عملیات حرارتی درمتالورژی

قاسم معتمدی

عضو جدید

• Dec 6, 2009

• #1

​

«عمليات حرارتي»​

قبل از ظهور متالوژي به عنوان يك علم، بسياري از عمليات مربوط به سخت كردن فولادها، افزايش قابليت شكل پذيري آنها و يا عمليات مشابه ديگر، در پرده اي از ابهام و اسرار نهفته بود. به بيان ديگر، تبديل يك قطعه آهن نرم و انعطاف پذير به يك ابزار و اسلحه فلزي مقاوم، سخت و برنده نظير شمشير، ويا چاقو، اساس و راز صنعتگران به حساب مي آمد و هيچگونه علم و دانشي براي روشن كردن چگونگي اين تغيير حالتها وجود نداشت. به عنوان مثال، براي مدتها تصور مي شد كه، كيفيت بسيار بالاي فولادهاي ساخته شده توسط صنعتگران شفليد در انگلستان، ناشي از خواص سحر آميز آب اين شهر است. در همين رابطه، گفته شده است كه زماني يك تاجر از ايالت يورك در انگلستان، مقادير بسيار زيادي از آب شهر شفليدر را به قيمت گزافي به ژاپن صادر نمود.
در گزارشها آمده است كه در زمان بسيار قديم، صنعتگران دمشق براي سخت كردن شمشيرهاي فولادي، آنها را ابتدا حرارت داده، كاملاً داغ كرده، و سپس در شكم برده هاي اسير شده فرو برده، به شدت حركت داده و مي چرخاندند. از جمله عوامل موثر در سخت شدن فولاد در اين روش وحشتناك عمليات حرارتي، مي تواند جذب نيتروژن خون باشد. در يادداشتهاي مربوط به تاريخچه عمليات حرارتي آمده است كه جيمز باوي سازندة اصلي چاقوي باوي در دوران غرب وحشي به منظور سخت كردن چاقوهاي خود آنها را پس از حرارت دادن و سرخ شدن، نه مرتبه پشت سر هم در روغن پلنگ فرو مي برده است.
گرچه از زمان باستان، عمليات حرارتي به عنوان يكي از مهمترين مراحل توليد ابزارهاي فولادي (به طور فلزي ) استفاده مي شده است، ولي ظهور آن به عنوان يك علم به اواسط قرن نوزدهم بر مي گردد. تا آن زمان، دانش بشر در زمينة عمليات حرارتي به مجموعه هايي از دستورالعملهاي به دست آمده از قرنهاي متوالي تجربه منحصر مي شود.
اين دستورالعملها كه اغلب ارزش بسيار زيادي داشته، از پدر به پسر به ارث مي رسيد. در اين ميان، بسياري از اسرار گم شده و دو مرتبه كشف مي شد، ولي طبيعت و ماهيت واقعي عمليات حرارتي همچنان در پرده ابهام باقي بود.
در قرن نوزدهم، با پيشرفت سريع علم، عمليات حرارتي نيز به جرگه علوم پيوست، جهش اوليه و ناگهاني كه در اين زمينه به وقوع پيوست، ناشي از مطالعات انجام شده توسط ميكروسكوپ نوري داده شد، "تكنيك متالوگرافي" براي مشاهده و مطالعة ساختار فلزات و آلياژها ارائه شد. اين تكنيك كه شامل پوليش و حكاكي با محلول شيميايي مناسب و مشاهده ساختار سطح نمونه توسط ميكروسكوپ نوري است، هنوز هم يكي از مهمترين ابزارهاي دانشمندان متالوژي براي مطالعه و تعيين ميكروساختار فلزات و آلياژها محسوب مي شود.
پيشرفتهاي وسيع نظريه هاي عمليات حرارتي پس از سالهاي 1920، مديون دستگاه آناليزكننده با پرتو ايكس است. به كمك اين دستگاه مطالعات عميق در رابطه با طبيعت، مكانيزم و سينتيك دگرگونيهاي حالت جامد انجام شد. در مدت دو يا سه دهه، اطلاعات بسيار و جامعي در رابطه با قوانين اثرات حرارتي برروي ميكروساختار و خواص فلزات و آلياژها به دست آمد. در اواخر سالها ي 1950 ميكروسكوپهاي الكترونيكي از نوع عبوري براي مطالعة تغييرات ميكرو ساختار دروني در اثر عمليات حرارتي و سپس تكنيكهاي جديد به منظور آناليز در مقياس ميكروسكوپي نظير استفاده از ميكروسكوپهاي اوژه به طور وسيعي به كار گرفته شدند.
در مرحلة جديد مطالعات، اثرات و نقش معايب شبكه هاي بلوري در فلزات بر روي چگونگي تغييرات ميكروساختار در اثر عمليات حرارتي مختلف بررسي شد. اهميت اين امر با توجه به اين نكته مشخص مي شود كه، در بسياري از موارد، معا يب بلوري اثرات بسيار شديد و حتي در برخي موارد اثرات تعيين كننده اي بر روي مكانيزم تغييرات ساختار و در نتيجه تغييرات خواص در ضمن عمليات حرارتي دارند. ارايه نظريه هاي جديد، بسط و گسترش آنها، بهبود روشهاي عمليات حرارتي موجود و ارائه روشهاي نوين نظير عمليات حرارتي – شيميايي (ترموشيمي) و بالاخره به كارگيري روشهاي جديد نظير القاي يوني به منظور سخت كردن سطحي، موجب گسترش هر چه وسيعتر گسترة عمليات حرارتي در دهه اخير 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.​

آستنيته كردن​

بررسی اثر دما و زمان آستنيته كردن بر سختي و ريز ساختار فولاد هاي ساده كربني .
تشكيل آستنيت و كنترل اندازه دانه هاي آن از جمله پارامتر هاي مهم در رابطه با بسياري از روشهاي عمليات حرارتي فولاد هاست. چگونگي دگرگوني آستنيت (ريز ساختار) و خواص مكانيكي (سختي و...) ساختارهاي حاصل از آن به شدت تحت تاثير اندازه دانه هاي آستنيت ، درصد كربن و عناصر آلياژي كه به صورت محلول در آستنيت وجود دارند قرار دارد. مهم ترين پارامتر هاي مؤثر بر روي اندازه دانه ها ، درصد كربن و همچنين درصد عناصر آلياژي محلول در آستنيت عبارتند از :
1- ساختار اوليه. 2- دماي آستنيته كردن. 3- زمان آستنيته كردن.
از نقطه نظر دگرگوني ، مرزدانه هاي آستنيت محل هاي مناسبي براي جوانه زني فاز هاي پرويوتكتوئيد و پرليت است. از اين رو، در آستنيت درشت دانه ، محلهاي مناسب براي جوانه زني كمتر بوده و در نتيجه دگرگوني نفوذي آستنيت به تعويق مي افتد. اين پديده باعث مي شود كه سختي پذيري فولاد افزايش يابد. همچنين اندازه دانه ها آستنيت با تغيير دادن دماي Ms بر روي دگرگوني تشكيل مارتنزيت اثر مي 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.​

سختي پذيري​

بررسی و تعيين سختي پذيري فولاد ها با استفاده از تست جميني ( JominHardenability Test)
براي اين منظور از يك نمونه ي استوانه اي به قطر 25 ميلي متر (1 اينچ) و طول 100 ميلي متر (4 اينچ ) استفاده مي شود.
از آنجايي كه ساختار اوليه فولاد اثر قابل توجهي بر روي سختي پذيري آن دارد ، بهتر است كه نمونه ها قبل از آزمايش نرماله شوند . در اين روش نمونه مورد نظر را تا دماي سخت كردن فولاد حرارت داده وبه مدت تقريبا 20 دقيقه در آن دما نگه داشته و پس ازآن به كمك يك فواره آب با فشار و دبي مشخص ، نمونه را از يك انتها توسط آب 25 درجه سانتيگراد سرد مي كنند . فاصله ي فواره از انتهاي نمونه در حدود 5/12 ميلي متر ( 5/0 اينچ ) است .
تحت اين شرايط ، آهنگ سرد نقاط مختلف نمونه از انتهاي سريع سرد شده ( آب پاشيده شده )به سمت ديگر كاهش مي يابد . پس از سرد شدن دو طرف نمونه موازي طول آن به اندازه 4/0 ميلي متر از هر طرف سنگ زده و سختي نمونه در امتداد محور طولي از يك انتها به انتهاي ديگر و به فواصل 2 ميلي متر اندازه گيري مي شود . به اين ترتيب منحني تغييرات سختي بر حسب فاصله از انتهاي سرد شده كه به نمودار جميني مرسوم است را رسم مي كنند . البته در اين آزمايش براي سختي سنجي ما از روش راكول A استفاده كرديم و نيز سختي سختي را در 15 نقطه انجام داديم .​

