گذار فاز

دلیل مطالعه استحاله فازها[Phase Transformation] چیست؟

توسعه و ایجاد برخی خواص مکانیکی مطلوب در یک ماده اغلب در اثر استحاله فازها ناشی از عملیات حرارتی امکانپذیر است. وابستگی زمانی و دمایی برخی از استحاله‌های فازی به سادگی در نمودارهای فازی اصلاح شده ارائه شده‌است.

مقدمه

خواص مکانیکی و سایر مشخصه‌های بسیاری از مواد به ریزساختار آن‌ها بستگی دارد که اغلب در اثر استحاله فازها ایجاد می‌شود.

استحاله فازها در فلزات

یکی از دلایل همه‌کاره بودن مواد فلزی، قرار گرفتن در گستره وسیعی از خواص مکانیکی است که می‌توان با روش‌های مختلفی آن را تنظیم کرد یا تغییر داد. سه مکانیزم استحکام دهی ریز کردن اندازه دانه، استحکام دهی محلول جامد و کرنش سختی از جمله آن روش‌ها است.
توسعه ریزساختار در آلیاژهای تک فاز و دوفاز معمولاً با برخی استحاله‌های فازی یعنی تغییر در تعداد یا مشخصه فازها همراه است. به دلیل آنکه بسیاری از استحاله‌های فازی به صورت آنی اتفاق نمی‌افتد توجه خاصی به وابستگی پیشرفت واکنش به زمان یا نرخ استحاله می‌شود.[Transformation rate]

مفاهیم اساسی

استحاله فازهای مختلفی در فرآوری مواد مطرح می‌باشند و معمولاً شامل تغییرات ریزساختاری هستند. به این دلیل، این استحاله‌ها به سه گروه تقسیم می‌شوند. در یک گروه، استحاله ساده وابسته به نفوذ قرار دارد که طی آن هیچ تغییری در تعداد یا ترکیب فازهای موجود ایجاد نمی‌شود. این استحاله‌ها شامل انجماد فلزات خالص، استحاله‌های آلوتروپی و تبلور مجدد و رشد دانه است.
در نوع دیگری از استحاله وابسته به نفوذ، برخی تغییرات در ترکیبات فازی و اغلب در تعداد فازهای موجود صورت می‌گیرد، ساختار نهایی حاوی دو فاز می‌باشد.
سومین نوع استحاله، فاقد نفوذ است و در آن یک فاز شبه پایدار تولید می‌شود. استحاله مارتنزیتی که در برخی آلیاژهای فولادی صورت می‌پذیرد در این گروه قرا می‌گیرد.

سینتیک استحاله فازها

در اثر استحاله فازی، معمولاً حداقل یک فاز جدید تشکیل می‌شود که مشخصه‌های فیزیکی/ شیمیایی و ساختار متفاوتی نسبت به فاز مادر دارد. همچنین بسیاری از استحاله‌های فازی به صورت آنی روی نمی‌دهد. این دگرگونی با تشکیل تعدادی ذرات کوچک فازهای جدید آغاز می‌شود و با پیشرفت دگرگونی، اندازه این ذرات افزایش می‌یابد. پیشرفت استحاله فازی را می‌توان به دو مرحله جوانه زنی[Nucleation] و رشد[Growth] تقسیم کرد. جوانه زنی شامل نمایان شدن ذرات بسیار ریز، یا جوانه فاز جدید است (معمولاً حاوی چندصد اتم است) که قادر به رشد می‌باشد. در حین مرحله رشد، اندازه این جوانه‌ها افزایش می‌یابد که موجب محو شدن مقداری از (یا همه) فاز مادر می‌شود. در صورتی که به ذرات فاز جدید اجازه رشد داده شود و کسر تعادلی حاصل شود، استحاله کامل می‌گردد.

