن با درصد هاي متفاوت از مس و قلع (نمونه هاي ضربه از نوع شارپي و بدون شيار مي باشند) [30].






شكل 18-2: تغييرات انرژي ضربه در چدنهاي نشكني با درصد هاي متفاوت از مس و قلع، برحسب درصد قلع (نمونه ها از نوع شارپي و بدون شيار هستند) [30].
با توجه به شكل فوق مشاهده مي وشد، در نمونه هايي كه حاوي 07/0 درصد قلع مي باشند افزايش درصد مس از 25/0 درصد تا 5/1 درصد باعث تغييرات چنداني در مقاومت به ضربه نمي شود. همچنين در نمونه هايي كه حاوي بيش از 07/0 درصد قلع بوده و داراي زمينة كاملاً پرليتي هستند افزايش درصد مس باعث افزايش مقاومت به ضربه مي گردد. با توجه به شكل 18-2 مي توان دريافت كه انرژي ضربه با افزايش 07/0 درصد قلع و بدون مس در مقايسه با نمونة بدون عنصر آلياژي به نصف كاهش مي يابد، ضمناً افزايش Sn 03/0% + Cu25/0% و يا Sn0% +Cu5/0% همين اثر را دارد. اين اطلاعات اشاره بر اين دارد كه قلع داراي تأثير بيشتري در جهت كاهش مقاومت به ضربه نسبت به مس مي باشد.در مورد مس نيز گزارشاتي وجود دارد مبني بر اينكه مس درجه حرارت تبديل را افزايش مي دهد (درجه حرارت تبديل شكست نرم به ترد) [29].جدول 2-2 اثر مس را بر درجه حرارت تبديل چدن نشكن نشان مي دهد. اطلاعات موجود در اين جدول اشاره بر اين دارد كه افزودن 1 درصد مس به چدنهاي نشكن فريتي درجه حرارت تبديل را در حدود 45 درجة سانتيگراد افزايش مي دهد.جدول 2-2: اثر مس بر انرژي ضربه و درجه حرارت تبديل نمونه هاي شارپي بدون شيار از جنس چدن نشكن [29].علت اصلي كاهش مقاومت به ضربه و افزايش درجه حرارت تبديل در نمونه هاي حاوي مس، به توان بالاي اين عناصر در افزايش درصد پرليت در ساختار زمينه نسبت داده شده است [29]. همانطور كه در شكل 19-2 نشان داده شده افزايش درصد پرليت تأثير قابل ملاحظه اي را بر كاهش انرژي ضربه و افزايش درجه حرارت تبديل بر جاي مي گذارد. شكل 19-2: اثر درصد پرليت بر انرژي ضربه و درجه حرارت تبديل نمونه هاي شارپي بدون شيار از جنس چدن نشكن [29].

