پایان نامه - مقاله - تحقیق

پلیمرهای با عملکرد بالا طبقه­ی مهمی از پلیمرها هستند که کاربردشان پیوسته در حال گسترش است که این کاربردها اغلب خواستار ترکیباتی مناسب و دارای خواصی مثل استحکام بالا، فرایندپذیری بالا ، چقرمگی، پایداری شیمیایی و حرارتی برجسته و ثابت دی­الکتریک کم می­باشند. پلی­آمیدها، پلی­ایمیدها و پلی(آمید-ایمید)ها به خاطر داشتن چنین خواصی توجه هستند اما  این دسته از پلیمرهای آروماتیک در سنتز و فراورش مشکل حل پذیری کم و دمای انتقال شیشه­ای (Tg) بالا را دارند. امروزه پژوهش های عملی و بنیادی روی افزایش فرایندپذیری و انحلال پذیری پلی‌آمیدهای آروماتیک متمرکز شده است تا کاربرد حرفه ای و صنعتی این پلیمرها افزایش یابد که از جمله این اصلاحات می توان به واردسازی اتصالات انعطاف‌پذیر در زنجیره‌های پلیمری، تعبیه گروههای حجیم در پیکره پلیمرها، حضور حلقه های هتروسیکل و همچنین حلقه های آویزان هتروآروماتیک در ساختار پلیمرها اشاره کرد. همچنین قرارگرفتن گروههای فلوئوردار در پیکره پلیمر، حل پذیری و عملکرد الکتریکی و دی الکتریکی پلیمر را افزایش میدهد که این افزایش به علت قطبش پذیری کم ، دوقطبی جزیی پیوندهای C-F و افزایش حجم آزاد می باشد. وجود گروههای هالوژنی مثل كلر و فلوئور پلیمرها را در برابر شعله، حلال، اسید و باز مقاوم می سازد كه باعث افزایش كاربرد آنها می شوند. از مهمترین این گروهها می توان به گروههای CF3 اشاره نمود که حضور این گروه برهمکنش های بین زنجیری را کاهش داده و با ایجاد سد چرخشی در پلی‌آمیدها حلالیت را تغییر می دهد. همچنین وجود واحدهای نفتالنی که گروههای آزادکننده الکترون مثل اتر یا آمین دارند و به عنوان یک بخش سخت با خواص فتواکتیو مطرح هستند، خواص ویژه ای به پلیمر

 می دهند و می توانند حل پذیری و فرایندپذیری پلیمرهای مقاوم حرارتی را بدون كاهش قابل توجه مقاومت حرارتی افزایش بدهند.

1-1- پلی‌آمیدهای آروماتیک با عملکرد بالا

توسعه پلیمرهای با عملکرد بالا از سال 1950 به منظور استفاده در صنایع هوافضا و الکترونیک آغاز شد. اصطلاح عملکرد بالا به پایداری غیرعادی به هنگام قرار گرفتن در شرایط نامساعد و ویژگی هایی که پلیمرهای معمول را بهبود میدهند، اطلاق می‌شود. عمومی ترین مشخصات پلیمرهای باعملكرد بالا و مقاوم در برابر دما ماندگاری طولانی مدت (بیشتر از 1000 ساعت در˚ C177) ، دمای تجزیه حرارتی بالای ˚ C450،  سرعت کم افت وزنی در دماهای بالا، دمای انحراف گرمایی بالا، داشتن ساختارهای آروماتیک، خواص مکانیکی عالی و وجود بخش های سخت که باعث افزایش  (بیشتر از ˚ C200) می‌شوند، می‌باشد. بطور کل پلیمرهای مقاوم حرارتی برای استفاده در دماهای بالا، باید دارای ویژگی های زیر باشند:

الف- دمای ذوب )نرم شدگی)  بالا (Tm)

ب- مقاومت در برابر تخریب اکسایشی در دمای بالا

ج- پایداری در برابر عوامل شیمیایی و تابشی

د- مقاومت در برابر دیگر فرآیندهای حرارتی تخریبی )غیر اکسایشی(

مهمترین فاکتورهایی که باعث عملکرد بالا و مقاومت گرمایی پلیمرها می‌شوند عبارتند از استحکام پیوندهای اصلی، پایدارسازی رزونانسی، نیروهای پیوندی ثانویه ( پیوند هیدروژنی، واندروالس، برهمکنش های قطبی و غیره)، توزیع وزن مولکولی، تقارن مولکولی، اتصالات عرضی، خلوص، مکانیسم شکافتگی پیوند، ساختارهای بین زنجیری سخت و افزودنی ها یا تقویت كننده ها ( فیبرها، خاك رس، نانوذرات مختلف) [25].

پلی‌آمیدها در طبیعت بصورت پروتئین‌ها و الیاف طبیعی مانند ابریشم و پشم و بصورت سنتزی در الیاف مصنوعی و پلاستیك‌ها یافت می‌شوند. اولین توسعه مربوط به پلی‌آمیدها با كار كاروترز پدر شیمی پلیمر در آمریكا، در سال 1935 میلادی آغاز شد. كاروترز، با استفاده از واكنش هگزا متیلن دی‌‌آمین و آدیپیك اسید موفق به تهیه پلی‌(هگزا‌متیلن‌آدیپامید) شد كه بعدها توسط کمپانی دوپونت نام تجاری نایلون6،6 بر روی این پلی‌آمیدها نهاده شد.[19] پلیمرهای با عملکرد بالا بواسطه معیارهایی مثل میزان مقاوت گرمایی، استحکام مکانیکی، چگالی مخصوص پایین، قابلیت هدایت بالا، خواص گرمایی و الکتریکی بالا، و عایق بودن در برابر صدا و مقاومت شعله بالا توصیف می‌شوند. از اینرو پلی‌آمیدهای آروماتیک به دلیل خواص مکانیکی و گرمایی بالایشان به عنوان پلیمرهای با عملکرد بالا مطرح می‌شوند که در تکنولوژی های پیشرفته می‌توانند جایگزین ترکیباتی مثل فلزات و سرامیک ها گردند6-70-9-62] [.

جدیدترین، ساده ترین و معروف ترین پلی‌آمیدهای آروماتیک (آرامیدها) عبارتند از پلی پارافنیلن ترفتالامید (PPPT)  و پلی متا فنیلن ایزوفتالامید (PMPI)  که هر دوی آنها میتوانند به فیبرها سنتزی با مقاومت کششی بالا، مقاوم در برابر برش و شعله تبدیل بشوند. همچنین از آنها به عنوان پوشش، پرکننده و جلادهنده نیز استفاده می‌شود. از دیگر کاربردهای آنها می‌توان به استفاده در صنعت اسلحه سازی، تولید پارچه های پیشرفته، صنعت هوافضا و تولید کامپوزیت های پیشرفته، عایق سازی های الکتریکی، سپرهای ضد گلوله، فیلترهای صنعتی، لباس ها و محافظ های ورزشی نیز اشاره کرد. دمای انتقال آرامیدهای تجاری، که بالاتر از دمای تجزیه آنهاست، و همینطور حل پذیری ضعیف آنها در حلال های آلی متداول، باعث شده که کاربرد آنها محدود و فرایند پذیری شان مشکل باشد[61].

