Металл хайлшийн механик ба бүтцийн шинж чанар
Пендахулуан
Металл хайлш гэдэг нь цэвэр металлынхаас илүү сайн шинж чанарыг олж авахын тулд хоёр ба түүнээс дээш элементийг (дор хаяж нэг нь металл) холих замаар үүссэн материал юм. Хамгийн түгээмэл жишээ бол ган (Fe–C), гууль (Cu–Zn), хөнгөн цагаан хайлш (Al нь Mg, Si, Cu, эсвэл Zn-тэй хамт) юм. Аж үйлдвэрийн хэрэглээнд металл хайлшийг өндөр бат бэх, хатуулаг, зэврэлтэнд тэсвэртэй байдал, үйлдвэрлэхэд хялбар байдал зэрэг шинж чанаруудын хослолоор нь сонгодог. Эдгээр хайлшийг зөв, аюулгүй ашиглахын тулд тэдгээрийн механик болон бүтцийн шинж чанарыг тодорхойлох шаардлагатай. Энэхүү шинж чанар нь бичил бүтэц (жишээ нь, ширхэгийн хэмжээ, фаз, тунадасжилт, талстын согог) болон механик зан төлөв (жишээ нь, суналтын бат бэх, хатуулаг, уян хатан чанар, ядрах эсэргүүцэл) хоорондын хамаарлыг тодруулахад тусалдаг.
Металл хайлшийн бүтцийн үндсэн ойлголтууд
Металл хайлшийн бүтцийг ихэвчлэн хэд хэдэн түвшинд авч үздэг.
1. Атомын хэмжээс/талстографи: талст тор (FCC, BCC, HCP) дахь атомуудын зохион байгуулалт.
2. Микро хэмжээс: ширхэгийн хэмжээ, ширхэгийн хил хязгаар, фаз, хур тунадас, оруулга, сүвэрхэг чанар.
3. Макро хэмжээс: хэлбэржүүлэх процессоос үүдэлтэй ялгарал, цутгах согог, хагарал, бүтэц.
Фазын зөрүү (жишээлбэл, нүүрстөрөгчийн ган дахь феррит ба перлит) нь механик шинж чанарт мэдэгдэхүйц нөлөөлдөг. Цаашилбал, халаах, бөхөөх, зөөлрүүлэх зэрэг дулааны боловсруулалтын процессууд нь фазын тархалтыг өөрчилж, үр тарианы хэмжээг өөрчилж, улмаар материалын бат бөх, хатуулгийг өөрчилдөг. Тиймээс механик туршилтын үр дүнг ойлгоход бүтцийн шинж чанар чухал үүрэгтэй.
Механик шинж чанар: Зорилго ба гол үзүүлэлтүүд
Механик шинж чанар нь материалын тодорхой ачаалал, хэв гажилт болон хүрээлэн буй орчны нөхцөлд үзүүлэх хариу үйлдлийг хэмжих зорилготой. Хамгийн их үнэлэгддэг параметрүүдэд дараахь зүйлс орно.
1. Суналтын туршилт
Суналтын туршилт нь стресс-деформацийн муруйг олж авах үндсэн арга юм. Энэхүү туршилтаас дараахь зүйлийг тодорхойлж болно.
– Урсалтын бат бэх: материалын байнгын хуванцар деформацид орж эхлэх хязгаар.
– Суналтын бат бэхийн дээд хязгаар (UTS): хүзүүвчлэхээс өмнөх хамгийн их ачаалал.
– Суналт: материалын хугарахаас өмнө сунах чадвар.
– Уян хатан байдлын модуль (Янгийн модуль): уян хатан бүс дэх материалын хөшүүн байдал.
Нарийн тунадастай хайлшууд (жишээлбэл, Al-Cu хайлшууд) нь ерөнхийдөө урсалтын бат бэхийг нэмэгдүүлдэг, учир нь тунадас нь мултрах хөдөлгөөнийг саатуулдаг.
2. Хатуулгийн туршилт
Материалын нэвтрэлт эсвэл орон нутгийн деформацид тэсвэртэй байдлыг тооцоолох хурдан бөгөөд практик хатуулгийн туршилт. Нийтлэг аргууд:
– Бринелл: харьцангуй зөөлөн болон дунд зэргийн материалд тохиромжтой, хэт нарийн биш бүтэцтэй.
– Роквелл: хурдан, үйлдвэрлэлд өргөн хэрэглэгддэг.
– Викерс ба Микро-Викерс: бичил бүтцийн тодорхой үе шатуудыг оролцуулан жижиг хэсгүүдийн хатуулгийг хэмжихэд ашиглаж болно.
Хатуулаг нь олон хайлшид суналтын бат бэхтэй ихэвчлэн хамааралтай байдаг боловч энэ хамаарлыг материалын төрөл болон дулааны боловсруулалтаас хамааран тохируулга хийх шаардлагатай байдаг.
