فولاد نوین(کیمیاگران آهن)

» استاندارد ملی 3132 ( چهارشنبه ٢٢ آبان ۱۳٩٢ )
» نرم افزار آباکوس ( پنجشنبه ٢٥ خرداد ۱۳٩۱ )
» Heat Treatment of Steels ( پنجشنبه ٤ خرداد ۱۳٩۱ )
» سوپرآلیاژها ( سه‌شنبه ٢ خرداد ۱۳٩۱ )
» آزمایشگاه عملیات حرارتی ( سه‌شنبه ٢ خرداد ۱۳٩۱ )
» متالوگرافی ( سه‌شنبه ٢ خرداد ۱۳٩۱ )
» اثر بور در فولاد ( سه‌شنبه ٢ خرداد ۱۳٩۱ )
» محلول اچ مناسب ( دوشنبه ۱ خرداد ۱۳٩۱ )
» کوره القایی ( یکشنبه ۳۱ اردیبهشت ۱۳٩۱ )
» رفتار مغناطیس مواد ( یکشنبه ۳۱ اردیبهشت ۱۳٩۱ )

تبلیغات

آزمایشگاه عملیات حرارتی

نویسنده: محمدعلی جعفرزاده سه‌شنبه ٢ خرداد ۱۳٩۱ دسته بندی : آزمایشگاه عملیات حرارتی

مقدمه ای از ساختار فولاد

ساختار داخلی فولاد از سطح ظاهری آن مشخص نیست،اما اگر فولاد را بشکنند در سطح شکست،آرایش دانه ای فولاد مشخص می شود ولی دانه ها آن قدر کوچک هستند که برای دیدن آنها باید از میکروسکوپ استفاده شود. اگر با بزرگنمایی بالا به سطح زیر شکست نگاه کنید، شکل واضح نیست، برخی نقاط، خیلی نزدیک و نقاط دیگر دور به نظر می رسند. بنابراین برای نمایش یک قطعه زیر میکروسکوپ، ابتدا باید آن را آماده کرد. بدین ترتیب که ابتدا با استفاده از سنباده، سطح زبر و خشن را صاف کرده و سپس قطعه را صیقل دهند تا سطح قطعه، براق و آیینه ای شود و هیچ گونه خراشی در سطح آن دیده نشود. برای رفع این مشکل از محلول اچ استفاده می شود. این محلول یک لایه نازک از سطح قطعه را در خود حل می کند. این لایه، همان سطح بالایی قطعه است که در آن تداخل دانه ها وجود دارد. برداشته شدن این لایه، ساختار دانه های فولاد مشخص می شود.  یکی از محلول های اچ، محلول نایتال است که برای ظهور فولادهای ساده به کار می رود. این محلول از حل کردن 5 درصد وزنی اسید سیتریک به دست می آید.

همه فلزات جامد، ساختار کریستالی دارند. انجماد فولاد هم با تشکیل یک کریستال کوچک شروع می شود. این کریستال به هنگام انجماد فولاد مذاب به وجود می آید. آزمایش های انجام شده بر روی فلزات نشان داده است که حتی قوی ترین میکروسکوپ ها قادر نیستند اتم ها و شبکه فضایی فلز را نشان دهند، تنها می توانند دانه ها و کریستالها را نشان بدهند. برای اینکه بتوانند شبکه فضایی اتم های کربن یا فولاد را ببینند باید نمونه صیقل داده شده را تا 35 میلیون برابر بزرگتر کنند. برای نمایش آرایش اتم ها 14 نوع شبکه فضایی وجود دارد. اما متالورژیست هایی که با فلزات آهنی کار می کنند، تنها باید دو نوع از این شبکه ها را بشناسند. این دو نوع عبارتند از:

 1- مکعب مرکز دار.

 2- مکعب با وجوه مرکز دار.

در مرکز یک اتم و در هر یک از کوشه های مکعب نیز یک اتم وجود دارد. نام اختصاری این شبکه bccاست.

در شبکه با وجوه مرکز دار نیز در هر یک از گوشه های مکعب یک اتم و در مرکز هر یک از وجوه مکعب یک

اتموجود دارد. نام فضایی این شبکه fcc  است.

آهن خالص و فولاد کربنی در دمای اتاق از ساختار bcc و fcc تبدیل می شود. این گونه جابجایی اتم ها «تغییر آلوتروپیک» نام دارد. مثال ساده این نوع تغییرات، حالت های مختلف عنصر کربن است که به صورت دوده، گرافیت و الماس وجود دارد. دمایی که تغییرات آلوتروپیک در آن اتفاق می افتد، دمای انتقال نام دارد. دانش عملیات حرارتی فولاد با آلوترپی های آهن و میزان حلالیت کربن در هر کریستال آهن ارتباط دارد.


دلایل عملیات حرارتی

 در عملیات حرارتی فولاد معمولا یکی از اهداف زیر دنبال می شود.

1– تنش گیری حاصل از کار یا تنش گیری حاصل از سرد کردن ناهمگن.

2– بهینه سازی ساختار دانه در فولادهایی که بر روی آنها کار گرم انجام شده است و ممکن است دانه های درشت داشته باشند.

3– بهینه سازی ساختار دانه.

4– کاهش سختی فولاد و افزایش قابلیت شکا پذیری.

5– افزایش سختی فولاد به منظور زیاد شدن مقاومت سایشی و یا سخت کردن فولاد برای مقاومت بیشتر در شرایط کاری.

6– افزایش چقرمگی فولاد به منظور تولید فولادی که استحکام بالا و انعطاف پذیری خوبی دارد و افزایش مقاومت فولاد در برابر ضربه.

7– بهبود قابلیت ماشین کاری.

8– بهبود خواص برشی در فولاد ابزار.

9– بهینه کردن خواص مغناطیسی فولاد.

10– بهبود خواص الکتریکی فولاد.

نمودار تعادلی آهن– سمنتیت

درجه حرارت انتقال برای آهن خالص (915 درجه سانتی گراد) می باشد. در دمای بالاتر از آن ساختار fcc

است و در دمای پایین تر از آن ساختار  bccدارد. وجود اتم های کربن در فولاد سبب دو تغییر می شود. دمای آستینه کاهش پیدا می کند انتقال به جای این که فقط در یک دما انجام بگیرد، در یک محدوده دمایی انتقال انجام می گیرد. این اطلاعات در نمودارهای تعادلی آهن – سمنتیت بیان شده است.

 فازها قسمت هایی از آلیاژ هستند که به طور فیزیکی یا شیمیایی و شبکه ای، همه قسمت های آنها یکنواخت است و یک سری خطوط مرزی آنها را از هم جدا می کند فازهایی که در آلیاژهای آهن – کربن وجود دارند عبارتند از: آلیاژ مذاب - آستینت - فریت - سمنتیت - گرافیت

توجه داشته باشید که این فازها یکی از اجزای تشکیل دهنده آلیاژ می باشند، البته همه این اجزا فاز نیستند، برخی از آنها مثل پرلیت و بینیت نا همگن هستند. نمودار تعادلی نشان دهنده تعادل ذبین دما و ترکیب شیمیایی فازها است. این نمودار واکنش های فلزی پر آلیاژ را نشان می دهند.  

 


 

شکل1 : دیاگرام تعادلی آهن-کربن

 قابلیت انحلال کربن در آهن

 کربن به طور یکنواخت در اهن مذاب حل می شود، همانطور که نمک در آب حل می شود. اما مسئله بغرنج این است که بتوان ثابت کرد، کربن جامد یا کاربید آهن، در آهن جامد حل می شود. آهن و کربن محلول های جامدی را به وجود می آورند که عملیات های حرارتی را انجام پذیر می سازند. در ناحیه آستینت انحلال پذیری کربن در آهن بیشتر است. در اکثر عملیات های حرارتی مانند: آنیل، یکنواخت سازی و سخت گرادنی، برای حل شدن کاربید در آهن مجبورند فولاد را در منطقه آستنیته حرارت دهند. باید توجه کرد که در حین عملیات حرارتی آهن، کربن یا آستینت به حالت مذاب نیستند.

 

 

سمنتیت

 میزان کربنی که در نمودار رسم شده، 67/6 درصد است. معمولا کربن موجود در فولاد به شکل. سمنتیت ترکیبی از آهن و کربن است که فرمول آن Fe3C است. سمنتیت شامل 67/6درصد کربن و 33/93درصد آهن می باشد. سمنتیت از یک اتم کربن و 3 اتم آهن تشکیل می شود. بنابراین نمودار تعادلی آهن – سمنتیت ارتباط بین آهن و Fe3C را نشان می دهد. در واقع نمودار تعادلی آهن – سمنتیت از 5 تا 100 درصد Fe3Cرسم شده است در حالی که Fe3C67/6 درصد است. اما برای راحتی کار، نمودار بر حسب صفر تا 67/6 درصد کربن رسم شده است.

انتقال آستنیت

زمانی که آستنیت به فریت و کاربید انتقال پیدا می کند، تغییراتی در ساختار میکروسکوپی ان پیدا می شود که این تغییرات بستگی به محدوده ترکیبی و سرعت سرد شدن دارد.

 

 

 

بررسی ساختار میکروسکوپی انواع فولادها

فولادهای هایپوتکتوئید

 فولادهایی که میزان کربن در آنها کمتر از 77/0 درصد باشد، فولادهای هایپوتکتوئید نامیده می شوند. ناحیه AGB نمودار آهن – سمنتیت ساختار میکروسکوپی این فولادها را نشان می دهد. در این ناحیه می توان فریت و آستینت را با مقادیر متفاوت کربن مقایسه کرد که به طور همزمان تشکیل شده اند. اگر فولاد 20/0 درصد کربن را به آرامی حرارت دهند به طوری که دمای آن به 875 درجه سانتی گراد برسد، ساختمان آن کاملا آستینتی شده است. در حین سرد کردن آهسته، تشکیل فریت آزاد شروع می شود. وقتی که دما از خط   AGدر ناحیه AGB پایین تر می رود میزان فریت افزایش می یابد، بنابراین با کم شدن دما بر مقدار فریت افزوده می شود.

فولادهای هایپوتکتوئید

فولاد هایی که میزان کربن آنها بین 77/0 تا 2 درصد باشد فولادهای هایپوتکتوئید نامیده می شوند. اگر فولاد 1 درصد کربن را تا دمای 845 درجه سانتی گراد حرارت دهند ساختمان آن 100 درصد آستینتی می شود. اگر این فولاد را سرد کنند تغییری حاصل نمی شود. تنها به خط Acm می رسند که به عنوان خط انحلال پذیری سمنتیت است در نقطه Acm سمنتیت شروع به جدا شدن از آستینت می کند و زمانی که دمای فولاد 1 درصد کربن به زیر خط Acm برود مقادیر اضافی سمنتیت شروع به جدا شدن و ترکیب آستینت تغییر می کند و میزان کربن ان از 1 درصد به 77/0 درصد کربن می رسد. در دمای پایین تر از 752 درجه سانتی گراد آستینتباقی مانده به پرلیت تبدیل می شود. از آن به بعد تا دمای اتاق تغییر حاصل نمی شود. ساختار میکروسکوپی در دمای اتاق، پرلیت و سمنتیت آزاد است. پس سمنتیت به صورت شبکه ای در اطراف پرلیت است. اگر فولادهای هایپوتکتوئید حزرارت داده شوند، تغییرات حاصل بالعکس خواهد بود. بدین ترتیبذکه در دمای 725 درجه سانتی گراد  پرلیت به آستنیت تبدیل می شود. وقتی که دما تا بالای 725 درجه سانتی گراد افزایش می یابد سمنتیت آزاد در آستنیت حل می شود در نتیجه دما به خط Acmمی رسد و آستنیت 100 درصدی تشکیل می شود.