​

 

قاسم معتمدی

عضو جدید

• Dec 6, 2009

• #2

بازگشت​

مطالعه بازگشت (Tempering) فولاد هاي آبديده و بررسي دما و زمان بازگشت بر سختي و ريز ساختار آن ها .
به علت تنش هاي داخلي ايجاد شده در ضمن سريع سرد شدن ، تقريبا تمامي قطعات سخت شده نسبتا ترد و شكننده اند . از اين رو به ندرت فولاد ها پس از سريع سرد شدن و در شرايط سخت (مارتنزيت ) شده استفاده مي شوند ، مگر در موارد استثنايي نظير هنگامي كه به سختي فوق العاده زيادي نياز با شد و يا در رابطه با فولاد هاي كم كربن . معمولا فولاد پس از سرد شدن و قبل از استفاده بايد بازگشت شود. بازگشت عبارت است از حرارت دادن فولاد سخت شده تا دمايي زير دماي Ae1 ، نگه داشتن براي مدت زمان مشخص و سپس سرد كردن آهسته تا دماي اتاق . دما و زمان حرارت دادن به تركيب شيميايي فولاد ، ابعاد قطعه و خواص مكانيكي مورد نظر بستگي دارد . در اثر باز پخت تنش هاي داخلي كاهش يافته و يا حذف مي شوند و بنابراين استحكام ضربه اي افزايش مي يابد (شكنندگي كم مي شود) . در عوض سختي و استحکام قطعه سخت شده تا حدودي كاهش خواهد يافت .
تغييرات ميكرو ساختار
ساختار يك فولاد سريع سرد (مارتنزيت) شده ، ناپايدار است . دلايل ناپايداري عبارتند از :
وجود كربن به صورت فوق اشباع در شبكه بلوري مارتنزيت ، انرژي تنشي ناشي از وجود نابجايي ها و دوقلو هاي بسيار زياد در ساختار بلوري صفحات مارتنزيتي ، انرژي سطحي ناشي از فصل مشترك هاي بسيار زياد بين صفحات مارتنزيتي و بالاخره وجود آستنيت باقيمانده كه حتي در فولاد هاي كم كربن نيز اجتناب ناپذیر است . هنگامي كه يك فولاد مارتنزيت شده به منظور بازگشت دادن حرارت داده مي شود ، هر كدام از پارامتر هاي فوق نقش نيروي محركه اي را براي تغيير ساختار در مراحل مختلف بازي مي كند ، كه عبارتند از : كربن فوق اشباع در شبكه مارتنزيت نيروي محركه جهت تشكيل كاربيد .
انرژي تنشي نيروي محركه براي بازيابي .انرژي فصل مشترك نيروي محركه براي رشد دانه ها و يا افزايش پيوستگي و وسعت زمينه فريتي و بالاخره آستنيت باقيمانده نيروي محركه براي تشكيل مخلوط فريت و سمنتيت در ضمن بازگشت .
بررسيهاي سيستماتيك كه به كمك پراش پرتو ايكس برروي ميكروساختار فولاد هاي سريع سرد و بازگشت شده انجام شده است ، سه مرحله كاملا مشخص و مجزا از يكديگر را در رابطه با تغيير ميكروساختار مارتنزيت در ضمن بازگشت نشان مي دهد . اين سه مرحله عبارتند از :
مرحله اول : تشكيل كاربيد هاي انتقالي نظير كاربيد اپسيلن و يا كاربيد اتا و در نتيجه كاهش درصد كربن زمينه مارتنزيتي تا حدود 25/0 درصد .
مرحله دوم : تبديل آستنيت باقيمانده به فريت و سمنتيت .
مرحله سوم : جايگزين شدن كاربيد هاي انتقالي ومارتنزيت كم كربن توسط فريت و سمنتيت .
در اين جا تذكر اين نكته ضروري است كه به جز موارد اشاره شده در مراحل سه گانه فوق تغييرات ساختاري ديگري نيز در ضمن بازگشت فولاد هاي سريع سرد شده گزارش شده است .از آن جمله تشكيل كاربيد هاي آلياژي و ايجاد سختي ثانويه است ، كه مي توان آن را مرحله چهارم بازگشت ناميد .مطالعات و گزارشات ديگري در همين رابطه نشان است كه در ضمن سريع سرد شده يا نگه داشتن فولاد سريع سرد شده در دماي اتاق احتمال رسوب اتمهاي كربن بر روي نابجاييها و محل هاي پر انرژي ديگر نظير فصل مشترك هاي بين صفحات مارتنزيتي وجود دارد . تحت شرايط فوق رسوب و تجمع اتمهاي كربن مي تواند تشكيل كاربيد را به دنبال داشته باشد . در حقيقت در چنين شرايطي مرحله اول بازگشت در ضمن سريع سرد شدن يا نگه داشتن در دماي اتاق انجام مي شود . به اين ترتيب ملاحظه مي شود كه تغييرات ساختار يك فولاد سريع سرد شده را در ضمن بازگشت به بيشتر از سه مرحله مي توان تقسيم كرد . با اين حال نظر به اهميت موضوع و سهولت مطالعه مطالعه رفتار فولاد هاي بازگشت شده ، ‌‌‌‌اثرات باز گشت بر روي تغييرات ميكرو ساختار در چهارچوب مراحل اول ، دوم و سوم بررسي مي شود .
تغييرات خواص مكانيكي
مارتنزيت كه ميكرو ساختار مورد نظر در عمليات سريع سرد كردن سريع فولاد هاست ، كاملا سخت ودر عين حال بسيار ترد و شكننده است . برخي پارامتر ها كه منجر به ترد و شكننده شدن مارتنزيت مي شوند عبارت اند از :
- خارج شدن شبكه بلوري فولاد از شكل طبيعي خود در اثر محبوس شدن كربن اضافي در فضاي هشت وجهي .
- رسوب اتم هاي ناخالصي در مرز دانه آستنيت اوليه .
- تشكيل كاربيد در ضمن سرد شدن .
- تنش هاي حاصل از سريع سرد شدن .
هدف اصلي از عمليات حرارتي بازگشت كاهش تردي و شكنندگي و يا به بيان ديگر افزايش چقرمگي و مقاومت فولاد در برابر ضربه است . از آن جايي كه در عمليات باز گشت هر دمايي در گستره دماي اتاق تا دماي Ae1 را مي توان استفاده كرد ، بنا براين ميكرو ساختار و در نتيجه خواص مكانيكي كاملا متنوعي از مارتنزيت تا سمنتيت كروي در زمينه فريت را مي توان بدست آورد . عملا دما و زمان بازگشت با توجه به خواص مكانيكي يعني ميزان سختي ، استحكام و چقرمگي كه در عمل لارم است انتخاب مي شود .
دماي مناسب براي بازگشت فولاد هاي كربني ساده و كم آلياژ را مي توان با توجه به تركيب شيميايي آن ها و سختي نهايي مورد نظر به طور تقريب مشخص كرد . اين روش بر اساس فرمول ارائه شده توسط گرون وجف است كه فرض مي كند فولاد پس از سريع سرد شدن عمدتاًساخاتر مارتنزيتي داشته باشد . فرمول ارائه شده به صورت زير است :

T = 30 ( Hc – Ha )​

در اين فرمول :
T : دماي بازگشت بر حسب فارنهايت ،
Hc : سختي محاسبه شده از تركيب شيميايي ،
Ha : سختي مورد نظر پس از بازگشت است .
اگر دماي باز گشت به سانتيگراد تبديل شود فرمول فوق به صورت زير در مي آيد :

T = 16.67 ( Hc – Ha ) – 17.8​

ارتباط دما وزمان بازگشت
در عمليات بازگشت هنگامي كه به زمان باز گشت اشاره اي نشود منظور زمان يك ساعت است . براي حصول سختي مورد نظر مي توان زمان بازگشت را تغيير داد . به شرط اينكه دماي بازگشت تغيير داده شود . رابطه دما وزمان بازگشت توسط پارامتر بازگشت مشخص مي شود { T(C+log t ) } در اين رابطه T دماي بازگشت بر حسب درجه كلوين و t زمان بازگشت بر حسب ساعت و C ثابت بازپخت است . لازم به اشاره است كه C تابع درصد كربن فولاد بوده و عناصر آلياژي بر روي آن اثر قابل ملاحظه اي ندارند . مقدار C را تقريباً برابر با 18 پيشنهاد داده اند .