​

​

​

​

فصل سوم​

​

روش انجام آزمايش​

در اين پژوهش به منظور بررسي اثر مس بر خواص چدن نشكن مجموعاً 7 ذوب با درصد هاي مختلف از اين عنصر تهيه گرديده است. بمنظور تهيه نمونه هاي استاندارد و انجام آزمايشهاي متالوگرافي و سختي سنجي از يك مدل Y- بلوك استفاده شده و از يك مدل پله اي براي اندازه گيري سرعت انجماد استفاده گرديده است.عمليات قالبگيري با استفاده از ماسه سيليسي با عدد ريزي Afs 90 و روش قالبگيري ماسه تر مي باشد، پس از قالبگيري سطوح قالب با گرافيت پوشش داده شده. كه باعث بهبود سطوح ريختگي شود. در ضمن ميزان چسپ ماسه 4% بنتويت و 5/1% دكسترين استفاده گرديده است.عمليات ذوب سازي با يك كوره زميني صورت گرفته است بدين طريق كه ابتدا كوره را بمدت 20 دقيقه پيش گرم نمونه سپس شمش مورد نظر شما را در بوته شارژ كرده و كور را خاموش نموده و بوته را در كوره قرار داده و درب كوره را گذاشته بمدت 1 ساعت سپس درب كوره برداشته شده و 2% فروسيليسيس به مذاب افزوده و مس مورد نياز نيز اضافه شده و با استفاده از يك ميگيرد تمامي فروسيليسيس را به داخل مذاب هدايت كرده و كوره را دوباره روشن نموده بمدت 15 دقيقه كه درجه حرارت مذاب بالا رفته و پس از اين مدت بوته را به بيرون كوره آورده و عمليات كروي سازي را با روش فلانچينگ انجام مي دهيم، مقدار فروسيليكو منيزيم لازم را در داخل فلانچر جاگذاري كرده و فلانچر را به داخل مذاب فرو برده از يك درپوش براي جلوگيري از پاشش مذاب استفاده نموده و مدت زمان حدود 4 دقيقه عمليات تلقيح ادامه پيدا مي كند.مواد شارژ مورد استفاده جهت تهيه ذوبهاي مختلف به شرح زير مي باشد. %Co %Ni %Cr %Mn %P %S %Si %C 03/0 032/0 025/0 3/0 020/0 012/0 96/0 29/31- فروسيليكو منيزيم با 5 در منيزيم 44-48 درصد سيليسيم و با دانه بندي 1-4 ميليمتر مي باشد.2- فرو سيليسيم 75 درصد3- سيمهاي مسي يا خلوص 99/99 درصد.پس از آماده شدن مذاب و خروج بوته از كوره عمليات سرباره گيري صورت گرفته و سپس عمليات تلقيح منيزيم را به روش فلانچينگ انجام داده و سپس دماي مذاب كنترل توسط پيرومتر و دماي مذاب در محدوده تا 1440 درجه بوده و دماي ريختن مذاب 1400 درجه سانتيگراد انجام گرفته است. قطعات ريخته گري شده در قالب ماسه اي تا دماي محيط سرد شده از ماسه خارج شده و نمونه هاي مورد نياز جهت انجام آزمايش سختي سنجي و متالوگرافي از مركز Y- بلوك گرفته شده در مجموع 22 نمونه آماده شده است.نمونه هاي بريده شده بايستي براي آزمايش آماده گردند لذا يك سطح نمونه را انتخاب نموده و بترتيب از سنباده هاي زبر به سمت سنباده هاي نرم رفته و نمونه را آماده كرده بطور مثال از سنباده 80 شروع شده و شروع و آنقدر سنباده زده كه كل خطوط روي نمونه به يك سمت باشند سپس سنباده بعدي كه 180 است را انتخاب كرده و اين دفعه جهت سنباده زدن بايد طوري باشد كه خطوط ايجاد شده روي نمونه كاملاً عمود بر جهت قبل باشند و همين طور سنباده هاي 220 و 360 و 400 و 600و 800و1000 و 1200 را به ترتيب پشت سر گذاشته ( البته براي نمونه هاي كه بايستي سختي سنجي گردند سنباده 360 كافي مي باشد و ديگر نياز نيست كه سنباده هاي بعدي زده شود) پس از اتمام سنباده زدن بايستي سطوح نمونه پوليش گردد تا خطوط به طور كامل از بين برود.آزمايش متالوگرافي در دو قسمت انجام مي گيرد ابتدا نمونه ها در حالت قبل از اچ مورد بررسي شده و پارامتر هاي نظير درصد كروي شدن، تعداد گرافيتها در واحد سطح، اندازه متوسط گرافيتها در زير ميكروسكوپ نوري با بزرگنمايي 100 مورد بررسي قرار گرفته و عكسهاي مورد نياز گرفته شده. سپس بايستي نمونه ها را اچ نموده، محلول اچ نايتال 4% مي باشد (اسيد نيتريك 4%+ اتانول 96%) براي بررسي ساختار زمينه در بزرگنمايي 100-800 مورد بررسي قرار گرفته و عكسهاي نمونه گرفته شده سپس براي تشخيص اينكه چند در صد كاربيد در نمونه وجود دارد بايستي نمونه را با پرسولفات اچ مي نمائيم.پس از اچ كردن نمونه با محلولهاي مختلف بايستي درصد فازهاي مختلف در ساختار زمينه تعيين گردد.براي آزمايش سختي سنجي نيز از روش برينل استفاده نموده نمونه ها پس از آماده شدن و پس از انتخاب ساچمه مورد نظر نيروي مورد نياز از فرمول محاسبه گرديده و نيرو را بر دستگاه اعمال نموده و نمونه ها را جهت آزمايش در دستگاه قرار داده و آزمايش سختي را انجام داده و سپس قطر اثر حاصل شده را توسط چشمي خوانده و از فرمول برينل سختي قطعه را محاسبه مي نمائيم در اين آزمايش 3 عدد سختي از هر نمونه گرفته شده كه درصد خطاي آزمايش كاهش يابد.براي ريز سختي فازهاي فريت و پرليت نيز نمونه هاي اچ شده با نايتال را پس از بررسي ساختار زمينه هر كدام از فازها بايستي سختي گرفته شود. روش ريز سختي در اين آزمايش روش ويكرز مي باشد كه سختي فريت اطراف گرافيت كروي بدليل كم بودن و در مقياس ويكرز نبودن به HRB تبديل شده و آورده شده است.در كل تعداد سختيهاي گرفته شده از هر فاز براي هر نمونه 6 سختي مي باشد كه درصد خطا را كاهش داده. بخش ضميمه سختيهاي گرفته شده و همچنين تصاوير عكس گرفته شده بطور كامل آورده شده است.

