عملیات حرارتی

قبل از ظهور متالوژی به عنوان یک علم، بسیاری از عملیات مربوط به سخت کردن فولادها، افزایش قابلیت شکل پذیری آنها و یا عملیات مشابه دیگر، در پرده ای از ابهام و اسرار نهفته بود. به بیان دیگر، تبدیل یک قطعه آهن نرم و انعطاف پذیر به یک ابزار و اسلحه فلزی مقاوم، سخت و برنده نظیر شمشیر، ویا چاقو، اساس و راز صنعتگران به حساب می آمد و هیچگونه علم و دانشی برای روشن کردن چگونگی این تغییر حالتها وجود نداشت. به عنوان مثال، برای مدتها تصور می شد که، کیفیت بسیار بالای فولادهای ساخته شده توسط صنعتگران شفلید در انگلستان، ناشی از خواص سحر آمیز آب این شهر است. در همین رابطه، گفته شده است که زمانی یک تاجر از ایالت یورک در انگلستان، مقادیر بسیار زیادی از آب شهر شفلیدر را به قیمت گزافی به ژاپن صادر نمود.

در گزارشها آمده است که در زمان بسیار قدیم، صنعتگران دمشق برای سخت کردن شمشیرهای فولادی، آنها را ابتدا حرارت داده، کاملاً داغ کرده، و سپس در شکم برده های اسیر شده فرو برده، به شدت حرکت داده و می چرخاندند. از جمله عوامل موثر در سخت شدن فولاد در این روش وحشتناک عملیات حرارتی، می تواند جذب نیتروژن خون باشد. در یادداشتهای مربوط به تاریخچه عملیات حرارتی آمده است که جیمز باوی سازندة اصلی چاقوی باوی در دوران غرب وحشی به منظور سخت کردن چاقوهای خود آنها را پس از حرارت دادن و سرخ شدن، نه مرتبه پشت سر هم در روغن پلنگ فرو می برده است.
گرچه از زمان باستان، عملیات حرارتی به عنوان یکی از مهمترین مراحل تولید ابزارهای فولادی (به طور فلزی ) استفاده می شده است، ولی ظهور آن به عنوان یک علم به اواسط قرن نوزدهم بر می گردد. تا آن زمان، دانش بشر در زمینة عملیات حرارتی به مجموعه هایی از دستورالعملهای به دست آمده از قرنهای متوالی تجربه منحصر می شود.
این دستورالعملها که اغلب ارزش بسیار زیادی داشته، از پدر به پسر به ارث می رسید. در این میان، بسیاری از اسرار گم شده و دو مرتبه کشف می شد، ولی طبیعت و ماهیت واقعی عملیات حرارتی همچنان در پرده ابهام باقی بود.
در قرن نوزدهم، با پیشرفت سریع علم، عملیات حرارتی نیز به جرگه علوم پیوست، جهش اولیه و ناگهانی که در این زمینه به وقوع پیوست، ناشی از مطالعات انجام شده توسط میکروسکوپ نوری داده شد، "تکنیک متالوگرافی" برای مشاهده و مطالعة ساختار فلزات و آلیاژها ارائه شد. این تکنیک که شامل پولیش و حکاکی با محلول شیمیایی مناسب و مشاهده ساختار سطح نمونه توسط میکروسکوپ نوری است، هنوز هم یکی از مهمترین ابزارهای دانشمندان متالوژی برای مطالعه و تعیین میکروساختار فلزات و آلیاژها محسوب می شود.
پیشرفتهای وسیع نظریه های عملیات حرارتی پس از سالهای 1920، مدیون دستگاه آنالیزکننده با پرتو ایکس است. به کمک این دستگاه مطالعات عمیق در رابطه با طبیعت، مکانیزم و سینتیک دگرگونیهای حالت جامد انجام شد. در مدت دو یا سه دهه، اطلاعات بسیار و جامعی در رابطه با قوانین اثرات حرارتی برروی میکروساختار و خواص فلزات و آلیاژها به دست آمد. در اواخر سالها ی 1950 میکروسکوپهای الکترونیکی از نوع عبوری برای مطالعة تغییرات میکرو ساختار درونی در اثر عملیات حرارتی و سپس تکنیکهای جدید به منظور آنالیز در مقیاس میکروسکوپی نظیر استفاده از میکروسکوپهای اوژه به طور وسیعی به کار گرفته شدند.
در مرحلة جدید مطالعات، اثرات و نقش معایب شبکه های بلوری در فلزات بر روی چگونگی تغییرات میکروساختار در اثر عملیات حرارتی مختلف بررسی شد. اهمیت این امر با توجه به این نکته مشخص می شود که، در بسیاری از موارد، معا یب بلوری اثرات بسیار شدید و حتی در برخی موارد اثرات تعیین کننده ای بر روی مکانیزم تغییرات ساختار و در نتیجه تغییرات خواص در ضمن عملیات حرارتی دارند. ارایه نظریه های جدید، بسط و گسترش آنها، بهبود روشهای عملیات حرارتی موجود و ارائه روشهای نوین نظیر عملیات حرارتی – شیمیایی (ترموشیمی) و بالاخره به کارگیری روشهای جدید نظیر القای یونی به منظور سخت کردن سطحی، موجب گسترش هر چه وسیعتر گسترة عملیات حرارتی در دهه اخیر شده است.

