بازیابی و تبلور مجدد

بازیابی و تبلور مجدد Recovery and Recrystallization

بازیابی و تبلور مجدد (Recovery and Recrystallization) از مباحث بسیار مهم در علم و مهندسی مواد می باشد. عملیات حرارتی بازیابی (recovery heat treatment) به عملیاتی گفته می‌شود که در آن تغییرات عمده‌ای در ساختار بلوری فلز نظیر کاهش و یا از بین رفتن معایب بلوری که از قدرت تحرک زیادی برخوردار هستند، به وجود می‌آید. در این عملیات، معایب نقطه‌ای نظیر جاهای خالی و اتم‌های اضافی یکدیگر را خنثی می‌کنند. همچنین نابجایی‌های پیچی (screw dislocation) چپ‌گرد و راست‌گرد و نابجایی‌های لبه‌ای (edge dislocation) مثبت و منفی به ترتیب در این فرآیند با یکدیگر ادغام شده و حذف می‌شوند. در نتیجه در مجموع انرژی داخلی کاهش می‌یابد. ادامه عملیات حرارتی بازیابی همراه با لغزش و صعود نابجایی‌هایی ‌های باقیمانده و ردیف قرار گرفتن آنها است. به این ترتیب مرزهای فرعی ( sub grain boundary) تشکیل می‌شوند. تشکیل مرزهای فرعی که به چند وجهی شدن (polyganization) موسوم است، عملی خودبه‌خود است، زیرا انرژی داخلی میکروساختار با دانه‌های فرعی در مقایسه با قطعه کارسرد شده به مراتب کمتر است. در حقیقت با ردیف قرار گرفتن نابجایی‌ها در زیر هم ( به منظور تشکیل مرزهای فرعی) میدان تنش کششی هر نابجایی بر میدان تنش فشاری نابجایی دیگر اثر گذاشته و آن را کاهش داده و یا خنثی می‌کند. بدین ترتیب بدون آن که تعداد نابجایی‌ها تغییر کند، فقط با آرایش مجدد و مرتب شدن آنها انرژی داخلی کاهش می‌یابد.بنابراین، نیروی محرکه در عملیات حرارتی بازیابی همان کاهش انرژی داخلی ناشی از حذف یا آرایش مجدد معایب بلوری حاصل در ضمن کارسختی است.

الف - شبکه ای که در آن نابجایی ها در جهات مختلف وجود دارند
ب - ادغام نابجایی با یکدیگر و حذف و ادغام آنها
ج- تشکیل مرزهای فریع (چند وجهی شدن)

انجام کار سرد برروی فولادها ( تقریباً تمامی فلزات و آلیاژها ) باعث افزایش استحکام و سختی و کاهش انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری آنها می‌شود. این پدیده که به کارسختی موسوم است ناشی از افزایش پیوسته معایب بلوری در اثر ادامه انجام کار سرد است. در اثر کار سرد انرژی داخلی افزایش یافته و بنابراین از نظر ترمودینامیکی ناپایدار خواهد شد. حرارت دادن چنین قطعه‌ای باعث از بین رفتن معایب موجود و بازیابی میکروساختار می‌شود. درعملیات بازیابی خواص فیزیکی تقریباً به طور کامل بازیابی شده و تا حدودی به خواص فیزیکی قطعه قبل از کار سرد برمی‌گردد. در حالی که، تغییرات خواص مکانیکی چندان محسوس نیست. در حقیقت عملیات حرارتی تبلور مجدد است که باعث بازیابی خواص مکانیکی قطعه کارسرد شده می‌شود. در اینجا تذکر این نکته لازم است که تغییراتی که در ساختار بلوری در ضمن عملیات بازیابی به وجود می‌آید را نمی‌توان به کمک میکروسکوپ نوری مطالعه کرد و نیاز به میکروسکوپ الکترونی دارد.

تبلور مجدد Recrystallization

تبلور مجدد (recrystallization) به عملیات حرارتی گفته می‌شود که در آن در اثر حرارت دادن دانه‌های جدید هم‌ محور و عاری از تنش در فلز کار سرد شده به وجود می‌آید. از جمله اثرات کار سرد عبارت از تغییر شکل دانه‌ها در جهت اعمال نیرو و ایجاد تنش‌های داخلی است. در ضمن عملیات‌ تبلور مجدد، تغییراتی که در اثر انجام کار سرد در خواص فیزیکی و مکانیکی به وجود آمده، از بین می‌رود و قطعه به حالت قبل از کار سرد برمی‌گردد. در حقیقت، تبلور مجدد ادامه عملیات حرارتی بازیابی است و در آن دانه‌های عاری از تنش می توانند از دانه‌های فرعی حاصل از عملیات بازیابی به وجود آیند. اساسا فرایند تبلور مجدد شامل جوانه‌زنی و رشد بوده که نیروی محرکه برای این عملیات، ناشی از کاهش انرژی آزاد حجمی در اثر کاهش نابجایی هاست.