​

​

​

​

فصل چهارم:​

​

نتايج​

1-4) نتايج حاصل از بررسي ساختار نمونه هاي مورد آزمايشدر اين قسمت نتايج حاصل از بررسي ريز ساختار نمونه هاي مورد آزمايش بصورت جداول، نمودارها و تصاوير ميكروسكوپي كه در بزرگنمايي هاي مختلف از مقاطع اين نمونه ها تهيه گرديده، ارائه شده است.جدول 1-4 نتايج حاصل از بررسي اثر عنصر مس، را بر مشخصات گرافيتهاي كروي و جدول 2-4 نتايج حاصل از بررسي اثر همين عناصر را بر ساختار زمينة نمونه هاي آزمايشي نشان مي دهند.[1] با توجه به اطلاعات موجود در اين جداول، نتايج حاصل از بررسي اثر هر يك از اين عناصر بر ريز ساختار نمونه هاي آزمايشي به شرح زير تفكيك مي گردد:2-4) نتايج حاصل از بررسي اثر مس بر ريز ساختار نمونه هاي مورد آزمايشبر اساس نتايج ارائه شده در جداول 1-4 و 2-4 و با توجه به نمودار هاي ارائه شده در شكلهاي 1-4 و 2-4 و همچنين تصاوير ميكروسكوپي كه در شكلهاي 4-4 تا 24-4 نشان داده شده اثرات مس بر ريز ساختار نمونه هاي آزمايشي را مي توان به شرح زير تفكيك نمود:3-4) نتايج حاصل از بررسي اثر مس بر درصد كروي شدنبا توجه به نتايج ارائه شده در جدول 1-4 و تصاوير ميكروسكوپي كه در شكلهاي 4-4 تا 11-4 نشان داده شده به نظر مي رسد كه افزايش مس تأثير چنداني بر درصد كروي شدن ندارد و درصد كروي شدن مستقل از درصد مس مي باشد. ولي از طرفي مس داراي يك نوع تأثير مثبت بر روي شكل گرافيتهاي كروي مي باشد. به اين ترتيب كه افزايش درصد مس باعث بهبود شكل ظاهري گرافيتهاي كروي و نزديكتر شدن آنها به شكل كرة كامل مي شود.4-4) نتايج حاصل از بررسي اثر مس بر اندازة گرافيتهاي كرويشكل 1-4 اثر مس بر حداكثر اندازة (قطر) گرافيتهاي كروي را در نمونه هاي مورد آزمايش نشان مي دهند. با توجه به اين شكلها كه بر اساس نتايج مندرج در جدول 1-4 رسم شده اند، مي توان دريافت كه تغييرات اندازة گرافيتهاي كروي با افزايش درصد مس از يك روند نزولي برخوردار است. به عبارت ديگر افزايش درصد مس باعث ريز تر شدن گرافيتهاي كروي مي گردد. همچنين مي توان ملاحظه نمود كه با افزايش درصد مس فاصلة بين حداكثر و حداقل اندازة گرافيتهاي كروي به نحو قابل ملاحظه اي كاهش مي يابد. بنابراين افزايش درصد مس باعث يكنواختي بيشتر در اندازة گرافيتهاي كروي مي گردد.5-4) نتايج حاصل از بررسي اثر مس بر تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطحنتايج ارائه شده در جدول 1-4 در رابطه با اثر مس بر تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطح، نمودار شكل 2-4 كه بر اساس اين نتايج رسم شده و تصاوير ميكروسكوپي كه در شكلهاي 4-4 تا 11-4 ارائه شده اند، همگي حاكي از اين هستند كه افزايش درصد مس در محدودة مورد آزمايش، باعث افزايش تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطح مي گردد.