چدن ماليبل​

مطالعه و بررسي عمليات حرارتي ، خواص و ساختار چدن ماليبل .
به علت تنش هاي داخلي ايجاد شده در ضمن سريع سرد شدن ، تقريبا تمامي قطعات سخت شده نسبتا ترد و شكننده اند . از اين رو به ندرت فولاد ها پس از سريع سرد شدن و در شرايط سخت (مارتنزيت ) شده استفاده مي شوند ، مگر در دوارد استثنايي نظير هنگامي كه به سختي فوق العاده زيادي نياز با شد و يا در رابطه با فولاد هاي كم كربن . معمولا فولاد پس از سرد شدن و قبل از استفاده بايد بازگشت شود. بازگشت عبارت است از حرارت دادن فولاد سخت شده تا دمايي زير دماي Ae1 ، نگه داشتن براي مدت زمان مشخص و سپس سرد كردن آهسته تا دماي اتاق . دما و زمان حرارت دادن به تركيب شيميايي فولاد ، ابعاد قطعه و خواص مكانيكي مورد نظر بستگي دارد . در اثر باز پخت تنش هاي داخلي كاهش يافته و يا حذف مي شوند و بنابراين استحكام ضربه اي افزايش مي يابد (شكنندگي كم مي شود) . در عوض سختي و استحكام قطعه سخت شده تا حدودي كاهش خواهد يافت .
تغييرات ميكرو ساختار
ساختار يك فولاد سريع سرد (مارتنزيت) شده ، ناپايدار است . دلايل ناپايداري عبارتند از :
وجود كربن به صورت فوق اشباع در شبكه بلوري مارتنزيت ، انرژي تنشي ناشي از وجود نابجايي ها و دوقلو هاي بسيار زياد در ساختار بلوري صفحات مارتنزيتي ، انرژي سطحي ناشي ازفصل مشترك هاي بسيار زياد بين صفحات مارتنزيتي و بالاخره وجود آستنيت باقيمانده كه حتي در فولاد هاي كم كربن نيز اجتناب ناپذير است . هنگامي كه يك فولاد مارتنزيت شده به منظور بازگشت دادن حرارت داده مي شود ، هر كدام از پارامتر هاي فوق نقش نيروي محركه اي را براي تغيير ساختار در مراحل مختلف بازي مي كند ، كه عبارتند از : كربن فوق اشباع در شبكه مارتنزيت نيروي محركه جهت تشكيل كاربيد . انرژي تنشي نيروي محركه براي بازيابي . انرژي فصل مشترك نيروي محركه براي رشد دانه ها و يا افزايش پيوستگي و وسعت زمينه فريتي و بالاخره آستنيت باقيمانده نيروي محركه براي تشكيل مخلوط فريت و سمنتيت در ضمن بازگشت .
بررسيهاي سيستماتيك كه به كمك پراش پرتو ايكس برروي ميكروساختار فولاد هاي سريع سرد و بازگشت شده انجام شده است ، سه مرحله كاملا مشخص و مجزا از يكديگر را در رابطه با تغيير ميكروساختار مارتنزيت در ضمن بازگشت نشان مي دهد . اين سه مرحله عبارتند از :
مرحله اول : تشكيل كاربيد هاي انتقالي نظير كاربيد اپسيلن و يا كاربيد اتا و در نتيجه كاهش درصد كربن زمينه مارتنزيتي تا حدود 25/0 درصد .
مرحله دوم : تبديل آستنيت باقيمانده به فريت و سمنتيت .
مرحله سوم : جايگزين شدن كاربيد هاي انتقالي ومارتنزيت كم كربن توسط فريت و سمنتيت .
در اين جا تذكر اين نكته ضروري است كه به جز موارد اشاره شده در مراحل سه گانه فوق تغييرات ساختاري ديگري نيز در ضمن بازگشت فولاد هاي سريع سرد شده گزارش شده است .از آن جمله تشكيل كاربيد هاي آلياژي و ايجاد سختي ثانويه است ، كه مي توان آن را مرحله چهارم بازگشت ناميد .مطالعات و گزارشات ديگري در همين رابطه نشان است كه در ضمن سريع سرد شده يا نگه داشتن فولاد سريع سرد شده در دماي اتاق احتمال رسوب اتمهاي كربن بر روي نابجاييها و محل هاي پر انرژي ديگر نظير فصل مشترك هاي بين صفحات مارتنزيتي وجود دارد . تحت شرايط فوق رسوب و تجمع اتمهاي كربن مي تواند تشكيل كاربيد را به دنبال داشته باشد . در حقيقت در چنين شرايطي مرحله اول بازگشت در ضمن سريع سرد شدن يا نگه داشتن در دماي اتاق انجام مي شود . به اين ترتيب ملاحظه مي شود كه تغييرات ساختار يك فولاد سريع سرد شده را در ضمن بازگشت به بيشتر از سه مرحله مي توان تقسيم كرد . با اين حال نظر به اهميت موضوع و سهولت مطالعه مطالعه رفتار فولاد هاي بازگشت شده ، ‌‌‌‌اثرات باز گشت بر روي تغييرات ميكرو ساختار در چهارچوب مراحل اول ، دوم و سوم بررسي مي شود .
تغييرات خواص مكانيكي
مارتنزيت كه ميكرو ساختار مورد نظر در عمليات سريع سرد كردن سريع فولاد هاست ، كاملا سخت ودر عين حال بسيار ترد و شكننده است . برخي پارامتر ها كه منجر به ترد و شكننده شدن مارتنزيت مي شوند عبارت اند از :
- خارج شدن شبكه بلوري فولاد از شكل طبيعي خود در اثر محبوس شدن كربن اضافي در فضاي هشت وجهي .
- رسوب اتم هاي ناخالصي در مرز دانه آستنيت اوليه .
- تشكيل كاربيد در ضمن سرد شدن . .
- تنش هاي حاصل از سريع سرد شدن .
هدف اصلي از عمليات حرارتي بازگشت كاهش تردي و شكنندگي و يا به بيان ديگر افزايش چقرمگي و مقاومت فولاد در برابر ضربه است . از آن جايي كه در عمليات باز گشت هر دمايي در گستره دماي اتاق تا دماي Ae1 را مي توان استفاده كرد ، بنا براين ميكرو ساختار و در نتيجه خواص مكانيكي كاملا متنوعي از مارتنزيت تا سمنتيت كروي در زمينه فريت را مي توان بدست آورد . عملا دما و زمان بازگشت با توجه به خواص مكانيكي يعني ميزان سختي ، استحكام و چقرمگي كه در عمل لارم است انتخاب مي شود .
دماي مناسب براي بازگشت فولاد هاي كربني ساده و كم آلياژ را مي توان با توجه به تركيب شيميايي آن ها و سختي نهايي مورد نظر به طور تقريب مشخص كرد . اين روش بر اساس فرمول ارائه شده توسط گرون وجف است كه فرض مي كند فولاد پس از سريع سرد شدن عمدتاًساخاتر مارتنزيتي داشته باشد . فرمول ارائه شده به صورت زير است :

