بخشی از مقاله
چكيده
فولاد AISI4140 از جمله فولادهاي كم آلياژ كربن متوسط عمليات حرارتي پذيراست كه با توجه به كاربرد در چرخ دنده، ميل لنگ و پين، بهبود رفتار سايشي و چقرمگي اهميت بالايي دارد. در اين مقاله، اثر عمليات حرارتيهاي مختلف بر خواص مكانيكي فولاد مذكور مورد بررسي قرار گرفته است . هدف پژوهش دستيابي به سختي بالاي HRC ٤٥ و در عين حال چقرمگي مطلوب است. بدين منظور فرآيندهاي عمليات حرارتي نرماله، آنيل، كوئنچ و تمپر، آستمپرينگ، مارتمپرينگ و سخت كردن القايي روي فولاد مورد نظر انجام گرفته است . سپس خواص كششي، سختي و مقاومت به ضربه مورد بررسي و مطالعه قرار گرفته است تا شرايط بهينه عمليات حرارتي براي دستيابي به خواص مورد نظر انتخاب گردد. نتايج نشان ميدهد كه با انتخاب دما و زمان مناسب عمليات حرارتي كوئنچ و تمپر، در مجموع خواص مكانيكي اين عمليات نسبت به ساير عملياتهاي حرارتي ديگر بهبود بيشتري در سختي و چقرمگي حاصل ميشود.
كلمات كليدي: فولاد AISI4140، عمليات حرارتي، خواص مكانيكي، سختي، چقرمگي.
مقدمه
نياز صنعت به فولادهاي كم آلياژ و استفاده روز افزون صنايع حساس به فولادهاي با استحكام بسيار بالا، اين مواد را در جايگاهي ويژه براي پژوهش قرارداده است. اين گروه فولادها باتوجه به درصد عناصر موجودشان دردستهبندي فولادهاي كم آلياژ عمليات حرارتيپذير قرار گرفتهاند . فولادهاي كم آلياژ درواقع فولاد كربني ميباشند كه جهت بهبود خواص گوناگون، عناصر آلياژي به مقدار كم به آنها افزوده ميشود . مهمترين عنصر در اين گروه فولادها كربن است و افزودن عناصرآلياژي ديگر خواصي نظير افزايش سختي پذيري، افزايش استحكام و مقاومت در برابر خوردگي را درپي خواهد داشت ] ١.[ امروزه فولادهاي كم آلياژ كربن متوسط در صنايع مختلف خصوصاً مواردي كه استحكام و چقرمگي ضربه مورد نياز است استفاده مي شوند ]٢.[
فولادAISI4140 از دسته فولادهاي كم آلياژ و كربن متوسط است كه استحكام بالايي دارد و جزء فولادهاي كروم-موليبدني ميباشد ]٢.[ اين فولاد بدليل وجود عناصر آلياژي داري سختيپذيري خوب، استحكام خستگي، مقاومت سايشي و چكشخواري مطلوب ميباشد و از آن بطور گسترده در مخازن تحت فشار، هوا فضا، محورهاي اتومبيل،چرخدنده، ميل لنگ، سگ دست، شاتون، پين و حتي متههاي حفاري نفت استفاده ميشود]٣ .[سالهاست كه متالورژها در راستاي ارتقاي خواص فيزيكي و مكانيكي مواد به دنبال اصلاح ريز ساختار آنها مي باشند. فولادها نيز كه از پر كاربردترين آلياژها در صنايع گوناگون هستند از اين قاعده مستثني نبوده-اند.
