عملیات حرارتی

عملیات حرارتی به گرمایش و سرمایش کنترل‌شده فلزات در حالت جامد بدون تغییرشکل، به منظور ایجاد ساختار میکروسکوپی مناسب برای دستیابی به خواص فیزیکی و مکانیکی موردنیاز در کاربردهای موردنظر، اطلاق شده که تمامی مراحل در حین این فرآیندها در زیر نقطه ذوب مواد انجام می‌شود. این فرآیندها در آخرین مرحله تولید قطعات صورت می‌گیرد. همچنین این روش‌ها برای تنش‌زدایی قطعات نیز مورد استفاده قرار گرفته و اندکی بر خواص فیزیکی مانند توانایی در انتقال گرما و الکتریسیته نیز تأثیرمی‌گذارند.

به بیانی دیگر عملیات حرارتی به منظور افزایش قابلیت اطمینان و ایمنی اجزای بحرانی مورد استفاده در صنایع مختلف همچون ماشین‌سازی، نفت، گاز و پتروشیمی، صنایع فولاد، صنایع کانی‌های غیر فلزی، صنایع معدنی و غیره، ضروری است که از این طریق می‌توان خواص قطعات فلزی را بهینه کرد تا در شرایط کاری چالش‌برانگیز،  بهترین عملکرد را از خود نشان دهند. روش‌های متنوعی جهت انجام عملیات حرارتی وجود دارد که این فرآیندها به دو بخش عمده عملیات‌های حجمی شامل سخت کاری، آنیل (بازپخت)، فرآیند نرماله، تمپر (بازگشت) و تنش‌گیری و نیز عملیات‌های سطحی شامل کربوراسیون و نیتروره و عملیات سخت کاری القایی طبقه‌بندی شده‌اند. شرکت سخت‌افزا با بهره‌گیری از این روش‌ها، خواص قطعات فلزی را بهینه کرده و عملکرد آن‌ها را تضمین می‌کند.

تأثیر  عملیات حرارتی بر  ریزساختار  فلزات

به طور کلی، ساختار میکروسکوپی مواد از دانه‌ها، مرزدانه‌ها و فازهای مختلف تشکیل شده است که شکل و اندازه آن‌ها بسته به نوع فرآیند انجام گرفته متغیر است. با فرآیندهای عملیات حرارتی ریزساختار فولادها و سایر فلزات تغییر کرده و سبب ایجاد خواص متنوع مورد نظر در قطعات می‎گردد.

 نمودارهای مورد نیاز برای طراحی فرآیندهای عملیات حرارتی آلیاژهای آهنی

نمودارهای عملیات حرارتی، نمایش گرافیکی تغییرات ساختاری و فازی آلیاژها در دماهای مختلف و زمان‌های متفاوت هستند. این نمودارها، به مهندسان متالورژی کمک می‌کنند تا رفتار آلیاژها را در طول عملیات حرارتی پیش‌بینی کنند و بهترین شرایط برای دستیابی به خواص مکانیکی مورد نظر را تعیین نمایند. برای آلیاژهای آهنی، نمودارهای آهن-کربن، نمودارهای زمان، دما و تغییر فاز و نمودارهای جامینی از مهم‌ترین و پرکاربردترین نمودارها هستند.

استفاده از نمودارهای عملیات حرارتی در طراحی فرآیندهای حرارتی آلیاژهای آهنی از چند جهت ضروری است:

• پیش‌بینی رفتار آلیاژ: با استفاده از این نمودارها می‌توان تغییرات ساختاری آلیاژ را در طول عملیات حرارتی پیش‌بینی کرد و از ایجاد ساختارهای نامطلوب جلوگیری نمود.
• انتخاب شرایط بهینه: این نمودارها به مهندسان کمک می‌کنند تا بهترین دما، زمان نگهداری و سرعت سرد کردن را برای دستیابی به خواص مکانیکی مورد نظر (مانند سختی، چقرمگی، مقاومت به سایش و …) انتخاب نمایند.
• بهینه‌سازی فرآیند: با استفاده از این نمودارها می‌توان فرآیندهای حرارتی را بهینه کرده و از مصرف انرژی و زمان اضافی جلوگیری نمود.
• کنترل کیفیت: نمودارهای عملیات حرارتی به عنوان یک ابزار کنترلی برای اطمینان از کیفیت محصولات تولید شده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در کل، نمودارهای عملیات حرارتی نقش بسیار مهمی در طراحی و کنترل فرآیندهای حرارتی آلیاژهای آهنی دارند و استفاده از آن‌ها برای دستیابی به محصولات با کیفیت و با خواص مکانیکی مطلوب ضروری است.

 دیاگرام فازی آهن-کربن (Fe-C)

دیاگرام فازی آهن-کربن (Fe-C) نمایشی گرافیکی از تغییرات ساختاری آلیاژهای آهن-کربن بر حسب دما و درصد کربن به شمار می‌رود که برای درک ریزساختار و پیش‌بینی تغییر فازها نسبت به دما در فرآیندهای مختلف، حائز اهمیت است. محور افقی نشان‌دهنده درصد کربن در آلیاژ ( از صفر تا حدود 6/7%) و محور عمودی نشانگر دما می‌باشد، که محدوده دمایی اتاق تا تقریباً 1550 درجه سانتی‌گراد را شامل می‌شود.