جوانه زنی

دو نوع جوانه زنی همگن[Homogeneous] و ناهمگن[Heterogeneous] وجود دارد، تفاوت این دو نوع با توجه به مکان جوانه زنی آن‌ها تعیین می‌شود. در نوع همگن، جوانه‌های فاز جدید به صورت یکنواخت در سرتاسر فاز مادر تشکیل می‌شود و در نوع ناهمگن، جوانه‌ها به وصرت ترجیحی در غیریکنواختی‌های ریزساختار، نظیر برآمدگی‌های سطحی، ناخالصی‌های نامحلول، مرزدانه‌ها، نابجایی‌ها و… تشکیل می‌گردد.

حالات شبه پایدار و تعادلی در استحاله‌های فازی

استحاله‌های فازی می‌توانند در اثر تغییر در دما، ترکیب و فشار خارجی در سیستم‌های آلیاژی فلزی ایجاد شوند؛ البته تغییرات دمایی با استفاده از عملیات حرارتی، آسان‌ترین روش جهت ایجاد استحاله فازها است. این امر به منزله عبور از یک مرز فازی در نمودار فازی ترکیب- دما به هنگام سرمایش یا گرمایش یک آلیاژ با ترکیب معین است.
در حین استحاله فازی، آلیاژ می‌تواند به یک حالت پایدار دست یابد که این حالت توسط نمودار فازی و برحسب فازهای تولیدی، ترکیبشان و مقادیر نسبی آن‌ها مشخص می‌شود. بسیاری از استحاله‌های فازیبه زمان محدودی جهت تکمیل فرایند نیاز دارند و سرعت یا نرخ دگرگونی نیز در ارتباط میان عملیات حرارتی و توسعه ریزساختار نقش مهمی ایفا می‌کند. یکی از محدودیت‌های نمودارهای فازی، عدم توانایی آن‌ها در مشخص کردن زمان لازم جهت رسیدن به تعادل است.
نرخ رسیدن به تعادل برای سیستم‌های جامد آنقدر آهسته است که ساختارهای تعادلی واقعی به ندرت حاصل می‌شود. وقتی استحاله‌های فازی در اثر تغییرات دمایی ایجاد می‌شود، شرایط تعادلی تنها در حالتی حفظ می‌شود که گرمایش یا سرمایش در نرخ‌های بسیار آهسته و غیرعملی انجام می‌شود. در مواردی غیر از سرمایش تعادلی، دگرگونی‌ها به سمت دماهای پایین‌تر می‌روند اما در گرمایش جابجایی به سمت دماهای بالاتر است. این پدیده‌ها به ترتیب فوق تبرید و فوق گداز[Superheating] نامیده می‌شود و میزان هر یک به نرخ تغییر دما بستگی دارد؛ هرچه سرعت گرمایش یا سرمایش بیشتر باشد، فوق تبرید یا گرمایش نیز بیشتر است. برای مثال در نرخ‌های سرمایش معمولی، واکنش یوتکتوید آهن- کربن به حدود ۱۰ تا ۲۰ درجه سانتی گراد کمتر از دمای دگرگونی تعادلی منتقل می‌شود.
در بسیاری از آلیاژهای مهم صنعتی، حالت ریزساختار ترجیهی شبه پایدار است که در میان حالات اولیه و تعادلی سیستم قرار دارد؛ گاهی اوقات ساختاری که فاصله بسیاری با حالت تعادلی دارد ترجیح داده می‌شود؛ بنابراین بررسی اثر زمان بر استحاله فازها مهم است. این اطلاعات سینتیکی در بسیاری از موارد، اهمیت بیشتری نسبت به حالت تعادلی نهایی نیز دارند.

تغییرات ریزساختاری و خواص آلیاژهای آهن- کربن

بسیاری از قواعد اساسی دگرگونی‌های حالت جامد، اکنون در مورد آلیاژهای آهن- کربن و برحسب ارتباط میان عملیات حرارتی، توسعه ریزساختار و خواص مکانیکی به کار گرفته می‌شود. این سیستم به این دلیل انتخاب شده‌است که پرکاربرد و مشهور بوده و محدوده گسترده‌ای از ریزساختارها و خواص مکانیکی در آلیاژهای آهن- کربن ایجاد می‌شود.