فولادهای با درصد کربن پائین

 فولادهای کربنی با حدود C 1/0 درصد عمدتا برای ورق ها بکار برده میزشود. که با عملیات بعدی مانند برش، خمش و کشش عمیق بر روی آن به تولید نهائی دیگری تبدیل می گردد. در مواردی که لایه های اکسید شده و عیوب سطحی ریز از اهمیت خاصی برخوردار نبوده و مشکلاتی را ایجاد ننمایند ورقهایی که از طریق نورد گرم تولید شده بکار برده می شود. برعکس ورقهای نورد سرد دارای سطحی براق بوده و تلرانس بهتری دارد و بعد از یک عمایات حرارتی نهائی با درجه تغییر شکل مناسب می توان ورق هایی با حد تسلیم متفاوتی بدست آورد. فولاد های عملیات حرارتی شده نرم بوده و برای عملیاتی کشش عمیق مناسب است. اینگونه فولادها حد تسلیمی حدود N/mm2 180 و استحکام کششی حدود N/mm2320 و تغییر طول نسبی حدود 40% دارد. هر گاه در ورق هایی تحت عملیات کشش عمیق قرار می گیرد سطحی صاف مورد نظر باشد،‌ باید در انتخاب نوع فولاد و عملیات حرارتی انجام گرفته بر روی آن دقت کافی به عمل آید،‌ زیرا که در عملیات کشش به آسانی می تواند چین و چروک خردگی هایی ظاهر گردد. فولاد های ساختمانی که از آنها اجزاء طراحی تیرآهن، ‌میله ها و صفحات تولید می گردد از فولاد های کربنی با حدود 2/0 کربن است. در این گونه فولادهای انبوه ارزان قیمت عملیات حرارتی به ندرت انجام می گیرد ساختار میکروسکوپی آنها فقط به آنالیز شیمیایی و چگونگی تغییر شکل گرم انجام گرفته بر روی آنها بستگی خواهد داشت. بدین ترتیب چنانچه درجه حرارت نهایی بالاتر از دمایA1 باشد در این صورت ساختار میکروسکوپی ریز ویکسان آستینیتی ایجاد می شود. که در موقع سرد شدن تبدیل به دانه های ریز فریت و پرلیت می گردد. بعدا با دست یافتن به فولاد های کم آلیاژ با استحکام بالا مقدار و حد تسلیم به  N/mm2 200  می رسد این نوع فولادها تحت عناوین مختلفی معروف می باشند و معمولا آنالیز شیمیایی آنها شامل حدود 15/0%  کربن، 75/0 منگنز،‌ 5/0% ملیبدن،‌ زیرکونیم و وانادیم می شود.استحکام نسبتا بالای آنها بیشتر مربوط به ساختار میکروسکوپی ریز بعد از سرد کردن می باشد،‌ زیرا که این عناصر آلیاژی سبب کاهش درجه حرارت تبدیل خواهد شد. علاوه بر آن خواص مکانیکی کریستال های محلول فریت با وجود عناصر آلیاژی بهتر می شود. با افزودن بعضی از عناصر آلیاژی بیش از همه مس،‌ آن در مقابل خوردگی در مجاورت هوای آزاد افزایش می یابد. هزینه تولید این نوع فولاد ها در حدود 3/1 برابر بیش از فولادهای کربنی انبوه است ولی در عوض به دلیل استحکام بهتر آن می توان در مقدار مصرف صرفه جویی نمود. همانطوریکه در بخش خواص مکانیکی بیان گردید فولاد های غیر آلیاژی (‌یا کربنی)‌ با مقدار درصد پایینی از کربن در دماهای پایین رفتاری ترد از خود نشان می هد. بدین ترتیب کاربرد آنها در درجه حرارتهای پایین (‌زیر صفر)‌ در مقابل نیروهای ضربه ای می تواند خطرناک باشد. هم چنانکه در خلال جنگ جهانی دوم تعدادی از کشتیهای حمل و نقل، که از این گونه فولاد حساس در مقابل شکست. بررسی ها و تحقیقاتی که متعاقب آن انجام گرفت نشان داد که افزودن مقدار کمی از بعضی از عناصر آلیاژی تمایل به شکست ترد را به سمت درجه حرارتهای پایین انتقال می دهد. به دلیل این تجربیات در سال 1956 در آمریکا مقدار درصد کربن در فولاد های مورد استفاده در کشتی سازی از حداکثر 23/0% به 21/0% کاهش یافت و همزمان با آن مقدار درصد منگنز از 75/0%به 95/0% افزایش یافت. درنتیجه این پیش بینی درجه حرارت انتقال حدود 14 درجه سانتی گراد کاهش یافت. در حالی که در دیگر خواص مکانیکی فولاد تغییر قابل توجهی مشاهده نگردیده. سختی پایین تر فولاد در نتیجه کاهش مقدار درصد کربن در اثر ایجاد کریستال محلول با مقدار درصد بالای منگنز جبران می گردد. د رانتخاب مواد اجزاء طراحی که در دماهای پایین تحت تاثیر نیروهای ضربه ای قرار می گیرد باید از بین فولادهای با مقدار درصد پایین کربن فقط از فولادهای ساختمانی مارتنزیتی استفاده شود. اینگونه فولادها در حالت بازپخت شده دارای درجه حرارات انتقال بسیار پایین تر از فولاهایی است که با آنها مطابقت نموده ولی مقدار درصد فریت بالایی دارد. آنها بدون نشان دادن رفتارهای ترد از خود تا دمای 75- درجه سانتی گراد به کار برده شده است.

فولادهای باکربن متوسط

خواص این گروه از فولادها عمدتا بستگی به عملیات حرارتی انجام گرفته روی آنها خواهد داشت. باوجودیکه با افزودن عناصر آلیاژی عمدتا سختی پذیری افزایش می یابد ولی در مقایسه با فولادهای غیر آلیاژی ( کربنی) خواص دیگری هم مناسبتر خواهد شد. برای مثال فولادهایی با عناصر آلیاژی کرم – نیکل – مولیبدن – دارای استحکام کششی حدود N/mm21750. حد تسلیم N/mm21550 و شکل پذیری خوبی با تغییر طول نسبی شکست حدود 12% و کاهش نسبی سطح مقطع شکست حدود 45% است. برعکس تغییر طول نسبی تا شکست فولاد های کربنی خالص با همان استحکام برابر 8%‌ و کاهش نسی سطح مقطع تا شکست در آنها حدود 30% خواهد بود. همچنانکه آزمایش ضربه نشان می دهد فولاد های کربنی آلیاژدار به اندازه قابل ملاحظه ای نرم تر از فولاد های غیر آلیاژی است. علاوه بر آن فولادهای کربنی آلیاژها در مقایسه با غیر آلیاژی مزیت های دیگری هم از خود نشان میدهد. برای مثال فولادهای کربنی آلیاژدار قابلیت بازپخت شدن در دماهای بالاتری را دارد. عناصر آلیاژی اضافه شده کاهش سختی را در نتیجه عملیات حرارتی بازبخت تا حدودی جبران خواهد کرد. بدین ترتیب لازم است تنش زدایی داخلی انجام گیرد. بدلیل اینکه عناصر آلیاژی اضافه شده کاهش سختی در اثر بازپخت را تا حدی جبران خواهند نمود. در این صورت همان سختی که فولاد های غیر آلیاژدار دارد می توان رسید در حالیکه تنشهای باقیمانده داخلی بسیار کمتر خواهد بود. بر عکس چنانچه تاکید بیشتر بر روی سفتی (‌تافنس)‌شود نه برروی سختی،‌ در این صورت فولادهای آلیاژها میتواند بدون هیچ مسئله ای در دماهای بالاتری تردی حرارتی بازپخت گردد. چیزیکه در فولادهای غیر آلیاژی به کاهش مجدد قابلیت شکل پذیری می انجامد. فولادهای تبدیل شده به فاز میانی ( باینیت)‌ در مقایسه با فولادهای مارتنزیتی بازپخت شده،‌ دردمای حدود 250 درجه سانتی گراد با سختی برابر (‌مثلا حدود 50 را کول سی)‌ دارای سفتی بیشتری است زیراکه در این درجه حرارت تردی حاصل از بازپخت ظاهر خواهد شد که سبب کاهش شدید مقاومت در مقابل ضربه می گردد. فولاد های با مقدار درصد متوسط کربن و استحکام بسیاربالا در طراحی وساخت (‌در مواردیکه وزن کم مورد توجه است)‌ برای مثال محفظه سوخت درساخت راکتها مورد استفاده قرار می گیرد. در این نوع فولادهای بدست آمده با استحکم های بالا توضیع غیر یکنواخت تنش می تواند به آسانی سبب ظاهر کشتن شکست شود. زیرا که قابلیت تغییر شکل فولاد به اندازه ای نیست که بتواند تنشهای ماکزیمم ایجادشده را از طریق سیلان (‌تغییر شکل پلاستیکی) موضعی برطرف نماید. به همین جهت این فولادها نباید دارای ناخالصی های درشتی باشد که سبب ایجاد تمرکز تنش در قطعه شود بنابراین به دلایل ذکر شده باید از عیوب سطحی و عیوب جوشکاری هم پرهیز گردد.

فولاد با درصد کربن بالا

در فولادهای با درصد کربن بالا می توان به بالاترین سختی و مقاومت سایشی دست یافت. سختی فوق العاده بالا مستلزم ایجاد مارتنزیت فوق اشباع از کربن است. در حالیکه مقاومت سایشی بیشتر مربوط به ترکبیات کاربیدی موجود در شبکه کریستالی می گردد. فولاهای با کربن بالا در حالت آنیل شده (یا نرم شده)‌ به کمک عملیات حرارتی تغییر شکل داده می شود. درعملیات نرم کردن کاربیت ها شکلی به خود می گیرد که تاثیر مناسبی برروی مقاومت سایشی خواهد داشت. اغلب فولادهای بادرصد کربن بالا دارای بیش از 8/0% کربن می باشد. اینگونه فولادها عملا در درمایی باندازه بسیار کمی بالاتراز Al در محدوده دو فاز آستینت و سمنتیت، آستینتی زمی گردد. بنابر این مقدار کربن آستینت کمب بیش از درصد ترکیب یوتکتوئید است. با این عمل از یک طرف مقدار آستنیت باقیمانده پس از سرد کردن کاهش می یابد و از طرف دیگر کاربیدهای نا محلول از رشد دانه های آستینت جلوگیری بعمل می آورد. بطوری که بعد از تبرید ساختار میکروسکوپی ریزی بدست خواهد آمد. علاوه بر تقسیم بندی مقداردرصد کربن و عناصر آلیاژی دیگر اغلب از فولادهای مخصوص نام برده می شود. اینگونه فولادها تماما توسط خاصیت ویژه و محدوده کاربرد خاص خود مشخص گردیده است. برای مثال فولادهای مقاوم در مقابل حرارتهای بالا و در مقابل خوردگی و همچنین فولاد مغناطیسی و فولاد های ابزار.

اثر عنصرهای آلیاژی در سخت کردن فولاد

فولاد کربنی را اگر سطح مقطع کوچکی داشته باشد می توان به راحتی ایجاد ماترتنزیت آب داد. در موقع بازپخت، این ساختار سخت نرم تر و چقرمه تر می شود و خواص آن خیلی بهتر از خواص فولادهای سخت نشده که همین سختی را دارند و با سرعت خیلی کمتری سردشده اند می باشد، این فولادها ساختار پرلیتی دارند. تأمین این خواص بهینه بدون زحمت زیاد، نه تنها در قطعات کوچک یا در قسمت های نزدیک به سطح در قطعات متوسط بلکه در قطعات بزرگ نیز مفید است.

