بخشی از مقاله
بررسی پارامترهای عملیات آستنیته و کوئنچ بر خواص مکانیکی و تغییرات ابعادی قطعات فولاد کربنی و آلیاژی
چکیدہ
فولادها جهت حصول ساختار و خواص مکانیکی مطلوب، تحت پروسه های مختلف عملیات حرارتی قرار می گیرند، ولی برخی از این قبیل عملیات ها باعث تغییر شدید در نوسانات سختی مناطق مختلف می گردد، که این نوسانات می تواند ناشی از سیکل عملیات حرارتی غیر یکنواخت، درصد عناصر آلیاژی متغیر در ریز ساختار فولاد و پارامترهای دیگر بأشل، در این پژوهشی سعی بر این است که مقایسه ای بین تغییرات سختی و ابعادی قطعات فولادی کربنی و آلیاژی در محیط های مختلف کوئنچ صورت گیرد، و همچنین نحوه کوئنچ قطعات و شدت سرد کنندگی محیطهای مختلف روی تغییرات خواص مکانیکی و ابعادی این قطعات را با استفاده از تست جامینی بررسی کرده و نهایتاً ضمن مطالعه ریز ساختار یکروسکوپی این قطعات و معرفی روش صحیح عملیات حرارتی آنها، پارامترهای ذکر شله در بالا را نیز روی تغییرات ابعادی و سختی قطعات فولادی کوئنچ شده در محیطهای مختلف، بررسی نمودہ ایم۔
واژه های کلیدی: فولاد کربنی، فولاد آلیاژی، عملیات آستنیته و کوننج، تغییرات سختی و ابعادی
مقدمه:
اعوجاج یک پارامتر متداول شامل تمام تغییرات ابعادی غیر رورسیبل می باشد که دوگونه است: اعوجاج شکلی که شامل تغییرات در انحنا یا روابط زاویه ای مثلا خوردگی، انحراف و یا تغییرات نا متقارن در ابعاد می باشد و دیگری اعوجاج ابعادی ، که نتیجه تغییر در حجم بوجود آمده در اثر تغییر ساختار متالورژیکی در طول عملیات حرارتی است [۱] تغییرات ابعادی فولادها معمولا به تفاوت های حجمی بین فازهای مختلف توسعه یافته در ریزساختار در طول عملیات حرارتی، نسبت داده می شود. تفاوت حجمی ویژه فازهای مختلف، معمولاً با محتوای کربن افزایش می یابد و باعث تغییر شکل در نواحی مختلف قطعات فولادی می گردد[۳-۲]. تغییرات ابعادی تابعی از سخت شوندگی فولاد بوده و ناشی از تغییر ساختار متالوژیکی در طول عملیات حرارتی است [۵-t] حساسیت به تغییر شکل ظاهراً مربوط به پایداری فاز آستنیت، عناصر حل شونده در آن و مسیر سرد کردن نمونه می باشد، که در مواقعی حتی باعث ایجاد تنش باقیمانده در ساختار می گردد، که تنشهای باقیمانده ظاهر شده در طول عملیات حرارتی بوسیله شیبهای حرارتی که ناشی از اختلاف در مقادیر انبساط و انقباض است، با تغییرات غیر یکنواخت در ساختار متالورژیکی فلز نمایان می گردند[۹-۷]. مقادیر سختی به دست آمده قطعات فولادی سرد شده در محیطهای مختلف، با نتایج به دست آمده برای تغییر قطر اینگونه قطعات ترکیب شده تا ارتباط بین ترکیب شیمیایی، نحوه سرد کردن، محیط سردکننده و فازهای مختلف را روی تغییر شکلی این قطعات بررسی نمائیم.
روش تحقیق در این تحقیق ابتدا ۱۱ نمونه ۱۲/۵ سانتی متری از میله های فولادی، شامل : عدد نمونه فولادی از جنس فولاد ۱۱۱۵ (فولاد کم کربن با ترکیب شیمیایی مندرج در جدول (۱))، با عدد نمونه فولادی از جنس فولاد ۱۰۵ (فولاد کربن متوسط با ترکیب شیمیایی مندرج در جدول (۲))، عدد نمونه فولادی از جنس فولاد ۱۵۰ ؛ (فولاد کم آلیاژ کروم (فولاد آلیاژی کروم - مولیبدن دار با ترکیب شیمیایی مندرج در جدول (t)) بریده و هر کدام از آنها را تا دمای ۸۵۰C آستنیته کرده و سپس بمدت زمان ۹۰ دقیقه در این دما نگهداری کرده سپس از هر کدام از فولادها یکی را در کوره ، یکی را در هوا، یکی را در روغن و نمونه آخر را در آب کوئنج نمودیم، در مرحله بعد سختی جامینی و تغییرات قطر را برحسب افزایش فاصله از انتهای سرد شده، برای کلیه نمونه ها اندازه گیری کرده و دلایل مربوط به این تغییرات، مطالعه و در نهایت با تغییر روش سرد کردن این قطعات (سرد کردن قطعات به صورت عمودی و مقایسه مقادیر سختی و تغییرات ابعادی با روش قبل) علاوه بر معرفی کردن روش صحیح سرد کردن قطعات، پارامترهای مختلف از قبیل ترکیب شیمیایی فولاد (درصد کربن و عناصر آلیاژی)، محیط سرد کننده و نحوه سرد کردن قطعات را روی تغییرات سختی و ابعادی قطعات مورد مطالعه و بررسی قرار دادیم.