 شکل 1: دیاگرام فازی سیستم آلیاژی آهن-کربن، خطوط نقطه چین یوتکتوید (A) و یوتکتیک (B) را نشان می‌دهد.

 فازهای مختلف فولاد

در فولادها، فازهای مختلفی قبل و بعد از عملیات حرارتی می‌توانند وجود داشته باشند که هریک ویژگی‌های منحصربه فرد خود را دارند. محدوده حضور فازها بسیار تحت تأثیر عناصر آلیاژی است.

 آستنیت (Austenite):

فاز اولیه فولاد که یک محلول جامد کربن در آهن با شبکه کریستالی مکعبی با وجوه مرکزدار (FCC) می‌باشد و در دمای بالا (حدوداً بازه 1394-723 درجه سانتی‌گراد) در داخل ساختار حضور دارد. آستنیت مطابق با سرعت سردسازی فولاد در حین عملیات حرارتی، می‌تواند به مارتنزیت، بینیت و یا پرلیت (فریت+سمنتیت) تبدیل شود.

 فریت (Ferrite):

 محلول جامد کربن در آهن که در آن، اتم‌های کربن به صورت بین‌نشین در شبکه بلوری آهن قرار گرفته‌اند. فریت فازی نرم و چکش‌خوار بوده که شبکه کریستالی مکعبی مرکزدار (BCC) دارد و در دماهای پایین‌تر از آستنیت و صورت تعادلی تشکیل می‌شود.

 سمنتیت (Cementite):

فازی بسیار سخت و شکننده که به عنوان کاربید آهن (Fe3C) شناخته می‌شود.

 پرلیت (Pearlite):

فازی به شکل لایه‌لایه و مخلوطی از فریت و سمنتیت می‌باشد که با سردکردن آرام آستنیت حاصل می‌گردد. از آنجایی که فریت فازی نرم و سمنیتیت ترد و شکننده است، سختی و استحکام پرلیت بین این دو فاز قرار دارد. در نتیجه پرلیت سختی بالاتری نسبت به فریت خواهد داشت.

 لدبوریت (Ledeburite):

فازی لایه‌ای متشکل از آستنیت و سمنتیت بوده که به صورت یوتکتیک حاصل می‌شود. لدبوریت با سردشدن آرام از دمای بالا ایجاد شده و در دمای اتاق پایدار نیست. به همین دلیل با ادامه سرمایش، آستنیت موجود در آن به مارتنزیت یا پرلیت تبدیل می‌شود. سختی و تردی سمنتیت موجود در این فاز، موجب شکنندگی و سختی بالای آن شده است.

 مارتنزیت (Martensite):

در صورتی که سرعت سردسازی آستنیت بالا باشد، اتم‌های کربن فرصت کافی برای تشکیل کاربیدها را نداشته و در شبکه بلوری آهن به صورت فوق اشباع باقی می‌مانند و فازی غیرتعالی و بسیار سخت به نام مارتنزیت با شبکه بلوری مکعب مستطیل مرکزدار (BCT) تشکیل می‌شود.

 بینیت (Bainite):

ریزساختاری لایه‌ای که بسته به درصد کربن و ترکیب شیمیایی در حدفاصل محدوده دمایی تشکیل پرلیت و مارتنزیت و با سرعت سرمایش بالا (سرعتی بین سرعت مربوط به پرلیت و مارتنزیت) از آستنیت ایجاد می‌شود. در نتیجه خواص آن نیز بین این دو ریزساختار خواهد بود. بینیت همانند پرلیت از دو فاز فریت و سمنتیت تشکیل شده، با این تفاوت که لایه‌لایه نیست و زمینه‌ای فریتی با ذرات ریز و کشیده سمنتیت را شامل می‌شود.

 نمودار زمان، دما و تغییر فاز ( Time-Temperature-Transformation یا TTT)

نمودارهای دیگری تحت عنوان زمان، دما و تغییر فاز ( Time-Temperature-Transformation یا TTT) نیز در فرآیندهای عملیات حرارتی به منظور پیش‌بینی تغییر ساختاری در آلیاژها به ویژه فولاد به کار می‌رود که در آن، محور افقی زمان، محور عمودی دما و منحنی‌های استحاله فازی نیز درون دیاگرام می‌باشند. این نمودارها به ما کمک می‌کند تا ضمن انتخاب عملیات مناسب برای یک کاربرد خاص، با کنترل دقیق دما و زمان، به ساختار دلخواه در قطعه دست پیدا کنیم.

شکل 2: نمودار TTT مربوط به فولاد ساده کربنی.

