مقاله بررسي مشخصات و خواص لحيم نا همجنس آلياژ حافظه دار TINI و فولاد ضد زنگ

عنوان تحقيق:
بررسي مشخصات وخواص لحيم نا همجنس آلياژ حافظه دار TINI و فولاد ضد زنگ
تاريخچه
آلياژ حافظه دار TINI ماده اي است كاربردي با استفاده وسيع در بسياري از منابع از جمله صنايع هوا فضا . انرژي هسته اي صنايع دريايي علوم پزشكي مي باشد.اين آلياژ داراي خاصيت ويژه حافظه دار SME الاستيك بسيار بالا . مقاومت به سايش و فرسايش بسيار خوب و پايداري بالا در محيط بيو شيميايي مي باشد.( 1)
.امروزه در صنايع پزشكي از آلياژ TINI و همچنين فولاد ضد زنگ براي ساخت سيستمهاي ارتودنسي دندان استفاده مي شود . خاصيت هوشمندي و همچنين الاستيكي بالاي آلياژ TINI به دندان ها اين امكان را مي دهد كه در يك دوره درماني بلند مدت و تحت نيروي كم ولي مداوم سيمها مكان خود را تصحيح كنند با اين روش مي توان تغيير فرم زيادي در دندان ها بدون اعمال نيروي زياد اعمال نمود.(3)
با اين وجود استحكام نسبتا پائين اين آلياژ باعث شل شدن تدريجي سيم در حين حركت دندان ها در جهت مخالف مي گردد. در مقابل استفاده از فولاد ضد زنگ بعلت استحكام بالا عيب مذكور را بر طرف مي كند. ولي فلاد نيز بعلت داشتن الاستيكيه كم باعث اعمال نيروي زياد به دندانها شده و از حركت تدريجي آنها در حين دوره درماني جلوگيري مي كند.
با اين تفاسير توليد يك اتصال ناهمجنس از آلياژ TINIو فولاد ضد زنگ مزاياي استفاده از هر دو ماده را بدنبال دشانه و باعث كاهش طول دره درمان و افزايش كييفيت كار مي گردد.
مقدمه
مقاله حاضر حاصل مطالعه سه مقاله تحقيقي مي باشد كه در آنها اهداف زير مورد نظر بوده است:
1)بررسي ارتباط بين ريز ساختار و خواص اتصال ناهمجنس و دستيابي به راهكارهاي مناسب بمنظور به بهبود خواص اتصال(1)
2)بررسي تاثير پارامترهاي لحيم ليزر بر خواص اتصال (2)
3)مطالعه خواص خوردگي اتصال(3)
محققين فوق ابتدا با استفاده از جوشكاري ميكروپلاسما اتصال فوق را توليد كردند كه مشكلات اين اتصال عبارت بودند از استحكام كه جوش (159-127 پاسگال) بعلت تشكيل ساختار سرد و همچنين وسيع بودن منطقه متاثر از حرارت (HAZ) (2)
لذا در كار پژوهشي اخير به توليد اتصال آلياژ TINI و فولاد ضد زنگ با اسفتاده از پروسه لحيم سخت ليزر و سيم لحيمي از جنس آلياژ نقره پرداختند كه به بررسي اجمالي نحه كار و نتايج اين تحقيق خواهيم پرداخت.
آلياژ TINI با استحكام كششي 1319-1108 مگا پاسكال و كرنش 18-16 در صد استفاده شد. فيلد متان مورد استفاده داراي تركيب شيميائي 68-50 درصد جرمي نقره 30-10 درصد مس .
20-12 درصد روي و 10-0 درصد قلع مي باشد. در بخش هاي دوم وسوم تحقيق از فيلد سما با تركيب 52 درصد نقره .22%مس.18%روي .8% وزني قلع استفاده شده كه دماي ساليد و مس آن 590 و دماي ليكوئيد و مس آن 3/635 بوده است.
بررسي ارتباط بين ريز ساختار و خواص اتصال:(1)
فرآيند لحيم با استفاده از يك دستگاه ليزر(JY-100 ) انجام شد. خواص مكانيكي اتصال در دماي اتاق و با استفاده از دستگاه يونيور سال (CSS-44100) و ريز ساختار اتصال با استفاده از ميكروسكوپ نوري ،آناليزور تصوير (VIDAS) ميكروسكوپ SEM و دستگاه X-RAY بررسي گرديد.
