آهنگران سال‌ها پیش برای دستیابی به اهدافی مانند سخت شدن فلزات و شمشیرها از گرم کردن و سرد کردن فلزات نعل اسب، قطعات واگن و غیره استفاده می‌کردند . امروزه به فرایند مشابه آهنگران عملیات حرارتی گفته میشود.عملیات حرارتی نقش مهمی در خواص مشخصه فلزات و آلیاژها دارد.
اساساً این انتخاب نوع عملیات حرارتی است که می تواند خواص مواد را بهبود یا تغییر دهد. انواع مختلفی برای عملیات حرارتی وجود دارد که می توان از آنها برای بهبود عملکرد فلز و آلیاژها استفاده کرد. آنیل کردن، نرمال کردن، تمپر کردن، سخت شدن، عملیات حرارتی خلاء و مایکروویو و غیره . هر نوع فرآیند عملیات حرارتی تأثیر متفاوتی بر عملکرد فلز و آلیاژها دارد. در این مقاله به بررسی عملیات حرارتی و تأثیر آن بر خواص فلزات میپردازیم.
انواع عملیات حرارتی
تمام عملیات حرارتی شامل گرم کردن و خنک کردن فلزات برای تغییر آنها به نوعی است. محبوب ترین دلایل انجام این درمان ها افزایش چقرمگی، سختی، استحکام، خوردگی یا مقاومت الکتریکی و شکل پذیری فلز است. متداول ترین روش ها برای انجام این عملیات ها به شرح زیر است:
- آنیل کردن فلز را از طریق حرارت دادن نرم می کند تا قابل کارکردن باشد و شکل پذیری آن را افزایش دهد. این فلز تا دمای مناسب گرم می شود تا ریزساختار آن تغییر کند و سپس به آرامی خنک می شود. همچنین هدایت الکتریکی فلز را افزایش می دهد.
- سخت شدن خواص مکانیکی فولاد و سایر آلیاژها را بهبود می بخشد. در طی این فرآیند، قبل از استفاده از محیط خاموش کننده مناسب، فلز تا دمای کافی گرم می شود تا بخشی از کربن موجود در آن حل شود. سخت شدن می تواند مقاومت در برابر سایش و استحکام را افزایش دهد، اما همچنین می تواند شکنندگی را در برخی مواقع افزایش دهد، بنابراین برای برخی از کاربردهای مهندسی توصیه نمی شود.
- نرمال کردن روی آلیاژها استفاده می شود تا ترکیب و یکنواختی به آنها بدهد.
- برای بهبود شکل پذیری فولاد از تمپرینگ استفاده می شود. فولادی که تحت این فرآیند قرار نگیرد بسیار سخت است اما برای استفاده در بسیاری از کاربردها بسیار شکننده است.
- عملیات حرارتی همگن سازی: به طور کلی، هدف از انجام این نوع عملیات حرارتی، یکنواخت سازی ساختارهایی است که حاصل عملیات ریخته گری می باشند؛ زیرا قطعاتی که تحت عملیات ریخته گری قرار می گیرند، ساختار دندریتی داشته و ترکیب شیمیایی آن ها نیز یکنواخت نمی باشد.
البته بهتر است بدانید این ساختار به سبب انجماد جهت دار مذاب و عدم تعادن در سرد شدن آن ها اتفاق می افتد. این موضوع در نهایت سبب شکنندگی قطعات فلزی و فولادی شده و برای از بین بردن این مشکلات عملیات حرارتی همگن سازی صورت می گیرد.
در واقع عملیات حرارتی همگن سازی با اعمال حرارت در محدوده پایداری آستنیت صورت گرفته که دمایی در حدود 1000 تا 1200 درجه سانتی گراد برآورد می شود. پس از این گرم شدن، سرد شدن قطعات در هوا و به تدریج باید صورت گیرد، اما زمان حرارت دهی بسته به ابعاد و جنس قطعه متفاوت است.
عملیات تنش زدایی: عملیات تنش زدایی یا در اصطلاح اصلی تنش گیری شامل اعمال حرارت به قطعه در بازه دمایی 500 تا 650 درجه سانتی گراد می باشد. به طور کلی این فرآیند برای از بین بردن تنش های پسماند صورت می گیرد که از پیش بر روی قطعه ایجاد شده اند. این تنش های پسماند نیز حاصل از کار سرد، عملیات های مکانیکی و شوک حرارتی می باشد و در نهایت سبب تاب برداشتن، ترک خوردن یا شکست قطعات می گردد. در واقع این تنش ها سبب می شود تا قطعه شکننده تر از سطح تنش طراحی شده، باشد.
به طور مثال یکی از مهم ترین خواص در تولید ورق های قلع اندود، با توجه به ضخامت کمی که دارند، قابلیت فرم پذیری یا انعطاف پذیری می باشد. در صورتی که در زمان تولید تنش های پسماند در این قطعات باقی بماند، طبیعتاً از قابلیت فرم پذیری آن ها کاسته شده و دیگر قابلیت استفاده برای ساخت قوطی های بسته بندی مواد غذایی را نخواهند داشت.