پلی‌آمیدهای آروماتیك تجاری

پلی‌آمیدهای تمام آروماتیک، پلی‌آمیدهای سنتزی هستند که که حداقل 85% گروه های آمید در آنها مستقیم به دو حلقه آروماتیک متصل هستند.[70] نایلون 6،6 از جمله پلیمرهای مهندسی میباشد که دارای استحکام کششی و قابلیت مفتول­شدن بالا، مقاومت شیمیایی خوب، ضریب اصطحکاک کم، عایق الکتریکی خوب و فراورش آسان می­باشد. البته، این پلیمرها معایبی مانند، جذب رطوبت بالا، پایداری ابعادی کم، دمای تجزیه حرارتی کم و به خصوص آتش­گیری آسان را دارند. دماهای گداز بسیار بالا در آرامیدهای تجاری که بالای دمای تجزیه­شان واقع می­شود و حلالیت پایین­ آنها در محلول­های آلی معمول، باعث سخت شدن فرایند پذیری آنها شده و کاربردشان را محدود می­کند. در نتیجه، پژوهش های پایه­ای و کاربردی اخیر بر روی بهبود فرآیندپذیری و حلالیت آن­ها تمرکز دارد به این منظور که حوزه­ی کاربردهای تکنولوژیکی این مواد را گسترش دهند. شکل 1-1 ساختمان پلی پارا فنیلن ترفتالامید و پلی متا فنیلن ایزوفتالامید را نشان می‌دهد که آرامیدهای تجاری هستند.

 اولین آرامید با جهت گیری تمام پارا، پلی پارا بنزآمید (PPBA) (Fiber B®) بود.  PPBA در سال 1970 بوسیله PPPT با نام تجاری کولار جایگزین شد. بسپارش تراکمی آنها در دماهای پایین و در محلول ترفتالویین دی کلرید و پارافنیلن دی آمین در هگزا متیل فسفرآمید انجام گرفت. بعدها از N-متیل 2 پیرولیدون و  برای انجام واکنش استفاده شد.

کارایی بالای کولار ناشی از ساختمان شیمیایی آن می‌باشد. ساختارهای تمام آروماتیک با استخلاف های تمام پارا، ماکرومولکولهای میله مانند را ایجاد می‌کنند که انرژی همدوسی بالایی دارند و به علت پیوندهای هیدروژنی درون مولکولی تمایل زیادی به متبلور شدن دارند. فیبرهای کولار می‌توانند به کامپوزیت ها و موادی با مقاومت مکانیکی و گرمایی عالی  تبدیل شوند.

پلی‌آمیدهای تمام آروماتیک با جهت گیری متا  درحلقه فنیلین مثل PMPI  ساختارهای کمتر خطی دارند  و یک کاهش پیوسته در انرژی چسبندگی و تمایل‌شان به بلورینگی دیده می‌شود. این پلی‌آمید یک پلیمر با عملکرد بالا با مقاومت مکانیکی و گرمایی بالا می‌باشد که در سال 1967 تحت نام تجاری نومکس معرفی شد.

علاوه بر این هم بسپارش TCP با PPD و 3،4-دی آمینو دی فنیل اتر (ODA) منجر به ایجاد یک پلیمر نسبتا انحلال پذیر ODA/PPPT با نام تجاری تکنورا technora می‌شود(شکل1-1). عدم تقارن مونومر ODA و هم بسپارش، منجر به تولید پلیمری با نظم ساختاری و انرژِی همدوسی کمتر می‌شود [10-45-60-74]. در جدول 1-1 خلاصه ای از ویژگی­های فیزیکی الیاف­های آرامیدی تجاری (­پارامترهای شبکه بلوری، چگالی، درصد رطوبت متعادل، ویژگی­های کششی در دماهای اتاق و بالا، ویژگی­های حرارتی و مقاومت شیمیایی­) و ویژگی­های فیلم­های آرامیدی تجاری نمایش داده شده است. همگی این پلیمرها دارای مقاومت حرارتی بالایی می‌باشند، و این امر نشان می‌دهد که  حضوریک پلیمر در صنعت نیازمند مقاومت حرارتی بالای آن پلیمر است. پایداری حرارتی، یکی از زمینه‎های نوین در علوم پلیمری می‎باشد [69] . خواص حرارتی در پلیمرها به قدری حائز اهمیت میباشد که هم اکنون دستگاهها و روشهای جدیدی جهت اندازه گیری این خواص در آزمایشگاهها وپژوهشگاههای پلیمر بکار گرفته شده و هر روزدرحال پیشرفت می‌باشند.

امروزه سطوح فوق­آبگریز با زاویه تماس بزرگ با آب (بزرگتر از °150) به علت ویژگی­های منحصر به فردشان همچون خواص دفع آب، ضد رسوب، مقاومت بالا به خوردگی و خودتمیز شوندگی علاقه روز افزونی را به خود جلب کرده­اند. محققان تلاش کرده­اند که ویژگی­های سطوح طبیعی با خاصیت آب­گریزی را تقلید کنند که از جمله این سطوح، برگ نیلوفر آبی[1] است. لازمه فوق آب­گریز بودن یک سطح، انرژی سطحی پایین و پیروی از الگوی زبری خاص در ابعاد میکرو و نانومتر است. دو مدل مشهور برای توصیف ترشوندگی سطوح، مدل ونزل[2] و مدل کاسی- باکستر[3] است. روش­های متنوعی برای ایجاد زبری و تولید سطوح­ فوق­آبگریز بکار رفته است که از جمله می­توان به اچ­کردن پلاسما، لیتوگرافی، اکسیداسیون آندی، سل ژل و رسوب­دهی الکتریکی اشاره نمود. اغلب روش­های مذکور پرهزینه هستند و به دلیل عملیات شیمیایی دشوار و فرایندهای چند مرحله­ای پیچیده به سادگی قابل استفاده در مقیاس­های صنعتی نمی باشند. در مقابل رسوب­دهی الکتریکی مزایایی نظیر آسان بودن، هزینه کم و شرایط کاری قابل کنترل برای تولید انبوه دارد. در سال­های اخیر، تحقیقات وسیعی روی ساخت سطوح فوق­آبگریز فلزی به روش رسوب­دهی الکتریکی صورت گرفته است. محققین مشاهده کردند که برای فوق­آبگریز شدن پوشش، مورفولوژی پوشش باید به صورت ساختار سلسله مراتبی میکرو- نانو باشد. همچنین مشخص شد که مورفولوژی سطوح به شدت به شرایط پوشش­دهی از جمله چگالی جریان، مدت زمان الکترولیز، pH ، دما و ترکیب حمام پوشش­دهی بستگی دارد. برای ایجاد ساختار سلسله مراتبی مناسب به افزودن ترکیبات معینی به حمام پوشش­دهی نیاز است که این افزودنی­ها، اصلاح کننده کریستال نامیده می­شود. برای تهیه پوشش­های نیکل با مورفولوژی سلسله مراتبی اغلب از اتیلن­دی­آمونیوم دی­کلرید و به ندرت از آمونیوم کلرید استفاده شده است. تحقیقات انجام شده روی اثر اتیلن­دی­آمونیوم دی­کلرید نشان می­دهد که غلظت افزودنی روی مورفولوژی پوشش تاثیر قابل ملاحظه­ای دارد. مکانیسم افزودنی­های مذکور در فرایند رسوب­دهی الکتریکی مشخص نشده است و در تعداد کمی از تحقیقات تئوری­های رشد برای تشکیل ساختارهای سلسله مراتبی پیشنهاد شده است. انرژی سطحی کم پارامتر مهم دیگر برای ایجاد خاصیت فوق­آبگریزی است. عموماً سطوح فلزی با انرژی سطحی بالا به طور ذاتی آب دوست می­باشند، بنابراین برای ایجاد خاصیت فوق­آبگریزی روی فلزات نیاز به اصلاح

 سطح با مواد دارای انرژی سطحی کم است. بدین منظور در بیشتر موارد از مواد آلی کاهنده انرژی سطحی استفاده می­شود. در تحقیقات اخیر مشاهده شده است که پوشش­ها با مورفولوژی زبر مناسب با نگهداری در هوا فوق­آبگریز می­شوند. محققین مکانیسم­های متعددی برای این رخداد پیشنهاد کردند و توافقی در مورد مکانیسم افزایش زاویه تماس با زمان وجود ندارد.