 

 

لزوم عملیات حرارتی و نیاز به آلیاژها

وجود عناصر آلیاژی به تنهایی موجب به وجود آمدن این خواص یا خواص برتر از آن می شود بدین جهت ارزش واقعی عناصر آلیاژی مختلف خیلی بیشتر از قیمت آنهاست. در عمل جلوگیری از دگرگونی آستنیت به ساختارهای تعادلی وظیفه اصلی آبدهی و مهمترین دلیل برای کاربرد عناصل آلیاژی افزایش دهنده عمق سختی است. سخت شدن فولاد با مارتنزیتی شدن منجر به سختی کامل فولاد می شود. آبدهی وبازپخت به همراه انتخاب دقیق سرعت سرد شدن به روشی مناسب برای تنظیم سختی و استحکام می باشد، اگرچه خواص مکانیکی در تمام سختیها یکسان باشد (که چنین نیست) کنترل خواص مکانیکی از طریق بازپخت از هر لحاظ آسان تر از کنترل خواص با کنترل سرد کردن است.

مشخصه های دگرگونی آستنیت به مارتنزیت

سختی ذاتی فولاد مارتنزیتی قبل از هر چیز تابعی از درصد کربن فولاد است. هر چند عوامل دیگر نیز تأثیر کمتری دارند برای مطالعه عوامل ثانویه احتیاج به اطلاعات بیشتری می باشد.

تشکیل مارتنزیت

استحاله ای که در حین آب دادن سبب دگرگونی آستنیت به مارتنزیت می شود با سرعتی فوق العاده بالا رخ می دهد. مِهل[1] و بونشاه[2] نشان داده اند که یک تک سوزن مارتنزیت در زمانی حدود  7-10 ثانیه شکل می گیرد که تقریباً معادل با سرعت صوت در فولادها، یعنی بیشترین سرعت موج تنش کشسان است. علاوه بر آن این واکنش در مرحله ای معین که بستگی به دمای مینیمم دارد متوقف می شود. در فولادی با  8/0 % کربن، تشکیل مارتنزیت در دمایی حدود ( 215) شروع می شود و با ادامه عمل سرد کردن تا حدودی دمای محیط یا زیر  200، یعنی تا نقطه ای که در آن تمام آستنیتی که می خواهد دگرگون شود تغییر یابد، ادامه پیدا می کند. معمولاً دگرگونی در هر دمایی آنی است و بدون تأخیر یا فوق تبرید انجام می گیرد. در بعضی از فولادهای ویژه پرآلیاژ(Ni 23%، Mn 7/3%، C05/0،N 015/0%) تا حدود 30%، مارتنزیت می تواند به طور تکدما در دمایی زیر دمای محیط تشکیل شود. مارتنزییتی که با آهسته سرد کردن آهسته در محدوده دمایی تشکیل مارتنزیت ایجاد می گردد با مارتنزیتی که با سرد کردن سریع در همین محدوده دمایی به دست می آید کاملا متفاوت است. به نظر می رسد که اگر حداقل شیب دمایی باشد در همین دما آستنیت در تمام قطعه، تقریباً به مارتنزیت تبدیل می شود و تنشهای گرمایی کاهش می یابد. مارتنزیتی که با آهسته سرد کردن به دست می آید اگر ریز دانه نباشد موجب تشکیل ترکهای میکروسکوپی می شود. بهترین نتیجه وقتی حاصل می شود که فولاد را ابتدا به مدت کوتاهی در آب قرار گیرد و سپس به سرعت در روغن سرد شود.

آستنیت باقیمانده

در فولادهایی که به خوبی گرما دیده و سخت شده اند اگر درصد کربن بیش از  55/0% باشد معمولا بعد از آبدهی مقداری آستنیت باقی می ماند مخصوصاً در حضور نیکل، منگنز و کروم که می تواند است با وجو مقدار کمتر کربن نیز آستنیت باقی بماند. این فرآیند در اثر پایین آمدن دمای Ms و Mf انجام می شود. اگر آستنیت باقیمانده را در دمای مناسبی گرم کنیم طبق نمودارهای دگرگونی تکدما دگرگون می شود. در بعضی موارد اگر آستنیت باقیمانده تا دمای پایین تری سرد شود مقداری از آستنیت دگرگون می گردد ولی به علت افزایش حجم فازهای تشکیل شده، گاهی ترک هایی در نمونه پدید می آید. در عمل وجود 15% - 10 آستنیت باقی مانده در مارتنزیت، سختی آن را چندان کاهش نمی دهد. امروزه تخمین میزان آن با پرتو ایکس یا با روشهای مغناطیسی آسان تر شده است ولی هنوز نتیجه ای تقریبی به دست می آید مگر آنکه دقت زیادی صورت گیرد.

معمولاً آب دهی شدید در آب باعث افزایش که آستنیت باقیمانده نسبت به آب دهی در روغن می گردد. وقتی آستنیت با سرعت زیاد و به طور مداوم تا دمایی در حدود یا زیر دمای محیط سرد می گردد مقدار آستنیتی که به مارتنزیت دگرگون (بیشترین مقدار) خواهد بود. در این حالت تنشهای ایجاد شده زیاد است و منجر به ترک خوردن قطعه می شود.

درباره این پدیده که پایداری آستنیت نامیده میشود تحقیقات بسیاری شده است. با وجود اینکه تمام مکانیزم های مربوط به آن شناخته نشده است نتایج زیر قطعی می باشد:

1-  پس از تشکیل مقداری مارتنزیت اگر آن را به صورت تکدما در دمایی زیر Ms نگه داریم، دگرگونی بیشتر آن را در مراحل بعدی سرد کردن، تا مقدار ماکزیمم که تابعی از مقدار مارتنزیت تشکیل شده است، به تأخیر می افتد.(شکل1)

2-  در پائین دمای Ms هر چه آهنگ سردشدن آرام تر باشد مارتنزیت کمتری تشکیل گردیده و نتیجه آن همان طور که در مورد اختلاف سرعت سرد کردن در آب و رغن اشاره شده با نتیجه ای که در قسمت «1» (در بالا) شرح داده شد، به احتمال زیاد، در محدوده ای از دما صورت می گیرد.

3-  در بعضی موارد اگر فولاد را در مدت بسیار کوتاهی که برای تشکیل بینیت کافی نیست در بالای دمای Ms نگه داریم Ms پایین می آید. این مورد هنوز به عنوان پدیده ای عام به اثبات نرسیده و فقط در موارد نادری در عمل مشاهده می گردد.

 


شکل2 : سیر دگرگونی در فولادهای با ترکیب شیمیایی 96/0% کربن، 3% منگنز، 5/0 کرم، 4/0 سیلیسیم و 2/0 نیکل با دو روش سرد کردن.A سرد کردن پیوسته، B آبدهی تا صفر درجه که 54% مارتنزیت بوجود می آورد و سپس نگهداری در ºC 18 به مدت 45 دقیقه و آنگاه سرد کردن پیوسته. اختلاف دمای به منزله معیاری از مقدار تثبیت به کار می رود.

ساختارهای میکروسکوپی منحصر به فرد در فولادهای آلیاژی

در بعضی از فولادهای پرآلیاژتر می توان به راحتی ساختارهایی را به دست آورد که صرفاً در نتیجه دگرگونی در دمای ثابت به وجود می آیند. اگرچه برای تشکیل بینیت که دارای چقرمگی و سختی زیادی است فولادهای کربنی و فولادهای کم آلیاژی به آب دادن خیلی سریع و نگهداری در دمای متوسط نیاز دارند، ولی این ساختار ممکن است تا اندازه ای در بعضی از فولادهای پرآلیاژ که به آهستگی در محیطی با دمای معمولی آبداده شده اند به دست آید. تحت چنین شرایطی بعضی از ویژگیهای عالی دگرگونی در دمای متوسط را می توان به دست آورد. در حقیقت با درصد نسبتاً بالای عناصر آلیاژی و وجود عناصر خاص، امکان وقوع این حالت وجود دارد. پیش از این، وجود این حالت به منزله یکی از مزایای فولادهای آلیاژی در نظر گرفته شد، اما امروزه می دانیم که توضیح آن در منحنی های دگرگونی تکدما نهفته است.

 

 

اثر عناصر آلیاژی خاص بر ساختار بینیت

اگر آهنگ دگرگونی در گسترده بالایی دماها، در زیر Ae1، کم و در گستره دماهای متوسط زیاد باشد مقدرا قابل ملاحظه ای بینیت با ساختار سوزنی به دست می آید. کروم همانند عناصر کاربیدی زای قوی، در این روند کلی تأثیر دارد. نیکل و منگنز به تنهایی تمایل به پایداری آستنیت دارند اما در مقادیر کم همراه با کروم و مولیبدن تمایل به ایجاد فولادی دارند که به آرامی سرد می شود و لزوماً در این صورت دگرگونی آستنیتی به طور کامل انجام شود.

اثر عناصر آلیاژی بر روی فریت

انحلال عناصر آلیاژی در آهن آلفا با جانشین شدن اتم های آنها به جای اتم های آهن انجام می گیرد. از آنجائی که عناصر آلیاژی از نظر  اندازه اتمی و ساختمان متفاوت با آهن می باشد، موقعی که به جای اتم های آهن قرار می گیرند، شبکه کریستالی آهن را تحت تنش قرار داده و در نتیجه پارامتر شبکه تغییر می کند. هر چه تفاوت بین شعاع اتمی آهن و شعاع اتمی عنصر آلیاژی بیشتر باشد، تغییر پارامتر شبکه در اثر آلیاژ شدن بیشتر خواهد بود. عناصری که شعاع اتمی آنها کمتر از شعاع اتمی آهن  باشد پارامتر شبکه آهن را کاهش  داد و بالعکس، عناصری که شعاع اتمی آنها بیشتر از شعاع اتمی آهن باشد، پارامتر شبکه آهن را افزایش می دهند. طبیعی است که تغییر شکل و اندازه شبکه کریستالی آهن آلفا موجب تغییر خواص مکانیکی  آن خواهد شد.

 

 

بررسی تاثیر عناصر آلیاژی بر خواص فولاد

اغلب در حین بررسی نتایج آزمایش آنالیز فولادها به وجود عناصری بر می خوریم که اطلاع از چگونگی تاثیر

عناصر فوق ساختار فولادها از جمله الزامات دانش فنی مهندسین می باشد لذا با استفاده ازمقدمه کتاب کلید فولاد سعی در معرفی ابتدایی برخی عناصر موجود در ساختار فولادها شده است.

کربن

کربن مهمترین و موثرترین عنصر آلیاژی در فولادها می باشد و بالاترین تاثیر را در ساختار آن دارد. هر فولاد آلیاژ شده علاوه بر کربن عناصر آلیاژی دیگری نظیر سیلیسیم – منگنز-فسفر و گوگرد را به همراه خواهد داشت بطوریکه این عناصر به شکلی ناخواسته به هنگام فرایند تولید در فولاد باقی خواهند ماند.اضافه کردن عناصر آلیاژی برای بدست آوردن نتایج مشخص و منحصر بفرد و افزایش کنترل شده منگنز و سیلیسیم در فولاد , فولاد آلیاژی را بوجود خواهد آورد. با افزایش میزان کربن استحکام. سختی پذیری فولاد فولاد بیشتر میشود اما چکش خواری و قابلیت جوشکاری و ماشینکاری (با استفاده از ماشینهای برش) کاهش می یابد.این عنصر عملا هیچ تاثیری بر مقاومت خوردگی در آب, اسید و گازهای گرم ندارد.

کلسیم

در ترکیب با سیلیسیم به شکل سیلیسیم –کلسیم در رکسیژن زدایی فولادها به کار می رود.کلسیم, مقاومت در برابر پوسته شدن مواد هادی حرارت را افزایش می دهد.

