آلياژهاي مس – روي (برنج‌ها)
تركيب شيميايي و كاربردهاي خاص
برنج‌هاي مس-روي شامل يك سري از آلياژهاي مس با حداكثر %۴۰Zn مي‌باشند. با تغيير مقدار روي خواص آلياژهاي Cu-Zn نيز تغيير مي‌كند. برنج‌هاي مس-روي كه عناصر اضافي مانند قلع، آلومينيوم، سيليسيم، منگنز، نيكل و سرب دارند به عنوان «برنج‌هاي آلياژي» ناميده مي‌شوند. عناصر آلياژي، كه به ندرت از ۴% بيشتر مي‌شوند، بعضي از خواص برنج خالص Cu-Zn را بهبود مي‌بخشند، بنابراين مي‌توانند در موارد ديگري نيز به كار روند. جدول ۶-۳ تركيب شيميايي و كاربردهاي خاص برنج‌هاي منتخب Cu-Zn را نشان مي‌دهد.

كاربردهاي برنج (محلول جامد روي در مس) اساساً به شكلپذيري مطلوب همراه با استحكام كافي، مقاومت خوب به خوردگي، رنگ‌هاي جذاب و قابليت لحيمكاري بستگي دارد. هم‌چنين برنج را مي‌توان با نيكل و كرم پوشش داد كه در اين صورت هدايت گرمايي كافي داشته و در محيط‌هاي انتقال گرما به كار مي‌رود. بهترين تركيب شكلپذيري و استحكام در آلياژ Cu 70% و Zn 30% رخ مي‌دهد و بنابراين اين آلياژ را مي‌توان براي قابليت عالي كشش عميق آن به كار برد. آلياژ Zn 30%- Cu70% به طور مشخص «برنج فشنگ» ناميده مي‌شود ولي در كاربردهاي ديگر مثل بدنه رادياتور، مخازن و ثابت‌كننده‌هاي لامپ به كار مي‌رود.

ساختار
نمودار فازي سيستم مس-روي. شكل ۶-۱۰ نشان‌دهندة نمودار فازي سيستم مس- روي است. روي حلاليت زيادي در مس دارد و تشكيل محلول جامد تا ۳۹% Zn در ۴۵۶ مي‌دهد. با افزايش مقدار روي محلول جامد دوم روي در مس تشكيل مي‌شود كه با فاز نشان داده مي‌شود. محلول جامد ساختار FCC دارد. فاز ساختار BCC دارد و هنگام سرد شدن در گسترة دماي ۴۶۸ تا ۴۵۶ از فاز نامنظم به فاز منظم تبديل مي‌شود. شكل ۶-۱۱ اختلاف بين سلول‌هاي منظم و نامنظم برنج در Zn 50%-Cu50% (درصد اتمي) را نشان مي‌دهد با بيشتر از ۵۰% روي فاز محلول جامد تشكيل مي‌شود كه ساختاري پيچيده دارد و شديداً شكننده است. آلياژهاي مس-روي كه داراي فاز باشند در مهندسي كمتر به كار مي‌روند. بر اساس نمودار فازي Zn-Cu، برنج تجارتي را مي‌توان به دو گروه مهم تقسيم كرد:
۱- برنج با ساختار كه حداكثر داراي ۳۵% روي مي‌باشد.