استحكام كششي و سختي اتصال:(1)
شكل (1) نحوه انجام تست مكانيكي بر روي اتصال را نشان مي دهد. در شكل (2) پارامترهاي لحيم نشان داده شده اند و در شكل (3) نمودار تنش كرنش مربوط به اتصال تحت پارامترهاي ناديده در شكل (2) رسم شده است.
نتايج نشان داد كه بهترين استحكام كششي سوپر الاستيكي در شرايط ناحيه 10 بدست مي آيد.
استحكام كششي اتصال 360-320 مگا پاسكال بدست آمد وكرنش الاستيك تا حد 10-8 در صد قابل افزايش بود. در حرارت ورودي كمتر (ناحيه9) استحكام 210-190 مگا پاسكال بدست آمد.منظقه شكست ،فصل مشترك بين آلياژ TINI و فيلد متال بود كه بدليل پايين بودن حرارت ورودي زمان كوتاه لحيم و در نتيجه پيوند ضعيف بين اين دو قسمت است. در منطقه(C) كه حرارت رودي لحيم بالا است.
شكست اتصال از منطقه HAZ آلياژ TINI است كه نشان دهنده تغيير شديد خواص آلياژ در اين ناحيه مي باشد. (شكل4) . همچنين استحكام كششي تا 320 – 300 مگا پاسكال كاهش يافته و سختي نيز كمتر شد.(شكل5).
سوپرالاستيسيته آلياژ TINI(1)
شكل 6 نمودار تنش – كرنش را براي بار گذاري در سه حالت و سپس برداشتن بار ،نشان مي دهد.همانطور كه مشاهده مي شود،كرنش ايجاد شده در اثر بارگذاري با بر داشتن بار تا حد زيادي قابل بازگشت است و لذا اتلاف سوپر الاستيسته آلياژ تقريبا پايين مي باشد.
تحت خشن بصورتي كه در شكل (7) نشان داده شده انجام گرديد. خش درست آلياژ TINI تا زاويه 90 درجه و بعد تا زمان 30 ثانيه انجام شد. با افزايش زايه (B) و افزايش حرارت ورودي لحيم ميزان اتلاف خاصيت سوپر الاستيسته آلياژ TINIافزايش يافت.در شرايطي كه پارامترهاي لحيم در ناحيه a شكل (2) قرار دارد.اتلاف سوپر الاستيسته آلياژ در منطقه HAZ كم است. در ناحيه b اين اتلاف كمي بيشتر شده و در ناحيه C افزايش اتلاف قابل ملاحظه است. لذا با كنترل مناسب ميزان حرارت ورودي مي توان خاصيت سوپر الاستيسته و حافظه داري آلياژ TINI را در حد مطلوب نگه داشت.
ريز ساختار اتصال غير همجنس:(1)
همانطور كه در شكل هاي ريز ساختاري منطقه لحيم مشاهده مي شود (شكل 8) فيلد نقره اي قابليت تر كنندگي خوبي بر روي هر دو فلز پايه داشته است ولي لايه
ديفيوژني در فولاد ضد زنگ عميق تر است كه اين دليلي براي شكست لحيم از فصل مشترك فيلد و آلياژ TINI مي باشد.
با افزايش حرارت ورودي منطقهhaz آلياژ TINI دانه درشت تر شد كه اين مي تواند دليل كاهش شديد سوپر الاستيسيته آلياژ در منطقه haz و همچنين كاهش استحكام آن باشد.
آزمايش اشعه X نشاندهنده استحاله بخشي از ساختار B19 به B2 در ناحيهHAZ آلياژ TINI و بدليل حرارت بيش از حد مي باشد.