محیط سرد کننده
بررسی اثر درصد کربن و محیط سرد کننده بر سختی و ریز ساختار فولادهای ساده کربنی . فولادها گروهی از آلیاژهای آهن-کربن وعناصر دیگرند که بیشترین کاربرد را در صنعت و فناوری دارند. یکی از دلایل کاربرد وسیع فولاد ها عبارتست از خواص کاملا ً متنوعی که میتوان به کمک روشهای مختلف عملیات حرارتی در آنها بوجود آورد. نوع عملیات حرارتی انجام شده روی فولاد وهمچنین مقدار درصد کربن فولاد عامل اصلی تاثیر گزار بر میکرو ساختار نهایی فولاد می باشد. بسته به نوع عملیات حرارتی انجام شده میتوان یکی از میکرو ساختارهای مارتنزیتی ، بینیتی ، پرلیتی را بدست آورد.
میکروساختار مارتنزیت سخت ترین میکرو ساختاری است که میتوان در یک فولاد کربنی ساده بوجود آورد. تشکیل میکرو ساختار مارتنزیتی در صورتی امکانپذیر است که از دگرگونی آستنیت به مخلوط فریت وسمنتیت در دماهای بالا جلوگیری شود. مارتنزیت دقیقاً همان تر کیب شمیایی آستنیت اولیه را دارد .
محصول دگرگونی یوتکتویید در فولادها، میکروساختار منحصر به فردی موسوم به پرلیت است . پرلیت از لایه های متناوب فریت وسمنتیت تشکیل شده ومشابه اثر انگشت بر روی کاغذ است . به بیان دیگر، ساختار پرلیت توسط دسته هایی از لایه های متناوب فریت وسمنتیت با فواصل وجهات مختلف مشخص می شود..
بینیت درفولادها در گستره دمایی بین پاینترین دمای تشکیل پرلیت وبالاترین دمای تشکیل مارتنزیت، تشکیل می شود. از جمله مشخصه های عمده دگرگونی بینیتی این است که از بعضی از جنبه ها شبیه به دگرگونی پرلیتی واز برخی جنبه ها مشابه دگرگونی مارتنزیتی است.

آستنیته کردن
بررسی اثر دما و زمان آستنیته کردن بر سختی و ریز ساختار فولاد های ساده کربنی .
تشکیل آستنیت و کنترل اندازه دانه های آن از جمله پارامتر های مهم در رابطه با بسیاری از روشهای عملیات حرارتی فولاد هاست. چگونگی دگرگونی آستنیت (ریز ساختار) و خواص مکانیکی (سختی و...) ساختارهای حاصل از آن به شدت تحت تاثیر اندازه دانه های آستنیت ، درصد کربن و عناصر آلیاژی که به صورت محلول در آستنیت وجود دارند قرار دارد. مهم ترین پارامتر های مؤثر بر روی اندازه دانه ها ، درصد کربن و همچنین درصد عناصر آلیاژی محلول در آستنیت عبارتند از :
1- ساختار اولیه. 2- دمای آستنیته کردن. 3- زمان آستنیته کردن.
از نقطه نظر دگرگونی ، مرزدانه های آستنیت محل های مناسبی برای جوانه زنی فاز های پرویوتکتوئید و پرلیت است. از این رو، در آستنیت درشت دانه ، محلهای مناسب برای جوانه زنی کمتر بوده و در نتیجه دگرگونی نفوذی آستنیت به تعویق می افتد. این پدیده باعث می شود که سختی پذیری فولاد افزایش یابد. همچنین اندازه دانه ها آستنیت با تغییر دادن دمای Ms بر روی دگرگونی تشکیل مارتنزیت اثر می گذارد.