فرآیندهای عملیات حرارتی و تأثیر آن بر خواص فلزات
عملیات حرارتی عمدتاً به 3 فرآیند تقسیم می شود و این فرآیندها عبارتند از : آنیل کردن، کوئنچ و تمپرینگ یا برگشت دادن. همچنین درتحقیقات مشاهده شده است که توانایی هدایت الکتریکی و گرما نیز می تواند با استفاده از فرآیند عملیات حرارتی تحت تاثیر قرار گیرد. این فرآیندهای عملیات حرارتی به شرح زیر میباشد:
- مواد آنیل شده را نزدیک به دمای بحرانی خود گرم می کنند، در آن دما به مدت 1 تا 2 ساعت نگه می دارند وخیسانده می شوند و سپس به آرامی در کوره تا دمای اتاق خنک می شوند. هدف اصلی این فرآیند کاهش فشارهای داخلی است. اصلاح ساختار ذره ، افزایش شکل پذیری و توانایی ماشینکاری .
- نرمال سازی در این فرآیند، مواد تا دمای 50-40 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای بحرانی گرم می شوند و برای مدتی نگه می دارند و خیسانده می شوند و سپس به آرامی در هوا خنک می شوند. نرمال سازی معمولاً فقط برای فلزات آهنی استفاده می شود. این فرآیند برای حذف فشارهای داخلی فلزات آهنی استفاده می شود
- سخت شدن یک فرآیند عملیات حرارتی است که برای افزایش سختی، استحکام مواد و کاهش شکل پذیری آن استفاده می شود. در این فرآیند مواد در دمای معینی گرم می‌شوند، نگه می‌دارند و سپس به طور ناگهانی در محلول آب، روغن یا آب نمک سرد می‌شوند. کوئنچ یک فرآیند خنک کننده سریع است که برای سخت شدن استفاده می شود. با افزایش سختی مواد شکننده تر می شود. بنابراین شکنندگی آن را می توان با فرآیند تمپر کردن برطرف کرد.
- تمپر کردن پس از سخت شدن مواد، برای رفع تنش های داخلی ایجاد شده در طی فرآیند سخت شدن، تلطیف انجام می شود. فرآیند تمپر یا برگشت دادن شامل حرارت دادن مجدد مواد به 780 درجه سانتیگراد تا 820 درجه سانتیگراد است، سپس آن را برای مدتی نگه داشته و سپس به آرامی در هوا خنک می شود. تمپر کردن مواد برای کاهش سختی، بازیابی شکل‌پذیری، سختی و خاصیت مقاوم در برابر ضربه انجام میشود
- عملیات حرارتی با مایکروویو: مایکروویو را می توان برای گرم کردن مواد به ویژه فلزات و آلیاژها نیز استفاده کرد، اما برای عملیات حرارتی یک قطعه فلزی به مجموعه خاصی از آرایش نیاز است. به عنوان عایق حرارتی، از لایه ای از اکسید آلومینیوم برای پوشاندن فلز و سپس به عنوان زیربخش از لایه ای از گرافیت برای پوشاندن آن قسمت فلزی استفاده می شود. پس از این تنظیم، قسمت فلزی در دمایی تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد و این دما توسط کنترل کننده دما کنترل می شود .
خواص مختلف فلزات زمانی که تحت عملیات حرارتی قرار می گیرند، تغییر می کنند. برخی از تغییرات فلزات را انعطاف‌پذیرتر یا مقاوم‌تر می‌کنند در حالی که برخی دیگر اجازه می‌دهند تا آنها را تغییر شکل دهند. با وجود اینکه تکنولوژی مدرن روشهای جدیدی را برای این نوع درمان ایجاد کرده است، آهنگران سال‌ها پیش برای دستیابی به اهداف مشابهی با گرم کردن و سرد کردن فلزات نعل اسب، قطعات واگن و غیره استفاده می‌کردند. در ادامه به بررسی تاثیرات انواع عملیات حرارتی بر روی فلزها میپردازیم.
اثرات حرارت دادن فلزات در عملیات حرارتی و تأثیر آن بر خواص فلزات
انبساط حرارتی
با گرم شدن فلزات، حجم، سطح و طول آنها افزایش می یابد. اصطلاح این اعمال انبساط حرارتی است. هر فلز زمانی که در معرض گرما قرار می گیرد سرعت انبساط متفاوتی خواهد داشت.
تغییرات ساختاری
اثر دیگری که عملیات حرارتی روی فلزات می گذارد این است که ساختار آنها دچار دگرگونی می شود. این به دلیل این واقعیت است که گرما اتم های آلوتروپ را در فلزات جابجا می کند و باعث می شود که آنها در یک پیکربندی متفاوت اصلاح شوند. به همین دلیل به این عمل تبدیل فاز آلوتروپیک می گویند. این نه تنها می تواند شکل ساختاری فلز را تغییر دهد، بلکه می تواند استحکام، شکل پذیری و سختی آن را نیز تغییر دهد.