بررسي تاثير پارامترهاي لحيم سخت ليزر بر خاص اتصال:(2)
لحيم كاري با استفاده از ليزر ND:YAG انجام شد . بمنظور كاهش ناحيه HAZ در سمت آلياژ TINI اشعه ليزر در جهت لبه فولاد ضد زنگ متمركز گرديد.(شكل 9) ريز ساختار با استفاده از EDS,XRD,SEM انجام گرفت. خاصيت سوپر الاستيسيته آلياژ TINI در دماي اتاق و با دستگاه كششي يونيورسال بررسي گرديد.(شكل10)
آزمايش خش تا زاويه 90 درجه بمدت 30 ثانيه انجام شد. پس از برداشتن بار زاويه به B1 رسيده و سپس در آب جوش 100 زايه به B2 رسيد(شكل 11) . نرخ بازگشت فرم منطقه HAZ آلياژ TINI (B) با فرمول زير تعيين شد.
آزمايش ميكرو سختي با نيروي 96/1 نيوتن و زمان 30 ثانيه انجام شد تا اصلاحات ناشي از فرآيند ليزر بررسي شود.
ريز ساختاراتصال:(2)
شكل (12) ريز ساختار فيلد نقره اي را نشان مي دهد نتايج EDS,XRD (شكل 13 و جدول1)
نشان مي دهد كه ريز ساختار فيلد داراي محلول جامل X-AG با رنگ سفيد محلول جامد X-CU با رنگ سياه كه توسطX-AG ,AG3SN,AGZN,X-CU, CU41SN11,CU5ZN8 مي باشد. شكل 14 تركنندگي مناسب فيلد بر روي هر دو فلز پايه را نشان مي دهد . فصل مشترك هاي اتصال در دو سمت خلاف فاقد حفره است.
شكل 15 تركيب شيميايي را در قسمت درز اتصال نشان مي دهد. دانه بندي در اين قسمت ريز تر از قسمت فيلر متال اشت. فرآيند تبلور مجدد فيلر متال در شرايط غير تعادلي صورت گرفته و انازه دانه درز جوش با سرعت سرد شدن فيلر متال متناسب بوده است . با كاهش سرعت سرد شدن ميزان تحت تجديد كمتر شده و اندازه دانه درشت تر مي شود. با افزايش حرارت ليزر و زمان فرآيند سرعت سرد شدن فيلر كاهش مي يابد . كه باعث درشت دانه شدن فاز X-CU در قسمت درز جوش مي شود.در شكل 16 ريز ساختارهاي بدست آمده فلز پايه TINI و ناحيه HAZ نشان داده شده است . آناليزX-RAY در شكل 17 نشان مي دهد كه ناحيه HAZ آلياژ TINI حاوي فازهاي مخلوط B16,B2 در دماي اتاق است.
با افزايش حرارت توليد ليزر و افزايش زمان لحيم ريز ساختار ناحيهHAZ بسمت دانه درشتي مي رود.
ناحيهHAZ در فولاد ضد زنگ تنها حاوي فاز آشيت است كه با افزايش حرارت و زمان درشت دانه مي گردد.
خواص اتصال لحيم(2)
شكل 18 پروفايل ميكرو سختي را در فواصل مختلف از مركز لحيم و رد شرايط مختلف پارامتري نشان مي دهد. سختي در درز جوش پايين ترين ميزان را دارد و با افزايش فاصله بسمت هر يك از فلزات پايه ميزان سختي افزايش يافته است . افزايش حرارت ورودي و زمان لحيم كاري باعث كاهش سختي شده است . همچنين بطور واضح تغيير ات پارامتري تاثير شديد تري بر روي سختي ناحيهHAZ آلياژ TINI به نسبت ناحيهHAZ فولاد ضد زنگ دارد. دليل اين امر هدايت حرارتي بسيار كمتر آلياژ TINI به نسبت فولاد مي تواند باشد.
شكل 19 دياگرام هاي تنش كرنشي را براي ناحيهHAZ و فلز پايه TINI در شرايط مختلف لحيم كاري نشان مي دهد. همانطور كه مشاهده مي شودو در ناحيه HAZ و در حالت لحيم كاري با حرارت 70 وات و 20 ثانيه نمودار بار گذاري تقريبا مشابه نمودار فلز پايه است ولي نمودار در حالت برداشتن بار تفاوت زيادي با فلز پايه دارد و ميزان كرنش پسماند به 22/2 درصد رسيده است. دركل نتايج نشان مي دهد كه با افزايش حرارت ورودي و افزايش زمان لحيم كاري سوپر الاستيسيته TINI در ناحيهHAZ كاهش مي يابد و اين كاهش در حرارت هاي بيش از 60 وات و زمان بيش از 15 ثانيه تشديد مي شود.
