بخشی از مقاله
چکیده
نیاز روزافزون صنعت به فولادهاي کم آلیاژ پراستحکام، موجب توجه ویژه محققین به پژوهش در این خصوص شده است. فولاد AISI4140 از جمله فولادهاي کم آلیاژ کربن متوسط عملیات حرارتی پذیر بوده و در دسته فولادهاي کروم - مولیبدنی قرار دارد. با توجه به کاربرد این فولاد در چرخدنده، میللنگ، پمپ و پین، بهبود رفتار سایشی و چقرمگی اهمیت ویژهاي دارد. در این مقاله، اثر عملیات حرارتیهاي مختلف بر خواص مکانیکی فولاد مذکور مورد بررسی قرار گرفته است. هدف پژوهش دستیابی به سختی بالاي 45 HRC و در عین حال چقرمگی مطلوب است. بدین منظور فرآیندهاي عملیات حرارتی نرماله، آنیل، کوئنچ و تمپر، آستمپرینگ، مارتمپرینگ و سخت کردن القایی روي فولاد مورد نظر انجام گرفته است. سپس خواص کششی، سختی و مقاومت به ضربه مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است تا شرایط بهینه عملیات حرارتی براي دستیابی به خواص مورد نظر انتخاب گردد. نتایج نشان میدهد که با انتخاب دما و زمان مناسب عملیات حرارتی کوئنچ و تمپر، در مجموع خواص مکانیکی این عملیات نسبت به سایر عملیاتهاي حرارتی بهبود بیشتري در سختی و چقرمگی نشان میدهد.
کلمات کلیدي: فولاد AISI4140، عملیات حرارتی، خواص مکانیکی، سختی، چقرمگی.
مقدمه
نیاز صنعت به فولادهاي کم آلیاژ و استفاده روزافزون صنایع حساس به فولادهاي با استحکام بسیار بالا، این مواد را در جایگاهی ویژه براي پژوهش قرارداده است. این گروه فولادها باتوجه به درصد عناصر موجودشان در دستهبندي فولادهاي کم آلیاژ عملیات حرارتیپذیر قرار گرفته اند. فولادهاي کم آلیاژ در واقع فولاد کربنی میباشند که جهت بهبود خواص گوناگون، عناصر آلیاژي به مقدار کم به آنها افزوده میشود. مهمترین عنصر در این گروه فولادها کربن است و افزودن عناصرآلیاژي دیگر خواصی نظیر افزایش سختیپذیري، افزایش استحکام و مقاومت در برابر خوردگی را درپی خواهد داشت.[1] امروزه فولادهاي کم آلیاژکربن متوسط در صنایع مختلف خصوصاً مواردي که استحکام و چقرمگی ضربه مورد نیاز است استفاده میشوند.[2]
فولادAISI4140 از دسته فولادهاي کم آلیاژ و کربن متوسط است که استحکام بالایی دارد و جزء فولادهاي کروم- مولیبدنی میباشد. [2] این فولاد بدلیل وجود عناصر آلیاژي داري سختیپذیري خوب، استحکام خستگی، مقاومت سایشی و چکشخواري مطلوب میباشد و از آن بطور گسترده در مخازن تحت فشار، هوا فضا، محورهاي اتومبیل، چرخ دنده، میل لنگ، سگ دست، شاتون، پین و حتی متههاي حفاري نفت استفاده میشود .[3]سالهاست که متالورژها در راستاي ارتقاي خواص فیزیکی و مکانیکی مواد به دنبال اصلاح ریز ساختار آنها میباشند. فولادها نیز که از پر کاربردترین آلیاژها در صنایع گوناگون هستند از این قاعده مستثنی نبودهاند.