با توجه به اینکه نقش اصلاح کننده کریستال در فرایند رسوب­دهی الکتریکی و ایجاد ساختار سلسله مراتبی مشخص نیست و پژوهش­های انتشار یافته­ای در این زمینه وجود ندارد، هدف از این تحقیق بررسی مکانیسم اصلاح کننده کریستال در فرایند رسوب­دهی الکتریکی می­باشد. همچنین تاثیر مقادیر مختلف اصلاح کننده کریستال روی میکروساختار از جمله مورفولوژی، توپوگرافی و بافت ، رفتار ترشوندگی و مقاومت به خوردگی پوشش­های نیکل بررسی می­شود.

این پایان نامه در پنج فصل تنظیم شده است. ابتدا در فصل دوم این پایان نامه مروری بر منابع صورت گرفته سپس در فصل سوم چگونگی انجام آزمون­ها و مواد و روش تحقیق آورده شده است. نتایج به دست آمده در فصل چهارم مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند و نهایتاً در فصل پنجم نتیجه­گیری و پیشنهادات ارائه شده است.

2.      فصل دوم
مروری بر منابع

2-1         معرفی و تاریخچه

بیش از 2000 سال پیش مشاهده شد که برخی از گیاهان دارای خاصیت خود­تمیز­شوندگی می باشند که به عنوان عامل نجات­بخش گیاه در محیط­های آلوده عمل می­کند. نیلوفر آبی، نمونه معروفی از این نوع گیاهان می­باشدکه معمولا در مرداب­ها و آب­های سطحی در شرق آسیا وشرق آمریکای شمالی رشد می­کند. مکانیسم ظهور این خاصیت به صورت راز باقی ماند تا زمانی که پیشرفت میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) در اواسط دهه 1960 میلادی صورت گرفت. مطالعات روی اکثر برگ­های گیاهان طبیعی در طول دهه گذشته آشکار کرد که سطح صاف ماکروسکوپی معمولا از زبری­های میکروسکوپی با مقیاس­های طولی مختلف تشکیل شده است و ساختار میکرو– نانوی سطح به همراه واکس اپیکیوتیکیولار باعث آبگریزی می­شود. این کشف به عنوان یک پیشرفت بزرگ در زمینه فوق­آبگریزی برای ساخت این سطوح به تقلید از طبیعت در نظر گرفته می­شود. علاوه­بر­این در سال 2007 میلادی به دو نوع میکرو ساختار سطحی عمده در برگ­های گیاهان با خاصیت فوق­آبگریزی پی برده شد که یکی ساختار سلسله مراتبی میکرو– نانو و دیگری ساختار میکرو الیاف است. این یک کشف حیاتی بود و به عنوان نقطه آغازی برای توسعه روش­های ساخت سطوح فوق­آبگریز به تقلید از سطوح فوق­آبگریز طبیعی محسوب می­شود. شکل ‏2‑1، الف و ب به ترتیب تصاویر SEM برگ نیلوفر­آبی با بزرگنمایی کم و زیاد است. همان­طور که مشاهده می­شود سطح برگ نیلوفر­آبی به طور یکنواخت با برآمدگی­ها و فرورفتگی­های 3- 10 میکرومتری بافت­دار شده است و این ساختار با مواد مومی آبگریز به اندازه 30- 100 نانومتری آراسته شده است. اعتقاد بر­این است که مشارکت این سلسله ساختار سطحی و مواد موم- مانند آبگریز دلیلی بر فوق­آبگریزی، یعنی زاویه تماسی حدود °162 می­باشد [1].

شکل ‏2‑2، تصاویر سطوح فوق­آبگریز طبیعی با ساختار میکرو الیاف را نشان می­دهد. شکل ‏2‑2، الف و ب مربوط به تصاویر SEM پشت برگ رامعی[7] را با زاویه تماس °159 است. طبق شکل مذکور، شمار زیادی الیاف­های کاملا نرم با قطر 1-2 میکرومتر به طور یکنواخت روی سطح توزیع شده­اند و ساختار واحدی را تشکیل داده­اند [1].

2-2        ترشوندگی سطوح جامد و اهمیت آن

ترشوندگی سطح جامد جزء ویژگی­های مهم آن می­باشد، چون کنترل ترشوندگی در بیشتر کاربرد­های عملی بسیار سخت است. بیان مستقیم این ویژگی به وسیله زاویه تماس[8] (CA) با سطح می­باشد. سطوح با زاویه تماس بزرگتر از °150، فوق­آبگریز نامیده می­شوند. این سطوح به دلیل ویژگی­هایی همچون ضد چسبندگی، ضد آلودگی و خود­تمیزشوندگی مورد توجه ویژه قرار دارند. این­ها ویژگی­های مطلوب برای کاربردهای صنعتی و زیستی همچون رنگ­های ضد لک برای قایق­ها، ضد چسبندگی برف به آنتن­ها و پنجره­ها، خود­تمیزشوندگی شیشه اتومبیل، پالایش فلز، پارچه­های ضد لک و پوشش­های معماری ضد گرد و غبار به شمار می­آیند [2].

مواد با سطح انرژی کم، برای مثال سطح با گروه­های فشرده شش وجهی 3-CF، زاویه تماس °120 با آب دارند. این سطوح به آسانی پاک می­شوند، اما ویژگی خود تمیزشوندگی ندارند. اما قطرات آب روی سطوح فوق­آبگریز طبیعی همچون برگ نیلوفرآبی به آسانی می­لغزد، بنابراین به عنوان حذف کننده آلودگی­ها عمل می­کنند. مکانیسم خود تمیزشوندگی برگ نیلوفرآبی مطالعه شده است. در فصل مشترک سیال چسبناک و سطح جامد، معمولا وضعیت مرز غیرلغزشی حکمفرماست. لغزش روی مرز در مقیاس چند ده نانومتری رخ می­دهد که در مقیاس ماکروسکوپی محسوس نمی­باشد. به هر حال، وقتی قطره­ای روی سطح فوق­آبگریز زبر کج شده به سمت پایین حرکت می­کند، لغزش ماکروسکوپی موثر روی مقیاس سازگار با ویژگی سطح رخ می­دهد. قطره آب در حال لغزش روی برگ نیلوفر آبی مانند توپ الاستیک رفتار می­کند نه یک سیال. در مورد سطح ­آبگریز معمول، به دلیل این­که وضعیت مرز غیرلغزشی قطرات آب در امتداد ذرات آلوده کننده قرار می­گیرند، این ذرات عمدتا در کناره­های قطرات قرار می­ گیرند و پشت قطره دوباره رسوب می­کنند (شکل ‏2‑3، الف). در مورد سطوح زبر دافع آب، فصل مشترک آب– جامد به کمترین حد می­رسد. آب، قطرات کروی تشکیل می­دهد و ذرات از سطح جمع می­شوند (شکل ‏2‑3، ب). لغزش قطرات آب و جمع شدن ذرات آلودگی از سطح برگ نیلوفر آبی، به اثر لوتوس[9] معروف است [2].