6-4) نتايج حاصل از بررسي اثر مس بر ساختار زمينه با توجه به نتايج ارائه شده در جدول 2-4 و نمودار شكل 2-4 كه براساس نتايج مندرج در اين جدول رسم شده و همچنين تصاوير ميكروسكوپي كه در شكلهاي 12-4 تا 18-4 نشان داده شده است. مي توان گفت كه افزايش درصد مس در نمونه هاي مورد آزمايش بنحو چشمگيري باعث افزايش درصد پرليت در ساختار زمينه مي گردد، بطوريكه با حدود 2 درصد مس مي توان به يك ساختار كاملاً پرليتي دست يافت.نكتة ديگري كه مي توان به آن اشاره نمود اين است كه مس علاوه بر پرليت زايي باعث ريز شدن پرليت نيز مي گردد اين اثر مس را مي توان در شكلهاي 20-4 تا 23-4 مشاهده نمود. و همچنين در شكل 3-4 اين نكته به خوبي مشخص گرديده است.در بررسي نمونه هاي مورد آزمايش هيچگونه اثري از حضور كاربيد در ساختار زمينة نمونه هاي حاوي مس مشاهده نشد. نكته بسيار مهمي كه مي توان در اينجا به آن اشاره كرد افزايش خيلي كم سختي فريت در اطراف گرافيتهاي كروي مي باشد كه در علل 5-4 كاملاً قابل رويت مي باشد. شكل 1-4: تغييرات اندازة گرافيتهاي كروي (در بزرگنمايي 100) برحسب درصد اسمي مس در نمونه هاي آزمايشي [34]
شكل 2-4: تغييرات درصد پرليت و تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطح برحسب درصد اسمي مس در غياب منگنز و در حضور 5/0 درصد منگنز [34].
[h=3]شكل 3-4: تغييرات پرليت در اثر افزايش مس[/h] [h=3]شكل 5-4: تغييرات سختي فريت در اطراف گرافيت كروي با افزايش درصد مس[/h]

شكل 4-4: تصوير ميروسكوپي از نمونه بدون عنصر آلياژي در حالت قبل از اچ (X 100)​

شكل 6-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 5/0 درصد مس در حالت قبل از اچ (X100)​

شكل 7-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 1 درصد مس در حالت قبل از اچ (X100)​

شكل 8-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 5/1 درصد مس در حالت قبل از اچ (X100)​

شكل 9-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 2 درصد مس در حالت قبل از اچ (X100)​

شكل 10-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 5/2 مس در حالت قبل از اچ (X 100)​

شكل 11-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 3 درصد مس در حالت قبل از اچ (X100)​

شكل 11-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 3 درصد مس در حالت قبل از اچ (X100)​

شكل 12-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه بدون آلياژي، محلول اچ نيتال 4% (X100)​

شكل 13-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 5/0 درصد مس، محلول اچ نيتال 4% (X100)​

شكل 14-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 1 درصد مس، محلول اچ نيتال 4% (X100)​

شكل 15-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 5/1 درصد مس، محلول اچ نيتال 4% (X100)​

شكل 16-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 2 درصد مس، محلول اچ نيتال 4% (X100)​

شكل 17-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 5/2 درصد مس، محلول اچ نيتال 4% (X100)​

شكل 18-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 3 درصد مس، محلول اچ نيتال 4% (X100)​

شكل 19-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه بدون عنصر آلياژي، محلول اچ نيتال (X400)​

شكل 20-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 5/0 درصد مس، محلول اچ نيتال 4% (X400)​

شكل 21-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 5/1 درصد مس، محلول اچ نيتال 4% (X100)​