تنها روش عملی در تغییر ریزساختار، عملیات حرارتی است. نوع عملیات حرارتی که روي این فولادها انجام میشود، عملیات آستنیته کردن و بعد کوئنچ و سپس تمپر کردن است که جهت سخت کردن این فولاد بکار میرود. ولی عملیات تمپر در دماي 230 تا 370 درجه سانتیگراد نباید انجام گیرد زیرا باعث تردي آبی و تردي هیدروژنی میشود. با افزایش استحکام و سختی این فولادها به کمک عملیات کوئنچ - تمپر استحکامدهی به خوبی صورت میگیرد اما ممکن است چقرمگی تضعیف شود. به همین جهت امروزه در صنعت نیاز به انجام عملیات حرارتیهایی است که هم استحکام و سختی بالا و هم چقرمگی خوبی حاصل شود .[4]
روش تحقیق
مواد و آمادهسازي نمونهها
در این تحقیق فولاد AISI4140، به صورت میلگرد با قطر 40 میلیمتر تهیه شد. براي اطمینان از ترکیب شیمیایی، نمونهاي از این فولاد تحت آنالیز شیمیایی به کمک دستگاه کوانتومتر PRUF SYSTEM قرار گرفت که ترکیب شیمیایی آن در جدول 1 آورده شده است. سپس نمونه هایی از این فولاد تهیه شده و تحت عملیات حرارتیهاي مختلف قرار گرفتند. نمونههاي آزمایش کشش و ضربه به ترتیب مطابق با استانداردهاي ASTM A370 و E318 تهیه شدند .[5] طول و قطر سنجه نمونههاي کشش به ترتیب برابر 50 mm و 12/5 mm درنظر گرفته شد. براي اندازهگیري مقاومت به ضربه، نمونههاي چارپی به ابعاد 55 mm ×10 mm ×10 mm ماشینکاري شدند.
عملیات حرارتی
همانطور که ذکر شد براي دستیابی به خواص مکانیکی در فولاد AISI4140 نیاز به انجام عملیات حرارتی مناسب است. در این مقاله، براي مقایسه خواص مکانیکی فولاد، عملیات حرارتیهاي مختلف از جمله عملیات آنیل، نرماله، کوئنچ و تمپر، آستمپر، مارتمپر و سخت کردن القایی انجام گرفت. براي انجام عملیات حرارتی آنیل و نرماله مطابق شکل -1 الف، نمونهها در دماي 900œC به مدت 1 ساعت در کوره مقاومتی با اتمسفر معمولی و با دقت دمایی - 3œ C گرم شده و سپس به ترتیب در کوره و هوا سرد شدند.براي انجام عملیات حرارتی کوئنچ و تمپر، نمونهها ابتدا در کوره در دماي 900œC به مدت 1 ساعت به منظور آستنیته شدن کامل حرارت داده شده و بلافاصله در روغن کوئنچ شدند. بهجز یک نمونه براي بررسی ریزساختار و خواص مکانیکی، بقیه نمونهها در ادامه در شرایط دمایی 650œC، 550 œC، 450 œC و 350 œC براي زمانهاي مختلف 0/5، 1، 2 و 4 ساعت طبق شکل -1 ب تحت عملیات حرارتی تمپر قرار گرفتند تا شرایط بهینه تمپر براي دستیابی به سختی مورد نظر تعیین گردد.
طبق شکل -1 ج براي انجام عملیات حرارتی آستمپر، نمونه ابتدا در دماي 920œC به مدت 1ساعت آستنیته شد. سپس با توجه به دماي Ms فولاد [2] - 330œC - نمونه درحمام نمک 400œC به مدت 0/5 ساعت نگهداري شده تا ساختار بینیتی حاصل شود. پس از این مدت نمونه در هوا سرد گردید.براي انجام عملیات حرارتی مارتمپر طبق شکل -1 د، ابتدا نمونه در 920œC به مدت 1 ساعت آستنیته شد. براي ایجاد یک ساختار مارتنزیتی، نمونه در حمام نمک با دماي 300œC کوئنچ شده و به مدت 4 دقیقه در این دما نگهداري شد. سپس براي حذف و کاهش تردي مارتنزیت، نمونه در دماي 400œC به مدت 20 دقیقه تمپر شد تا احتمال بروز ترك کاهش یابد. درخصوص عملیات حرارتی سختسازي سطحی به روش القایی، روي نمونه فولاد اولیه، به کمک دستگاه القایی با فرکانس بالا، سخت کردن به عمق 2 میلیمتر انجام گرفت.
ارزیابی خواص مکانیکی
براي سختیسنجی، سطح نمونهها ابتدا حدود 2 تا 3 میلیمتر سنگ زده شده تا به دلیل احتمال دکربوره شدن نمونه هاي عملیات حرارتی شده سختی واقعی اندازهگیري شود. در این پژوهش از روش سختی