اقلیم به عنوان یکی از عوامل موثر در طراحی معماری همواره مورد توجه طراحان بوده و در گذشته دور نقش مهمی در معماری ساختمان ها داشت. در دوران مدرن تکنولوژی و صنعت روند استفاده از اقلیم را در معماری کند نمود، امروزه با آلودگی های به وجود آمده و شرایط و مشکلات اقتصادی که در مورد استفاده از انرژی به وجود آمده است، باید به فکر کاهش مصرف سوخت های فسیلی در ساختمان بود. بنابراین توجه به اقلیم در همه ابعاد، خصوصا در معماری ساختمان ها امری بدیهی است. لذا اولین قدم جهت معماری صحیح شناخت عوامل و عناصر اقلیمی می باشد. آب و هوا یکی از عناصر تاثیر گذار بر زندگی انسانهاست و مطالعه ویژگی های آب و هوا به عنوان یکی از اجزای اثر گذار طبیعت در زندگی انسان ضرورت دارد. در برنامه ریزی های معماری، یکی از مطالعات ضروری، مطالعات اقلیمی می باشد. برای بهبود راحتی و آسایش شهروندان، معماری باید با آگاهی از شرایط آب و هوایی منطقه طراحی شود. معماری و طراحی ساختمان همساز با اقلیم عبارت است از: نگهداری وضعیت میکروکلیماهای مسکن در محدوده آسایش. اما از زمانی که به دلیل پیشرفت های صنعتی امکان استفاده از تجهیزات مکانیکی برای سرمایش و گرمایش ساختمانها فراهم شد، معماری ایران نیز دچار تحول گردید و از حدود ۵۰ سال پیش در طراحی و اجرای ساختمانها به مسائل اقلیمی کمتر توجه شد. با شروع بحران انرژی در دنیا، در ایران نیز از حدود ٢۰ سال پیش لزوم توجه به مسائل اقلیمی در ساخت و ساز بناها مجددا مطرح گردید.

روشهایی که امروزه برای تحلیل وضیعت اقلیمی و تعیین ضوابط معماری همساز با اقلیم مورد استفاده قرار می گیرند توسط افرادی چون پن واردن، گیونی، ماهانی و… ارائه شده که غالبا متکی به آمار هواشناسی است اما در همه جای نقاط کشور ایستگاه هواشناسی موجود نمی باشد. در هر صورت ساختمانی که با محیط طبیعی خود هماهنگ یا به اصطلاح همسازی اقلیمی داشته باشد در بسیاری از مناطق کشور می تواند بدون نیاز به مصرف سوخت فسیلی و استفاده از وسایل کنترل مکانیکی، شرایط حرارتی مناسبی را در تمام طول سال به ساکنان خود عرضه نماید که تغییرات دما، رطوبت، جریان هوا و تغییر مداوم روشنایی فضاهای چنین ساختمانهایی محیط مطبوع و دلپذیری را در طول فصلهای سال برای ساکنان این ساختمانها فراهم می سازد، از نظر کنترل فضاهای داخل ساختمان، اولین گام در استفاده از انرژی های طبیعی، هماهنگ سازی ساختمان و به طور کلی محیط مسکونی، با شرایط اقلیم حاکم بر آن است (کسمایی، ۱٣٦٨). این هماهنگ سازی به دلایل زیر در حیطه کار جغرافیدانان قرار می گیرد:

۱ – اطلاعات اقلیمی مورد نیاز، اطلاعاتی است که اقلیم شناسان با آن آشنایی و سرو کار دارند.

٢ – اکثر محاسبات مورد نیاز همچون زاویه تابش، موقعیت خورشید و. . . در حیطه جغرافیای ریاضی است.

٣ – فرآیندهای طراحی ساختمانها حداقل از نظر مکانیابی در حیطه کار اقلیم شناسان قرار دارد.

۱ – ٢ – طرح مساله

موقیعت جغرافیایی و گردش عمومی جو هر منطقه تعیین کننده شرایط اقلیمی آن منطقه می باشد که این شرایط در طول زمان تثبیت شده و سبب می شود هر منطقه شرایط اقلیمی خاص خود را داشته باشد. تاثیر عناصر اقلیمی (دما، بارش، باد، تابش و رطوبت) بر ساختمان یکی از مقوله های کاربردی اقلیم است که در چند دهه اخیر مد نظر طراحان ساختمان قرار گرفته است، امروزه اهمیت و ضرورت توجه به شرایط اقلیمی در طراحی و ساخت کلیه ساختمانها، ثابت شده است. توجه به خصوصیات اقلیمی و تاثیری که در شکل گیری ساختمان می گذارند از دو جهت حائز اهمیت است: از یک سو ساختمانهای هماهنگ با اقلیم، یا ساختمانهای با طراحی اقلیمی، از نظر آسایش حرارتی انسان کیفیت بهتری دارند. از سوی دیگر هماهنگی ساختمان با شرایط اقلیمی موجب صرفه جویی در مصرف سوخت مورد نیاز جهت کنترل شرایط محیطی این گونه ساختمانها می شود. این بخش از هوا شناسی امروزه با توجه به عمر رو به زوال منابع انرژی فسیلی و گرانی انرژی در دنیا اهمیت زیادی یافته است و طراحان ساختمان با کمک اقلیم شناسان از حداکثر امکانات بالقوه اقلیمی هر منطقه جهت استفاده بهینه از منابع انرژی بهره می برند. یکی از عناصر اقلیمی بسیار مهم که در طراحی ساختمان باید به آن توجه کافی شود تابش آفتاب و تاثیر آن بر ساختمان می باشد نور خورشید همیشه برای ایجاد روشنایی طبیعی در ساختمان لازم است ولی از آن جا که این نور در نهایت به حرارت تبدیل می شود میزان تابش مورد نیاز برای هر ساختمان باید با توجه به نوع آن و شرایط اقلیمی محل آن با معماری صحیح تنظیم شود. جهت استقرار ساختمان در رابطه با تاثیر باد نیز  مهم می باشد که در اینجا بیشتر به باد های غالب توجه می شود که با توجه به جهت وزش باد ساختمان چگونه طراحی شود اقلیم معماری در تلاش است در هر منطقه با توجه به کاهش منابع تجدید نشدنی (نفت، گاز و . . .) نوع معماری را معرفی کند که از یک طرف استفاده از سوختهای فسیلی را به حداقل ممکن برساند و از طرف دیگر معماری متناسب با سازگاری اقلیمی را به همراه داشته باشد به همین دلیل اقلیم شناسان سعی دارند که از حداکثر امکانات بالقوه اقلیمی هر منطقه جهت استفاده بهینه از منابع انرژی بهره ببرند. در این تحقیق به بررسی الگوی بافت قدیم و جدید گنبد جهت بررسی میزان انطباق الگوهای مختلف معماری (قدیم و جدید) با شرایط اقلیمی خواهیم پرداخت، مساکن قدیمی بیشتر از از مصالح سنتی و بومی استفاده می کرده اند در صورتیکه مساکن جدید از آهن، سیمان، آجر و روش های جدید ساختمان سازی استفاده می کنند.