فلزات را در برابر جریان الکتریکی مقاوم می کند
مقاومت الکتریکی معیاری است که قدرت بازدارندگی فلز در برابر معبر جریان الکتریکی را نشان می‌دهد. هنگام عبور الکترون‌ها از فلز، آنها با ساختار فلزی برخورد می‌کنند و از این رو پخش می‌شوند. زمانی که فلز در عملیات حرارتی گرما داده میشود، الکترون‌ها انرژی بیشتری را جذب می‌کنند و با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند. این امر موجب افزایش پراکندگی الکترون‌ها میشود و از این رو، میزان مقاومت فلز افزایش پیدا می‌کند. گرماسنج‌ها از تغییر در مقاومت الکتریکی یک تکه سیم برای اندازه گیری دما استفاده می‌کنند.
یک عملیات حرارتی زمانی می تواند به طور موثر واقع شود که یک فلز سطح خاصی از مقاومت الکتریکی داشته باشد. دلیل این اتفاق این است که وقتی فلزات گرم می‌شوند، الکترون‌های آنها می‌توانند انرژی اضافی را جذب کنند و باعث می‌شوند سریع‌تر از حد معمول حرکت کنند.
مغناطیس فلز را کاهش می دهد
فلزات مغناطیسی مانند نیکل، کبالت و آهن می توانند با انجام عملیات حرارتی مقداری از خاصیت مغناطیسی خود را از دست بدهند. در برخی موارد دیگر اصلاً مغناطیسی نیستند.
مقاومت در برابر سایش بهبود میابد.
هنگامی که فلزات معمولی مانند فولادها تا دمای بالا گرم می شوند، تغییر قابل توجهی در سطح اتمی ایجاد می شود. اتم های آهن در اصل به شکل ساختارهای کریستالی مرتب شده اند که با گرم شدن تغییر شکل می دهند. که دو ساختار مشترک وجود دارد.
پیوندهای بین اتم های آهن از حالت BCC خود رها شده و به ساختار FCC تبدیل می شوند. نکته مهمی که باید به آن توجه کرد تأثیر افزایش اتم ها در شبکه است. با اتم های بیشتر، مکان های بینابینی بیشتری وجود دارد که به عناصر آلیاژی اجازه می دهد تا با آهن پیوند بخورند و به داخل این شبکه ها حرکت کنند. یکی از این عناصر کربن است، عنصر اولیه برای سخت شدن فولاد.
به دلیل افزایش تعداد مکان‌های بینابینی متناسب با کربن، اتم‌های کربن آزادانه‌تر در اطراف آهن در دماهای بالا حرکت می‌کنند. با شانس بیشتر برای قطع هندسه کریستال ها، فولاد انعطاف پذیری کمتری پیدا می کند و در نتیجه استحکام آن افزایش می یابد. برای افزایش مقدار کربن در آهن (کربورسازی)، فلز معمولاً در جوی با سطح کربن بالا قرار می‌گیرد تا کربن اضافی به سطح پخش شود.
.کوئنچ امکان تغییر سریع محیط را برای فولاد، از دمای بالا به پایین، تحت عملیات حرارتی فراهم می کند. این ماده برای به دام انداختن کربن و سایر عناصر در وسط عمل می کند زیرا قبل از تغییر ساختار کریستالی زمان کافی برای انتشار از فولاد وجود ندارد. با این اتم های کربن به دام افتاده در ساختار بلوری، ما یک ساختار BCC تغییر یافته به نام مارتنزیت داریم.
افزایش سختی پذیری
واکنش هر فولادی یکسان نیست. ترکیب شیمیایی می تواند بین گریدهای مختلف فولاد بسیار متفاوت باشد. برخی از عناصر آلیاژی می توانند سختی پذیری فولادها مانند نیکل (Ni)، کروم (Cr) و مولیبدن (Mo) را تا حد زیادی افزایش دهند.
سختی پذیری مستقیماً به توانایی یک فلز برای تشکیل مارتنزیت و ساختار مارتنزیستی در هنگام خاموش کردن مربوط می شود که نشان می دهد چقدر می توان به سختی دست یافت. افزودن‌های نیکل، کروم و مو و همچنین کربن بیشتر، به مارتنزیت بیشتری اجازه تشکیل می‌دهند، بنابراین فلز «سخت‌پذیرتر» میشود. سختی پذیری بالا توانایی یک فلز برای تبدیل شدن به مارتنزیت در کل قسمت است، نه فقط سختی بالا در سطح.
بطور خلاصه عملیات حرارتی و تأثیر آن بر خواص فلزات شامل افزایش قدرت مقاومت الکتریکی فلزات و سختی پذیری انها در سطح ذرات شیمیایی و کاهس قدرت مغناطیسی انها با استفاده از روشهای آنیل کردن، تمپر کردن و نرمال سازی و کوئنچ کردن میشود.