شكل 22-4: تصوير ميكروسكوپي از نمونه حاوي 2 درصد محلول اچ نيتال 4% (X400)​

شكل 23-4: تصويرميكروسكوپي از نمونه حاوي 3 درصد مس محلول اچ نيتال 4% (X400)​

1-5) اثر مس، بر ريز ساختار نمونه هاي مورد آزمايشاز نتايج ارائه شده در فصل گذشته مي توان دريافت كه عنصر مس، هم بر مشخصات گرافيتهاي كروي و هم بر مشخصات فازهاي تشكيل دهندة ساختار زمينه تأثير مي گذارند. در اين قسمت بر اساس نتايج ارائه شده در فصل قبل به بحث، بررسي و مقايسة نتايج حاصل از انجام آزمايشهاي مختلف بر ريز ساختار نمونه هاي آزمايشي پرداخته شده است.1-1-5) اثر مس، بردرصد كروي شدنبا توجه به نتايج بدست آمده مي توان گفت كه در صورت رعايت كليه موثر دركروي شدن گرافيتها، تغييرات درصد مس، هيچگونه تأثير قابل ملاحظه اي را بر درصد كروي شدن در پي ندارد. به نظر مي رسد كه اين نتيجه با گزارش موجود در مرجع 22 مبني بر اينكه افزايش مس تا حدود 2 درصد باعث بهبود درصد كروي شدن مي شود، اختلاف داشته باشد. اين اختلاف ممكن است ناشي از تفاوت در شرايط حاكم بر فرآيند ذوب و ريخته گري و نحوة عمليات كروي كردن مي باشد. در اين پژوهش از روش افزايش منيزيم به روش غوط وري منظور كروي كردن گرافيتها استفاده شده در حاليكه روش استفاده شده براي كروي كردن گرافيتها در مرجع 22 روش افزايش منيزيم در راهگاه مي باشد. با توجه به ويژگيها و مزاياي خاص روش افزايش منيزيم در راهگاه، با اجراي صحيح اين روش مي توان به گرافيتهاي 100 درصد كروي دست يافت و تغييرات درصد مس در اين زمينه تأثير چنداني ندارد.در فصل قبل به اين نكته اشاره شد كه افزايش مس داراي اثر مطلوبي بر شكل گرافيتهاي كروي مي باشد. اين اثر مس كه در گزارشهاي موجود در مراجع 22 و 27 نيز به آن اشاره شده مي تواند ناشي از تشكيل سدهاي نفوذي توسط اين عناصر باشد. تشكيل اينگونه از سدهاي نفوذي از رشد ترجيهي گرافيتهاي كروي جلوگيري مي نمايد و به اين وسيله به بهبود شكل گرافيتهاي كروي كمك مي كند.2-1-5) اثر مس، بر تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطحتعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطح با افزايش مس از روند افزايشي برخوردار است (شكل 3-4). بنابر گزارشات موجود [50،41،21]، علت اصلي افزايش تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطح با افزايش عنصر مس ممكن است مربوط به جدايش اين عناصر در فصل مشترك گرافيت كروي و زمينة فلزي باشد. جدايش اين عنصر مي تواند منجر به تشكيل سدهايي در مقابل مهاجرت و نفوذ اتمهاي كربن به سمت گرافيتهاي كروي باعث افزايش مي دهد. از طرف ديگر در برخي از منابع به اين نكته اشاره شده كه مس در مرحلة انجماد خاصيت گرافيت زايي داشته و تمايل به تجزيه يا جلوگيري از تشكيل كاربيد هاي يوتكتوئيد را دارد. از اينرو افزايش مس مي تواند موجب افزايش مسبي كربن معادل و نيز ممانعت از تشكيل سمنتيت گردد. بنابراين افزايش مس ممكن است از اين طريق نيز تا حدودي باعث افزايش تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطح گردد [27و22و17].3-1-5) اثر مس، بر اندازة گرافيتهاي كرويدر فصل گذشته با توجه به نتايج بدست آمده به اين نكته اشاره شد كه افزايش عنصر مس باعث ريزتر شدنگرافيتهاي كروي شده و از طرف ديگر اين عناصر يكنواختي بيشتري را در اندازه گرافيتهاي كروي ايجاد مي نمايند (اين نتيجه با گزارش موجود در مرجع 22 مطابقت دارد). دلايلي كه در رابطه با كاهش اندازة گرافيتهاي كروي با افزايش عنصر مس مي توان ذكر كرد تا اندازه زيادي با دلايلي كه در قسمت قبل به منظور توضيح علت افزايش تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطح با افزايش اين عناصر ارائه شد مشابهت دارد. به اين ترتيب كه سدهاي نفوذي ايجاد شده توسط اين عناصر از مهاجرت و نفوذ اتمهاي كربن به سمت گرافيتهاي كروي كه در مرحله انجماد شكل گرفته اند، ممانعت بعمل آورده و به اين وسيله از رشد بيشتر گرافيتهاي كروي جلوگيري مي نمايند.4-1-5) اثر مس، بر ساختار زمينههمانگونه كه انتظار مي رفت بررسي نمونه هاي مختلف آزمايشي نشان داد كه عنصر مس، بطور قابل ملاحظه اي باعث افزايش درصد پرليت در ساختار زمينه مي شوند. اصولاً بارزترين ويژگي اين عناصر پرليت زا بودن آنهاست و مهمترين هدفي كه از افزايش اين عناصر در چدنهاي نشكن دنبال مي شود، افزايش درصد پرليت در ساختار زمينه اينگونه از چدنها مي باشد كه در نهايت منجر به بهبود و ارتقاء خواص كششيء، سختي و خواص سايشي مزبور مي گردد.هر يك از اين عناصر به نحوي باعث غلبه تغيير حالت فراپايدار « » بر تغيير حالت پايدار « » مي گردند. مكانيزمهايي كه هر يك از اين عناصر توسط آنها باعث افزايش درصد پرليت در ساختار زمينة چدنهاي نشكن مي شوند، درفصل دو (مروري بر منابع) به تفصيل مورد بحث و بررسي قرار گرفت. بنابراين به نظر مي رسد كه ضرورتي براي ذكر مجدد آنها در اينجا وجود نداشته باشد.بررسي نمونه هايي كه داراي درصد هاي متغيري از مس هستند، گزارشهاي قبلي مبني بر كاهش فضاي بين لاي هاي پرليت با افزايش اين عنصر را تأئيد مي كند [29و27و22و17]. از مجموعة گزارشهاي موجود مي توان دريافت كه افزايش مس باعث پايداري بيشتر آستنيت شده و تجزيه آن را به تأخير مي اندازد. بنابراين افزايش اين عنصر باعث كاهش درجه حرارت تغيير حالت يوتكتوئيد ضريب نفوذ كربن در آستنيت بر طبق رابطة 5-1 كاهش يافته و به دنبال آن فاصلة نفوذ اتم هاي كربن در فاز آستنيت نيز كاهش پيدا مي كند. به اين ترتيب فاصلة متوسط بين لايه هاي فريت و سمنتيت در پرليت كاهش مي يابد.(5-1)