در این پژوهش سعی خواهد شد مناسب ترین الگوی معماری برای شهر گنبد براساس شاخص های اقلیمی مورد استفاده در تحقیق معرفی شود و در نهایت میزان انطباق معماری گذشته و معماری جدید با الگوهای مطلوب تحلیل گردد و همچنین ارائه راهکارهایی برای آسایش شهری در آینده در جهت پیشبرد استانداردهای معماری شهری گام نهاد و نتایج آن مورد استفاده ساکنین شهر و به لحاظ موضوعیت می تواند در اقتصاد منطقه، برنامه ریزی مدیران شهرداری، اداره مسکن و شهرسازی و. . .  قرار گیرد.

۱ – ٣ – سوالات تحقیق

۱ – چه الگوی معماری متناسب با اقلیم در شهرستان گنبد می باشد؟

٢ – اولویت طراحی معماری اقلیمی در شهرستان گنبد با کدام فصل است؟

۱ – ۴ – فرضیات

این تحقیق بر اساس پش فرض های زیر شکل گرفته است.

۱ – تیپولوژی معماری بافت قدیم شهر نسبت به بافت جدید شهر انطباق بیشتری با شرایط اقلیمی دارد.

٢ – در طراحی معماری اقلیمی اولویت با شرایط تابستان است.

۱ – ۵ – اهداف

هدف کلی از مطالعات حاضر، ارائه تصویری دقیق و جامع از ویژگی های منطقه مورد مطالعه در ارتباط با آسایش حرارتی انسان، به منظور مشخص ساختن میزان اهمیت توجه مطالعات اقلیمی در طراحی محیط های مسکونی و در نهایت ارائه دستورالعمل هایی جامع جهت طراحی فضاهای مسکونی است. البته اهداف این تحقیق را می توان به صورت جزئی تر به صورت زیر بیان نمود:

۱ – ارائه الگویی مناسب از معماری همساز با اقلیم جهت نیل به یک آسایش طبیعی.

٢ – ارائه و معرفی محاسن و معایب معماری قدیم.

٣ -ارائه و معرفی محاسن و معایب احتمالی موجود در ساختمانهای جدید.

۴ – ارائه روش های استفاده بهینه از پتانسیل های اقلیمی.

۱ – ٦ – روش تحقیق

در این پژوهش با توجه به مطالعه و بررسی تحقیقات انجام گرفته در این زمینه، و اهداف مشخص شده در فوق مراحل زیر به عنوان گام های تحقیق اتخاذ گردید.

الف – مطالعات کتابخانه ای شامل:

۱ -جمع آوری اطلاعات هواشناسی شهر گنبد در دوره آماری ٢۰ ساله (۱٩٩٣-٢۰۱٢) از ایستگاههای هواشناسی و سینوپتیک گنبد و بررسی و تحلیل آنها با استفاده از نرم افزار کامپیوتری Excle و Minitab .

٢ – جمع آوری منابع مورد نیاز در رابطه با تحقیق (کتاب، مجله، مقاله، آمار نامه ها و سایت های اینترنتی).

٣ – مطالعه شرایط زیست اقلیم شهر گنبد بر اساس روشهای الگی، پن واردن، ماهانی، گیونی.

ب – مطالعات میدانی شامل :

 ۱- انتخاب نمونه هایی از مساکن با الگوی طراحی قدیمی و جدید در منطقه مورد مطالعه.

٢ – بررسی میدانی سیمای شهر بر اساس اصول و مبانی طراحی شهری همساز با اقلیم.

٣ –  مقایسه الگوی معماری قدیم و جدید از لحاظ طراحی، جهت گیری و مصالح.

:

دیابت شیرین نوعی اختلال متابولیک است که بدن در آن توانایی استفاده از قند و چربی را از دست می دهد. این بیماری به علت اختلال در ترشح انسولین و یا مقاومت به انسولین به وجود می آید و در هر دو حالت موجب افزایش گلوکز خون(هیپرگلایسمی) و دفع گلوکز در ادرار(گلیکوزوری) می شود. دیابت از زمان های خیلی پیش شناخته شده است. این بیماری با علائم مشخصی مانند پلی اوری(افزایش میزان ادرار)، پلی دیپسی[12] (تشنگی زیاد)، پلی فاژی[13] (اشتهای زیاد) و کاهش وزن همراه است(2).

دیابت یکی از مشکلات جدی دنیای امروزاست. براساس گزارش فدراسیون بین المللی دیابت ، 246 میلیون بیمار مبتلا به دیابت در سراسر دنیا وجود دارد. شیوع بیماری دیابت به سرعت درحال پیشرفت می باشد، به طوری که انتظار می رود شمار بیماران در سال 2025 به 380 میلیون نفر افزایش پیدا کند (3).

دیابت با مشکلات کوتاه مدت مانند هیپوگلاسیمی و مشکلات بلند مدت همچون بیماری های قلبی وعروقی، نفروپاتی ، نوروپاتی و رتینوپاتی همراه است (4).

سلول های بتای جزایر لانگرهانس که مسئول ترشح انسولین هستند نسبت به میزان گلوکز موجود در خون حساس هستند و درپاسخ به افزایش یا کاهش می دهند.علاوه بر این سلول های بتای جزایر لانگرهانس ، در پاسخ به تغییرات اسیدهای آمینه اسیدهای چرب خون انسولین ترشح می کنند. ترشح انسولین توسط سیگنال های نورونی خاص ، هورمون ها و عوامل فارماکولوژیک تنظیم و تعدیل می شود. در افراد دیابتی نوع یک انسولین تولید نمی شود و یا مقدار آن به قدری کم است که برای کنترل قند خون کافی نیست(5).

دیابت ملیتوس (شیرین) به دو دسته اصلی دیابت نوع یک و دیابت نوع دو تقسیم می شود(6).

علامت دیابت نوع یک در اغلب موارد خود ایمنی نسبت به سلول های بتا است. دیابت نوع دو علت پیچیده تری دارد و سبب مقاومت بافت های عضلانی و چربی به انسولین ایجاد می شود (7).

درمراحل پایانی دیابت نوع دو، بافعال شدن چندین مرحله از سیکل آپوپتوز(مرگ برنامه ریزی شده) سلول های بتا دچار مرگ سلولی شده ودراثر فقدان انسولین ناشی از آن حالتی بسیار شبیه به دیابت نوع یک ایجاد می گردد بدین ترتیب دربیماران دیابتی سطح گلوکز خون افزایش یافته و از آن جا که سلول های بتای پانکراس قادر به پاسخ گویی به محرک های انسولین ساز نیستند تزریق روزانه انسولین همانند بیمارانی که دارای دیابت نوع یک هستند ضروری است(8).

اختلال دررشد وحساسیت به عفونت های مختلف نیزممکن است باهیپرگلاسیمی مزمن همراه باشد (9).