كاهش سوپرالاستيسته در ناحيهHAZ آلياژ TINI را مي توان به ساختار هاي دانه درشت نسبت داد. لذا در كل كاهش حرارت ورودي و زمان لحيم كاري نتايج مطلوب تري را به دنبال خاهد داشت.
در جدول 2 نتايج مربوط به آزمايش خش در فلز پايه و منطقهHAZ آلياژ TINI در شرايط مختلف جوشكاري آمده است نرخ بازگشت فرم (B) براي فلز پايه در دماي 100 در حدود 6/99 درصد است در حالي كه اين كميت در ناحيهHAZ با افزايش حرارت ورودي و زمان فرآيند بطور پيوسته كاهش يافته است. اين بدان معناست كه در كل افزايش حرارت ورودي و زمان لحيم كاري باعث تضعيف خاصيت هشمندي آلياژ TINI مي گردد. همچنين در حين گرم و سرد شدن سريع استحاله B2-B19 كه همراه با درشت شدن دانه هاست در منطقه HAZ اتفاق مي افتد كه تضعيف خاصيت حافظه داري آلياژ TINI را به اين مساله نيز مي توان نسبت داد.
بررسي خواص خوردگي اتصال در بزاق دهان ساختگي (3)
بمنظور بررسي خواص خوردگي اتصال آزمونهاي غوطه وري و پتانيدو ديناميك در محلولهاي مصنوعي بزاق دهان انجام گرفت . نتايج بدست آمده با نتايج مربوط به آزمايش نمونه هاي جوش داده نشده مقايسه گرديد تا تفاوت درستي در رابطه با ميزان كارايي لحيم ليزر در توليد يك اتصال مناسب انجام شود.
پيش از انجام لحيم سطح دو فلز با سمباده SIC شماره 600 پرداخت شده و سپس در حمام استن تحت اولتراسونيك تميز كاري نهايي آنها انجام گرفت. در اين تحقيق اتصالي مورد آزمايش قرار گرفت كه با ليزر 60 واتي و در زمان 15 ثانيه لحيم كاري آن انجام شده بود.
لحيم حاصل بمدت 30 روز در محلول ساختگي بزاق دهان با دماي 37 بصوردت غوطه ور نگه داري شد. د محلول با PH هاي 0/6و 0/6 براي اين كار در نظر گرفته شدند. پس از اتمام دره 30 روزه قطعه ها از محلول خارج شده و پس از تميز شدن
وزن آنها اندازه گيري و ميزان خوردگي تعييت گرديد. ريز ساختار حاصل پس از خوردگي نيز با استفاده از ميكروسكوپ نوري SEM طيف سنجي EDS بررسي شد. سلول الكترو شيميايي مورد استفاده براي بررسي رفتار پتانسيو ديناميكي لحيم يك سلول حاوي سه الكترود بود كه يك الكترود فرآيندي يك الكترود مرجع اشباع شده كالومل SCE و يك الكترود پلاتينه بود.
مشخصه هاي خووردگي دو فلز پايه و قسمت اتصال(3)
در جدول 3 نتايج تغييرات وزني دو فلز پايه . فيلد متال و موضع اتصال پس از آزمون غوطه وري آمده است. كاهش وزن و خوردگي آلياژ TINI به نسبت بيش از فولاد ضد زنگ بوده است. افزايش وزن فيلد و محل اتصال بعلت چسبيدن محصولات خوردگي سياه رنگ و سبز رنگ به فيلد و محل اتصال صورت گرفته است. ميزان خوردگي با PH متناسب بوده و همراه با كاهش PH ميزان خوردگي افزايش يافته است. با توجه به ميزان خودرگي فولاد و آلياژ TINI ميزان افزايش وزن فيلد و اتصال در محلول PH بيش از 2 برابر ميزان افزايش وزن در مجاور ت محلول PH 6 بوده است در شكل 20 مورفولوژي سطظوح نمونه ها پيش از غوطه وري و پس از غوطه وري در محلول داراي PH 5 نشان داده شده است.