سدیم

این عنصر یک اکسیژن زدای مسلم و نیرومند است و گوگرد زدایی را نیز سرعت و شتاب می دهد.به همین دلیل یک عنصر پالایشی در فولادها محسوب می گردد. وجود این عنصر در فولادهای پرآلیاژ باعث گستردگی دامنه فرآیند شکل گیری گرم می شود.همچنین مقاومت فولادهای نسوز را در برابر پوسته شدن بهبود می بخشد.آلیاژهای آهن-سدیم با مقادیر تقریبی 70% سدیم دارای خواص آتش دهندگی(مانند سنگ چخماق) هستند و در تولید چدنهایی با گرافیت کروی مورد استفاذه قرار می گیرد.

 

کبالت

کبالت هیچ کاربیدی را تشکیل نمی دهد. در دمای بالا از رشد دانه ها جلوگیری می کند.مقاومت در برابر تنشهای ناشی از بازپخت را افزایش می دهد و موجب بهبود استحکام مکانیکی فولاد در برابر دمای بالا می شود.لذا به عنوان یک عنصر آلیاژی در فولادهای ابزاری گرم کار,فولادهای مقاوم در برابر خزش و فولادهای دیرگداز به کار می رود.وجود کبالت شکل گیری گرافیت کروی را تسریع می کند.در کمیتها و مقادیر بالا, پایداری مغناطیسی,نیروی مغناطیس زدایی و هدایت حرارتی را افزایش می دهد.لذا به عنوان یک عنصر پایه در آلیاژها و فولادهای مغناطیسی دایم مرغوب به کار می  رود. این عنصر تحت تاثیر تابش نوترونی, رادیوایزوتوپ 60 کبالت را شکل می دهد. به همین دلیل برای فولادهایی که در راکتورهای اتمی بکار برده میشوند مناسب نمی باشد.

کرم

وجود عنصر فوق باعث سختی پذیری فولاد در هوا و روغن می باشد. کرم با کاهش سرعت خنک سازی بحرانی, به وسیله شکل دادن ساختار مارتنزیتی, قابلیت سخت کاری را افزایش می دهد.بنابراین سبب بهبود حساسیتهای سخت  کاری و بازپخت می شود.اما در هر صورت چقرمگی کاهش می یابد.و از انعطاف پذیری یا شکل پذیری فولاد به مقدار کمی کاسته می گردد با افزایش کرم در فولادهای ساده کرم دارجوش پذیری کاهش می یابد.با اضافه نمودن هر واحد  1% کرم به عنوان یک عنصر کاربید سازاستحکام کششی فولاد به میزان 100_80نیوتن بر میلیمتر مربع افزایش می یابد.کرم به عنوان یک عنصر کاربید ساز بکار برده می شود.کاربیدهای این عنصر کیفین نگهداری لبه ها و مقاومت سایشی را افزایش می دهد. کرم موجب مقاومت فولاد در دماهای بالا می شود و در برابر هیدروژن تحت فشارخواص مواد را افزایش می دهد.با افزایش کرم مقاومت در برابر پوسته شدن فولادها نیز بهبود می یابد.به طور تقریب حداقل 13% کرم مورد نیاز است تا مقاومت خوردگی فولادها نیز بهبود یابد.این مقدار کرم باید در قابل فلزی حل شود.این عنصر موجب محدودین دامنه فاز گاما می شود و باالعکس ئامنه فاز فریتی را افزایش می دهد.همچنین باعث پایداری آستنیت در فولادهای آستنیتی کرم-منگنزیا کرم-نیکل شده و سبب کاهش هدایت الکتریکی و حرارتی می شود و انبساط حرارتی را نیز کاهش می دهد.(آلیاژهایی برای آببندی شیشه)با افزایش همزمان میزان کربن و کرم تا میزان 3% پایداری مغناطیسی و شدت نیروهای پسماند زدا افزایش می یابد.

مس بعنوان یک فلز آلیاژی به تعداد  بسیار کمی از فولاد ها اضا فه می شود.زیرا این فلز به زیرلایه های 

سطحی فولاد تمرکز یافته و در فرآیند شکل دهی گرم با نفوذبه مرز دانه ها, حساسیت سطحی را در فولادها بوجود می آورد.لذا به عنوان یک فلز مخرب در فولادها محسوب می گردد.به واسطه حضور مس نقطه تسلیم و نسبت نقطه تسلیم به استحکام نهایی افزایش می یابد.این عنصر در مقادیر بالای 30%موجب سختی رسوبی میشود و بدین ترتیب سختی پذیری نیزبهبود می یابد.اما قابلیت جوشکاری به واسطه حضور مس تغییری نمی کند.در فولادهای آلیاژی ساده و پرآلیاژ مقاومت جوی به میزان کافی بهبود می یابد.مقادیر بالاتر از 1% مس موجب بهبود مقاومت در برابر واکنشهای اسید کلریدریک و اسید سولفوریک می شود.

هیدروژن

هیدروژن یک عنصر مخرب در فولاد تلقی می گردد. زیرا بدون آنکه نقطه تسلیم و استخکام کششی فولاد را افزایش دهد,موجب تردی و شکنندگی فولاد می گردد.انعطاف پذیری را کم کرده و باعث کاهش سطح مقطع می باشد. هیدروژن  سبب پوسته شدن ناخواسته سطح فولاد میگردد و ایجاد خطوط رنگین ناشی از ترکیبات را شتاب می دهد.هیدروژن اتمی ایجاد شده ,در خلال فرایند اکسیژن زدایی در فولاد نفوذ کرده و حفره هایی را تشکیل می دهد(مک)که  در فرآیند جوشکاری(پروزیتی) نام دارد.هیدروژن مرطوب در دمای بالا باعث کربن زدایی فولاد می باشد.

منیزیم

این عنصر موجب تشکیل گرافیت کروی در چدن می باشد.

منگنز

منگنز یک اکسیژن زداست.این عنصر با گوگرد ترکیب شده و تشکیل سولفید منگنز می دهد.بر همین اساس اثرات نامطلوب اکسید آهن را از بین می برد.وجود این عنصر در فولادهای خوش تراش بسیار مهم است.زیرا خط قرمز شکنندگی را کاهش می دهد.منگنز سرعت خنک شدن بخرانی را نیز به شدت کم می کند به همین دلیل سختی پذیری و نقطه تسلیم و استحکام نهایی را افزایش می دهد.با اضافه نمودن منگنز تاثیرات مطلوبی در قابلیتهای آهنگری و جوشکاری فولاد بوجود می آید و بطور قابل ملاحظه ای عمق سختی فولادها را بیشتر می کند.اگر سطح این نوع فولادها در معرض تنشهای ضربه ای قرار گیرد به مقدار بسیار زیادی کارسخت حواهد شد در حالیکه مغز فولاد چقرمگی اولیه خود را حفظ میکند لذا این گروه از فولادها تحت تاثیر نیروهای ضربه ای(کارسختی) مقاومت سایشی مطلوبی از خود نشان می دهند.با افزایش منگنز ضریب انبساط حرارتی افزایش یافته در حالیکه هدایت الکتریکی کاهش می یابد. منگنز باعث افزایش خاصیت فنری می شود.

مولیبدن

این عنصر به طور معمول با عناصر دیگر آلیاژ می شود.در فولاد کرم-نیکل دار و فولاد منگنز دار سبب ریز دانه سازی می شود.و باعث بهبود قابلین جوشکاری می شود و نقطه تسلیم و استحکام نهایی را بالا می برد. با ازدیاد درصد مولیبدن جوش پذیری کاهش می یابد.و سازنده مسلم فاز کاربید است و در فولادهای تند بر خواص برشکاری را بهبود می بخشد.مقاومت خوردگی را بالا می برد.

نیتروژن

این عنصر به دو صورت ظهور می کند

1- بصورت یک عنصر مخرب که به دلیل کاهش چقرمگی  در خلال فرآیند ته نشینی رسوبی است  که موجب ایجاد حساسیت در برابر پیری و شکنندگی آبی(تغییر شکا در درجه خرارت آبی300-350  درجه سانتیگراد)  می شود و امکان ایجاد تنش در ترکهای درون بلوری فولادهای غیرآلیاژی و کم آلیاژ را فراهم می سازد.

2- بصورت عنصری آلیاژی دامنه فاز گاما را افزایش می دهد و ساختار آستنیتی را استحکام می بخشد در فولادهای آستنیتی استحکام را افزایش می دهد و باعث افزایش نقطه تسلیم و خواص مکانیکی در گرما می شود.

 

آلومینیوم

یکی از قویترین اکسیژن زداها  و نیتروژن زداهاست.و بر اساس نتیج بدست آمده تاثیر بسیار زیادی برای مقابله با کرنشهای ناشی از پیری دارد.در ترکیب با نیتروژن تشکیل نیترور سخت می دهد که باعث  افزایش مقاومت در برابر پوسته ای شدن می شود به همین دلیل به عنوان عنصری آلیاژس برای مقاومت حرارتی

فولادها بکار می رود.

ارسنیک

دامنه فاز گاما را محدود میکند لذا عنصری مخرب شناخته می شود زیرا مانند فسفر میل شدیدی به جداسازی ریزدانه های عناصر مختلف دارد. شکنندگی ناشی از بازپخت را افزایش داده و باعث کاهش شدید چقرمگی و قابلیت جوشکاری میگردد.

 

 

 

آزمایش 2

آبدادن نمونه فولادی در محیطهای مختلف سرد کننده

 

مقدمه ای بر آبدادن (سریع سرد کردن[3])

در اکثر دگرگونیهای حالت جامد، سرعت دگرگونی توسط پدیده دیفوژیون کنترل می شود. هنگامی که سرعت سرد کردن به اندازه کافی آرام باشد، فازهای حاصله مطابق نمودار تعادلی خواهند بود ودر این حالت سرعت دیفوژیون یا انتشار اتمها نسبتا زیاد بوده و در نتیجه محصول دگرگونی اغلب درشت و به راحتی قابل مشاهده در زیر میکروسکوپ نوری می باشد.

در حالتی که سرعت سرد کردن بیشتر باشد، سرعت دیفوژیون کمتر و محصول بدست آمده ریز و در حقیقت، از حالت تعادل نیز دورتر است. در موقع گرم کردن فولاد نیز مکانیزم مشابهی بر روی واکنشهای دگرگونی و پدیده دیفوژیون تاثیر می گذارد. هر قدر سرعت گرم کردن بیشتر باشد اندازه بحرانی جوانه ها ابعاد کوچکتری را شامل می شود، در نتیجه، تعداد جوانه های قابل رشد بیشتر و ابعادا دانه ها در بدو امر کوچکتر خواهد بود. ولی با نگهداری جسم در درجه حرارت بالا بدلیل میل به کاهش انرژی آزاد دستگاه برای نزدیک شدن به حالت تعادل، رشد دانه های متعادلتر به ضرر دانه های نامتعادلتر از طریق دیفوژیون می تواند صورت گیرد. در عمل، سرد شدن فولاد بطور پیوسته از درجه حرارت آستنیتی تا درجه حرارت محیط صورت می گیرد.

 

آبدهی (سردکردن سریع) فولادها

سخت کردن یا آبدهی فولاد عبارتست از سرد کردن سریع فولاد از درجه حرارت آستنیتی.

محیطهای سرد کننده معمولا آب، روغن، محلولهای پلیمری و یا نمک هستند. گاهی اوقات از هوای فشردة مرطوب نیز برای سرد کردن استفاده می شود.

برای آبدهی لازم است که قطعه تا بالای درجه حرارت دگرگونی گرم شود. فولاد در این درجه حرارت به

حالت پایدار رسیده و کربور در آن حل شده و بطور همگن در تمام حجم قطعه توزیع می شود. سپس قطعه را در آب، روغن،  محلول پلیمر و یا نمک نیز با هوای فشرده و یا هوای مرطوب سرد می کنند. کارآیی آبدهی به خصوصیات محیط سرد کننده بستگی دارد. نتیجه این عملیت تحت تأثیر  ترکیب فولاد، ساکن یا متلاطم بودن محیط سرد کننده، درجه حرارت و نوع محیط سرد کننده تغییر می کند.