ضريب نفوذ متوسط كربن در آستنيت ​

​

ثابت گازها R: (1/98 Cal/gr-mol/K)​

​

TK=C=273)​

​

عدم مشاهده كاربيد در نمونه هاي آزمايشي حاوي مس با اين حقيقت كه مس عنصري گرافيت زا مي باشد و همچنين گزارشات موجود [29و18و17و3] مبني بر اينكه مس باعث كاهش تمايل به تبريد شده و احتمال تشكيل كاربيد در چدنهاي نشكن را كاهش مي دهد توافق دارد. بنابراين استفاده از مس در چدنهاي نشكن مي تواند اين مزيت را در بر داشته باشد كه بدون هيچگونه نگراني از تشكيل كاربيدهاي يوتكتيك مي توان به درصدهاي بالايي از پرليت در ساختار زمينه دست يافت.
2-5) اثر مس، بر خواص مكانيكي نمونه هاي مورد آزمايشنتايج ازائه شده در فصل قبل نشان داد كه عنصر مس، بطور قابل ملاحظه اي خواص مكانيكي نمونه هاي مورد آزمايش را تحت تأثير قرار مي دهند. در اين قسمت به بحث، بررسي و مقايسة نتايج حاصل از انجام آزمايشات مكانيكي مختلف بر روي نمونه هاي آزمايشي پرداخته شده است [39]1-2-5) اثر مس بر خواص كششينتايج حاصل از بررسي هاي انجام شده نشان مي دهد كه با افزايش مس در چدنهاي نشكن مي توان در حالت سياهتاب به مقادير بالايي از استحكام دست يافت.افزايش استحكام كششي و استحكام تسليم و كاهش درصد ازدياد طول نسبي نمونه هاي مورد آزمايش با افزايش عنصر مس، مي توان نتيجه مستقيم افزايش درصد پرليت در اثر افزايش اين عناصر دانست.در نمونه هايي كه داراي درصد هاي متغيري از مس مي باشند، در مقادير بيش از 5/1 درصد مس كه ساختار پرليتي تقريباً بطور كامل شكل گرفته، افزايش استحكام مي تواند ناشي از افزايش استحكام فريت موجود در لايه هاي پرليت در اثر مكانيزم تشكيل محلولهاي جامد بوده و يا به ريز شدن پرليت مربوط گردد. بنابراين مي توان انتظار داشت كه با افزايش مس حتي پس از ايجاد يك ساختار كاملاً پرليتي، استحكام تسليم همچنان روند افزايشي خود ادامه دهند.بررسي هاي انجام شده نشان مي دهد كه نمونه هايي كه داراي درصد هاي متغيري از مس هستند ضمن دارا بودن مقادير بالايي از استحكام از درصد ازدياد طول نسبي مناسبي نيز برخوردارند بهبود مشخصات گرافيتهاي كروي در اثر افزايش درصد مس ممكن است اثر افزايش درصد پرليت كه منجر به كاهش درصد ازدياد طول نسبي مي گردد را تعديل نمايد.2-2-5) اثر مس بر انرژي ضربهنتايج حاصل از آزمايشات ضربه نشان داد كه افزايش عنصر مس، باعث كاهش انرژي ضربة نمونه هاي مورد آزمايش مي گردد. علت اصلي كاهش انرژي ضربه با افزايش اين عناصر را مي توان به افزايش درصد پرليت در ساختار زمينة نمونه هاي آزمايشي در اثر افزايش اين عناصر نسبت داد. اين نتيجه با گزارشهاي موجود [36و33و32و21] مبني بر اينكه با افزايش درصد پرليت در ساختار زمينة چدنهاي نشكن، مقاومت به ضربه كاهش يافته و درجه حرارت تبديل افزايش پيدا مي كند مطابقت دارد.مقايسه نتايج بدست آمده نشان مي دهد نسبت از اثر كمتري در جهت كاهش انرژي ضربه برخوردار است. بعنوان مثال با افزايش 5/0 درصد مس هر چند درصد پرليت به ميزان قابل توجهي افزايش مي يابد (درصد پرليت در اين حالت از 10 درصد به 60 درصد افزايش پيدا مي كند) ولي با اين حال انرژي ضربه تنها در حدود 4/0 ژول كاهش مي يابد و با افزايش 2 درصد پرليت شده و به اين ترتيب انرژي ضربه كاهش پيدا مي كند، ولي از طرف ديگر افزايش باعث افزايش تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطح، ريز