نتایج و بحتث در مورد ریزساختار فولاد ۵؛ ۱۰ سرد شده در کوره، هوا، روغن و آب که در شکل (۱) نشان داده شده است باید این نکته را متذکر شد که عموماً از کوره، هوا، روغن و آب که به ترتیب نرخ سرد کنندگی زیاد می گردد، ریزساختار اصلاح می شود، در ریزساختار این فولاد نواحی پرلیت تاریک تر و نواحی فریت روشن تر نشان داده شده است. با مقایسه سختی نمونه فولادی کربن متوسط نظیر فولاد ۱۰۶۵ با نمونه های دیگری که قابلیت سخت شوندگی مختلفی از خود نشان می دهند، ملاحظه می گردد که فولاد دارای قابلیت سخت شوندگی بالاتر مثل ۱۵۰؛ نوسانات سختی زیادی را بین شرایط سرد کردن در کوره، هوا، روغن و آب نسبت به فولاد ۱۰۵ نشان می دهد، در حالیکه نمونه فولاد کم کربن نظیر فولاد ۱۱۱۵ نوسانات کمی را بین شرایط سرد کردن در محیط های مختلف از خود نشان می دهد. دلیل نوسانات سختی زیاد فولادهای ۱۵۰ و ۸۹۰، نسبت به دیگر فولادها (یعنی فولادهای ۱۱۱۵ و ۵ : ۱۰) بین محیط های مختلف سرد کردن، می تواند ناشی از وجود عناصر آلیاژی بالا مثل کروم ، منگنز و نیکل در ترکیب شیمیایی این فولادها باشد، از آنجائی که عناصر آلیاژی، پایدار کننده آستنیت می باشند، باعث می گردد از حلالیت کربن در آستنیت کاسته شده و میزان کربن حال نشده بیشتری در ساختار باقی مانده که این باعث پس زده شدن کربن به مناطق مجاور شده و سبب نوسان سختی این فولادها بین شرایط سرد کردن در محیط های مختلف گردد، به خصوص در مورد فولاد ۸۱۰ که عنصر نیکل نیز در ترکیب شیمیایی آن وجود دارد و از آنجایی که نیکل به شدت پایدار کننده آستنیت است ، باعث می گردد میزان کربن حل نشده در آستنیت بیشتر شده و نوسان سختی زیادی را با افزایش شدت سردکنندگی محیط شاهد باشیم (از محیط هوا به روغن و آب با افزایش شدید سختی مواجه هستیم). همچنین وجود عناصر آلیاژی نظیر منگنز در ساختار این فولادها باعث ایجاد ریزساختار باند شده ای از فریت و پرلیت می گردد که در شکل (۱) برای فولاد ۱۰۵ نشان داده شده است که این اثر با افزایش درصد منگنز به شدت افزایش می یابد. در شکل (۲) نمودار سختی جامینی و تغییرات ابعادی برحسب افزایش فاصله از انتهای سرد شده برای فولاد ۱۱۱۵ نشان داده شده است، همچنین پروفیل سختی و تغییر شکل فولادهای ۱۰۶۵، ۱۵۰؛ و ۸۹۶۰ در شکل های (۳ الی ۵ ) نشان داده شده است. همانطوری که ملاحظه می گردد تغییر شکلی فولاد ۱۵۰ ؛ و ۸۹۶۰ بیشتر از نمونه فولادی ۱۰۵ می باشد، به طوری که تغییر قطر برای نمونه هایی که در کوره سرد می گردند، نسبت به تغییر قطر نمونه های سرد شده در روغن، هوا و آب کمتر می باشد. به عبارت دیگر، با افزایش شدت سردکنندگی محیط، تغییر شکل پس از عملیات کوئنچ بیشتر شده است. برای فولاد ۸۹۰ (فولادهای آلیاژی) عملیات کوئنچ اثر فوق العاده ای روی پروفیل سختی و تغییر شکل آنها دارد. که اگر میله های فولاد ۸۹۰ عملیات حرارتی گردند ملاحظه می گردد که در نمونه های سرد شده در آب در تقریباً ۱/۲ اینچ انتهای سرد شده، تغییر شکل ماکزیمم قابل ملاحظه است که این با شروع کاهش سختی در این نمونه فولادی همراه است که در شکل (۵) نشان داده شده است (شکل های الف و ب). توجیه این امر نیز می تواند ناشی از این باشد که با رسیدن به ماکزیمم تغییر شکل، عناصر آلیاژی در حد ماکزیمم در آستنیت حل شده و از این قسمت به