بطور کلی مقصود از آبدادن، گرم کردن فولاد در حدود 30 تا 50 درجه سانتیگراد بالای AC3  (برای فولادهای هیپوتکتوئید) یا 50 تا 70 درجه سانتیگراد بالای AC1 (برای فولادهای هیپراتکتوئید)، نگهداری آن تا این درجه حرارت تا ختم دگرگونی فازها و پس از آن سرد کردن سریع فولاد با سرعتی بیش از سرعت بحرانی آبدادن می باشد( برای فولادهای کربنی اغلب اوقات در آب و برای فولادهای آلیاژی در روغن یا در یک حمام از یک مایعاتدیگر صورت میگیرد). شکل 3

 

شکل 3

آبدادن یک عمل نهایی نیست. برای آنکه همگنی محلول جامد آستنیتی تأمین شود، در مورد برخی از فولادهای مخصوص گرم کردن قطعه تا چندصد درجه سانتیگراد بالای نقطه دگرگونی لازم است.

برای حذف قابلیت شکنندگی و تنشهایی که در اثر آبدادن ایجاد می شود و نیز برای به دست آوردن خصوصیات مکانیکی مورد نظر در فولاد، پس از آبدادن، یک مرحله عملیات بازگشت لازم است.

هدف از آبدادن و بازگشت که بر روی یک فولاد ابزاری انجام می شود، مخصوصا به خاطر بالا بردن سختی،

مقاومت و تحمل در برابر فرسایش آن بوده و در مورد فولادهای ساختمانی برقرار ساختن رابطه مناسبی بین مقاومت، حد الاستیک، سختی، پلاستیسیته و مقاومت به ضربه می باشد.

چگونگی گرم کردن نیز دارای اهمیت ویژه ای برای آبدهی فولادها می باشد. زمان گرم کردن و نیز آتمسفر کم و بیش اکسید کندده کوره اثر بزرگی بر روی نتایج نهایی یک عمل حرارتی دارد. آبدهی فولاد از درجه حرارت بالاتر از حد لازم موجب می شود تا سختی قطعه کمتر شده و اکسیداسیون، کربورزدایی سطحی و نیز رشد دانه ها و در نتیجه شکننده شدن قطعه رخ دهد. گرم کردن بایستی با دقت زیادی صورت گیرد. در این مورد دو مسئله اساسی را باید در نظر گرفت:

1- تا حد امکان گرم کردن منظم باشد.

2- سطح فولاد کمتر خراب شود.

در گرم کردن همیشه باید روشی را انتخاب کرد که از اکسیداسیون سطحی فولاد جلوگیری شود. این موضوع یک امر اساسی خصوصا برای فولادهای پر کربن است زیرا اکسیداسیون کربن را سوزانده و این کربورسوزی باعث کاهش سختی سطحی قطعه می شود از طرف دیگر، قشر اکسیدی مزاحم تماس خوب قطعه با مایع سرد کننده می شود و آبدهی نامنظمی را باعث می شود.

یکی از روشهای کارگاهی معمول برای تعیین آنکه یک کوره با آتمسفر احیاء کننده تنظیم شده آن است که در مقابل درب کوره یک قطعه چوب سفیدخشک قرار می دهند. اگر آتمسفر احیاء کننده باشد، چوب بایستی بدون شعله زغال شود.

 

روشهای آبدهی(سریع سرد کردن)

سرعت انتقال حرارت از قطعه به محیط آبدهی در حد وسیعی تحت تاثیر روش یا شرایط استفاده از محیطهای آبدهی می باشد. به این ترتیب، نامهای مختلفی به روشهای فوق اتلاق می شود از قبیل:

آبدهی مستقیم، آبدهی زمانی، آبدهی موضعی، آبدهی با پاشیدن پودر، آبدهی با هوای مرطوب، آبدهی منقطع و ...

1- آبدهی مستقیم

آبدهی مستقیم متداولترین روش است. هنگامی که یک قطعه پس از سمانته شدن، از درجه حرارت سمانتاسیون یا درجه حرارتی کمتر از آب داده شود، اصطلاح آبدهی مستقیم را به کار می برند تا از روشهای دیگری که قطعه سمانته شده را پس از سرد کردن آرام، گرمکردن مجدد و سپس با یرد کردن سریع آب می دهند متمایز شود. عملیات آبدهی مستقیم نسبتا ساده اقتصادی بوده و با این روش پیچیدگی قطعات سمانته شده (در مقایسه با گرم کردن مجدد و آبدهی) خصوصا در مورد قطعات کوچکتر کمتر است.

2- آبدهی با تغییر سرعت

این روش آبدهی هنگامی به کار می رود که سرعت سرد کردن قطعه تحت آبدهی بایستی در یک زمان معین سریعا تغییر کند. بسته به نتایج مورد نیاز، این تغییر ممکن است در جهت افزایش سرعت سرد کردن و یا کاهش آن باشد. روش متعارف عبارت است از کاهش درجه حرارت قطعه با سرد کردن ناگهانی آن در یک محیط سرد کننده (مثلا آب) برای یک زمان کوتاه تا اینکه درجه حرارت قطعه تا زیر دمای منحنی T-T-T برسد. سپس قطعه را درآورده و آن را در یک محیط دوم (مثلا روغن) قرار می دهند، به طوریکه قطعه در محدوده مارتنزیتی با سرعت کمتری سرد شود. در بسیاری از موارد، محیط دوم هوای آرام است.

آبدهی با تغییر سرعت اغلب اوقات برای حداقل کردن تاب، ترک و تغییر ابعادی قطعه بکار می رود. این روش آبدهی را باید با احتیاط به کار برد زیرا موفقیت در عمل در حد وسیعی به مهارت عمل کننده بستگی دارد.

 

3- آبدهی موضعی

این روش هنگامی به کار می رود که فقط بعضی از قسمتهای قطعه باید تحت تاثیر محیط آبدهی قرار گیرند. برای این منظور می توان قسمتهای را که نباید آب گرفته شوند، با عایق کاری محافظت کرد و یا آنکه محلول آبدهی را فقط در تماس با نواحی مورد نظر قرار داد.

4- آبدهی با پاشیدن ذرات مایع

جریان ذرات مایع آبدهی با فشاری حدود 8 آتمسفر بر روی قطعه پاشیده می شود. سرعت سرد کردن در

تمام فواصل حرارتی سیکل آبدهی، بالا و یکنواخت است زیرا حجم زیادی از مایع سرد کننده مصرف می شود و در عین حال، تمام مایع سرد کننده در تماس مستقیم با قطعه مورد عمل قرار می گیرد. حرکت سریع ذرات هرگونه حباب را که در جریان سرد کردن قطعه ایجاد می شود، با خود می برد و با ذرات ریز مایع حرارت را منتقل می کند. معهذا استفاده از جریان قوی مایعات پلیمری با فشار کمتر ترجیح داده می شود.

بررسی محیط های مختلف آبدهی

محیط های آبدادن باید تا درجه حرارتی که تحت آن مدت تعادل نا پایدار آستنیت حداقل است، ( حدود 550 تا 650 درجه سانتیگراد) قابلیت سرد کردن بسیار سریعی داشته باشند تا ازتجزیه آستنیت به مخلوط فریت + سمانتیت جلوگیری گردد. در عین حال بسیار بجاست که در ناحیه دگرگونی مارتنزیتی (زیر حدود 200 تا 300 درجه سانتیگراد) سرعت سرد شدن کاهش یابد تا از ایحاد تنشهای داخلی که باعث کجی، ترک و تغییر شکل قطعه آبداده خواهد شد، جلوگیری شود.

برای حمام آبدادن فولادهای کم کربن و کم آلیاژ که برای آنها سرعت بحرانی آبدادن بالاست از آب (با دمائی در حدود 20 تا 30 درجه سانتیگراد) و محلولهای آبی مختلف استفاده می کنند، در حالی که برای فولادهای آلیاژی علاوه بر آب و محلولهای آبی مختلف، روغن و هوا را نیز می توان به کار برد.

همچنین ممکن است سرد کردن را در آب آهک، آب اسید، نفت، پیه، هوای فشرده، محلولهای پلیمری و یا در حمام های مذاب فلزی انجام داد (مانند سرد کردن فولادهای تند بر تنگستن دار در سرب مذاب یا سرد کردن قطعات کوچک ساعت در داخل جیوه).

بدلیل مفصل بودن این بخش تنها به معرفی محیطهای فوق به صورت لیست وار می پردازیم:

1- آب

آب به عنوان محیط سرد کننده دارای سرعت سرد کردن بسیار بالایی در بین مایعات می باشد.آب قابل دسترس، بدون آلودگی محیط زیست و ارزان می باشد که این از مزایای آن است.

2- محلولهای نمکی

منظور از محلولهای نمکی، محلولهای آبی حاوی درصدهای مختلفی از نمک (نظیر کلرور سدیم و یا کلرور

کلسیم) می باشد.

3- آبدهی قطعات در روغن

روغنهای آبدهی را می توان به محیط های معمولی سریع، همگنی مارتنزیتی و یا آبدهی گرم دسته بندی کرد.

4- آبدهی قطعات در محلولهای پلیمری

چهار نوع پلیمر برای آبدهی مورد استفاده قرار می گیرند:

الف) پلی وینیل الکل(PVA)

ب)پلی آلکیلن گلیکولها (PAG)

ج)پلی وینیل پیرو لیدن (PVP)

د)پلی اکریلات ها (PAP)

5- سرد کردن در گاز

آبدهی در گاز، سرعت سرد کردنی حدواسط بین سرعت سرد کردن هوای ساکن  و روغن را برای قطعه تامین می کند.

نحوه انجام آزمایش

 پنج نمونه فولادی پس از علامت گذاری و صیقل کاری و اندازه گیری سختی به مدت کافی در درجه حرارتی که برای آبدهی فولاد با استفاده از دیاگرام آهن- سمانتیت مشخص می کنند(حدود 900) نگهداشته تا ساختمان آستینتی در تمام حجم نمونه ها تشکیل گردد. سپس هر کدام را با سرعت در محیطی که برای سرد کردن انتخاب شده قرار می دهیم. نمونه اول را در آب، نمونه دوم را در روغن، نمونه سوم را در هوا و نمونه چهارم را به صورت شاهد نگه می داریم. سختی را پس از آب دهی مجددا اندازه گیری کرده و سپس با اچ نمونه ها ساختار میکروسکوپی هر یک از فولاد ها را بررسی و مقایسه می کنیم.

 

آزمایش 3

بررسی ویژیگیهای فولادها در هنگام بازگشت (تمپر[4])

مقدمه ای بر بازپخت (temper)

مطالعه دگرگونی آستنیت در جریان سرد کردن پیوسته

اولین کار bain  و davenport بر روی دگرگونی آستنیت در شرایط ایزوترم منجر به تشکیل سازنده های پرلیت، بینیت و مارتنزیت گردید. این سازنده های حاصل تجزیا آستنیت در درجه حرارتهای مختلف می باشند. متاسفانه تعداد محدودی از عملیات حرارتی در شرایط ایزوترم صورت می گیرد. تقریبا در تمام حالات، قطعه پس از عملیات آستنیت زدایی، تحت سرد کردن پیوسته تا درجه حرارت محیط قرار می گیرد. به این ترتیب، تعیین مناطق موجودیت سازنده های مختلف در جریان سرد کردن پیوسته نیز ضروری است.

با انتخاب یک فولاد اتکتوئید به عنوان مثال، می توان اختلاف بین دیاگرام دگرگونی ایزوترم و دیاگرام دگرگونی با سرد کردن پیوسته را ملاحظه کرد. (شکل 4) دیاگرام مذگور را نشان می دهد که بر روی آن دو منحنی سرد کردن پیوسته (از درجه حرارت T8) رسم شده است.