آنیل کردن
بررسی فرآیندهای آنیل کردن شامل آنیل کامل، آنیل ایزوترمال و آنیل اسفرودایز .
واژه آنیل دارای معنی، مفهوم و کاربرد وسیعی است، بدین صورت که، به هر نوع عملیات حرارتی که منجر به تشکیل ساختاری بجز مارتنزیت و با سختی کم و انعطاف پذیری زیاد شوداطلاق می شود. از آنجایی که این مفهوم بسیار کلی است، عملیات حرارتی آنیل به یک سری فرایندهای مشخصتر و دقیقتر تقسیم می شود. این تقسیم بندی بر اساس دمای عملیات، روش سرد کردن، ساختار و خواص نهایی است.
آنیل کامل
آنیل کامل عبارتست از حرارت دادن فولاد در گستره دمایی نشان داده شده در شکل زیر و سپس سرد کردن آهسته، معمولاً در کوره است. تحت شرایط فوق آهنگ سرد شدن در حدود 0.02درجه سانتیگراد بر ثانیه است . همچنان که در شکل دیده می شود، گستره دمایی آستنیته کردن برای آنیل کامل، تابع درصد کربن فولاد است. بدین صورت که ، برای فولادهای هیپویوتکتویید حدود 50 درجه سانیگراد بالای خط و برای فولادهای هایپریوتکتویید حدود 50 درجه سانتیگراد بالای خط است. دماهای بحرانی و تا حدودی تحت تاثیر عناصر آلیاژی در فولادهای تغییر می کند. بنابر این، به طور کلی در عملیات آنیل کامل ، فولادهای هیپویوتکتویید را در ناحیه تکفاز آستنیت و فولادهای هایپر یوتکتویید را در ناحیه دوفازی آستنیت- سمنتیت حرارت می دهند.
علت آستنیته کردن فولادهای هایپر یوتکتویید در ناحیه دوفازی آستنیت- سمنتیت این است که سمنتیت پرویوتکتویید در این فولاد به صورت کروی و مجتمع شده در آید.اگر چنین فولادی تا بالای خط حرارت داده شود ،درضمن آهسته سرد شدن سمنتیت پرویوتکتویید به صورت شبکه پیوسته ای در مرز دانه های آستنیت رسوب می کندو در نتیجه منجر به ترد وشکننده شدن فولاد می شود.در عملیات آنیل کامل ، هدف ازآستنیته کردن فولادهای هایپر یوتکتویید در ناحیه دو فازی آستنیت – سمنتیت ، عبارت است از شکستن شبکه پیوسته کاربید یاد شده و تبدیل آن به زرات ریز و کروی شکل مجزا از یکدیگر است. نیروی محرکه در این عملیات عبارت است از کاهش انرژی فصل مشترک ناشی از کروی شدن ذرات کاربید و در نتیجه کاهش مقدار فصل مشترک آستنیت- کاربید است.
آنیل ایزو ترمال
این عملیات شامل حرارت دادن فولاد در دو دمای مختلف است، ابتدا عملیات آستنیته کردن که در همان گستره دمایی مربوط به آنیل کامل انجام می شود و سپس سرد کردن سریع تا دمای دگر گونی و نگه داشتن برای مدت زمان کافی جهت انجام دگر گونی .
پس از پایان دگر گونی ، فولاد را با هر آهنگ سرد شدن دلخواهی می توان سرد کرد .منحنی زیر شمایی از مراحل گرم کردن و سرد شدن را در عملیات آنیل همدما برای یک فولاد هیپو یوتکتوییدنشان می دهد.
زمان لازم برای آنیل همدما در مقایسه با آنیل کامل به مراتب کمتر است، در حالی که سختی نهایی کمی بیشتر خواهد بود. همانند آنیل کامل ،میکروساختار حاصل از آنیل همدما در فولادهای هیپو یوتکتویید، یو تکتوییدو هایپر یوتکتوییدبه ترتیب عبارت است از فریت-پرلیت، پرلیت و پرلیت – سمنتیت است . ولی پرلیت حاصل نسبتاً ظریفتر و در صد فریت و سمنتیت پرویوتکتویید تا حدودی کمتر است.از جمله موارد عمده کاربرد آنیل همدما در رابطه با فولادهای آلیاژی است که دارای سختی پذیری بالایی اند . در صورتی که بر روی این فولادها عملیات حرارتی آنیل کامل انجام شود به علت سختی پذیری زیاد، ساختار نهایی حاصل به جای پرلیت خشن ، ممکن است پرلیت ظریف و یا حتی مخلوط از پرلیت ظریف و بینیت بالایی باشد.
آنیل اسفرودایز
تعادلی ترین ساختار در بین ساختارهای تعادلی ایجاد زمینه ای از فریت همراه با کره های ریز سمنتیت درآن است این ساختار دارای بالاترین خواص می باشد.
روش های کروی کردن سمنتیت:
عملیات حرارتی طولانی مدت زیر خط
1. عملیات حرارتی فولاد هیپو دررنج وفولاد هایپر و سپس سرد کردن تا دمایی زیر و سپس نگه داشتن در این دما به منظور کروی شدن سمنتیت.
2. حرارت دادن فولاد هیپو در رنج و فولاد هایپر در رنج و سپس سرد کردن آهسته تا زیر و نگه داشتن در این دما به مدت زمان h5/0 و تکرار عمل فوق الذکر در چند مرتبه.

عملیات حرارتی

مطالب مشابه :

چدن و فولاد

نمونه سئوال برای درس عملیات حرارتی

اچانت های مناسب جهت فولادهای ساده کربنی

عملیات حرارتی

بهینه سازی وجوشکاری فولاد 4130