شدن گرافيتها، توزيع يكنواخت تر آنها و بهبود شكل گرافيتهاي كروي و يا بطور خلاصه بهبود مشخصات گرافيتهاي كروي مي شود كه اين اثر مي تواند تأثيرات مثبتي را بر انرژي ضربة چدنهاي نشكن در پي داشته باشد. بنابراين مي توان گفت كه افزايش مس از اين جهت مي تواند تا حدودي باعث بهبود انرژي ضربة نمونه هاي آزمايشي شده و اثر افزايش درصد پرليت كه در جهت كاهش انرژي ضربه عمل مي كند را كاهش دهد. نتايج بدست آمده نشان مي دهد كه اثر افزايش درصد پرليت (در اثر افزايش درصد مس)، در جهت كاهش انرژي ضربه بمراتب بيش از اثر مس بر بهبود مشخصات گرافيتهاي كروي كه در جهت افزايش انرژي ضربه عمل مي كند، مي باشد. بطوريكه با افزايش مس انرژي ضربه بطرو پيوسته كاهش مي يابد [39].
3-2-5) اثر مس بر سختينتايج حاصل از آزمايشات سختي سنجي نشان مي دهد كه با افزايش عنصر مس، سختي نمونه هاي مورد آزمايش در اثر افزايش درصد پرليت بطور قابل ملاحظه اي افزايش پيدا مي كند.با توجه به گزارشات موجود در رابطه با اثر مس بر سختي چدنهاي نشكن كه در فصل دو به آنها اشاره شد، مي توان گفت در رابطه با اثر مس بر سختي چدنهاي نشكن كه در فصل دو به آنها اشاره شد، مي توان گفت كه افزايش سختي در نمونه هاي حاوي مس در مقادير بيش از 2 درصد مس كه ساختار پرليتي تقريباً بصورت كامل شكل گرفته، ناشي از افزايش سختي فريت موجود در لايه هاي پرليت در اثر شكل تشكيل محلولهاي جامد و يا كاهش فضاي بين لايه هاي پرليت (ريز شدن پرليت) مي باشد [32و29و17و7و3].3-5) نتيجه گيرينتايج بدست آمده از اين پژوهش را مي توان بطور فهرست وار بصورت زير خلاصه نمود:1- افزايش مس ضمن بهبود بخشيدن به شكل گرافيتهاي كروي باعث افزايش تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطح شده و اندازة آنها را كاهش مي دهد. همچنين افزايش اين عنصر هيچگونه اثري را بر درصد كروي شدن به دنبال ندارد. بطور خلاصه مي توان گفت كه افزايش مس منجر به بهبود مشخصات گرافيتهاي كروي مي گردد.2- افزودن مس تأثير بسزايي بر روي فريتهاي اطراف گرافيتهاي كروي ندارد.3- افزايش عنصر مس منجر به افزايش درصد پرليت در ساختار زمينه مي گردد. علاوه بر آن افزايش اين عنصر منجر به ريز شدن پرليت نيز مي گردد.4- با افزايش مس استحكام كششي تسليم در اثر افزايش درصد پرليت تا رسيدن به يك ساختار كاملاً پرليتي بطور پيوسته يافته و درصد ازدياد طول نسبي كاهش مي يابد. در مقادير مورد آزمايش مس نسبت به قلع و منگنز تأثير بيشتري را در جهت افزايش استحكام از خود نشان مي دهد. ضمن اينكه نمونه هاي حاوي مس در عين داشتن استحكام بالا از درصد ازدياد طول نسبي مناسبي نيز برخوردار هستند. بنابراين مي توان گفت كه استفاده از مس به منظور بهبود خواص كششي در مقايسه با قلع و منگنز نتايج سودمند تري را به همراه دارد.5- با افزايش مس انرژي ضربه كاهش مي يابد.6- از مجموعة موارد فوق مي توان دريافت كه بطور كلي عنصر مس، از قابليت تأثير گذاري زيادي بر خواص مكانيكي و ريز ساختار چدنهاي نشكن برخوردارند. در اين ميان افزايش مس اثرات سودمندتري را به دنبال دارد. در اين پژوهش بهترين خواص مكانيكي در اثر افزايش 2 درصد مس حاصل شد. با افزايش اين مقدار مس مي‎توان به تركيب مناسبي از استحكام، مقاومت به ضربه، سختي و انعطاف پذيري دست يافت.