 

شکل 4

منحنی(1) را که سرعت سرد کردن کمتری دارد، در نظر می گیریم. پس از حدود 6 ثانیه منحنی سرد کردن، منحنی T-T-T را در نقطه a قطع می کند. این نقطه طلاقی a، زمان لازم برای ایجاد جوانه پرلیت در شرایط ایزوترم در 650 درجه سانتیگراد را نشان می دهد. یک نمونه ای که بطور پیوسته مطابق خط(1) سرد شود، پس از 6 ثانیه به خط لیزوترم 650 درجه سانتیگراد می رسد. حال با توجه به آنکه در طول 6 ثانیه، نمونه درجات حرارتی بالاتر ی هم داشته است، لذا متوسط این درجه حرارتها بالاتر از 650 درجه ساتیگراد خواهد شد. چون زمان لازم برای دگرگونی پرلیتی در درجه حرارتهای بالاتر از 650 درجه سانتیگراد طولانی تر از زمان لازم در 650 درجه سانتیگراد است لذا می توان نتیجه گرفت که نمونه ای که به طور پیوسته سرد شده است، در آخر 6 ثانیه آماده برای تشکیل پرلیت نیست. به عبارت دیگر برای شروع دگرگونی در جریان سرد کردن پیوسته، زمان بیشتری لازم است زیرا ذر سرد کردن پیوسته یک زمان اضافی برای افت درجه حرارت لازم می باشد. نقطه ای که در آنجا دگرگونی واقعا شروع می شود، در سمت راست و زیر نقطه a، در نقطه ای مانند b که در سمت راست و زیر نقطه c، محل تقاطع منحنی سرد کردن پیوسته با منحنی ختم دگرگونی ایزوترم قرار گرفته، مطابق است.

هدف از بازپخت

بازپخت عبارت از گرم کردن فولاد تا درجه حرارت بالای درجه حرارت دگرگونی فازها، نگهداری به مدت کافی در این درجه حرارت و سپس سرد کردن آرام آن می باشد.

بازپخت ممکن است برای هدفهای کاملا مختلفی انجام شود:

-         از بین بردن سختی یک فولاد آبداده.

-         به دست آوردن حداکثر نرمی برای آسان کردن عملیات شکل دهی و یا ماشین کاری.

-         تغییر در ویژگیهای الکتریکی

-         بازسازی قطعه ای که قبلا تحت کارسرد یا تحت حالت فوق گرم شدن قرار گرفته است.

-         همگن کردن بافتهای نا همگن.

-         تعدیل تنش های مولکولی.

-         تعادل ابعادی.

شکل (5) مسیر عملیات مختلف حرارتی را در مقایسه با منحنی CCT مربوطه نشان می دهد.

به طور کلی هر قدر درجه حرارت آستنیتی کردن بالاتر انتخاب شود، همگنی ساختمانی قطعه در مدت زمان معین بیشتر شده و در نتیجه در هنگام سرد شده آرام، ساختار تیغه ای حاصل می شود. در موقعی که درجه حرارت آستنیتی کردن پائین تر انتخاب شود ( مثلا در منطقه بین A1 و A3 ) همگنی آستنیت حاصله کمتر بوده و در نتیجه، در هنگام سرد کردن می تواند موجب تشکیل کربورهای کروی شود.

 

شکل 5

گرم کردن فولاد تا درجه حرارت بالای درجه حرارت دگرگونی فازها، نگهداری به مدت کافی و سپس سرد کردن آرام، قطعه را به حالت تعادل تعادل فازها و ساختار تعادلی نزدیک تر می کند.

این عملیات حرارتی با توجه به نمودار تعادل آهن – سمانتیت، امکان به دست آوردن ساختارهای زیر را برای فولادهای مختلف به دست می دهد:

-         برای فولادهای هیپوتکتوئید: فریت + پرلیت

-         برای فولادهای اتکتوئید: پرلیت

-         برای فولادهای هیپراتکتوئید: سمانتیت + پرلیت

معمولا سختی و مقاومت در فولادهای بازپخت شده پائین تر می آید.

از طریق بازپخت می توان ساختار و یدماشتاشن را حذف و همچنین دانه های فولاد را ریزتر کرد. با کم کردن مقاومت و سختی فولاد، در اثر بازپخت قابلیت شکل پذیری و نیز قابلیت تراشکاری قطعه بالا می رود. یک فولاد دانه ریز، با تنشهای داخلی تعدیل شده که بهترین همگنی ساختار را در اثر بازپخت به دست آورده است، نسبت به قطعه ای از همان آلیاژ که از طریق ریخته گری و یا عملیات آهنگری و یا نورد به دست آمده و لی بازپخت نشده است، دارای قابلیت مفتول شدن و پلاستیسیته عالی تری می باشد. به این دلیل است که بازپخت به عنوان عملیات نهایی برای تعداد زیادی از قطعات ریخته شده به ابعاد بزرگ لازم است.

نحوه انجام آزمایش

 نمونه که در آب یا آب نمک سخت شده است و دارای ساختار پر تنش ماتنزیتی می باشد را در کوره ای که قبلا تا 300 درجه سانتی گراد (گاهی اوقات تا نصف درجه حرارت استنیتی کردن نمونه فولاد ی ) گرم شده قرار داده و پس از 2 دقیقه آن را از کوره در آورده و اجازه دهید تا در هوا سرد شود. آنگاه سختی نمونه را اندازه گیری کنید. این عمل را مرتبا تا رسیدن به سختی ثابت و با افزایش زمان تکرار کنید. زمان آزمایش را در هر آزمایش به صورت زیر افزایش دهید.

ابتدا 2 بار و هر بار 2 دقیقه در کوره سپس 2 بار و در هر بار 5 دقیقه و پس از آن 2 بار و هر بار 10 دقیقه و..... تا به سختی ثابت در قطعه دست یابید. از نظر آماری و دقت در اندازه گیری ،سختی را هر بار سه مرتبه اندازه گرفته و معدل گیری کنید.

حدول نتایج خاصله را تهیه و سپس منحنی تغییرات سختی را بر حسب زمان رسم و در خصوص آن بحث کنید.

آزمایش 4

باز پخت فولاد (آنیل[5])

منظور از آنیل، هرگونه عملیات حرارتی را می گویند که در آن فاز مارتنزیت تشکیل نشود.

 با مطالعه دیاگرام تعادلی آهن – کربن میتوان فازهای حاصله از سرد کردن آرام( تعادلی) یک قطعه فولادی را پیش بینی کرد. مطالب و دستور کار بخش های قبلی اطلاعات کافی در خصوص تئوریهای این آزمایش در اختیارتان قراتر می دهد. دانشجو لازم است کاربرد انواع مختلف باز پخت و اهداف آن را بررسی و تاثیر آن را در ویژگیهای  مختلف فولاد مورد بررسی قرار دهد.

بررسی مختصری از انواع آنیل:

1) آنیل کامل:

بازپخت کامل عبارت از گرم کردن فولاد تا حدود 50-30 درجه سانتیگراد بالای AC3 (ACm برای هیپراتکتوئید) و نگهداری آن در این درجه حرارت به مدت کافی (گرم شدن کامل و یکنواخت فلز) و سپس سرد کردن آذام قطعه می باشد. سرعت سرد کردن قطعه بستگی به دمای فولاد، ساختار میکروسکوپی و ابعاد آن داشته و بین 30 تا 200 درجه سانتیگراد در ساعت انتخاب می شود. هر قدر فولاد دارای کربن بیشتری باشد، سرعت سرد کردن کمتر است.

ساختار فولادهای هیپواتکتوئید پس از بازپخت کامل شامل مجموع پرلیت – فریت می باشد.

بازپخت کامل بیشتر بر روی قطعات ذوب شده و آهنگری شده انجام می گیرد.

2) آنیل ایزوترم:

در این نوع بازپخت فولاد را مانند حالت قبل گرم می کنند و سپس نسبتا سریع و آهسته آن را تا درجه حرارت معینی سرد می کنند ( با هوا یا انتقال آن به کوره ای دیگر ). این درجه حرارت معمولا حدود 100 یا 150 درجه سانتیگراد زیر A1 بوده و تا تجزیه کامل آستنیت در این درجه حرارت قطعه را نگهداری و سپس آن را سریع سرد می کنند.امتیاز بازپخت ایزوترم آن است که زمان عمل بازپخت کاهش می یابد.

3) آنیل ناقص:

این نوع بازپخت در درجه حرارتی انجام می شود که از حرارت لازم برای بازپخت کامل کمتر (فقط کمی بالاتر از AC1) می باشد.

امتیاز این نوع بازپخت، کم کردن اکسیدایون سطحی قطعه می باشد که با افزایش درجه حرارت عمل این اکسیداسیون می تواند عمیقتر گردد.

4) آنیل اصلاح:

بازپخت اصلاح شامل گرم کردن قطعه تا زیر درجه حرارت دگرگونی می باشد.این نوع بازپخت به اندازه بازپخت کامل موجب نرم شدن قطعه نمی شود ولی در بعضی موارد اجزای این بازپخت برای نرم کردن قطعه ترجیح داده می شود.

هنگامی که یک فولاد خود آبگیر در اثر چکش کاری به شدت تحت کار سرد قرار گیرد و یا در اثر آبدهی به شدت سخت شود، برای بدست آوردن نرمی لازم باید قطعه را دوبار تحت بازپخت اصلاح قرار داد.

5) آنیل سفید یا آنیل درخشان:

منظور از بازپخت سفید بازپختی است که در غیاب گاز اکسید کننده انجام شودتا آنکه از اکسیداسیون قطعه جلوگیری شود.

6) آنیل حین عملیات:

بازپختی که بین مراحل کار انجام می گیرد به نام بازپخت حین عملیات معروف است.

7) آنیل کروی کردن:

برای ایجاد کربورهای کروی در یک زمینه فریتی در فولاد، مطابق یکی از روشهای زیر انجام می شود:

الف) نگهداری طولانی در درجه حرارتی کاملا نزدیک درجه حرارت A1.

ب)گرم و سرد کردن متناوب قطعه بین درجه حرارتهای Ar1 و Ac1.

ج)گرم کردن قطعه تا درجه حرارت بالای Ar1 و سپس سرد کردن خیلی آرام در کوره.

 

8) نرمالیزه کردن فولاد:

نرمالیزه کردن عبارت از گرم کردن فولاد به اندازه 50 تا 60 درجه سانتیگراد بالای درجه حرارت دگرگونی، نگهداری به مدت کافی در این درجه حرارت و سپس سرد کردن آن در هوا می باشد.

برای فولادهای پر کربن (هیپراتکتوئید) عمل نرمالیز کردن برای تغییر شکل سمانتیت بکار می رود.

نحوه انجام آزمایش

 نمونه های آب داده شده و نیز نمونه بازگشت شده را که دارای سختی ها و ساختارهای میکروسکوپی متفاوتی هستند در کوره ای که از قبل تا درجه حرارت لازم برای باز پخت گرم شده است ،قرار دهید و به مدت لازم در کوره نگهدارید. و سپس نمونه ها را در کوره سرد کنید. (کوره را خاموش نکنید و. بگذارید نمونه ها در کوره سرد شوند). سختی نمونه ها را سپس اندازه گیری کرده و نتیجه ها را با هم و با سختی های قبل از آزمایش مقایسه کنید. پس از صیقلی کردن و پویش و اچ ، ساختار میکروسکوپی نمونه های مختلف را مقایسه و علت های اختلاف را مورد بررسی و بخث قرار دهید.