تنها روش عملي در تغيير ريز ساختار،عمليات حرارتي است. نوع عمليات حرارتي كه روي اين فولادها انجام ميشود، عمليات آستنيته كردن و بعد كوئنچ و سپس تمپر كردن است كه جهت سخت كردن اين فولاد بكار ميرود. ولي عمليات تمپر در دماي ٢٣٠ تا ٣٧٠ درجه سانتيگراد نبايد انجام گيرد زيرا باعث تردي آبي و تردي هيدروژني ميشود. با افزايش استحكام و سختي اين فولادها به كمك عمليات كوئنچ- تمپر استحكامدهي به خوبي صورت ميگيرد اما ممكن است چقرمگي تضعيف شود . به همين جهت امروزه درصنعت نياز به انجام عمليات حرارتيهايي است كه هم استحكام و سختي بالا و هم چقرمگي خوبي حاصل شود ]٤.[
مواد و روش تحقيق
الف- مواد و آماده سازي نمونهها
در اين تحقيق فولاد AISI4140 ، به صورت ميلگرد با قطر ٤٠ ميليمتر تهيه شد. براي اطمينان از تركيب شيميايي، نمونهاي از اين فولاد تحت آناليز شيميايي به كمك دستگاه كوانتومتر PRUF SYSTEM قرار گرفت كه تركيب شيميايي آن در جدول ١ آورده شده است . سپس نمونه هايي از اين فولاد تهيه شده و تحت عمليات حرارتيهاي مختلف قرار گرفتند . نمونههاي آزمايش كشش و ضربه به ترتيب مطابق با استانداردهايASTM A370 و E318 تهيه شدند ]٥.[ طول و قطر سنجه نمونههاي كشش به ترتيب برابر mm ٥٠ و mm ٥/١٢ درنظر گرفته شد. براي اندازهگيري مقاومت به ضربه، نمونههاي چارپي به ابعاد mm ١٠mm × ١٠mm × ٥٥ ماشينكاري شدند.
ب- عمليات حرارتي
همانطور كه ذكر شد براي دستيابي به خواص مكانيكي در فولاد AISI4140 نياز به انجام عمليات حرارتي مناسب است . در اين مقاله، براي مقايسه خواص مكانيكي فولاد، عمليات حرارتيهاي مختلف از جمله عمليات آنيل، نرماله، كوئنچ و تمپر، آستمپر، مارتمپر و سخت كردن القايي انجام گرفت. براي انجام عمليات حرارتي آنيل و نرماله مطابق شكل ١- الف، نمونهها در دماي °C٩٠٠ به مدت ١ ساعت در كوره مقاومتي با اتمسفر معمولي و با دقت دمايي °C٣± گرم شده و سپس به ترتيب در كوره و هوا سرد شدند .براي انجام عمليات حرارتي كوئنچ و تمپر، نمونهها ابتدا در كوره در دماي °C ٩٠٠ به مدت ١ ساعت به منظور آستنيته شدن كامل حرارت داده شده و بلافاصله در روغن كوئنچ شدند.
بهجز يك نمونه براي بررسي ريزساختار و خواص مكانيكي، بقيه نمونهها در ادامه در شرايط دمايي °C٦٥٠، °C ٥٥٠، °C ٤٥٠ و °C ٣٥٠ براي زمانهاي مختلف ٥/٠، ١، ٢ و ٤ ساعت طبق شكل ١- ب تحت عمليات حرارتي تمپر قرار گرفتند تا شرايط بهينه تمپر براي دستيابي به سختي مورد نظر تعيين گردد . طبق شكل ١ - ج براي انجام عمليات حرارتي آستمپر، نمونه ابتدا در دماي °C٩٢٠ به مدت ١ساعت آستنيته شد. سپس با توجه به دماي Ms فولاد - °C٣٣٠ - ]٢[ نمونه درحمام نمك °C٤٠٠ به مدت ٥/٠ ساعت نگهداري شده تا ساختار بينيتي حاصل شود. پس از اين مدت نمونه در هوا سرد گرديد.براي انجام عمليات حرارتي مارتمپر طبق شكل ١-د، ابتدا نمونه در °C٩٢٠ به مدت ١ ساعت آستنيته شد. براي ايجاد يك ساختار مارتنزيتي، نمونه درحمام نمك با دماي °C٣٠٠ كوئنچ شده و به مدت ٤ دقيقه در اين دما نگهداري شد. سپس براي حذف و كاهش تردي مارتنزيت، نمونه در دماي °C٤٠٠ به مدت ٢٠ دقيقه تمپر شد تا احتمال بروز ترك كاهش يابد . در خصوص عمليات حرارتي سختسازي سطحي به روش القايي، روي نمونه فولاد اوليه، به كمك دستگاه القايي با فركانس بالا، سخت كردن به عمق ٢ ميليمتر انجام گرفت.