۲- برنج + با ساختار دو فازي + كه اساساً نسبت مس به روي ۶۰:۴۰ است.
؟؟؟
شكل ۶-۱۰ نمودار فازي سيستم مس- روي
شكل ۶-۱۱ سلول‌هاي واحد منظم و نامنظم برنج (Zn50% و Cu50%)
ريزساختار برنج‌هاي
ريزساختار برنج‌هاي شامل محلول جامد است. اين ساختار در شكل ۶-۱۲ (الف) براي برنز تابكاري شدة تجارتي (Zn10%-Cu90%) و در شكل ۶-۱۲ (ب) براي برنج فشنگ (Zn30%-Cu70%) آمده است. در درصدهاي زياد روي، دوقلوهاي گرمايي بيشتري در دانه‌هاي ديده مي‌شوند.
؟؟؟
شكل ۶-۱۲ ريز ساختار (الف) برنز تجاري (Zn10%-Cu90%)، (ب) برنج فشنگ (Zn30%-Cu70%) در شرايط تابكاري شده
زيرساختار نابجايي در برنج‌هاي ، كه در مقدار مشخصي كارسرد به دست مي‌آيد، با افزايش مقدار روي تغيير مي‌كند. اين تغيير در شكل ۶-۱۳ براي تغيير شكل بين ۵-۱۰% براي ۱٫ مس خالص، ۲٫ برنج قرمز (Zn 15%-Cu 85%) و ۳٫ برنج (Zn37%-Cu63%) آمده است. مس خالص توزيع سلولي از تودة نابجايي‌ها را نشان مي‌دهد كه مشخصة يك فلز خالص تغيير شكل يافته است. (شكل ۶-۱۳(الف)). فاصلة بين خطوط لغزش در مس خالص نسبتاً كوچك است (شكل ۶-۱۴). با افزايش مقدار روي تا ۱۵% فاصلة بين خطوط لغزش افزايش مي‌يابد و آرايش نابجايي‌ها شروع به تشكيل مي‌كنند (شكل ۶-۱۳(ب)). وقتي مقدار روي به ۳۷% افزايش مي‌يابد (در حدود حداكثر مقدار قابل حل در مس)، فاصلة خطوط لغزش به شدت افزايش مي‌يابد و نابجايي‌ها در يك آرايش كاملاً مشخص صفحه‌اي قرار مي‌گيرند (شكل ۶-۱۳(ج)).
تغيير آرايش نابجايي با افزايش مقدار روي در آلياژهاي Zn-Cu را اين طور توجيه كرده‌اند كه افزايش روي موجب كاهش انرژي نقص چيدن (SEE) مي‌شود (شكل ۶-۱۵). در مس خالص، مقدار SFE نسبتاً زياد است و نابجايي‌ها به آساني مي‌توانند لغزش متقاطع داشته باشند و بنابراين به هنگام تغيير شكل، لغزش‌هاي ظريف به وجود مي‌آورند. با افزايش روي، SFE مس كاهش مي‌يابد و لغزش تقاطعي مشكل‌تر مي‌شود و بنابراين نابجايي‌ها در سطوح لغزش خود يا به صورت
ريزساختار برنج‌هاي +
وقتي كه مقدار روي در آلياژهاي مس-روي حدود ۴۰% باشد، اين آلياژها داراي ساختار دفازي مي‌باشند كه شامل فازهاي و است. پركاربردترين برنج + آلياژ Zn40%-Cu60% است كه «برنج زرد» ناميده مي‌شود (جدول ۶-۳). كارسرد برنج زرد مشكل است زيرا داراي فاز ، و بنابراين اين آلياژ اساساً يك آلياژ گرمكار مي‌باشد كه خواص گرمكاري عالي دارد. وجود فاز باعث مي‌شود اين آلياژ عمليات گرمايي‌پذير باشد، ولي شكلپذيري آن را كاهش مي‌دهد. ساختار ريختگي آلياژ Zn40%-Cu60% شاخه‌وارهاي را در زمينه نشان مي‌دهد (شكل ۶-۱۶). ساختار دانه‌اي برنج + به آساني مي‌تواند با كارگرم ريزتر شود همان‌طور كه در ريزساختار آلياژ Zn40%-Cu60% كه نورد گرم شده در شكل ۶-۱۷ آمده است.

تجزية در آلياژهاي Zn-Cu، + . اگر برنج‌هاي Zn-Cu كه داراي ۴۰ تا Zn45% مي‌باشند تا دماي ۸۳۰ گرم شده و بعد تا گسترة دماي ۷۰۰ تا ۷۱۰ آبدهي گرم شوند فاز ناپايدار يا به صورت تكدما به فاز تبديل مي‌شود (شكل ۶-۱۸).
فلويت و تاونر (مرجع۳) تجزية تكدماي را در آلياژ Zn6/41%-Cu4/58% بررسي كرده و دو نوع مشخص فاز را پيدا كردند: نوع ميله‌اي و نوع صفحه‌اي. رسوب‌هاي ميله‌اي در دماي …
؟؟؟
شكل ۶-۱۳ اثر تغيير شكل مومسان به مقدار كم (۵ تا ۱۰%) بر توزيع نابجايي‌ها در مس خالص و برنج. (الف) مس خالص با ۵% تغيير شكل: ساختار توزيع سلولي توده‌هاي نابجايي را نشان مي‌دهد. (ب) برنج سرخ (Zn15%-Cu85%) 10% تغيير شكل‌يافته: ساختار شامل آرايش صفحه‌اي نابجايي‌ها، (ج) برنج پرعيار (Zn37%-Cu63%) 10% تغيير شكل يافته: ساختار شامل آرايش صفحه‌اي كاملاً مشخص نابجايي‌هاست.