 

آزمایش 5

سمانتاسیون فولادها

سمانتاسیون در واقع اشباع کربن در سطح  فولاد میباشد. برای بهبود ویژگیهای سطحی فولاد بویژه مقاومت به سائیدگی از سمانتاسیون استفاده می کنند. سمانتاسیونباسمان جامد، مایه و گازی در صنعت متداول می باشد. لازم است دانشجو ضمن بررسی مختصری در انواع روشهای سمانتاسیون هدف های انجام این نوع عملیات حرارتی محدودیتها و نتایج حاصله را در گزارش آزمایشگاه بررسی و تحقیق نماید. بویژه کیفیت و جنس مواد بکار رونده در سمانتاسیون باسمان جامد. مشخصات تجهیزات و روشهای بهبود فرایند به دقت بررسی گردد. نقش فعال کننده های ذغال (سمان )و اثر هر یک حتی الامکان بحث شود.

روشهای نوین سخت کردن سطحی

این روشها که نسبت به فرایندهای مطرح شده دیگر از قدمت تاریخی بسیار کمتری برخوردارند، برای سخت کردن سطحی به صورت موضعی و یا تگاهی کلی استفاده می شوند. در این روشها،‌بستگی به نوع فرایند ممکن است ترکیب شیمیایی سطح عوض شده و یا اینکه تغییر نکند. از جمله روشهای نوین عملیات حرارتی سخت کردن سطحی عبارتند از: سخت کردن به کمک لیزر، سخت کردن توسط پرتو الکترونی و القا یا کاشت یونی(سخت کردن پلاسمایی)

الف- عملیات حرارتی سطحی به کمک لیزر

این فرایند به طور گسترده ای برای سخت کردن موضعی قطعات فولادی و یا چدنی ماشین آلات استفاده می شود. حرارت تولید شده توسط جذب نور لیزر برای آستنیته کردن موضعی سطح استفاده شده و به نحوی کنترل می شود که از ذوب شدن سطح مورد برخورد جلوگیری شود با هدایت حرارت به سمت مغز قطعه، سرد شدن سریع خود به خود انجام  شده و ناحیه مورد نظر به مارتنزیت تبدیل می شود. برای اختلاف گذاشتن بین این فرایند و فرآیند ذوب سطحی توسط لیزر، این روش را گاهی به «سخت کردن استحاله ای توسط لیزر» معرفی می کنند رد این روش هیچ گونه تغییر ترکیب شیمیایی سطح وجود نداشته و شمابه با فرایندهای سخت کردن سطحی شعله ای و القاییف از این فرایند به طور گسترده و موثر می توان برای سخت کردن  سطحی موضعی آلیاژهای آهنی استفاده کرد. روشهای دیگر عملیات سطحی لیزری عبارتند از: ذوب کردن سطحی و آلیاژسازی سطحی. ذوب کردن سطحی موضعی موجب پالایش ساختار در اثر سریع سرد شدن از حالت مذاب می شود. در حالی که در آلیاژسازی سطحی، عناصر آلیاژی به حوضچه مذاب اضافه شده و بدین ترتیب ترکیب شیمیایی سطح عوض می شود. ساختار نجیب حاصل از ذوب و یا آلیاژ سازی سطحی توسط لیزر رفتار الکتروشیمیایی را به طور قابل ملاحظه ای افزایش می دهد.

حتی در فولادها با سختی پذیری کم، سخت ردن استحاله ای توسط لیزر یک پوسته نازک متشکل از مارتنزیت بسیار ظریف در ناحیه حرارتی سطح ایجاد می کند این پوسته از سختی زیاد و مقاومت سایشی خوب برخوردار است. به علاوه امکان تاب برداشتن قطعه در ضمن تشکیل این پوسته بسیار کم است روش لیزر از این جحهت با فرایندهای شعله ای و القایی متفاوت است که تجهیزات لیزر را می توان در فاصله مشخصی از قطعه مستقر کرد. ضخامت های لایه مارتنزیت تولید شده توسط لیزر معمولاً در محدوده  250 الی 750 میکرون برای فولادها و در حدود  1000 میکرون برای چدنها است امکان کم تاب برداشتن،‌سختی زیاد سطحی، مقاومت به سایش و بهبود خواص خستگی موجب شده است که این فرآیند روش بسیار مناسبی بریا سخت کردن سطحی موضعی قطعات ماشین آلات نظیر میل لنگ و میل بادامک باشد.

ب- سخت کردن توسط پرتو الکترونی

مشابه با عملیات لیزری پرتو الکترونی نیز برای سخت کردن سطحی فولادها استفاده می شود. در این فرایند یک پرتو متمرکز شده ای از الکترونها با سرعت زیاد به عنوان منبع حرارتی جهت گرم کردن موضعی نواحی مورد نظر قطعات فولادی استفاده می شود. الکترونهای آزاد شده از یک تفنگ الکترونی شتاب داده شده و مستقیماً بر روی سطح قطعه برخورد داده می شوند. برای تولید یک پرتو الکترونی نیاز به یک خلأ زیاد در محفظه است. این خلأ برای جلوگیری از اکسیده شدن المان ساطع کننده الکترون وممانعت از پراکنده شدن الکترونها در ضمن حرکت نیاز است. مشابه با سخت کردن لیزری، ‌در این فرایند نیز نیازی به سرد کردن سریع قطعه نیست. مع هذا، ابعادقطعه باید در حدی باشد که سرد شدن سریع خود به خود سطح امکان پذیر باشد گفته شده که برای این منظور ، وزنی در حدود 8 برابر ناحیه ای که قرار است سخت شود در زیر و اطراف منطقه گرم شده نیاز است.

ج- عملیات حرارتی سطحی به روش کاشت یون

فرایند کاشت یونی برای اصلاح ترکیب شیمیایی سطح بود که در آن یونها با انرژی بسیار زیاد بهداخل سطح فرستاده می شوند. گفته شده که برای این منظور تقریباض یونهای هر نوع ماده ای را می توان استفاده کرد، مع هذا یونهای نیتروژن را به طور گسترده ای برای بهبود مقاومت به خوردگی و بهبود خواص تریبولوژییک فولادها و آلیاژهای دیگر به کار یم برند. گرچه در هر دو فرآیند،  کاشت یون نیتروژن و نیتروژن دیه پلاسمایی میزان نیتروژن سطح قطعه افزایش می یابد، مع هذا تفاوت های اساسی بین این دو فرآیند و چگونگی اصخلاح ترکیب شیمیایی سطح وجود دارد. تفاوت اساسی در این رابطه این است که، برخلاف نیتروژن دهی پلاسمایی، کاشت یون را می توان در دمای اتاق انجام داد.

در تجهیزات کاشت یون، یونهای آزاد شده از منبع ویژه طراحی شده برای این منظور با انرژی بسیار زیاد شتاب داده شده و در محل مورد نظر به سطح نمونه برخورد داده می شوند، برعکس، انرژی یونها و اتم ها درنیتروژن دهی پلاسمایی بسیار کمتر است. کاشت یون بر روی نمونه ها در دمای اتاق انجام می گیرد، لذا تشکیل رسوبات کنترل شده توسط دیفوزیون و خشن شدن ساختار به حداقل ممکن می رسد از آنجایی که دمای عملیات پایین بوده و فرایند در یک محفظه ای با خلأ خیلی خوب(بیشتر از 5-10تور) انجام می گیرد، داشتن ستطوح تمیز تضمین شده و واکنش های شیمیایی سطحی ناخواسته نظیر اکسید شدن کاهش می یابد. در این فرایند تنها نواحی نسبتاض کوچک از سطح قطعه که مستقیماً در برخورد با پرتو یونی هستند، تحت تأثیر کاشت یون قرار می گیرند. برای پوشش دادن نواحی بیشتری از سطح، باید پرتو یونی و یا نمونه

به طور کنترل شده حرکت داده شود. 

به خاطر عدم نفوذ در فرآیند کاشت یون،عمق نفوذ در این روش کم است مع هذا، استحکام ها با سختیهای خیلی زیاد لایه های سطحی حاصل از کشت یون نیتروژن، ضخامت کم پوسته در این فرایند را جران می کند. کاشت یون یک فرایند پیچیده و غیرتعادلی است که در اثر آن خسارات شبکه ای زیاد در قالب جاهای خالی و معایب نقطه ای از نوع بین نشینی به وجود می آید. از سوی دیگر، غلظت اجزای کاشته شده در سطح می تواند به مراتب بیشتر از حد حلالیت در حالت تعادلی باشد. در حقیقت، جای گرفتن، چگالی بالایی از اتم ها با اندازه های کاملاً متفاوت از اندازه اتم های شبکه زیر لایه می تواند منجر به تشکیل ساختارهای بی شکل و یا فازهای شبه تعادلی گردد. 

از آنجایی که در این فرایند اصلاحاتی در خود سطح قطعه انجام می گیرد، مشکلاتی مربوط به چسبندگی پوشش های خیلی سخت که اغلب با آن روبرو هستیم را نخواهیم داشت. همچنین، نظر به اینکه کاشت یون معمولاً همراه با گرم شدن خیلی کم سطح است، پایداری ابعاد بسیار خوب است. مثالهایی در رابطه با کاربرد فرایند کاشت یون عبارتند از: سخت کردن سطحی لبه چاقوها، تیغ صورت تراشی، انواع کاربردهای فولاد ابزار و کاشت یونی یاتاقانهایc 440 و 52100 با تیتانیم و یا نیتروژن جهت بهبود مقاومت خستگی تماسی.  مشخص شده است که در کاربردهای اخیر، تیتانیم ضریب اصطکاک را کاهش داده و نیتروژن با تشکیل ترکیبات بین فلزی سختی را افزایش می دهند.

 نحوه انجام آزمایش

 برای تهیه سمان جامد یا فعال کننده مقدار 7-3% کربنات کلسیم و 12-8 درصد کربنات باریم را به آیب جوش افزوده و دانه های ذغال به ابعاد 10-3 میلی متر را به این اضافه گردد. و پس از مخلوط کردن ،بیرون آورده می گذاریم تا خشک شود. سپس در صندوق سمانتاسیون (در آزمایشگاه بوته گرافیتی یا بوته های چینی و مشابه) مقداری سمان در کف ریخته و نمونه که از قبل صیقلی و وجوه مختلف آن پویش شده را در آن قرار می دهیم و مجددا اطراف و روی نمونه را از سمان (ذغال)پر می کنیم و تا دهنه بوته را با ذغال پر

کرده و درب صندوق را با گا نسوز (بنتونیت یا کائولن )کاملا اندود می کنیم.

صندوق را به طور کامل در کوره ای که از قبل به درجه حرارت cº950-900 رسیده است قرار داده به مدت دو ساعت در درجه حرارت مذکور نگه داشته آنگاه صندوق را باcº 500 در کوره سرد می کنیم و سپس از کوره خارج کردن نمونه از صندوق سمانتاسیون و سرد کرده در هوا نمونه به دو نیم کرده و مقطع نمونه را از لحاظ میزان نفوذ کربن در لایه های سطحی فولاد مورد بررسی ساختاری قرار داده و سختی نمونه را از لبه به سمت مرکز قطعه اندازه گیری کرده و منحنی تغببرات سختی را نسبت به فاصله رسم می کنیم و نتایج حاصله مورد بحث و تفسیر قرار می گیرد.

آزمایش 6

بررسی قابلیت سختی پذیری با آزمایش جامینی

مقدمه:

به منظور تعیین قابلیت سختی پذیری فولادهای مختلف و بررسی اثر عوامل مختلف بر آن از جمله نقش عناصر آلیاژی، آزمایش جامینی بکار برده می شود. استعداد یک فولاد برای افزودن سختی تحت تاثیر آبدهی را قابلیت سختی پذیری فولاد می نامند. با آزمایش جامینی میتوان نشان داد که قطعه ای با قطر معینی تا چه فاصله ای از سطح دارای سختی معین است.