T = 30 ( Hc – Ha )​

در اين فرمول :
T : دماي بازگشت بر حسب فارنهايت ،
Hc : سختي محاسبه شده از تركيب شيميايي ،
Ha : سختي مورد نظر پس از بازگشت است .
اگر دماي باز گشت به سانتيگراد تبديل شود فرمول فوق به صورت زير در مي آيد :

T = 16.67 ( Hc – Ha ) – 17.8​

 

قاسم معتمدی

عضو جدید

• Dec 6, 2009

• #3

ارتباط دما وزمان بازگشت
در عمليات بازگشت هنگامي كه به زمان باز گشت اشاره اي نشود منظور زمان يك ساعت است . براي حصول سختي مورد نظر مي توان زمان بازگشت را تغيير داد . به شرط اينكه دماي بازگشت تغيير داده شود . رابطه دما وزمان بازگشت توسط پارامتر بازگشت مشخص مي شود { T(C+log t ) } در اين رابطه T دماي بازگشت بر حسب درجه كلوين و t زمان بازگشت بر حسب ساعت و C ثابت بازپخت است . لازم به اشاره است كه C تابع درصد كربن فولاد بوده و عناصر آلياژي بر روي آن اثر قابل ملاحظه اي ندارند . مقدار C را تقريباً برابر با 18 پيشنهاد داده اند .

تست خستگی حرارتی فولاد ابزار گرم کار مارتنزیت


پس از بعمل آوری های آستنیتیی مختلف ​

ابزارهای استفاده شده در ریختگی حدیده، نورد گرم، اکستروژن و آهنگری گرم دربرابر درجه حرارت های دوره ای بالا و بارهای مکانیکی قرارگرفته اند. بالاخص فولادهای ابزار گرم کار طراحی شده غالباً برای برآورده کردن الزامات کاربردی مصرف می شوند، با درنظرگرفتن یک مقاومت خستگی حرارتی بالا بعنوان یک خصوصیت ابزارمهم. برای افزایش عملکرد ابزار، مثلاً طول عمرابزار، شرایط ریزساختاری فولاد ابزارمی توانند بهینه سازی شوند. در مطالعه کنونی، خواص خستگی حرارتی یک آلیاژ فولاد ابزار گرم کار مارتنزیت کرم جدید در ارتباط با بعمل آوری آستنیتیی ارزیابی شده اند. با استفاده از 4 درجه حرارت مختلف آستنیتیی، آن ماده آب داده شده و با همان سختی 470 اچ وی پخت شد. خستگی حرارتی با استفاده از یک سیستم گرم کنندگی القای فرکانس بالا اجرا شد، که برای شبیه سازی شرایط بعمل آوری گرم کار طراحی شد، درحالی که کرنش سطحی آن نمونه را با یک تکنیک لکه ای لیزری ثبت می کند. معلوم شد که رشد شکاف خستگی حرارتی درفولاد ابزارقویاً وابسته بر درجه حرارت های آستنیتیی مختلف ، و همچنین درجه حرارت تست حداکثر بود. مقاومت خستگی حرارتی مفروض بود که بستگی بر مقاومت پخت دهنده در درجه حرارت دور حداکثر بالا و بر چقرمگی و رسانایی در درجه حرارت پایین تر دارد. مقاومت به خستگی حرارتی می تواند با بهینه سازی بعمل آوری حرارتی اضافه شود. کرنش مکانیکی سطحی درطول دور حرارتی از اندازه گیری های لکه لیزری تخمین زده شد.
لغات اصلی : خستگی حرارتی؛ کرنش های سطح ؛ فولاد ابزار گرم کار
مقدمه
درکاربردهای درجه حرارت بالا ازقبیل ریختگی حدیده، نورد گرم، اکستروژن و آهنگری گرم، ابزارعملیاتی مکرراً درمعرض درجه حرارت ها و بارهای بالا قراردارد. این شرایط سخت نهایتاً منتهی بر آسیب سطحی به شکل بازبینی حرارت، سائیدگی و خوردگی خواهد شد [1 ]. یکی از شایع ترین مکانیسم های خستگی شروع شکاف ایجاد شده توسط بازبینی حرارتی است، که یک شبکه از شکاف های سطحی است، که از خستگی حرارتی ایجاد شده و عموماً بصورت قابل ملاحظه ای تحت تاثیر اکسیداسیون وخزش است. عمر خدمت ابزار بالارفته و انتخاب بهینه شرایط سطح ابزار کیفیت محصول ساخته شده را بالا خواهد برد و مقرون به صرفه بودن را افزایش می دهد. فولادهای ابزار گرم کار مارتنزیت کرم، ازقبیل AISI H11 و H13، اغلب بعنوان مواد ابزار برای پیشگیری از بازبینی حرارتی استفاده می شوند. آنها طراحی شده اند که دارای یک ترکیب کافی از قدرت گرم، چقرمگی و رسانایی، و همچنین انبساط و هدایت کنندگی حرارتی هستند [ 1و2 ]. تست خستگی حرارتی، که درآن سطح یک نمونه مکرراً گرم وسرد می شود، می تواند برای ارزیابی یک ظرفیت مواد برای مقاومت در برابر شکاف های سطحی استفاده شود [3و 4 ]. راههای مختلفی برای اجرای یک تست خستگی حرارتی وجود دارد و یک راه استفاده از یک لیزر ضربه ای برای گرم کردن کامل آن سطح است [5 ]. مزیت های استفاده از یک لیزرعبارتند از کنترل دور درجه حرارت دقت بالا و این نمونه می تواند در داخل یک محفظه خلاء برای اجتناب ازاکسیداسیون قرارداده شود. بهرحال، یک عیب عمده منطقه محدود شده سطح گرم شده بعلت عرض شعاع لیزری کوچک است ، که ارزیابی آن آسیب را دشوار می سازد. با این وجود، راه دیگر برای تست کردن خستگی حرارتی بوسیله فروبردن مکرر آن نمونه است، ابتدا درداخل یک فلز مایع و سپس بداخل یک مایع خنک تر، مثل آب، و پس از آن ارزیابی آسیب نمونه پس ازتست [6 ]. این روش می تواند یک شبیه سازی خوب ریختگی حدیده باشد، اما حساس به هندسه نمونه است، و بعلت پوشش کامل می تواند هنگام ارزیابی آسیب بر روی آن نمونه پیچیده شود. همچنین روش های دیگری برای گرم کردن کامل یک سطح وجود دارند، که امروزه بسیارشایع نیستند، ازقبیل گرم کردن شعله، گرم کردن اصطکاک، و غوطه وری درداخل نفت گرم و سرد [7 ].روش استفاده شده در مطالعه کنونی گرم کردن القای مغناطیسی است، که درآن یک فنر بدور آن نمونه برای گرم کردن قرارداده می شود و روغن سیلیس درمیان این نمونه برای خنک کنندگی جریان دارد. وقتی القا برای شبیه سازی گرم کردن سطحی استفاده می شود یک تناوب القایی کاملاً بالا باید برای بدست آوردن اثر گرم کردن نزدیک به سطح استفاده شود. یک تناوب پایین تر باعث خواهد شد که حداکثر گرم کردن در قسمت داخلی آن نمونه تولید شود.
کارهای پیشتر نشان داده اند که هنگام استفاده از درجه حرارت های آستنیتیی مختلف در بعمل آوری سخت شدگی فولاد ابزار، این کار منتهی بر تفاوت های عظیم در ثبات حرارتی خواهد شد [8 ]. ماده تست استفاده شده عبارت بودند از فولاد ابزارهای شبیه به اچ 13 بعمل آمده حرارتی در 4 شرایط متفاوت، با استفاده از درجه حرارت های آستنیتیی مختلف. بناراین، تاثیر مقاومت بازپخت ، درجه حرارت تست ووضعیت بار روی رفتار دوره ای فولاد ابزاردرخستگی ایزوترمال مطالعه شد. در مطالعه کنونی، تاثیر شرایط آستنیتیی مختلف و ثبات حرارتی بر شروع شکاف و رشد در خستگی حرارتی کاوش می شود. بعلاوه، کرنش های سطحی با استفاده از یک تکنیک لکه لیزری منحصربفرد ارزیابی می شوند، جایی که کرنش مکانیکی از کرنش سطح کلی اندازه گیری شده مشتق می شود [4 ].