؟؟؟
شكل ۶-۱۴ اثر درصد روي بر فاصلة بين خطوط لغزش برنج مس-روي تغيير شكل‌يافته.
؟؟؟
شكل ۶-۱۵ اثر درصد روي بر انرژي نقص چيدن برنج‌هاي مس-روي.
؟؟؟
شكل ۶-۱۶ ساختار ريخته شده برنج زرد (Zn40%، Cu60%، CDA آلياژ۲۸۰) ساختار شامل شاخه‌وارهاي آلفا در زمينه ست.
؟؟؟
شكل ۶-۱۷ ورق برنج زرد نورد گرم شده (Zn40%، Cu60%) ساختار شامل فاز (تيره) و فاز (روشن) است. به دوقلويي‌ها در بلورهاي توجه كنيد كه نتيجة كرنش همراه با دگرگوني به است.
؟؟؟
شكل ۶-۱۸ مقطع نمودار فازي مس-روي، مسير سرد شدن آلياژ Cu60% و Zn40% را كه منجر به دگرگوني به + مي‌شود نشان مي‌دهد.
؟؟؟

بالا ايجاد مي‌شوند (۵۰۰ تا ۷۰۰). بالاي دماي Bs (شروع فاز بينايت) و به شكل ساختار ويدمن اشتاتن رسوب مي‌كنند. از دماي Bs صفحات بينايتي به صورت يكنواخت در داخل دانه‌هاي جوانه مي‌زنند و به سرعت در جهت طولي رشد مي‌كنند.
شكل ۶-۱۹ صفحات را پس از دگرگوني تكدماي فاز به مدت ۲۰ ساعت در ۲۵۰ نشان مي‌دهد. شكل ۶-۲۰ نمودار IT را براي تجزية آلياژ Zn6/41%-Cu4/58% نشان مي‌دهد. ميله‌هاي فاز را كه به شكل ساختار ويدمن اشتاتن ساخته مي‌شوند مي‌توان به سادگي در تصوير ميكروسكوپ الكتروني (SEM) شكل ۶-۲۱ ديد كه از مرزدانه شروع شده‌اند. هر دو محصولات تجزيه، ميله‌اي شكل و صفحه‌اي شكل، همراه با كاهش تنش مي‌باشند، شبيه به واكنش بينايتي در فولادهاي سادة كربني.
؟؟؟

شكل ۶-۱۹ آلياژهاي Cu-Zn 41% كه تا دماي ۸۳۰ گرم و تا ۲۵۰ آب داده شده و به مدت ۲۰ ساعت نگه داشته شده است. ساختار شامل صفحات است كه از زمينه به وجود آمده‌اند.
؟؟؟
شكل ۶-۲۰ نمودار فازي تكدما براي شروع رسوب‌گذاري قابل رويت از فاز نيمه پايدار آلياژ Cu4/58% و Zn6/41%. R مشخص‌كنندة رسوب‌هاي ميله‌اي M براي مخلوط رسوب‌هاي ميله‌اي و صفحه‌اي و P براي رسوب‌هاي صفحه‌اي مي‌باشد. خط‌چين افقي دماي شروع بينايت را مشخص مي‌كند، يعني، در دماهاي پايين اين خط، واكنش بينايتي رخ مي‌دهد.
؟؟؟
شكل ۶-۲۱ ميله‌هاي فاز ويدمن اشتاين كه از رسوب‌هاي مرزدانه بر اثر تجزية تكدماي برنج ۹/۵۵% اتمي Cu و ۱/۴۴% اتمي Zn در ۴۰۰ به وجود آمده‌اند.
ريزساختار برنج‌هاي آلياژي
برنج‌هاي سرب‌دار. سرب در مس مذاب در دماي زياد محلول مي‌باشد همان‌طور كه در نمودار فازي مس-سرب در شكل ۶-۲۲ آمده است. اما در دماي اتاق سرب و مس اساساً در هم نامحلول‌اند.
سرد شدن تدريجي آلياژ Pb3%-Cu97% را از حالت مذاب در حدود ۱۰۸۰ تا زير دماي ۳۲۶ در نظر بگيريد. از حدود ۱۰۸۰ تا ۹۵۵ بلورهاي مس خالص جوانه زده و رشد مي‌كنند و در نتيجه باعث مي‌شوند مذاب به طور افزاينده‌اي از سرب غني شود، در دماي ۹۵۵، مذاب باقيمانده داراي ۳۶% سرب است. سپس، مذاب باقيمانده يك واكنش مونوتكنيك به شرح زير انجام مي‌دهد.