 از آنجایی که عملیات حرارتی تبلور مجدد فولادها در ناحیه دوفازی فریت‌ - آستنیت انجام می‌شود، تغییرات ایجاد شده در ساختار همراه با تغییر فاز نخواهد بود. به طور کلی میکروساختار فولادهای کم کربن و کربن متوسط قبل از کار سرد شامل سمنتیت کروی و یا عمدتاً فریت با مقدار کمی پرلیت است، که هر دو از انعطاف‌پذیری خوبی برخوردارند. فریت موجود در این ساختار عاری از تنش بوده و دارای دانه‌های هم محور است.کار سرد، دانه‌های فریت را در جهت انجام کار مکانیکی تغییر شکل داده و معایب بلوری را در آن افزایش می‌دهد. در این حالت انجام عملیات حرارتی تبلور مجدد باعث می‌شود که دانه‌های جدید هم محور و عاری از تنش در زمینه فریت تغییر شکل یافته و رشد کند. در نتیجه میکروساختار اولیه دوباره به وجود می‌آید. اگر حرارت دهی در دمای مناسب و به مدت زمان کافی در این فرایند صورت گیرد، هیچ گونه اثری از انجام کار سرد در ساختار دیده نخواهد

مراحل مختلف در تبلور مجدد فلز در شکل زیر نشان داده شده است.

الف)  میکروساختار فلز در حالت کارسرد شده 

ب) با تشکیل جوانه هایی از دانه های هم محور و عاری از تنش، تبلور مجدد آغاز میشود.

ج -ه ) با رشد دانه های جدید، تبلور مجدد ادامه می یابد.

و) تبلور مجدد به طور کامل انجام شده است. خطوط منقطع در شکل (و) برای نشان دادن موقعیت مرز دانه در قطعه کارسرد شده است.

دمای تبلور مجدد Temperature of Recrystallization

یکی از اصطلاحات متالورژیکی که مکررا به کار می‌رود، دمای تبلور مجدد است. این دمایی است که در آن فلزی خاص با مقدار خاصی تغییر شکل سرد در دوره زمانی محدودی، معمولا 1 ساعت تبلور مجدد می‌یابد. البته دمای تبلور مجدد مفهومی ندارد، مگر آنکه زمان مجاز برای تبلور مجدد نیز مشخص گردد. فرایند تبلور مجدد به تغییرات جزئی دما بسیار حساس است. این حساسیت نشانه آن است که در دمای کمتر از آن، فلز تبلور مجدد نمی‌یابد و به همین دلیل است که دمای تبلور مجدد یکی از خواص فلز تلقی شده و همچنین از عامل زمان نیز در فرایند تبلور مجدد نبایدغافل شد.

عوامل موثر بر تبلور مجدد

پس از اینکه تبلور مجدد به پایان رسید ( ساختار تغییر شکل یافته به طور کامل توسط دانه‌های هم‌محور و عاری از تنش جایگزین شد)، اگر باز هم حرارت دادن قطعه را ادامه دهیم، دانه‌های هم‌محور موجود شروع به درشت شدن می‌کنند. این عملیات به رشد دانه ( grain growth ) موسوم است و تا هنگامی که قطعه در دمای بالا قرار دارد، رشد دانه‌ها هم ادامه خواهد داشت. در حقیقت رشد دانه‌ها به این صورت انجام می‌گیرد که با مهاجرت مرز دانه‌ها، دانه‌های ریز به ترتیب به دانه‌های درشت مجاور ملحق می‌شوند. در این حالت نیروی محرکه یا عامل ترمودینامیکی رشد دانه‌ها همان انرژی مرز دانه‌هاست؛ بدین صورت که با درشت شدن دانه‌ها، مرز دانه‌ها کاهش می‌یابد و بنابراین انرژی داخلی فلز نیز کاهش خواهد یافت. در شکل زیر خلاصه‌ای ازنیرومحرکه، مکانیزم و نتایج حاصل از بازیابی، تبلور مجدد و رشد دانه‌ها نشان داده شده است.

منابع و پیوندها

بازیابی و تبلور مجدد از دید wikipedia.org

Recrystallization is a process by which deformed grains are replaced by a new set of undeformed grains that nucleate and grow until the original grains have been entirely consumed. Recrystallization is usually accompanied by a reduction in the strength and hardness of a material and a simultaneous increase in the ductility. Thus, the process may be introduced as a deliberate step in metals processing or may be an undesirable byproduct of another processing step. The most important industrial uses are the softening of metals previously hardened by cold work, which have lost their ductility, and the control of the grain structure in the final product...more