تأثیر بر خواص مکانیکی

رابطه تنگاتنگ ویژگی‌های مختلف فلزات به خصوص خواص مکانیکی از جمله انعطاف‌پذیری، سختی، چقرمگی، استحکام تسلیم، استحکام کششی و مقاومت به ضربه با ریزساختار آن‌ها، علت تغییر این خواص پس از عملیات می‌باشد. در نتیجه پیش‌بینی استحاله‌های ریزساختاری، پیش‌نیازی برای پیش‌بینی خواص مکانیکی پس از عملیات حرارتی و ایجاد تنش‌ و کرنش‌ها در طول فرآیند است. از این‌رو، براساس خواص و کاربردهای لازم برای هر هدف طراحی، فرآیند مناسبی از عملیات حرارتی باید اتخاذ شود. به طورمثال با فرآیند آنیل برای یک فولاد کربن‌متوسط، انعطاف‌پذیری بالا و حداقل چقرمگی حاصل خواهد شد.

 نمودار سختی بر حسب فاصله

نمودار سختی بر حسب فاصله از عمق در قطعات عملیات‌شده، اطلاعات ارزشمندی درباره توزیع سختی را ارائه می‌دهد. به صورتی که تغییرات سختی پس از یک عملیات حرارتی یا پوشش‌دهی را در عمق‌های مختلفی از قطعه تعیین می‌کند.

شکل 3: نمودار سختی بر حسب فاصله در یک عملیات آنیل.

باید اشاره شود که سه نموداری که در این بخش بررسی شد، هر کدام اطلاعات مهمی در مورد رفتار فولاد رو طول عملیات ارائه داده و به صورت تنگاتنگی با یکدیگر در ارتباط هستند. در ابتدا دیاگرام فازی به عنوان یک نقشه راه عمل کرده و اطلاعات کلی درباره فازهای موجود و تغییرات آن‌ها را در دماهای مختلف ارائه می‌کند. در ادامه نمودارهای TTT جزئیات بیشتری را در زمینه سرعت استحاله فازها و نیز تأثیر زمان و دما بر  آن‌ها نشان می‌دهد و در آخر نمودارهای سختی بر حسب فاصله، نتیجه عملی عملیات حرارتی را نشان داده و رسیدن یا عدم رسیدن به ویژگی موردنظر را اثبات می‌کند. در نتیجه این سه دیاگرام، مکمل یکدیگر بوده و با استفاده از ترکیبی از آن‌ها می‌توان روند فرآیند را بهینه کرد.

 انواع روش‌های سختی‌سنجی

سختی‌سنجی با اندازه‌گیری مقاومت قطعه در برابر فرورفتن یک فرورونده، یکی از آزمون‌های مهمی است که برای تعیین مقاومت در برابر تغییرشکل پلاستیک به روش‌های مختلفی از جمله موس، برینل، راکول و ویکرز انجام می‌گیرد.

 روش برینل:

یک گلوله یا ساچمه فولادی سخت با قطر مشخص (معمولاً 10 میلی‌متر) تحت بار مشخصی بر نمونه فشرده شده و قطر اثر فرورفتگی ایجاد شده، اندازه‌گیری می‌شود. برینل برای مواد نسبتاً نرم مورد استفاده بوده و برای قطعات سخت و یا خیلی نازک مناسب نیست.

 روش راکول:

بر اساس اندازه‌گیری عمق نفوذ یک فرورونده الماسی یا فولادی تحت بارهای مختلف صورت می‌گیرد که به دلیل دقت و سرعت بالا، یکی از پرکاربردترین روش‌هاست. آزمون راکول برای رنج وسیعی از مواد مورد استفاده می‌باشد.

 روش ویکرز:

از یک هرم الماسی با قاعده مربع به عنوان فرورونده استفاده می‌شود که باری مشخص بین 10 تا 15 ثانیه بر نمونه اعمال کرده و اثری به شکل مربع بر سطح ایجاد می‌کند. سختی با اندازه‌گیری طول قطرهای این اثر تعیین می‌شود. روش ویکرز برای فلزات خیلی سخت یا خیلی نرم و همچنین لایه‌های نازک به کار برده می‌شود.

 روش موس:

قدیمی‌ترین روش سختی‌سجی بوده سختی یک ماده با خراشیده شدن آن توسط یک سری مواد استاندارد دیگر مشخص می‌شود.

میکروسختی سنجی:

روشی برای اندازه‌گیری سختی مواد در مقیاس بسیار کوچک که از یک فرورونده الماسی با نیروی کم استفاده شده و قطر اثر به جای مانده مورد بررسی قرار می‌گیرد. دو نوع اصلی میکروسختی، ویکرز و نوپ بوده که به منظور سختی‌سنجی مواد بسیار کوچک، لایه‌های نازک، پوشش‌ها و قطعات بسیار سختی که توسط روش‌های ماکرو قابل اندازه‌گیری نیستند، استفاده می‌شود.

تعیین روش مناسب سختی‌سنجی به عوامل مختلفی از جمله نوع ماده، ضخامت نمونه، سختی مورد انتظار و دقت موردنیاز بستگی دارد.

 مراجع

• Effect of Heat Treatment Processes on the Mechanical Properties of Medium Carbon Steel, T. Senthilkumar et. al
• Effect of heat treatment on properties and microstructure of steels, B. Kandpal et. al