نمودار استحاله‌های هم دما

پرلیت
واکنش یوتکتوید را در سیستم آهن- کاربید آهن، به واکنش اساسی در توسعه ریزساختار در آلیاژهای فولادی است. در اثر سرمایش، آستنیت با مقدار کربن متوسط، به فریت با مقدار کربن بسیار کمتر و سمنتیت با مقدار کربن بسیار بیشتر استحاله می‌شود. پرلیت یکی از ریزساختارهای حاصل از این دگرگونی است.
بینیت [Bainite]
علاوه بر پرلیت، ریز ترکیبات دیگری نیز که از محصولات استحاله آستنیتی اند، وجود دارند یکی از آن‌ها بینیت نام دارد. ریزساختار بینیت شامل فازهای فریت و سمنتیت است و بنابراین فرآیندهای نفوذی در این استحاله حضور دارند. بینیت به صورت سوزنی یا صفحه‌ای تشکیل می‌شود که نوع آن وابسته به دمای دگرگونی است؛ اجزاء ریزساختاری بینیت آنقدر ریز است که با میکروسکوپ الکترونی قابل مشاهده‌اند. فازی که سوزن‌ها را احاطه کرده، مارتنزیت است. علاوه بر این، هیچ فاز پرویوتکتویدی همراه با بینیت تشکیل نمی‌شود.
استحاله‌های پرلیت و بینیت کاملاً رقابتی هستند و وقتی یک بخش از آلیاژ به پرلیت یا بینیت تبدیل می‌شود، تبدیل به دیگری، بدون گرمایش مجدد جهت تشکیل آستنیت امکان‌پذیر نیست.
پرلیت کروی[Spheroidite]
اگر فولادی که حاوی ریزساختارهای پرلیت یا بینیت است تا دمایی زیر دمای نقطه یوکتوید گرم شود و به مدت طولانی- مثلاً در۷۰۰ درجه سانتی گراد به مدت ۱۸ تا ۲۴ ساعت نگهداری شود، ریزساختار دیگری تولید خواهد شد. این ریزساختار پرلیت کروی نام دارد.
مارتنزیت
به هنگام سرمایش سریع (کونچ) آلیاژهای آهن- کربن آستنیته شده تا دماهای نسبتاً پایین (تقریباً دمای محیط)، فاز یا ریز ترکیب مارتنزیت تشکیل می‌شود. مارتنزیت یک ساختار تک فاز غیرتعادلی است که از یک استحاله غیرنفوذی آستنیتی نشأت می‌گیرد. می‌توان گفت که این دگرگونی در رقابت با پرلیت و بینیت است.
استحاله مارتنزیتی هنگامی روی می‌دهد که نرخ کونچ آنقدر سریع است که از نفوذ کربن جلوگیری می‌کند. هرگونه نفوذ کربن موجب تشکیل فازهای فریت و سمنتیت می‌شود. از آنجا که در استحاله مارتنزیتی نفوذ وجود ندارد، می‌توان گفت که به صورت آنی انجام می‌شود. دانه‌های مارتنزیت با نرخ بسیار سریعی جوانه زده و رشد می‌کنند. سرعت این جوانه زنی و رشد برابر سرعت صوت در زمینه آستنیتی است؛ بنابراین نرخ استحاله مارتنزیتی، در همه شرایط مستقل از زمان است.
ازفولادهای مارتنزیتی/ فریتی در مواد دیگ‌های بخار و توربین، در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود و همچنین ویژگی‌های خوبی جهت استفاده در موادسازه راکتورهای هسته‌ای را دارا هستند. براساس تحلیلرهای سینتیکی در حین استحاله مارتنزیتی فولادها رشد وابسته به دما[Thermal-activated growth] اتفاق می‌افتد. ریزساختار را به وسیلهٔ بهینه‌سازی ترکیب و تغییر پارامترهای عملیات حرارتی (دما، زمان، ایجاد تغییرشکل کم و زیاد) می‌توان بهینه کرد.