3. Нөлөөллийн туршилт
Шарпи эсвэл Изод туршилт гэх мэт цохилтын туршилтууд нь цочролын ачаалалд өртөх үед материалын шингээсэн энергийг хэмждэг. Энэ параметр нь ялангуяа температурын өөрчлөлтөөс болж хэврэг-уян хатан шилжилтэд орж болзошгүй гангийн хувьд бат бөх чанар болон хэврэг хугарлын хандлагыг үнэлэхэд чухал ач холбогдолтой. Илүү нарийн ширхэгтэй бүтэц болон илүү уян хатан үе шат нь ихэвчлэн бат бөх чанарыг нэмэгдүүлдэг.
4. Ядаргааны тест
Босоо ам, араа, пүрш, нисэх онгоцны бүтэц зэрэг инженерийн эд ангиуд байнга давтан ачаалалд өртдөг. Ядаргааны туршилтууд нь S-N муруйг (хүчдэл ба хугарал хүртэлх мөчлөгийн тоо) үүсгэдэг. Ядаргаанд нөлөөлдөг хүчин зүйлүүд нь:
- гадаргуугийн барзгаржилт,
– нүх сүв эсвэл хольц байгаа эсэх,
- үлдэгдэл стресс,
- идэмхий орчин,
– ба бичил бүтэц (үр тарианы хэмжээ, хур тунадас, фазын тархалт).
Их хэмжээний оруулгатай эсвэл өндөр сүвэрхэг чанартай хайлшууд нь эдгээр согог дээр амархан хагарал үүсдэг тул ядрах хугацаа багатай байдаг.
5. Мөлхөх болон стрессийн урагдлын тест
Өндөр температурт (жишээлбэл, хийн турбин, бойлер эсвэл реактор) материалууд удаан хугацаанд удаан хуванцар деформацид (мөлхөлт) орж болно. Мөлхөлт туршилтууд нь тодорхой стресс болон температурт хэв гажилтын хурдыг цаг хугацаатай харьцуулан хэмждэг. Мөлхөлт механизмд атомын тархалт, ширхэгийн хил хязгаар, фазын тогтвортой байдал хүчтэй нөлөөлдөг. Никель дээр суурилсан супер хайлшийг өндөр температурт γ' зэрэг тунадас тогтвортой байлгахаар бүтээдэг бөгөөд энэ нь мөлхөлтийг эсэргүүцэх чадварыг сайжруулдаг.
Бүтцийн шинж чанар: Арга зүй ба олж авсан мэдээлэл
Бүтцийн шинж чанар нь металл хайлшийн дотоод шинж чанарыг ажиглаж, хэмжих зорилготой. Техникүүдэд дараахь зүйлс орно.
1. Металлографи (Оптик микроскоп)
Металлографи нь бичил бүтцийг судлах эхний алхам юм. Дээжийг хайчилж, шахаж, зүлгэж, өнгөлж, дараа нь химийн уусмал ашиглан сийлж, ширхэг болон фазын хил хязгаарыг илрүүлдэг. Энэ нь дараахь зүйлийг шинжлэх боломжийг олгодог:
- үр тарианы хэмжээ,
– фазын фракц,
– ган дахь перлит/ферритийн тархалт,
– цутгамал хайлш дахь дендритүүд,
– мөн сүвэрхэг чанар эсвэл бичил хагарал хэлбэрийн согог.
Үр тарианы хэмжээ нь ихэвчлэн Холл-Петчийн хамаарлаар бат бэхтэй холбоотой байдаг: үр тариа бага байх тусам ургацын бат бэх өндөр байдаг (тодорхой хязгаар хүртэл).
2. Электрон микроскоп (SEM) ба найрлагын шинжилгээ (EDS)
Сканнердах электрон микроскоп (SEM) нь оптик микроскопоос илүү өндөр нарийвчлалтай бөгөөд дараахь зүйлд маш хэрэгтэй:
– тунадасжилт болон фазын морфологийг үзнэ үү,
– хугарлын гадаргууг ажиглах (фрактографи),
– хугарлын механизмыг үнэлэх (уян хатан, хэврэг, ширхэг хоорондын).
SEM-ийг орон нутгийн элементийн шинжилгээнд зориулж Эрчим хүчний тархалтын спектроскопи (EDS)-тэй хослуулдаг, жишээлбэл, ган дахь хүхэр ихтэй орц эсвэл хөнгөн цагаан хайлш дахь зэс ихтэй тунадасыг тодорхойлох.
3. Рентген туяаны дифракци (XRD)
Рентген туяаны дифракцийг (XRD) талст фаз болон торны параметрүүдийг тодорхойлоход ашигладаг. XRD нь дараахь зүйлийг тусалдаг.
– металлографийн хувьд ялгахад хэцүү үе шатуудыг илрүүлэх,
– үлдэгдэл стрессийг хэмжих,
– талстын бүтцийг ажиглах,
– мөн маш нарийн материал дахь талстын хэмжээг тооцоол.
