بخشی از مقاله
چکیده
عملیات حرارتی کوئنچ کردن - Quenching - به منظور افزایش سختی قطعات صورت می گیرد . برای این منظور قطعات مورد نظر را در محیط خنک کننده به صورت ناگهانی سرد می کنند .در این پژوهش تاثیر هندسه و اندازه مقطع نمونه هایی از جنس فولاد AISI 1040 بر چگونگی تغییرات فازها ،سختی و منحنی سرد شدن این نمونه ها در راستای عمق آنها بعد از کوئنچ کردن مورد بررسی قرار گرفت .
نتایج نشان داد که با افزایش قطر نمونه های با مقطع دایروی از 12 میلی متر به 40 میلی متر رشد فاز مارتنزیت از سطح به مغز نمونه با شیب بیشتری کاهش می یابد ولی فاز پرلیت رشد با شیب بیشتر را از سطح به مغز نمونه نشان می دهد. همچنین نتایج گویای این امر است که سختی در نمونه با مقطع دایروی به نسبت نمونه با
مقطع مربعی با شیب کمتری از سطح به مغز نمونه کاهش می یابد . و در ادامه سختی حاصل شده از عملیات کوئنچ کردن بصورت تجربی با نتایج حاصل شده از شبیه سازی مقایسه شده است که تطابق خوبی بین نتایج مشاهده می شود.
مقدمه
عملیات کوئنچ یکی از مهمترین پروسه های عملیات حرارتی برای بهبود عملکرد فولاد می باشد . در طول عملیات کوئنچ، فولاد به سرعت در محیط کوئنچ از دمای آستنیته که عموماً بین َُِ تا ًَْ درجه سانتیگراد است سرد می شود . عملیات کوئنچ برای جلوگیری از تشکیل فازهای پرلیت و فریت و اجازه تشکیل فازهای مارتنزیت و باینیت می باشد
عملیات کوئنچ فولاد در مایع شامل سه مرحله سرد شدن مجزا می باشد : فاز بخار، به جوش آمدن، انتقا ل گرما به صورت همرفت . در مرحله اول به محض کوئنچ پوشش بخار تشکیل می شود، که این پوشش بخار مانند عایق عمل کرده و به علت اینکه در این مرحله انتقال گرما بیشتر به صورت تابش و تشعشع است، انتقال گرما در این مرحله اندک می باشد . زمانی که دما کاهش پیدا کند این پوشش بخار ناپایدار شده و از بین می رود و مرحله جوشیدن آغاز می شود که در این مرحله انتقال گرما سریعتر می باشد . انتقال گرما به صورت پیوسته ادامه یافته تا دمای سطح به زیر نقطه جوش مایع خنک کننده برسد. در پروسه سرد شدن، انتقال گرما بیشتر از طریق همرفت و رسانش صورت میپذیرد.
وقتی که یک نمونه با مقطع بزرگ کوئنچ می شود سطح سریعتر از مرکز سرد می شود، سطح قطعه با سرعت بحرانی سرد شده و کاملاً سخت شده در حالی که مرکز خیلی آهسته تر سرد شده و ساختار نرم شکل می گیرد . تغییر اندازه مقاطع نمونه ها منجر به سرعت های سرد شدن متفاوت خواهد شد و همچنین بر سرعت سرد شدن بحرانی برای سخت شدن کامل تاثیر خواهد گذاشت. وقتی که یک قطعه با مقطع بزرگ در محیط خنک کننده کوئنچ می شود، سرعت سرد شدن با سرعت انتقال گرما به صورت رسانش از قسمت مرکزی به سمت سطح محدود می شود . در مقاطع خیلی بزرگ سرد کردن سریع مرکز، به علت اثر حجم غیر ممکن خواهد بود