عملیات حرارتی فولادهای ماریجینگ ​

فولادهای ماریجنینگ فولادهای پر آلیاژ-کم کربن-آهن ونیکل باساختار مارتنزیتی هستند که دارای ترکیبی عالی از استحکام وتافنسی به مراتب بالاتر از فولادهای پر کربن کوینچ شده می باشند. این فولادها دو کاربرد بحرانی ومتمایز فولادهای کربن آبداده که استحکام بالا وتافنس وانعطاف پذیری خوب مورد نیاز است را دارا میباشد . فولادهای کربنی آبداده استحکامشان را از مکانیسمهای تغییر فاز وسخت گردانی بدست میآورند. ( مثل شکل گیری مارتنزیت و بینیت ) واین استحکام پس از رسوب گیری کاربیدها در طول مدت تمپر کردن بدست می آید. درمقایسه فولادهای ماریجینگ استحکامشان را از شکل گیری یک فولاد مارتنزیتی کم کربن انعطاف پذیرو سخت آهن ونیکل بدست می آورند که می توانند بوسیله رسوب گیری ترکیبات بین فلزی در طول مدت پیرسختی استحکام بیشتری داشته باشند. دوره ماریجینگ بر اساس پیرسختی ساختار مارتنزیتی وضع شده است.
متالورژی فیزیکی
قبلا اشاره شد که استحکام وتافنس خوب فولادهای ماریجینگ بوسیله پیر سختی یک ساختار مارتنزیتی کم کربن بسیار انعطاف پذیربا استحکام نسبتا خوب بدست میآید.در حین پیرسازی ساختار مارتنزیتی هدف اصل روش توزیع یکنواخت رسوبات بین فلزی خوب است که صرف تقویت کردن بافت مارتنزیتی می شود. یکی دیگر از هدفهای اصلی در مدت پیر سازی فولادهای ماریجینگ کم کردن یا حذف کردن برگشت فاز نیمه پایدارمارتنزیت به آستنیت و فریت می باشد .
شکل گیری مارتنزیت
مارتنزیت فولادهای ماریجینگ معمولا مکعب مرکز دار (bcc ) کم کربن است که این مارتنزیت شامل چگالی بالای نابجایی می باشد اما نه به صورت دوقلویی. در حین سرد شدن بعد از تابکاری انحلالی آستنینت fcc بوسیله بازگشت برشی کم نفوذ تجزیه به ساختارهای متعادل به ساختار bcc تبدیل میشود.این تبدیل آستنیت به مارتنزیت ناپایدار اتفاق نمی افتد تا دمای شروع مارتنزیت (Ms) بدست آید ودمای شروع مارتنزیت باید به اندازه کافی بالا باشد بنابراین یک تبدیل کامل به مارتنزیت قبل از خنک شدن فولاد تا دمای اتاق اتفاق می افتد.
بیشتر انواع فولادهای ماریجینگ دمای شروع مارتنزیت حدود 200 تا300 درجه سانتیگراد را دارند ودر دمای اتاق به طور کامل مارتنزیت هستند . نتیجه ساختار مارتنزیت یک فولاد نسبتا قوی و فوق العاده انعطاف پذیر میباشد .
عناصر آلیاژی دمای شروع مارتنزیت را بطور قابل ملاحظه ای تغییر می دهد اما تغییر مشخصه این استحاله به مقدار زیادی بستگی به سرعت سرد شدن دارد. اغلب عناصرآلیاژی اضافه شده در فولادهای ماریجینگ (به استثناء کبالت ) درجه حرارت شروع مارتنزیت را کاهش می دهند. یکی از دونوع ممکن مارتنزیت که در سیستم آلیاژی آهن- نیکل ممکن است شکل بگیرد بستگی به مقدار نیکل در ماده مورد سوال میباشد.در سرعتهای سرد کردن بالا در فولادهای شامل 5 تا 10 درصد نیکل ،و بیش از 10 درصد پایین آوردن سرعت سرد کردن، لازمه شکل گیری مارتنزیت در فولادها می انجامد وشکل گیری کامل ساختار مارتنزیتی را تعیین می کند.در فولادهای شامل 25 درصد نیکل ، مارتنزیت لایه ای وبالای 25 درصد مارتنزیت دو قلویی داریم .مطالعه برروی آلیاژهای مارجنیگ آهن – 7 درصد کبالت 5 درصد مولیبدن و4/. درصد تیتانیم در ( ماریجینگ 18 درصد نیکل 250 ) شامل مقادیر متفاوت نیکل نشان می دهد که یک ساختار مارتنزیتی لایه ای با مقادیر نیکل بیش از 23 درصد بدست می آید .
اگر چه مقادیر نیکل بیش از 23 درصد شکل گیری مارتنزیت دو قلویی را نتیجه داده است . معمولا یک ساختار مارتنزیتی لایه ای در فولادهای ماریجینگ ترجیح داده می شود زیرا در مدت پیر سازی این ساختار سخت تر از یک ساختار مارتنزیتی دو قلویی میباشد.
عملیات حرارتی فولادهای ماریجینگ
تابکاری انحلالی : تابکاری انحلالی مستلزم حرارت دادن آلیاژی به اندازه کافی،بالای درجه حرارت پایان آستنیت و نگهداری در زمان کافی تا جا گیری عناصر در محلول جامد و سرد کردن آن تا دمای اتاق .متداول ترین سیکل عملیات حرارتی برای فولادهای ماریجینگ 18 درصد نیکل 200 ،250 300 درگیر کردن آلیاژهای در دمای 815 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت و سپس سرد کردن آن بوسیله هوا.تولید برای کاربردهای فورجینگ معمولا در حالت آنیل نشده خریداری می شود زیرا حرارت دادن سیکل تابکاری حرارتی قبلی را خنثی میکند .استفاده از خلا ، کنترل گردش هوای اتمسفر ، تمام نمک خنثی یا کوره های سیال تخت برای حداقل کردن صدمات سطحی ممکن است مورد نیاز باشد .
اثرزمان و درجه حرارت تابکاری بر خواص پیرسازی: اطلاعات نشان میدهد که بیشترین استحکام در دمای تابکاری انحلالی 800 تا815 درجه بوجود می آید. استحکام وانعطاف پذیری پایین تر با درجه حرارت تابکاری از 760 تا 800 درجه ناشی از انحلال ناقل عناصر سخت کننده میباشد و کاهش استحکام مربوط به درجه حرارت تابکاری انحلالی بالای 815 درجه ناشی از درشتی ساختار دانه ها میباشد. سرعت سرد شدن بعد از تابکاری انحلالی از اهمیت کمتری برخورداراست چون اثر کمتری بر خواص زیر ساختاری ومکانیکی دارد.
اصلاح دانه ها بوسیله سیکل حرارتی : سیکل حرارتی فولادهای ماریجینگ بین درجه حرارت پایان مارتنزیت و دمای بسیار بالاتر از دمای تابکاری انحلال می تواند برای اصلاح ساختار دانه هایی که درشت هستند استفاده شود.این عمل استحاله برشی کم نفوذ ، مارتنزیت به آستنیت واز آستنیت به مارتنزیت نیروی محرکه برای تبلور مجدد در حین سیکلهای حرارتی تامین میکند.
پیر سختی
نوعی پیر سختی بعد از تابکاری انحلالی معمولا شامل حرارت دادن آلیاژ تا رنج دمایی 455 تا 510 درجه سانتیگراد و نگاه داشتن در این دما به مدت 3 الی 12 ساعت وخنک کردن آن در معرض هوا تا دمای اتاق می باشد. استفاده از فولادهای ماریجینگ در کاربردهای مانند ابزارآلات دایکست لازم است استفاده از یک حرارت پیر سازی تقریبا 530 درجه سانتیگراد که ساختار متعادلی را فراهم می کند و از نظر حرارتی تثبیت شده است. هنگامی که زمان پیر سازی افزایش پیدا میکند تا جائیکه به نقطه ای می رسیم که سختی واستحکام شروع به کاهش میکند به علت شکل گیری بازگشت آستنیت که معمولا از ذرات ریز باندهای آستنیت دور دانه ای قبلی شروع میشود.
کار سرد وپیر سازی
استحکام تسلیم واستحکام نهایی کششی فولادهای ماریجینگ می توانند بوسیله کار سرد قبل از پیر سازی تا 15 درصد افزایش پیدا کنند . بوسیله کار سرد قبل از تابکاری انحلالی ماده بالای 50 درصد کاهش قبل از پیر سازی ،نتیجه رسیده است .این سازگاری کمی با انعطاف پذیری وچغرمگی است .از کاهش سرما بیش از 50 درصد باید خوداری شود زیرا ممکن است که پوسته پوسته شدن تولیدات بوجود آید.
نیتریده کردن
سختی سطح را می تواند بوسیله نیتریده کردن فولادهای ماریجینگ در آمونیاک بدست آید . سطح سختی معادل 65 تا70 راکول سی به عمق 15/0 میلیمتر بعد از نیتریده کردن به مدت 24 الی 48 ساعت در دمای 455 درجه سانتیگراد میتواند بدست آید. نیترده کردن در این دما می تواند همزمان با پیرسختی اتفاق بیافتد . حمام نمک نیتریده کردن برای 90 دقیقه در دمای 540 درجه سانتیگراد بخوبی می تواند این عمل را شکل بدهد اگر چه برای پرهیز از فوق پیر سازی شدن بیش از حد این عمل باید بخوبی کنترل شود. استحکام خستگی ومقاومت به سایش فولادهای ماریجینگ بوسیله نیتریده کردن بهبود پیدا می کنند.
پخت
عملیاتی است برای حذف هیدروژن که در دمای پایین بین150 تا 200 درجه سانتیگراد قرارمیگیرد. تردی هیدروژن ممکن است در فولادهای ماریجینگ اتفاق بیافتد وقتی که در معرض کارهای الکترومکانیکی مثل آبکاری قرار میگیرد. حذف هیدروژن کار مشکلی است باید در یک سیکل عملیات حرارتی (پخت) بین 3تا 10 ساعت قرار بگیرد.
سند بلاست موثرترین روش برای حذف اکسید ناشی عملیات حرارتی است . فولادهای ماریجینگ را میتوان بوسیله مواد شیمیائی تمیز کننده مثل اسید شوئی در محلول اسید سولفوریک یا محلول اسید كلريدريك و اسيدنيتريك واسید هیدروفلوریک . اگر چه باید مراقب بود که بیش از حد اسید شوئی نشود