به هنگام سرد شدن تدريجي از ۹۵۵ تا C326 مقدار سرب در مذاب باقيمانده افزايش مي‌يابد و در دماي ۳۲۶ به Pb94/99% مي‌رسد. در اين دما مذاب يك واكنش اوتكتيك به صورت زير انجام خواهد داد.

؟؟؟
شكل ۶-۲۲ نمودار فازي مس- سرب.

سرب خالص (%۹۹/۹۹Pb) كه با واكنش اوتكتيك به وجود مي‌آيد به صورت ذرات كروي در بين شاخه‌وارهاي مس توزيع مي‌شود. به هنگام تغييرشكل، اين ذرات كروي كشيده مي‌شوند. همان‌طور كه در تصوير ميكروسكوپ الكتروني مربوط به ميلة كشش سرد از جنس برنج خوش‌تراش شكل ۶-۲۳ آمده است. براي بهبود قابليت ماشين‌كاري مقدار كمي سرب (۵/۰ تا ۳/۵) به انواع برنج اضافه مي‌شود و اين برنج‌ها را «برنج‌هاي سرب‌دار» مي‌نامند.

برنج‌هاي آلومينيوم قلع‌دار. افزايش ۱% قلع به برنج فشنگ Zn30%-Cu70% مقاومت آن را به خوردگي در آب دريا افزايش مي‌دهد. اين آلياژها را در سال‌هاي ۱۹۲۰، نيروي دريايي انگليس برگزيد و در نتيجه به نام «برنج دريايي» مشهور شد. بعدها كشف شد كه افزايش مقدار كمي آرسنيك (۰۴/۰% ) موجب مي‌شود كه از يك پديدة عمومي خوردگي به نام «روي‌زدگي» تقريباً جلوگيري شود (در اين باره در ادامة همين فصل بحث خواهد شد) و بنابراين برنج دريايي آرسنيك‌دار به مدت طولاني در ديگ‌هاي بخار دريايي به كار مي‌رفت. بعدها كشف شد كه …

؟؟؟
شكل ۶-۲۳ ميله‌هاي آهنگري شدة برنج خوش‌تراش كه نشان‌دهندة دانه‌هاي كشيده شده سرب مي‌باشد بقية ساختار فاز است NH4OH+H2O2)،۷۵×)
جايگزين كردن قلع با آلومينيوم، برنجي را ايجاد مي‌كند كه يك لاية اكسيدي «خودجوش» محافظ در سطح آن به وجود مي‌آيد. لاية نازك اكسيد سخت آلومينيوم‌دار آلياژ را نسبت به برنج دريايي در برابر حملات آب با سرعت زياد مقاوم‌تر مي‌كند. امروزه، آلياژ Al2%-Zn5/20%-Cu5/77% (برنج آلومينيوم‌دار) با افزايش آرسنيك براي جلوگيري از روي‌زدگي جايگزين برنج دريايي در ديگ بخار دريايي شده است.
افزايش ۱% قلع به «برنج زرد» (Zn40%-Cu60%) مقاومت به خوردگي آن را بهتر مي‌كند و آلياژي به نام «برنج كشتي» تشكيل مي‌شود. شكل ۶-۲۴ ريزساختار ميلة اكسترود شده‌اي از جنس برنج كشتي را نشان مي‌دهد.
خواص مكانيكي
خواص كششي برنج‌هاي مس-روي منتخب در جدول ۶-۴ آمده است. در حالت كلي، خواص مكانيكي آلياژهاي Zn-Cu شديداً به فازهاي موجود در آلياژ بستگي دارد.
برنج كم‌عيار (Zn5%-20-Cu95%-80). با افزايش مقدار روي در اين برنج‌ها، استحكام، سختي و شكلپذيري آن‌ها افزايش مي‌يابد (شكل ۶-۲۵). رنگ آن‌ها از قرمز، طلايي تا سبز زرد
؟؟؟
شكل ۶-۲۴ ريزساختار ميله‌اي از جنس برنج دريايي آهنگري شده (Sn75/0%-Zn25/39%-Cu60%) ساختار شامل فاز در زمينه (تيره) است.
؟؟؟