درحالات بسیارشدید ممکن است کتواسیدوز یا یک حالت هیپراسمولار غیرکتوزی پیشرفت کرده و منجربه بی حسی ، کما ، ودرغیاب یک درمان موثر، مرگ شود.این علائم اغلب شدید نبوده یا ممکن است حضورنداشته باشند، درنتیجه هیپرگلاسیمی لازم برای ایجاد تغییرات پاتولوژیکی و عملکردی ممکن است مدت ها پبش از تشخیص دیابت حضورداشته باشد (10).

• طبقه بندی دیابت:

درسال 1980 ، سازمان بهداشت جهانی[14](WHO) ،برمبنای توصیه های گروه داده های اصلی دیابت ایالات متحده[15](NDDG)یک طبقه بندی ازدیابت پیشنهادکرد. این طبقه بندی(بازبینی شده1985) نشان دهندهء پیشرفت های دانش مربوط به اتیولوژی وپاتوژنز دیابت بود.اصطلاحات توصیفی دیابت جوانان وبالغین منسوخ گردیده وبه ترتیب بادیابت وابسته به انسولین وغروابسته به انسولین جایگزین گردیدند.باتوجه به نیازتعدادی ازبیماران مبتلا به دیابت نوع دو به انسولین جهت کنترل مناسب قند خون، این نامگذاری نیزمنسوخ ودرسال 1997 انجمندیابت امریکا[16](ADA) دیابت رامجددا طبقه بندی کرد.این طیقه بندی جدید به جای نیاز به انسولین دربعضی مراحل ، بیماران رابرطبق اتیولوژی دیابت تقسیم بندی می کند(11).

اختصاص یک نوع دیابت به یک فرد اغلب به شرایط موجود در زمان تشخیص بستگی دارد، و بیشتر افراد دیابتی به آسانی در یک گروه مجزا گنجانده نمی شوند. برای مثال، شخصی با دیابت حاملگی[17](GDM) ممکن است بعد از زایمان نیز به هایپرگلایسمی ادامه داده و ابتلا به دیابت نوع دو مشخص شود(9).

اما در اکثر موارد، دیابت به دو دسته بزرگ تقسیم می شود. دسته اول دیابت نوع یک[18]است، که به علت نقص کامل در ترشح انسولین می باشد. دسته دوم، که بسیار شایع تر است ، یعنی دیابت نوع دو، علت بیماری ترکیب مقاومت به انسولین و پاسخ جبرانی ناکافی ترشح انسولین است(9).

در این پژوهش تأثیر زمان عملیات زیر صفر بر رفتار سایشی فولاد 7147/1 (5120) موردمطالعه قرار گرفته است. جهت انجام عملیات کربوره کردن، نمونه­ها درون جعبه­هایی از فولاد نسوز با ترکیبی از پودر زغال، باریم کربنات و سدیم هیدروکسید به نسبت 1:1:50 قرار گرفت و به مدت 6 ساعت، در دمای C◦ 920 کربوره شد؛ سپس در داخل این جعبه در هوا تا دمای محیط خنک شدند. عملیات آستنیته کردن در دمایC◦ 930 به مدت 1 ساعت بر روی نمونه‌ها اعمال و در روغن کوئنچ شد. به‌منظور بررسی تأثیر زمان فرایند زیر صفر عمیق، نمونه‌ها به مدت‌زمان 1، 24، 30 و 48 ساعت در نیتروژن مایع در دمایC◦ 196- نگهداری شدند و سپس در دمای محیط در اتاق نگهداری شد. به‌منظور بهبود خواص فولاد و آزاد­سازی تنش­های داخلی ناشی از کوئنچ، نمونه­ها به مدت 2 ساعت در دمای C ◦ 200 در کوره‌ نگهداری شدند. نمونه­ها پس از آماده سازی سطحی، تحت آزمون­های مختلف قرار گرفتند. برای تعیین فازها از روش پراش پرتو ایکس استفاده شد؛ بدین منظور نمونه‌ها در ابعاد مناسب تهیه و با استفاده از نرم‌افزار Xpert فازهای موجود با استفاده از عناصر اولیه تعیین شد. آزمون سایش به روش گلوله روی دیسک با استفاده از گلوله­ای از جنس کاربید تنگستن بر نمونه‌های دیسکی با دو بار 80 و 110 نیوتون به مسافت 1000 متر در رطوبت هوای 5±30% و درجه حرارت C◦ 5±25 انجام شد. سختی نمونه‌ها به‌صورت ماکرو در مقیاس راکول سی اندازه‌گیری شد. اندازه‌گیری سختی نمونه‌ها قبل و بعد از بازگشت، با بار اعمالی 30 کیلوگرم انجام گردید. همچنین ریز سختی نمونه‌ها با استفاده از دستگاه ریز سختی سنجی و با نیروی g100 انجام گردید؛ سطوح سایش ابتدا توسط استون تمیز شده و با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) موردمطالعه قرار گرفت. محصولات سایش نیز توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف­سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDS) مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات پراش پرتو ایکس حاکی از کاهش در مقدار آستنیت باقیمانده در اثر اعمال عملیات زیر صفر بوده بگونه­ای که در زمان های بیش ازیک ساعت، پیک آستنیت باقیمانده مشاهده نشده­است. بررسی‌های میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی توزیع بهتر کاربیدها، ریز شدن و افزایش کسر حجمی کاربیدها را در عملیات زیرصفرعمیق نشان داد. بدین ترتیب عملیات زیر صفر عمیق منجر به افزایش در سختی در حد 4 تا 33% و تا 24 ساعت ، افزایش مقاومت سایشی تا %39/191 می­گردد. با افزایش بیش­تر زمان عملیات زیر صفر، مقاومت سایشی نمونه­ها کاهش یافته است؛ به­گونه­ای که در نمونه­ی 48 ساعت عملیات زیر صفر شده مقاومت سایشی کاهش یافته است. علت افزایش سختی نمونه­ها کاهش میزان آستنیت باقیمانده در اثر عملیات زیر صفر عمیق و دلیل کاهش مقاومت سایشی نمونه­ها پس از 24 ساعت، رشد کاربید­ها و توزیع غیریکنواخت آن در ساختار و در نتیجه ضعیف شدن زمینه بوده است؛ بنابراین مدت زمان 24 ساعت عملیات زیر صفر عمیق بر فولاد 7147/1 زمانی بهینه است.

کلمات کلیدی: عملیات زیر صفر عمیق، آستنیت باقیمانده، کاربید، مقاومت سایشی، سختی

در بسیاری از کاربرد‌‌‌‌های صنعتی نیاز به قطعاتی است که دارای سطحی سخت بوده و درعین‌حال از چقرمگی یا مقاومت به ضربه‌ی خوبی نیز برخوردار باشند. ازجمله مواردی که می‌‌توان در این رابطه به‌عنوان مثال به آن‌ها اشاره کرد عبارت‫اند از:میل‌لنگ، میل بادامک، چرخ‌دنده و قطعات مشابه. این قطعات باید سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش داشته و همچنین بسیار چقرمه و مقاوم در برابر ضربه‌‌‌‌های وارده در حین کار باشند.

بسیاری از قطعات فولادی را می‌‌توان به نحوی عملیات حرارتی کرد که در پایان دارای مجموعه‌ای از خواص بالا باشند،‌یعنی درحالی‌که از مقاومت به سایش خوبی برخوردارند، دارای استحکام دینامیکی خوبی نیز باشند. این نوع عملیات حرارتی که اصطلاحا به سخت کردن سطحی موسوم‌اند، آخرین عملیاتی هستند که باید در مرحله­ی پایانی ساخت قطعه و پس‌ازانجام تمام مراحل مربوط به شکل‌دهی نظیر ماشین‌کاری انجام شود.