 

قاسم معتمدی

عضو جدید

• Dec 8, 2009

• #4

پديده تردي هيدروژني

پديده تردي هيدروژني

پديده تردي هيدروژني
مقدمه
تردي هيدروژني (Hydrogen Embitterment) فرآيندي است که در آن هيدروژن با نفوذ به ماده فلزي منجر به ايجاد ترک، کاهش انعطاف‌پذيري و در نهايت شکست و تخريب آن مي‌شود. شکست مواد فلزي در اثر پديده تردي هيدروژني اغلب غيرقابل پيش‌بيني و گاه فاجعه‌بار است. دليل آن اين است که براي وقوع شکست، اعمال نيروي خارجي نياز نيست و وجود تنش‌هاي پس ماند (Residual Stress) مي‌تواند به عنوان منبع اعمال تنش عمل کند. آستانه تنش‌هايي که سبب ترک مي‌شود معمولا کمتر از تنش تسليم ماده است بنابراين ماده بدون اينکه تغيير شکل کافي دهد يا صدمات ظاهري آن قابل رويت باشد به صورت ناگهاني و در حقيقت در اثر يک شکست دروني تخريب مي‌شود. حد تردي هيدروژني به مقدار هيدروژن و مدت زماني که ماده در معرض آن قرار گرفته وابسته است. هيدروژن که از لحاظ شعاع اتمي بسيار کوچک است مي‌تواند در طي فرآيند ساخت يا عمليات انجام گرفته روي فلز و يا در حين کاربرد قطعه فلزي به درون آن نفوذ کند. فرآيندهائي نظير اسيدشوئي، پوشش‌دهي الکتريکي (Electroplating)، جوشکاري و بطور کلي تمامي فرآيندهاي مائي پوشش‌دهي که سطح فولاد را در معرض هيدروژن آزاد قرار مي‌دهد ماده را مستعد جذب و نفوذ هيدروژن مي‌کند. وجود مقادير بسيار کم هيدروژن مي‌تواند منجر به بروز پرونده هيدروژني در مواد و فولادهاي استحکام بالا شود.
منابع تنش
تنشي که در حضور هيدروژن مي‌تواند منجر به بروز پديده تردي هيدروژني شود ممکن است از طريق منابع زير اعمال شود:
1. نيروي خارجي و باري که در حين عمليات کاري به فلز اعمال مي‌شود مانند ماشين‌کاري، ارتعاش و نظير آن.
2. تنش‌هاي دروني يا پسماند که پس از فرآيندهاي ساخت قطعه نظير جوشکاري، تغيير شکل مکانيکي و مانند آن در درون قطعه باقي مي‌ماند.
بايد توجه داشت که فرآيند تردي يا خوردگي ناشي از هيدروژن در فلز با مواردي نظير خوردگي خستگي يا خوردگي فرسايشي متفاوت است. اگر تنش اعمالي در حين عمليات تغيير کند و جسم در محيط خوردگي باشد، خوردگي خستگي اتفاق مي‌افتد و اگر تنش عمدتا در مناطق سطحي متمرکز باشد خوردگي فرسايشي صورت مي‌گيرد. اما تردي هيدروني ممکن است تنها با وجود تنش‌هاي پس ماند در قطعه و يا با اعمال تنش خارجي کمتر از تنش تسليم قطعه و به هنگامي که قطعه در معرض نفوذ هيدرون قرار دارد اتفاق بيفتد.
منابع هيدروژن
هيدروژن از راه‌هاي گوناگون به درون فلز نفوذ مي‌کند. گاه ممکن است هيدروژن در حين فرآيند فولادسازي و هنگامي که فلز به صورت مذاب است در آن نفوذ کند و بلافاصله پس از انجماد به صورت فوق اشباع در آن باقي بماند. در اين حالت بدون اينکه قطعه در حين کار بعدي در معرض محيط هيدروژن قرار گيرد بدليل نفوذ ابتدائي هيدروژن مستعد تردي هيدروژني مي‌شود. با انجام عمليات هيدروژن زدائي بويژه در مورد فولادهاي خاص، مقدار هيدروژن را به کمتر از ۳ واحد در ميليون (ppm) مي‌رسانند. بيشترين خطر بروز تردي هيدروژني ناشي از جذب هيدروژن توسط فلز جامد است که مي‌توان آن را "تردي هيدروژني محيطي" ناميد. راه‌هاي نفوذ به فلز عبارتست از:

1. برخي فرآيندهاي ساخت و عمليات تکميلي بر روي قطعات نظير جوشکاري، اسيدشوئي، فسفاته کردن و پوشش‌دهي الکتريکي.
2. استفاده از حفاظت کاتدي براي محافظت خوردگي قطعات در صورتي که فرآيند بخوبي کنترل نشود.
3. به عنوان يک محصول جنبي واکنشي خوردگي نظير شرايطي که واکنش توليد هيدروژن به عنوان واکنش کاتدي عمل مي‌کند و هيدروژن توليد شده به صورت اتمي در فلز نفوذ مي‌نمايد.
4. انبارکردن قطعات در محيط‌هاي حاوي هيدروژن