نتايج نشان مي دهد كه هر دو فلز پايه دچار خوردگي با مشخصات خوردگي موضعي و حفرده دار شدن گشته اند در حاليكه فيلد متال دچار خوردگي يكنواخت شده است . سطح آلياژ TINI بدترين حالت خسارت را دارد كه در آن حفرات متعددي مشاهده مي شوند هر چند اندازه آنها كوچك تر از حفرات موجود روي سطح
فولاد است. شكل مربوطه به مورفولوژي سطح قسمت اتصال نشان مي دهد كه محل اتصال فيلد با دو فلز پايه قسمت X مرجع براي خورده شدن است.
جدول 4 نتايج آزمون خش آمده است. هر چند نرخ بازگشت فرم براي هر دو قسمت فلز پايه و HAZ آلياژ TINI پس از خوردگي كاهش يافته است ولي ميزان كاهش اين نرخ در فلز پايه بيش از ناحيه HAZ بوده است كه اين ناشن مي دهد تاثير مخرب محيط خورنده بزاق دهان بيشتر بر فلز پايه است تا بر ناحيهHAZ .
جدول 5 و شكل 22 خواص مكانيكي و مورفولوژي سطح شكست نمونه ها را قبل و بعد از غوطه وري نشان مي دهد. خوردگي در محلول ساختگي بزاق تاثير ناچيزي بر خاص مكانيكي فولاد ضد زنگ داشته است. سطح شكست فولاد قبل و بعد از خوردگي داراي حفرات نشاند هنده شكست نرم است. ميزان كاهش استحكام و تغيير طول نيز كم بوده است . در مقابل سطح شكست آلياژ TINI بيش از خوردگي داراي حفرات هم حري شكست واكتيل است ولي پس از خوردگي مدل هاي تفكيك شده شكست روي سطح اين آلياژ مشاهده مي شود. قسمت هاي ترد همراه با ترك ها مشاهده مي شوند. بدين ترتيب استحكام كششي و فرم پذيري آلياژ به ترتيب به 9/85% و 4/76% قبل از خوردگي رسيده است.
در قسمت لحيم علي رغم كاهش خواص مكانيكي پس از خوردگي استحكام كششي 315 مگا پاسكال و ميزان تغيير فرم 7 درصد بدست آمد. شكست لحيم خورده شده در مركز لحيم اتفاق افتاده شكل 21G ساختار ريختگي فيل متال را نشان مي هد . در مقابل شكست پس از خوردگي در قسمت مجاور فلز پايه TINI صورت گرفته
مخلوطي از شكستهاي نرم و ترد مشاهده مي شود كه احتمالا ناشي از خوردگي لايه هاي فصل مشترك .
رفتار پتانسيودنياميكي الكتروشيميايي:(3)
سختي هاي پلاريزاسيون فولاد آلياژ TINI فيلد متال اتصال در محلول هاي با PH 5 و 6 در شكلهاي 22 و 22 B رسم شده است. همچنين پتانسيل الكتروشيميايي هر كدام از آنها در جدول 6 آمده است. پتانسيل بالاتر و چگالي شدت جريان كمتر نشاندهنده خواص خودرگي مطلوب تر است. همانطور كه مشخص است طبق نتايج فولاد ضد زنگ بالا ترين مقاومت خوردگي را دارد مقامت خوردگي آلياژ TINI نيز كمي بيش از قسمت اتصال است. مقاومت خوردگي فيلد متال نسبت به تمامي اجزا به نسبت پايين تر بده است. در PH كمتر . مقاومت خوردگي كاهش يافته است كه با نتايج تجربي حاصل از آزمايش غوطه وري مطابق است.
به نظر مي رسد عيوب ناشي از فرآيند توليد محل هاي ترجيحي براي خوردگي آلياژ TINI باشد چرا كه در اين مكانها تنش سمباده بيشتر و لايه محافظ TiO2 داراي ناپيوستگي است.
مقاومت خوردگي ضعيف فيلد متال را مي توان به ساختارهاي جدايشي درشت دانه عيوب ريختگي ناشي از انجماد و تفاوت كميت هاي الكترو شميميايي بين ساختارها مربوط دانست . شكل 23 ريز ساختار فيلد متال و محل اتصال را نشان مي دهد. در ساختار فيلد متال پتانسيل الكترودي محلول جامد X-AG (سفيد رنگ) بيش از پتانسيل محلول جامد X-CA (سياه رنگ) است در نيجه فاز X-CU بعنوان آند عمل كرده و خورده مي شود.