روش‌‌‌‌های مختلف عملیات حرارتی که به کمک آن‌ها می‌توان سطح قطعات را سخت کرد، عمدتاً به دو دسته تقسیم می‌شوند. دسته‌ی اول عملیاتی که منجر به تغییر در ترکیب شیمیایی سطح فولاد می‌‌شوند و به عملیات حرارتی­شیمیایی یا ترمو­شیمی موسوم‌اند، نظیر کربن‌دهی، نیتروژن­دهی و کربن نیتروژن­دهی. دسته‌ی دوم روش‌‌‌‌هایی که بدون تغییر ترکیب شیمیایی سطح و فقط به کمک عملیات حرارتی که در لایه‌ی سطحی متمرکز شده، انجام می­شوند و باعث سخت شدن سطح می‌گردند و به عملیات حرارتی موضعی موسوم‌اند، مانند سخت کردن شعله‌ای و سخت­کردن القایی. در آلیاژ‌‌‌‌های آهن–کربن و فولاد‌ها، مارتنزیت از سردکردن سریع آستنیت به وجود می‌آید. واژه­ی مارتنزیت که برای مدت‌‌‌‌ها فقط به ساختار سخت حاصل از سریع سرد کردن فولاد‌‌‌‌های کربنی اطلاق می­شود برای قدردانی از دانشمند معروف آلمانی به نام مارتنز است. در به­کار بردن واژه‌ی مارتنزیت، اخیراً به‌جای محصولات حاصل، تأکید بیش‌تر بر روی طبیعت دگرگونی گذاشته‌شده است. مارتنزیت فازی است که توسط یک دگرگونی مارتنزیتی ‌یا جابجایی گروهی

اتم‌‌‌‌ها حاصل می‌‌شود، گرچه ممکن است فاز یادشده‌، ترکیب شیمیایی، ساختار بلوری و خواص کاملاً متفاوتی از مارتنزیت در فولاد‌‌‌‌ها داشته باشد. دمایی را که در‌یک آلیاژ دگرگونی آستنیت به مارتنزیت شروع می‌‌شود، دمای شروع تشکیل مارتنزیت نامیده و آن را با

 Ms نشان می‌‌دهند. در حقیقت، Ms نشان دهنده‌ی مقدار نیروی محرکه‌ی ترمودینامیکی لازم برای شروع دگرگونی برشی آستنیت به مارتنزیت است. با افزایش درصد کربن، دمای Ms به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. در حقیقت کربن موجود به‌صورت محلول جامد، استحکام یا مقاومت برشی آستنیت را افزایش می­دهد و بنابراین با افزایش کربن نیرومحرکه‌ی بیش‌تری جهت شروع لغزش برای تشکیل مارتنزیت لازم است. این نیروی محرکه‌ی بیش‌تر، با سرد کردن فولاد تا دمایی پایین‌تر و یا به‌عبارت‌دیگر تحت تبرید بیش‌تر(Ms کمتر) به دست می‌‌آید. دمای پایان تشکیل مارتنزیت (Mf)‌یا دمایی که دگرگونی آستنیت به مارتنزیت در‌یک آلیاژ داده‌شده خاتمه می‌یابد نیز تابعی از درصد کربن آلیاژ است.

آستنیت باقیمانده فازی نرم بوده و در دمای پایین ناپایدار است؛ به‌گونه‌ای که در دمای پایین و در حین کار به مارتنزیت ترد تبدیل می‌‌شود. تبدیل آستنیت به مارتنزیت تقریباً 4% انبساط حجمی ایجاد می‌‌کند که منجر به اعوجاج قطعات می‌‌شود. بنابراین از عملیات زیر صفر یا بازگشت چندتایی در دمایی نسبتاً بالا و یا مدت‌زمان طولانی برای کمینه کردن میزان آستنیت باقیمانده در فولاد‌‌‌‌ها استفاده می‌‌شود.

دو نوع عملیات زیر صفر وجود دارد: 1) زیر صفر سطحی که در محدوده دمایی 100- تا C°60- انجام می­شود. این عملیات منجر به کاهش آستنیت باقیمانده و افزایش مقاومت سایشی می‌‌شود. 2) زیر صفر عمیق که در دما‌‌‌‌های زیر C°125- انجام می­شود.

اثرات زیر صفر‌ عمیق عبارت‌اند از:

1. تبدیل آستنیت باقیمانده به مارتنزیت
2. کاهش تنش­های پسماند
3. تشکیل کاربیدهای بسیار ریز که در بین کاربیدهای درشت قرار می‌‌گیرند
4. تشکیل ابرهای نابجایی در فصل مشترک زمینه‌ی مارتنزیتی و کاربید‌‌‌‌ها در طول فرایند هم‌دما سازی و تشکیل کاربید
5. توزیع یکنواخت کاربید­ها ،کوچک شدن اندازه­ی کاربید­های ثانویه، افزایش میزان و چگالی آن‌ها
6. افزایش مقاومت سایش خراشان و سایش خستگی
7. افزایش استحکام کششی و پایداری
8. افزایش سختی
9. پایداری ابعادی ماده
10. تولید ساختار مولکولی چگال تر
11. افزایش هدایت الکتریکی فلزات
12. افزایش مقاومت به خوردگی

پارامتر‌‌‌‌های زیر صفر عبارت‌اند از: نرخ سرمایش، دمای هم‌دما سازی، زمان هم‌دما سازی، نرخ گرمایش، دما و زمان بازگشت و دمای آستنیته کردن.

تحقیقات بسیاری بر روی فولاد‫هایی که درصد عناصر آلیاژی و یا کربن آن‫ها بالاست، صورت گرفته است. در این پژوهش‫ها با حصول ترکیب مناسبی از توزیع کاربید‫ها و کاهش یا حذف آستنیت باقیمانده خواص فولاد‫های مورد مطالعه را بهبود داده‫اند.

فولاد 7147/1، فولادی کربوره شونده (سمانته) بوده که در ساخت قطعاتی که ترکیبی از استحکام متوسط، چقرمگی و مقاومت سایشی بالا نیاز است، مورداستفاده قرار گرفته است و گاه برای تهیه­ی قطعات مورد مصرف صنایع خودرو‫سازی همچون چرخ‌دنده و میل‌لنگ کاربرد دارد. در فولاد­هایی که به منظور سختی کاری سطحی تحت عملیات کربوره­کردن قرار می­گیرند، با افزایش درصد کربن سطح، Ms کاهش و میزان آستنیت باقیمانده در اثر سریع سرد کردن در سطح افزایش خواهد یافت.

در این پژوهش عملیات زیر صفر عمیق به منظور بهبود خواص سایشی فولاد 7147/1 در زمان‫های مختلف انجام شده است؛ در فصل دوم تحقیقات صورت گرفته بر فولاد‫های مختلف، فصل سوم مواد و روش تحقیق، فصل چهارم نتایج و بحث و در نهایت در فصل پنجم، نتایج حاصل و پیشنهاداتی در راستای بررسی‫های بیشتر و کارآمد گردآوری شده است.