مکانيسم تردي هيدروژني
پوشش‌دهي فلزات فرآيندي است که مي‌تواند زمينه‌ساز تردي هيدروژني در قطعه شود. موفقيت‌آميز بودن عمليات پوشش‌دهي به تميز بودن سطح قطعات بستگي دارد. وقتي قطعات فلزي اسيدشوئي مي‌شوند شديدترين منبع هيدروژن براي نفوذ به فلز پايه فراهم مي‌شود. خود فرآيند پوشش‌دهي منبع ديگر حضور و نفوذ هيدروژن است. با توجه به واکنش زير، هيدروژن اتمي توليد شده و در ماده فلزي نفوذ مي‌کند و جذب مي‌شود:
هيدروژن اتمي معمولا به مناطقي نفوذ مي‌کند که بيشترين تنش سه بعدي در آن متمرکز شده است. هيدروژن در تله‌هايي نظير مرز دانه‌ها، مرز تيغه‌هاي مارتنزيت، فصل مشترک‌هاي کاربيد و نظير آن در ساختار فولاذ نفوذ مي‌کند. با افزايش غلظت هيدروژن در اين تله‌ها به حد بحراني، شکست سريع و ترد اتفاق مي‌افتد زيرا نيروي ناشي از حضور هيدروژن مولکولي در دروين اين تله‌ها بسيار زياد و گاه در حد چند هزار psi است که به آساني مي‌تواند قطعات بسيار حجيم را نيز ويران نمايد.
اگر نيروي خارجي به فلز اعمال نشود و يا تنش‌هاي پسماند وجود نداشته باشد، تردي هيدروژني محيطي ممکن است به شکل‌هاي مختلف نظير تاول، ترک داخلي، تشکيل هيدريد و کاهش انعطاف‌پذيري نمود يابد. اما اگر تنش کششي وجود داشته باشد و ميزان آن حتي از تنش تسليم فلز کمتر باشد، ترک ناشي از حضور هيدروژن مستعد اشاعه ترک و در نهايت شکست قطعه مي‌گردد.
هيدروژن از منابع مختلف شيميائي يا محيطي مي‌تواند به مواد فلزي نفوذ کند. اگر محيط خوردگي فعال باشد، هيدروژن ناشي از واکنش خوردگي به شکل اتمي در فلز نفوذ کرده و اگر قطعه فلزي تحت تنش باشد، خوردگي و شکست ناشي از اين حالت scc يا "ايجاد ترک تحت تنش ناشي از خوردگي" (Stress Corrosion Cracking) ناميده مي‌شود. اگر حضور سولفيد هيدروژن سبب ورود هيدروژن به فلز شود فرآيند ايجاد ترک در اين حالت "ايجاد ترک تحت تنش ناشي از سولفيد" يا ssc (Sulphide Stress Cracking) ناميده مي‌شود. البته scc پديده‌اي است که صرفا به هيدروژن متکي نيست و از مواد خورنده مختلف ناشي مي‌شود که به ترک‌هاي زير نفوذ کرده و به اشاعه آنها و رسيدن به آستانه شکست کمک مي‌کند. به اين دليل اگر پاي هيدروژن در ميان باشد و شرايط خوردگي تحت تنش فراهم باشد و فرآيند را Hscc يا "ايجاد ترک تحت تنش ناشي از خوردگي در حضور هيدروژن" مي‌نامند. به هر صورت، تردي هيدروژني و Scc هر دو از نوع شکست تاخيري هستند که باعث ايجاد ترک، کاهش انعطاف‌پذيري و ضربه‌پذيري فلز و در نهايت شکست ناگهاني‌تر در تنش‌هاي کمتر از تنش تسليم فلز مي‌شوند.
تردي هيدروژني در مواد استحکام بالا
پديده تردي هيدروژني مشکل همه مواد فلزي نيست، بلکه عمدتا فولادهاي استحکام بالا، آلياژهاي کونچ تمپر شده، فولادهاي نرم کار سخت شده، آلياژهاي تيتانيوم در شکل هيدريدي و آلياژهاي آلومنيوم کاملا پير سخت شده در معرض بروز آن هستند. تردي هيدروژني پاشنه آشيل فولادهاي استحکام بالاست. با وجود سال‌ها پژوهش، هنوز نکات بسياري در اين زمينه بي‌پاسخ مانده است. در اتصالات فولادهاي کربني استحکام بالا که عمدتا داراي پوشش نيز هستند و در صنايع خودروسازي يا هوا ـ فضا مورد استفاده قرار مي‌گيرند پديده تردي هيدروژني به وفور ديده مي‌شود. با توجه به اينکه وقوع شکست با هيچگونه سابقه يا نشانه‌اي از گلوئي شدن (Necking) يا خوردگي همراه نيست و به صورت يک پديده شکست تاخيري اتفاق مي‌افتد، خطرات ناشي از آن بسيار زياد است بويژه آنکه اين نوع اتصالات رزوه دار اغلب در کاربردهاي بحراني مصرف مي‌شوند. به عنوان نمونه در قطعات خودرو، اتصالات فولاد کونچ تمپر استحکام بالا تا سختي HRC 38 كه به صورت سرد سخت کاري شده و داراي پوشش کادميم بوده و تحت گشتاور زياد قرار داشته، شکست آن با تاخير چند روز روي داده است. مهره‌هاي بحراني در هليکوپتر که کونچ تمپر استحکام بالا تا سختي HRC 50 بوده و پوشش فيزيکي بخار کادميم داشته و در عمل تحت بار شديد بوده پس از چند سال تاخير در آنها شکست اتفاق افتاده است. پيچ‌هاي بحراني در هواپيما از نوع کونچ تمپر استحکام بالا تا HRC 45 با پوشش کادميم و تحت گشتاور زياد با شکست تاخيري چند ساعته مواجه بوده‌اند. تمامي اين موارد حاکي از حساسيت موضوع است زيرا وقوع شکست چه بسا از چند لحظه تا چند سال پس از نصب اتصالات صورت گيرد. اين در حالي است که اين اتصالات ممکن است تمامي مشخصه‌ها وآزمايش‌هاي مربوطه را پاسخ دهند اما پس از نصب دچار پديده تردي هيدروژني شوند. در مورد مواد استحکام بالا تنها حضور چندppm هيدروژن نفوذ کرده در فلز مي‌تواند باعث ايجاد ترک شود.
اتصالات رزوه دار
بطور کلي اتصالات نظير پيچ و مهره‌ها، پرچ‌ها، پين‌ها، ميخ‌ها و بست‌ها مستعد خوردگي محيطي هستند. دو مشخصه شرايط مونتاژ و تنش‌هاي اعمالي، شرايط شکست و تخريب آنها را فراهم مي‌آورد. از آنجا که اتصالات با مواد مختلف به هم متصل مي‌شوند، خوردگي دو فلزي مي‌تواند منجر به تخريب اجزا اتصال شود. خوردگي شکافي نيز ممکن است در اثر نفوذ آب غليظ به فصل مشترک اجزا مونتاژ شده مثل پيچ و مهره منجر به تخريب در شکاف گردد. اما عامل مهم در انتخاب مواد يا پوشش اتصالات استحکام بالا پديده تردي هيدروژني است.
اتصالات ممکن است تحت بار استاتيکي يا خستگي قرار داشته باشند. بار استاتيکي مي‌تواند از نوع کششي، برشي، خمشي يا پيچشي باشد. شرايط بارگذاري گاه به صورت ترکيبي اتفاق مي‌افتد. دلايل ديگري نيز براي شکست اتصالات وجود دارد نظير مسائل محيطي، مسائل توليد، نصب يا استفاده غيرصحصح. خوردگي به شکل‌هاي مختلف مثل خوردگي محيطي، خوردگي غوطه‌وري در مايع، خوردگي گالوانيک، خوردگي شکافي، Scc و بالاخره تردي هيدروژني در شکست اتصالات سهم دارد. بنابراين در کنار انتخاب صحيح مواد، به موضوع عمليات حرارتي، ماشينکاري يا نورد رزوه ها، ساخت، مونتاژ و طراحي نيز به عنوان عوامل موثر بر شکست اتصالات نيز بايد توجه داشت. از طريق تجزيه و تحليل شکست مي‌توان سهم عوامل موثر را در بروز شکست تعيين کرد. وجود برخي عناصر در فولاد نظير آرسنيک، سلنيم، تلوريم، آنتيموان و فسفر، نفوذ هيدروژن به فلز را تسريع مي‌بخشد. سم‌هاي کاتدي در محلول‌هاي مائي يعني سيانيدها نيز اين روند را تشديد مي‌کند. هر چه بازدهي حمام‌هاي پوشش‌دهي الکتريکي نيز کمتر باشد هيدروژن بيشتري توليد مي‌شود و خطر بروز تردي هيدروژني در فلز افزايش مي‌يابد. گرچه تعيين حد سختي قطعه براي بروز خطر تردي هيدروژني به صورت دقيق ممکن نيست اما معمولا قطعات و اتصالاتي که تا سختي HRC 35 و بيشتر عمليات حرارتي شوند در معرض اين تهديد هستند.
روش‌هاي جلوگيري از تردي هيدروژني
براي جلوگيري از بروز پديده تردي هيدروژني بايد به گونه‌اي عمل نمود که اتصالات و قطعات قبل از استفاده شدن و ورود به سيکل عمليات کاري، هيدروژن جذب ننمايند. به صورت مشخص، درمورد عمليات پوشش‌دهي اتصالات، استفاده از حمام‌هاي شستشو و پوشش‌دهي با هيدروژن کم توصيه مي‌شود. اما در هر حال در مورد فولادهاي استحکام بالا که داراي سختي بيشتر از HRC 40 هستند عمليات تنش‌زدائي در دماي ۲۳۰ـ150 درجه سانتي گراد قبل از فرآيند پوشش‌دهي لازم است. بعد از پوشش‌دهي نيز بلافاصله قطعات بايد حداقل در دماي ۱۹۰درجه سانتي گراد به مدت ۴ ساعت در کوره گرم شوند. در جدول (۱) مدت زمان مورد نياز براي عمليات هيدروژن زدائي قطعات در ۲۱۰ـ190 درجه سانتي گراد بسته به استحکام کششي قطعه ارائه شده است.