حتي تركيبات تشكيل شده روي سطح فيلد متال نيز آن را در مقابل فرسايش مقاوم نمي كنند. چرا كه ساختار آنها داراي فشردگي كمي است. محل اتصال با داشتن پتانسيل الكترشيميايي كمتر بعنوان آند عمل كرده و قبل از دو فلز پايه دچار خوردگي و فرسايش مي شود.
در كل خوردگي سيمهاي ارتودنسي از جنس آلياژ TINI سازگاري بيولوژيكي ماده را تحت تاثير قرار داده و باعث ايجاد حساسيت هاي مختلف مي شود كه به نظر مي رسد در اثر آزاد شدن يون هاي نيكل باشد.
نتايج و جمع بندي نهايي:
1)حرارت ورودي ليزر تاثير قابل ملاحظه اي به استحكام كششي اتصال لحيم آلياژ TINI با فولاد ضد زنگ دارد.حرارت ورودي بيش از حد زياد و بيش از حد كم بدليل ايجاد پيوندهاي متالوژيكي ضعيف بين TINI و فلز پايه و همچنين دانه درشت شدن منطقه HAZ در TINI وباعث كاهش استحكام اتصال مي شود.
2)از دست رفتن خاصيت سوپر الاستسيته در منطقه HAZ آلياژ TINI با افزايش حرارت ورودي بيشتر مي شود كه دليل آن درشت دانه شدن و استحاله جزئي فاز B19 به B2 است.
3)افزايش حرارت ورودي و زمان لحيم كاري باعث درشت شدن دانه ها كاهش مقدرا ميكروسختي در ناحيهHAZ مي شود.
4)نرخ بازگشت تغيير فرم فلز پايه TINI بالاست ولي اين نرخ براي منطقه HAZ آلياژ TINI با افزايش حرارت ورودي و زمان لحيم كاري از 6/91% به 1/62% مي رسد . تاثير پارامترهاي لحيم سخت ليزر بر هوشمندي آلياژ TINI را مي توان ناشي
از دانه درشت شدن دانست لذا كاهش حرارت ورودي و زمان لحيم براي رسيدن به خواص سوپر الاستيسته و حافظه داري بهتر آلياژ مطلوب است .
5)مقاومت خوردگي اتصال لحيم كارس شده با ليزر در محلل ساختگي بزاق دهان بطور قابل ملاحظه اي بهتر از فيلد متان تقيريبا نزديك به آلياژ TINI است ولي از مقاومت خوردگي فولاد ضد زنگ كمتر است.
6)مقاومت خوردگي نمونه ها با كاهش PH كم شده نرخ از دست دادن جرم بيشتر پتانسيل الكترودي كم تر و چگالي جريان بيشتر مي گردد.
7)خوردگي در هر دو فلز پايه TINI و فولاد ضد زنگ بصورت حفره اي است ولي در قسمت اتصال خوردگي بصورت يكنواخت است. فصل مشترك هاي بين لحيم و فلزات پايه مكان ترجيحي خوردگي است.
8)استحكام كششي و خاصيت حافظه داري اتصال توليد شده توسط لحيم ليزر طي خوردگي كاهش نا محسوسي دارد.
9)هر چند فلز پايه TINI و فولاد ضد زنگ هر دو در محيط محلول ساختگي بزاق دهان دچار خوردگي حفره اي شدند با اين وجود اين دو جزء در نمونه لحيم كاري شده با توجه به مكانيزم حفاظت كاتدي دچار كمترين ميزان خوردگي شدند . كه اين امر عاملي مفيد براي جلوگيري از واكنشها ي آلرژيك محسوب مي شود. با اين وجود منطقه اتصال دچار خوردگي شده باعث آزاد شدن برخي تركيبات مي گردد. كه باي سلامت بدن مي تواند مضر باشد.لذار دركل مي بايست بررسي هاي كافي بمنظور كاهش ميزان خوردگي منطقه اتصال انجام شود تا ايمني به هنگام استفاده بعنوان سيم ارتودنسي دندان تا حد امكان تضمين شود.

فایل : 14 صفحه

فرمت : Word