 2-1- معرفی و تاریخچه

فولاد آستنیتی آلیاژی از آهن و کربن همراه با عناصر دیگر در حالت محلول است که با عملیات نفوذی در محلول آستنیتی تجزیه و همگن‌سازی می‌‌شود. زمانی که فولاد حرارت داده می‌‌شود ساختار کریستالی آهن به مکعبی مرکز‫دار تغییر می‌یابد. استحاله‌ی آستنیت به مارتنزیت از دمایی که دمای آغاز مارتنزیت ‌یا Ms نامیده می‌‌شود، آغاز می‫شود. برای اغلب فولاد‌‌‌‌های خاص، استحاله هم‌دما بوده و همان‌طور که دما به دمای پایان مارتنزیت می‌‌رسد (Mf)، توسعه می‫یابد. مقداری آستنیت، آستنیت باقیمانده، همیشه پس از سخت سازی حضور دارد. مارتنزیت بیش‌تر و درصد کربن بیش‌تر، سختی فولاد را افزایش می‌‌دهد. میزان کربن، دمای آغاز و پایان استحاله‌ی مارتنزیت را تحت تأثیر قرار می‌‌دهد. Ms و Mf می‌‌تواند پایین‌تر از دمای اتاق باشد؛ فولاد به‌صورت جزئی به مارتنزیت تبدیل شده و بقیه‌ی ساختار را آستنیت باقیمانده تشکیل می‌‌دهد. این دو دما همچنین با افزایش اندازه دانه کاهش می‌یابد [1].

2-2- آستنیت باقیمانده

دمای شروع استحاله مارتنزیت (Ms) و دمای پایان این استحاله (Mf) در فولادها به درصد کربن و درصد عناصر آلیاژی بستگی دارد (شکل2-1). همان‌طور که از شکل 2-1 مشخص است، وقتی فولادی با درصد کربن بالای 65/0 %کوئنچ می‌شود، تغییر حالت آستنیت به مارتنزیت در دمای اتاق (oC20) پایان نمی‌یابد. درنتیجه مقداری از آستنیت باقی خواهد ماند که به آستنیت باقیمانده موسوم است [2]. در جدول 2-1 تأثیر 1% از عناصر آلیاژی بر دمای شروع استحاله مارتنزیتدر فولادهایی با 9/0-1% کربن آورده شده است. البته تأثیر عناصر آلیاژی بر دمای استحاله مارتنزیتی به درصد کربن در فولاد نیز بستگی دارد. در جدول 2-2 تأثیر 1% کروم بر دمای شروع استحاله مارتنزیتی در فولادهایی با درصدهای مختلف از کربن آورده شده است [3]. در شکل 2-2 منحنی استحاله مارتنزیت آورده شده

است. همان‌طوری که مشخص است استحاله مارتنزیت درA˝r(M) ، که همان دمای  Msاست شروع می‌شود. اگر دما کاهش پیدا کند، استحاله پیشرفت کرده و مقدار مارتنزیت افزایش می‌یابد. اگر عملیات کوئنچ تا دمای محیط انجام شود، استحاله مارتنزیتی در دمای  oC 20 متوقف می‌گردد. سرد کردن فولاد تا دمای t˝ که همان دمای Mf است منجر به افزایش درصد مارتنزیت می‌شود ولی مقداری آستنیت باقیمانده در ساختار حضور دارد [2]. آستنیت باقیمانده که یک فاز نرم است باعث کاهش سختی فولاد پس از کوئنچ خواهد شد. اگر درصد آستنیت باقیمانده بالاتر از 10% باشد باعث کاهش فاحش سختی در نمونه می‌شود (شکل 2-3). هر چه درصد کربن بالاتر باشد، درصد آستنیت باقیمانده نیز بیش‌تر خواهد بود (شکل 2-4). اگر یک فولاد‌‌‌ هایپریوتکتویید از منطقه کاملاً آستنیتی در بالای Acm سرد شود، ساختار پس از سرد کردن از مارتنزیت و آستنیتت باقیمانده تشکیل خواهد شد و همان‌طور که در شکل 2-3 مشخص است سختی با افزایش درصد کربن، به دلیل افزایش در مقدار آستنیت باقیمانده، کاهش خواهد یافت؛ اما اگر فولادهای‌‌‌ هایپریوتکتوید از منطقه دوفازی آستنیت – سمانتیت، کوئنچ شوند، ساختار نهایی فولاد از مارتنزیت – سمانتیت – آستنیتت باقیمانده تشکیل می‌شود. تحت این شرایط سختی این فولادها یکسان بوده و وابسته به درصد کربن نیست [2].

شکل2-1. دمای شروع و پایان استحاله مارتنزیت (f  Mو Ms) با توجه به درصد کربن در فولاد [3].

جدول2-1. تأثیر 1% از عناصر آلیاژی بر دمای شروع استحاله مارتنزیت در فولادهایی با 9/0 – 1% کربن [3]

جدول 2-2. تأثیر 1% کروم بر دمای شروع استحاله مارتنزیتی در فولادهایی با درصد کربن مختلف [3]

شکل2-2. منحنی استحاله مارتنزیت [3, 2].

ریز‌ساختار فولاد‌‌‌‌های مارتنزیتی متناسب با درصد کربن به دورویه تغییر می‌‌کند: اول، فولاد‌‌‌‌های غیر آلیاژی با درصد کربن کمتر از 5/0 -%Wt 6/0 که مارتنزیت تیغه‌ای جابجا شده در آن‌ها حین کوئنچ کردن تشکیل می‌شود؛ فولاد‌‌‌‌هایی با درصد کربن بیش از 1%، مارتنزیت بشقابی دوقلویی شده تشکیل می‫دهند و ترکیبی از مارتنزیت‌‌‌‌های تیغه‌ای و بشقابی در سطوح میانی درصد کربن تشکیل می‌‌شوند. بنابراین سطح کربوره شده می‫تواند مخلوطی از مورفولوژی‌های مارتنزیت را داشته باشد؛ به‌گونه‌ای که مارتنزیت بشقابی در لایه‌‌‌‌های بیرونی پر‫کربن غالب بوده و با نزدیک شدن به مغز قطعه، مارتنزیت تیغه‌ای غالب است. عناصر آلیاژی که آستنیت را مستحکم می‫کنند، تشکیل مارتنزیت بشقابی را در سطوح پایین‌تر کربن، ترغیب می‌‌کنند. در محدوده‌ی کربن که انتقال از مارتنزیت تیغه‌ای به بشقابی رخ می‌‌دهد، میزان آستنیت باقیمانده در ساختار کوئنچ شده افزایش می‌یابد؛ به‌هرحال، میزان آستنیت باقیمانده تابعی از متغیر‌‌‌‌های دیگر است؛ این میزان با کاهش نرخ کوئنچ و افزایش درصد عناصر آلیاژی، افزایش می‌یابد. بنابراین در یک درصد مشخص کربن، درصد آستنیت قطعات کوئنچ شده می‌‌تواند بیش‌تر از مقادیر نشان داده‌شده در شکل 2-4 باشد. اگرچه سختی مارتنزیت با افزایش درصد کربن به‌طور یکنواخت افزایش می‌یابد، سختی کامپوزیت‌‌‌‌های آستنیتی­-­مارتنزیتی حاصل از کوئنچ، معمول بالای تقریباً%Wt 6/0، حالت مسطح خواهد داشت (شکل 2-3) [4].