جدول (۱): رابطه استحکام کششي قطعه و مدت زمان هيدروژن زدائي​

استحکام کششي (Mpa)​

ساعت​

1050 < ​

نياز نيست​

1450ـ1051​

2​

1800ـ1451​

18​

1800>​

24​

گرم کردن قطعات تا دماي ۲۰۰ درجه سانتيگراد به منظور خارج شدن هيدروژن جذب شده در فلز صورت مي‌گيرد. مدت زمان عمليات به استحکام فلز بستگي دارد. از آنجا که فرآيند حرکت هيدروژن اتمي از درون فلز نوعي فرآيند ديفوزيوني است و به دما و زمان بستگي دارد، هر چه استحکام فلز بيشتر باشد به دما و زمان بيشتري براي نفوذ نياز است. برخي معتقدند عمل گرمايش براي رهائي از تردي هيدروژني معمولا هيدروژن را از بين نمي‌برد. يا آزاد نمي‌سازد بلکه آرايش و توزيع مجدد هيدروژن را در تله‌هاي عميق که خطر کمتري دارد صورت مي‌دهد. عمليات گرمايش براي هيدروژن‌زدائي بايد حداکثر ظرف مدت يک ساعت بعد از فرآيند پوشش‌دهي و قبل از بروز هر گونه ترک در اثر وجود تنش‌هاي باقيمانده صورت گيرد.

 

قاسم معتمدی

عضو جدید

• Dec 18, 2009

• #5

شکل گیری مارتنزیت :

شکل گیری مارتنزیت :



مارتنزیت فولادهای ماریجینگ معمولا مکعب مرکز دار (bcc ) کم کربن است که این

مارتنزیت شامل چگالی بالای نابجایی می باشد اما نه به صورت دوقلویی. در حین سرد شدن

بعد از تابکاری انحلالی آستنینت fcc بوسیله بازگشت برشی کم نفوذ تجزیه به ساختارهای

متعادل به ساختار bcc تبدیل میشود.این تبدیل آستنیت به مارتنزیت ناپایدار اتفاق نمی افتد تا

دمای شروع مارتنزیت (Ms) بدست آید ودمای شروع مارتنزیت باید به اندازه کافی بالا باشد

بنابراین یک تبدیل کامل به مارتنزیت قبل از خنک شدن فولاد تا دمای اتاق اتفاق می افتد.


بیشتر انواع فولادهای ماریجینگ دمای شروع مارتنزیت حدود 200 تا300 درجه سانتیگراد

را دارند ودر دمای اتاق به طور کامل مارتنزیت هستند . نتیجه ساختار مارتنزیت یک فولاد

نسبتا قوی و فوق العاده انعطاف پذیر میباشد .

عناصر آلیاژی دمای شروع مارتنزیت را بطور قابل ملاحظه ای تغییر می دهد اما تغییر

مشخصه این استحاله به مقدار زیادی بستگی به سرعت سرد شدن دارد.

اغلب عناصرآلیاژی اضافه شده در فولادهای ماریجینگ (به استثناء کبالت ) درجه حرارت

شروع مارتنزیت را کاهش می دهند.

یکی از دونوع ممکن مارتنزیت که در سیستم آلیاژی آهن- نیکل ممکن است شکل بگیرد

بستگی به مقدار نیکل در ماده مورد سوال میباشد.در سرعتهای سرد کردن بالا در فولادهای

شامل 5 تا 10 درصد نیکل ،و بیش از 10 درصد پایین آوردن سرعت سرد کردن، لازمه

شکل گیری مارتنزیت در فولادها می انجامد وشکل گیری کامل ساختار مارتنزیتی را تعیین

می کند.در فولادهای شامل 25 درصد نیکل ، مارتنزیت لایه ای وبالای 25 درصد مارتنزیت

دو قلویی داریم .مطالعه برروی آلیاژهای مارجنیگ آهن – 7 درصد کبالت 5 درصد مولیبدن

و4/. درصد تیتانیم در ( ماریجینگ 18 درصد نیکل 250 ) شامل مقادیر متفاوت نیکل نشان

می دهد که یک ساختار مارتنزیتی لایه ای با مقادیر نیکل بیش از 23 درصد بدست می آید .

اگر چه مقادیر نیکل بیش از 23 درصد شکل گیری مارتنزیت دو قلویی را نتیجه داده است .

معمولا یک ساختار مارتنزیتی لایه ای در فولادهای ماریجینگ ترجیح داده می شود زیرا در

مدت پیر سازی این ساختار سخت تر از یک ساختار مارتنزیتی دو قلویی میباشد.

 

قاسم معتمدی

عضو جدید

• Dec 18, 2009

• #6

پیر سختی:

پیر سختی:

پیر سختی:

نوعی پیر سختی بعد از تابکاری انحلالی معمولا شامل حرارت دادن آلیاژ تا رنج دمایی 455

تا 510 درجه سانتیگراد و نگاه داشتن در این دما به مدت 3 الی 12 ساعت وخنک کردن آن

در معرض هوا تا دمای اتاق می باشد. استفاده از فولادهای ماریجینگ در کاربردهای مانند

ابزارآلات دایکست لازم است استفاده از یک حرارت پیر سازی تقریبا 530 درجه سانتیگراد

که ساختار متعادلی را فراهم می کند و از نظر حرارتی تثبیت شده است. هنگامی که زمان پیر

سازی افزایش پیدا میکند تا جائیکه به نقطه ای می رسیم که سختی واستحکام شروع به کاهش

میکند به علت شکل گیری بازگشت آستنیت که معمولا از ذرات ریز باندهای آستنیت دور دانه

ای قبلی شروع میشود.

کار سرد وپیر سازی :

استحکام تسلیم واستحکام نهایی کششی فولادهای ماریجینگ می توانند بوسیله کار سرد قبل از

پیر سازی تا 15 درصد افزایش پیدا کنند . بوسیله کار سرد قبل از تابکاری انحلالی ماده بالای

50 درصد کاهش قبل از پیر سازی ،نتیجه رسیده است .این سازگاری کمی با انعطاف پذیری

وچقرمگی است .از کاهش سرما بیش از 50 درصد باید خوداری شود زیرا ممکن است که

پوسته پوسته شدن تولیدات بوجود آید.