​

​

​

منابع و مآخذ​

1. W.C. Johnson and B.V. Kovacs: "The Effect of Additive on the Eutectoid Transformation of Ductil Iron" Metallurgical Transactions, A, Vol 9A pp 219-229 (1978).1. M.J. Lalich and C.R.Loper, Jr: "Effects of Pearlite- Promoting Elements on the Kinetics of the Eutectoid Transformation in Ductile Cast Iron", AFS Transactions, Vol 81, pp 217-228 (1973).2. E.N. Pam, M. S. Lou and C. R. Loper, Jr: "Effects of Copper, Tin, and Manganese on the Eutectoid Transformation of Grphitic Cast Iron", AFS Transactions, Vol 95, pp 819-840 (1987).3. R. C. Voigt and C. R. Loper, Jr: "Matrix Structure Development in Ductile Cast Iron", ASL Transactions Vol 97, pp 595-604 (1989).39- دكتر مصطفي تفضلي يزدي، مهندس آيت بهرامي ساماني «اثر مس و قلع و منگنز بر ريز ساختار و خواص مكانيكي چدنهاي نشكن در حالت سياهتاب» انتشارات جامعه ريخته گران (1374).40- متالوژزي كاربردي چدنها جلد (2) مرعش مرعشي.

---

[1] - هريك از اطلاعات عددي ارائه شده در جداول 1-4 و 2-4، ميانگين نتايج حاصل از چند آزمايش و يا اندازه گيري مختلف مي باشد. انحراف معيار نتايج بدست آمده در قسمت ارائه شده است.