یک نمونه به قطر یک اینچ و طول چهار اینچ را بعد از استنیتی کردن به مدت بیست دقیقه از یک انتها توسط آب خنک می کنند. انتهای دیگر نمونه به تدریج در هوا سرد می شود. در نتیجه بخشی از میله سخت و مارتنزیتی شده و بخش دیگر آن پرلیتی خواهد شد. به دلیل یکسان بوده قابلیت هدایت حرارتی تمام فولاد ها (با فرض یکسان بودن ترکیب شیمیایی) میتوان فرض نموده که تمانم نمونه ها  بطور استاندارد و با سرعت یکنواخت سرد می شوند و نقاط واقع بر هر مقطع طولی با سرعت معین سرد خواهد شد.

کربن و سختی مارتنزیت: اثر کربن  بر سختی مارتنزیت چنان محسوس است که باید کربن را به عنوان تعیین کننده خواص مارتنزیت بدانیم. افزایش مقدار کمی کربن در درصد های کم موثرتر از افزایش همان مقدار کربن در درصد های بالاتر است، بنابراین در فولادی با 02/0% کربن که مقدار عناصر غیرفلزی آن کم است، اگر آهنگ سرد کردن به میزان بحرانی فوق العاده زیاد خود برسد ماده ای که بعد از آنیل سختی آن به حدود BHN 70 بود، به سختی BHN 160 می رسد. این سختی معادل سختی به وجود آمده با 1% کربن در فولادهای ابزار کربنی است. در صورتی که کاربیدها به صورت ذرات درشت کروی باشند، به عبارت دیگر سختی ناشی از آب دادن این فولاد معادل با سختی ناشی از توزیع 15% ذرات سخت و درشت کاربید است در اهن  بسیار خالص رسیدن به آهنگ سرد کردن بحرانی ممکن نیست،‌لذا سختی مارتنزیت آهن خالص مفهومی ندارد. شاید بتوان از برونیابی سختی ماکزیمم و به دست آوردن مقدار آن در درصدهای کمتر

کربن، منحنی مارتنزیت آهن خالص را نشان داد در واقع با آب دادن خیلی سریع، حتی در آهن خالص نیز

فریت بسیار ریزدانه تشکیل نمی شود.

سختی ذاتی فولاد آبدیده یا مارتنزیت اساساً از لحاظ علمی مورد توجه است. فقط درصد کمی از فولادهای کربنی یا آلیاژی در حالت مارتنزیتی یا بازپخت  نشده به کار می روند. فولاد مغناطیسی را می توان پس از آب دادن به عنوان آهنربای دائم به کار برد، در صورتی که خواص  مکانیکی آن مورد نظر نباشد، فولادی که بالاترین سختی ممکن را دارد به مقدار کمی برای ساخت ابزار برش شیشه به کار می رود. مارتنزیت کم کربن(کمتر از 2/0%) پس از آب دادن دارای چقرمگی و نرمی قابل ملاحظه ای است. بلبرینگها یا رولربرینگهای بدون اصطکاک که باید بسیار سخت باشند، معمولاً کمی بازپخت می شوند. در واقع مارتنزیت ساختار واسطه است که چقرمگی آن باید افزایش یابد. سختی زیاد آن چندان اهمیتی ندارد، زیرا معمولاً می توان به مارتنزیت با درصد معینی از کربن رسید.

مفهوم سختی پذیری

در سخت گردانی فولادها به روش آب دادن به دو عامل بیشتر توجه شده است که تشخیص آن دو از یکدیگر اهمیت بالایی دارد.

نخست، فولادهایی که از طریق مارتنزیتی شدن سخت می شوند، حداکثر سختی آنها مقدار معینی خواهد بود که تا حد زیادی این سختی به درصد کربن آنها بستگی دارد اگرچه سایر عناصر موجود فولاد نیز تا حدی موثرند. اما به دلیل عوامل مهمی موثر بر فرآیند دگرگونی، دستیابی به این حداکثر سختی همیشه امکان پذیر نیست. فولادهای آبدیده برحسب درصد کربن خود میزان سخت شدن متفاوتی  دارند.

دوم، سرعت آب دادن نیز که اساساً سختی مارتنزیتی را به وجود می آورد اهمیت دارد. ممکن است میله ای فولادی با آب دادن در روغن کاملاً  سخت شود حال آن که میله ای مشابه از فولادی دیگر برای سخت شدن احتیاج به آب دادن شدیدتری در آب داشته باشد و حتی در  این حالت هم ممکن است فقط از دگرگونی لایه های سطحی به ساختار تعادلی جلوگیری شود. فولادها، بر حسب سرعت آب دادن لازم برای تشکیل مارتنزیت، با یکدیگر تفاوت دارند و هیچ یک از ویژگیهای فولادی که عملیات حرارتی می شود به اندازه این یکی اهمیت ندارد. این خاصیت بیشترین مقطع را، برای اینکه با هر روش آب دادنی بتوان تمام یا تا عمق معینی زیر سطح را سخت کرد، تعیین می کند. چون آب دادن ملایم ترک خوردگی کمتری ایجاد می کند از این رو اغلب برای قطعات بزرگ احتیاج به فولادهایی می باشد که نیاز به آب دادن شدید نداشته باشند.

شدت سخت گردانی بر حسب سختی پذیری

در مواردی که سختی سطح فولاد آبدیده و بازپخت نشده مهم است معمولا انتخاب درصدی از کربن بدون اینکه مشکلی ایجاد کند این خواسته را تأمین می کند زیرا فقط سختی ذاتی مطرح است. فرض کنید این سختی مارتنزیتی در داخل قطعه نسبتاً بزرگی نیاز باشد. افزایش درصد کربن هر چند باعث افزایش کمی در عمق سختی می شود ولی فایده چندانی ندارد. آنچه لازم است، افزایش قابلیت فولاد برای حصول سختی مارتنزیتی از طریق سرد کردن آهسته تر است و این قابلیت عملاً‌مستقل از سختی ذاتی مارتنزیت است، لذا فولادهای ابزار پرکربن ‌با دانه های ریز ‌به آسانی می توان به بیشترین سختی شناخته شده در فولاد رسید، اما فقط پس از آب دادن شدید در قطعات نسبتاً کوچک ممکن است. حال آنکه در فولادهای کم کربن که عناصر آلیاژی در آنها باعث افزایش عمق سختی می شوند رسیدن به حداکثر سختی HRC 58  امکان پذیر است، این سختی در سرتاسر مقطع قطعاتی با قطر 3 اینچ یا میله های بزرگ تر به وجود می آید.

برای این مشخصه، واژه«سختی پذیری» را باید به کار برد. اگرچه در صورت امکان بهتر بود از واژه دیگری استفاده کرد. برای بعضی از مصرف کننده های فولاد، سختی پذیری به معنی شدت سخت گردانی فولادی است که به خوبی آبدیده باشد اما معنی منطقی تر آن قابلیت فولاد برای رسیدن به سختی مارتنزیتی با حداقل آهنگ آب دادن است. چنانچه دو معنی فوق تفاوتی اساسی نداشتند ترکیبی از این دو را به عنوان سختی پذیری در نظر می شد گرفت. ولی لازم است که بر اختلاف این دو مفهوم تأکید کرد.

رفتار فیزیکی سختی پذیری

احتمالاً جامع ترین تحقیق درباره سختی پذیری و رفتار فیزیکی فولادهای آبدیده، قبل از جامعه فلزکاران

امریکا توسط گراسمن، آسیمو[6] و اوربان[7] انجام گرفته است. در حقیقت این پژوهشگران با توسیع مفاهیم

پژوهش های کلاسیک هـ. ج. فرنچ[8] و هاوارد اسکات[9] و ت.ف. راسل[10] اصول آب دادن و سخت گردانی فولادها را تکمیل کردند. بنابراین می توان وسعت ناحیه سخت شده در هر نمونه استوانه ای از فولاد را در هر محیطی که برای آب دادن انتخاب می شود، به دست آورد به شرطی که رفتار فولاد در هر محیطی مشخص باشد. فرضیات گراسمن، آسیمو واوربان به قرار زیر است: 

  1. مطابق قانون نیوتون انتقال گرما متناسب است با اختلاف دمای بین سطح فلز و محیطی که در آن آبدهی انجام می گیرد.
  2. ثابت انتقال گرما برای سطوحی با انحنای کم یا زیاد،‌بزرگ یا کوچک، که به طور یکسان گرم شوند، مساوی است.
  3. پس از گرم کردن آستنیت به دست آمده از مرکز تا سطح قطعات فولادی بزرگ یا کوچک، باید یکنواخت و همگن باشد.

با استفاده از این فرضها می توان آهنگ سرد کردن را در نقاط مختلف نمونه ای که آبداده می شود، برای میله های با قطر مختلف و در شرایط مختلف آب دادن به دست آورد.

عوامل موثر بر سختی پذیری را می توان به صورت زیر دسته بندی کرد:

الف- کاهش سختی پذیری

عامل هایی که به جوانه زنی کمک می کنند:

1-    ریز بودن اندازه دانه های آستنیت

2-    آخالهای نامحلول شامل:

الف- کاربیدها (یا نیتریدها)

ب- آخالهای غیرفلزی 

3-     ناهمگنی آستنیت

 

ب-  افزایش سختی پذیری 

عواملی که باعث کند شدن جوانه زنی یا رشد محصولات Ar  از جوانه ها می شوند:

1-    عناصر محلول در آستنیت (بجز کبالت)

2-    بزرگ بودن اندازه دانه های آستنیت

3-    همگنی آستنیت (یکنواختی ترکیب شیمیایی)

بنابراین بدون توجه به اثر این عوامل، پنج عامل اصلی در سختی پذیری موثرند:

1-    میانگین ترکیب شیمیایی آستنیت

2-    همگنی آستنیت

3-    اندازه دانه آستنیت

4-    آخالهای غیرفلزی موجود در آستنیت

کاربیدها(و نیتریدها)ی نامحلول در آستنیت

نحوه انجام آزمایش

 نمونه استاندارد آزمایش جامینی در اختیارتان قرار می گیرد. نمونه ها را در کوره حرارت داده تا استنیتی شود و وسایل آزمایش جامینی را در همین حال آماده سازید. پاشیدن آب بایستی طوری میزان شود که تولید جریان قائمی به ارتفاع حدود 5 سانتی متر بالای لواه ایجاد کند. انتهای میله جامینی بایستی در فاصله 5/1  سانتی متری از سر لوله افشانک قرار گیرد. نمونه راپس از استینی شدن از کوره خارج کرده و بلا فاصله در محل تعبه شده در دستگاه جامینی قرار دهید تا جریان آب بر سطح مقطع نمونه پاشیده شود. جریان پخش آب با سرد شدن نمونه و حداکثر 10 دقیقه ادامه یابد. سپس سختی نمونه در فواصل  اینچی از سطح ابداع اندازه گیری کرده و منحنی سختی را بر حسب فاصله ار انتهای آبدیده رسم کنید . مشاهدات خود را آزمایش ،گزارش کنید و نتایج را مورد بحث و تفسیر قرار دهید.

 

منابع و مراجع:

1- کلید فولاد / نویسنده :C.W.Wegst.

2- عملیات حرارتی فولادها و چدن ها/ دکتر گلعذار/ دانشگاه صنعتی اصفهان.

3- - عناصر آلیاژی در فولاد / ادگارسی.بین، هارولد.پکستون / ترجمه: علی اکبر اکرامی / مرکز نشر دانشگاهی تهران / چاپ 1375.

4- عملیات حرارتی و مهندسی سطح / دکتر محمدعلی گلعذار / انتشارات ارکان / چاپ دوم 1382.



1 Mehal

2 Bunshah

[3] quench

[4] Tempering

[5] Annealing

1 Asimow

2 Urban

3 H . J . Frenchy

4 Howard scott

5 T . F . Russell


تبلیغات
  • طراحی قالب توسط پارس تولز
  • ParsTools.Com
.CopyRight © 2010 - 2011 modernsteel Group , All Rights Reserved ©