Гангийн хувьд XRD нь феррит, хадгалагдсан аустенит, мартенситийг онцлог дифракцийн хэв маягаар ялгаж чаддаг.
4. TEM (Дамжуулах электрон микроскоп)
Нанометрийн хэмжээний ажиглалтын хувьд TEM нь ялангуяа хур тунадасаар бэхжсэн эсвэл хүчтэй деформацид орсон хайлшийн хувьд зайлшгүй шаардлагатай. TEM нь дараахь зүйлийг харуулах чадвартай:
– мултрал ба дэд үр тариа,
– нано тунадас,
– давхарлах алдаа,
– мөн маш жигд фазын хил хязгаартай.
Энэхүү мэдээлэл нь сансар судлалын хэрэглээнд зориулсан хөгшрөлтийн үед хатуурдаг хөнгөн цагаан, мартенситик ган эсвэл титан хайлш зэрэг орчин үеийн хайлшуудад чухал ач холбогдолтой юм.
5. Үл эвдэх туршилт (NDT)
Аж үйлдвэрийн хэрэглээнд бүтцийн шинж чанарыг тодорхойлох нь бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг устгахыг үргэлж шаарддаггүй. NDT аргуудад дараахь зүйлс орно.
- Дотоод гажигийг илрүүлэх хэт авиан шинжилгээ;
– сүвэрхэг чанар болон ан цавыг илрүүлэх рентген зураг (рентген/гамма),
– ферромагнет гангийн гадаргуугийн согогийг илрүүлэх соронзон хэсгүүд,
– янз бүрийн металлын гадаргуугийн хагарлыг арилгах зориулалттай будагч бодис.
NDT нь чухал барилгын ажлын чанарын хяналт болон үечилсэн үзлэгт чухал үүрэгтэй.
Микро бүтэц ба механик шинж чанаруудын хоорондын хамаарал
Бүтэц-өмчийн харилцаа нь материалын шинжлэх ухааны гол цөм юм. Эдгээр харилцааны зарим нийтлэг жишээ бол:
– Нарийн хур тунадас нь бат бөх чанарыг нэмэгдүүлдэг (хур тунадасны хатуурал) боловч хэт их байвал уян хатан чанарыг бууруулж болно.
– Жижиг ширхэгийн хэмжээ нь бат бөх чанар болон ихэвчлэн хатуулгийг нэмэгдүүлдэг боловч зарим процессууд үлдэгдэл стрессийг нэмэгдүүлдэг.
– Мартенсит зэрэг хатуу үе шатууд нь хатуулаг болон бат бөх чанарыг нэмэгдүүлдэг боловч зөөлрүүлэхгүй бол бат бөх чанарыг бууруулж болзошгүй.
– Ороомог болон сүвэрхэг чанар нь хагарлын эхлэлийн цэг болдог тул ядрах эсэргүүцэл болон хатуулгийг бууруулдаг.
Тиймээс механик туршилтын үр дүнгийн тайлбарыг бүтцийн шинжилгээний үр дүнтэй үргэлж холбож байх ёстой бөгөөд ингэснээр материалын зан төлөвийн шалтгааныг зүгээр л тэмдэглэх биш, харин ойлгох боломжтой болно.
Хаах
Металл хайлшийн механик болон бүтцийн шинж чанарыг тодорхойлох нь материалууд нь дизайн болон аюулгүй байдлын шаардлагыг хангаж байгаа эсэхийг баталгаажуулах чухал үйл ажиллагааны багц юм. Суналт, хатуулаг, цохилт, ядрал, мөлхөлт зэрэг механик туршилтууд нь янз бүрийн ачааллын нөхцөлд материалын гүйцэтгэлийн талаарх тоон мэдээллийг өгдөг. Үүний зэрэгцээ, металлографи, SEM/EDS, XRD, TEM, NDT-ээр дамжуулан бүтцийн шинж чанарыг тодорхойлох нь "яагаад" материалууд нь фаз, ширхэгийн хэмжээ, тунадасжилт, мултрал, дотоод согогийг илрүүлснээр тодорхой шинж чанарыг харуулдаг болохыг тайлбарладаг. Эдгээрийн хослол нь хайлшийн найрлага, дулааны боловсруулалт, үйлдвэрлэлийн процессыг оновчтой болгох боломжийг олгодог бөгөөд барилга, автомашинаас эхлээд сансар судлал, эрчим хүч хүртэлх хэрэглээнд илүү найдвартай хайлшийн дизайн хийх боломжийг олгодог.
Хэрэв та хүсвэл би энэ нийтлэлийг 1000 үгээр (яг 1000 үг) хязгаарлах эсвэл ган, хөнгөн цагаан, титан эсвэл никелийн супер хайлш зэрэг тодорхой хайлш дээр төвлөрүүлж болно.