معمولاً برای کوئنچ قطعاتی که دارای تغیرات ضخامت مقطع زیاد می باشند، از سرعت سرد کردن کم استفاده می شود تا تغییرات در مقدار سختی از سطح تا مرکز قطعه کاهش یابد . برای سخت کردن در عمق زیاد یک نمونه با مقطع بزرگ، ضر وری است است که از یک فولاد آلیاژی با سختی پذیری بیشتر استفاده کنیم. در این تحقیق به بررسی اثر ابعاد مقطع و هندسه بر سرعت سرد شدن، خواص و ساختار نهایی در عملیات کوئنچ نمونه های فولادی AISI 1040 در محیط آب پرداخته شد
مراحل آزمایشگاهی
عملیات آزمایشگاهی به منظور بررسی تاثیر اندازه مقطع نمونه بر انتقال گرما و ساختار نهایی در حین عملیات کوئنچ انجام شد
تجهیزات آزمایشگاهی شامل یک کوره لوله ای شکل عمودی است که از هر دو طرف قابلیت باز شدن را دارد . نمونه های آزمایش در کوره مقاومت الکتریکی تا دمای ًَْ درجه سانتیگراد گرم شدندظرف. حاوی مایع کوئنچ دقیقاً نزدیک کوره قرار دراد تا قطعه پس از رسیدن به دمای آستنیته، بلافاصله درون مایع با دمای ًَ درجه سانتیگراد قرار گیرد. نمونه ها از جنس فولاد AISI 1040 و با قطر های ٍَ و ُُ میلیمتر است. ترکیب شیمیایی قطعات فولادی AISI 1040 در جدول1 آمده است.
جدول 1: ترکیب شیمیایی فولاد [2] AISI 1040
مدل سازی
به منظور مدل سازی فرایند کوئنچینگ، ابتدا از کتابخانه مواد موجود در نرم افزار AC3 و مطابق با کار تجربی انجام گرفته توسط فرناندز و همکارش، فولاد AISI 1040 انتخاب شد. سپس بعد از مشخص نمودن ه ندسه نمونه، به منظور اعمال شرایط کوئنچینگ، دما و زمان آستنیته کردن، اندازه دانه، نوع محیط خنک کاری و درجه حرارت آن و همچنین سرعت تلاطم محیط خنک کننده مطابق با کار تجربی به نرم افزار معرفی شدند.
نتایج و بحث اعتبار سنجی نتایج شبیهسازی
به منظور اعتبارسنجی نتایج شبیهسازی با نتایج کار عملی، پروسه کوئنچینگ برای نمونه دایروی به قطرmm ٍَ با شرایط یکسان با کار تجربی فرناندز و همکارش [2] مقایسه شد که با توجه به درصد خطای پایین نتایج شبیه سازی، میتوان گفت که مدلسازی انجام گرفته دقت قابل قبولی دارد.
جدول 2 : نتایج حاصل از شبیهسازی و کار تجربی و نیز درصد خطا
چگونگی تغییرات فازها در راستای عمق نمونه
بعد از شبیه سازی عملیات کوئنچینگ مشاهده می شود که در نمونه دایروی به قطر mm ٌٍ به دلیل سطح مقطع کوچک آن انتقال حرارت به محیط خنک کننده آنقدر سریع بوده که فازهای فریت و پرلیت فرصت رشد کردن را نداشته و تنها فازهای مارتنزیت و باینیت تشکیل شده است . به دلیل قطر کوچک نمونه مشاه ده می شود که درصد مارتنزیت تشکیل شده در سطح نمونه و مغز نمونه اختلاف چندانی با هم ندارند
شکل1 : درصد فازهای تشکیل یافته بعد از عملیات کوئنچ برای نمونه دایروی به قطرmm
بعد از کوئنچ کردن نمونه های دایروی به قطرmm مشاهده می شود که فازهای فریت و پرلیت به دلیل اختلاف زیاد سرعت سرد شدن در سطح و مغز نمونه، میلیمتر زیر سطح و به سمت مغز نمونه رشد کردهاند. اختلاف بیشتر سرعت سرد شدن سطح و مغز نمونه میلیمتری به نسبت نمونه میلیمتری سبب شده که درصد فاز مارتنزیت با شیب بیشتری از سطح به مغز در نمونه میلیمتری کاهش یابد.