بعد از حلالیت آن در آستنیت کم میگردد، به خصوص در مورد فولاد آلیاژی (۸۹۰) که مقادیری نیکل نیز در ترکیب شیمیایی خود دارد[۸]، کربن باقیمانده و عنصر آلیاژی (نیکل) به مناطق مجاور پس زده و سختی شروع به کم شدن می نماید، همچنین با مقایسه ریز ساختار داخلی این نمونه (فولاد ۸۹۰) که در شکل (ا )ارائه شده است (شکل های الف و ب)، ملاحظه می گردد که میزان حجم فریت در ریزساختار نمونه بعد از ۱/۲ اینج انتهای سرد شده به مراتب بیشتر از میزان فریت باقیمانده در ساختار ۱/۲ اینچ انتهای سرد شده بوده، که این عامل ، کاهش مقادیر سختی بعد از ۱/۲ اینچ انتهای سرد شده در مورد این قطعه فولادی (۸۹t۰) را تأیید می نماید. پس از بررسی تغییرات سختی و ابعادی قطعات فولادی فوق در محیط های مختلف کوئنچ (کوننج حالت افقی) این قطعات در محیط های مذکور، بر آن شدیم که نحوه کوئنچ عمودی و نحوه تاثیر آن بر تغییرات سختی و ابعادی این قطعات فولادی را بررسی نمائیم، که از بین قطعات فوق فولاد ۱۰۵ را به عنوان نمونه انتخاب کرده و بررسی ها را بر روی آن انجام دادیم. برای قطعات کوئنچ شده به عنوان مثال فولاد ۵ ؛۱۰ کوئنچ شده به صورت عمودی در محیط آب و روغن که در شکل (۷) آمده است، به دلیل اینکه قسمت (A) سریع تر از قسمت (B) سرد می گرددلذا دمای قسمت (A) و نواحی نزدیک به آن سریع تر کاهش یافته و یک اختلاف انبساط حرارتی به علت اختلاف درجه حرارت بین قسمتهای مختلف ایجاد شده، که این عامل باعث ایجاد تنش زیاد در قطعه می گردد که تحت این تنش ها نواحی گرم تر (نواحی که دیرتر کوئنچ می گردند) برای جبران تنش حرارتی ایجاد شده تغییر شکل پلاستیکی می دهد و باعث ترک برداشتن قطعه در ضمن عملیات حرارتی می گردد که به خصوص برای فولادهای آلیاژی حائز اهمیت است، بالاخره قسمتهای سردتر (A) به درجه حرارت محیط مورد نظر رسیده در حالیکه قسمتهای گرم تر به کاهش درجه حرارت خود ادامه می دهند، در این نقطه یک کاهش اختلاف دمایی آغاز شده که باعث تغییر ابعادی شدید می گردد، که در شکل (۷) نشان داده شده است [۸]. سرعت سرد کردن ملایم (کولنج قطعات به صورت افقی) اعوجاج را به وسیله پائین نگه داشتن اختلاف درجه حرارت و تنشهای حرارتی در محدوده الاستیک بدلیل اینکه نقاط قطعه تقریباً همزمان به درجه حرارت محیط مورد نظر می رسند، مینیمم می نماید، در مجموع در طول عملیات کوئنچ در حالت طبیعی (کوئنچ افقی قطعات) نیز به دلیل اختلاف درجه حرارت بین سطح و داخل قطعه تغییر شکل (اعوجاج) وجود دارد، ولی همانطوری که بحبت گردید این اعوجاج به مراتب کمتر از حالت کوئنچ عمودی است، این اعوجاج برای فولادهایی با سختی پذیری کم، کمتر و برای فولادهای با سختی پذیری بالا به مراتب بیشتر می باشد.
نتیجه گیری
۱- در سرد و گرم شدن تعادلی (آستنیته کردن و سردشدن در کوره) با افزایش دما تا ۷۳۳ و بالاتر چون پرلیت به آستنیت تبدیل می گردد و از آنجایی که فولاد دارای درصد فریت بالاتری نسبت به سر تیت در دمای محیط بوده، لذا با رسیدن به دمای آستنیته به ساختاری متراکم یعنی آستنیت تبدیل شده، لذا به طور طبیعی انقباض خواهیم داشت که نتیجه آن تغییر ابعادی ناچیز نمونه می باشد و اگر نمونه تا دمای محیط به طور تعادلی سرد گردد تغییر ابعادی در خلاف حالت قبل به وجود آمده، یعنی در این حالت انبساط را شاهد خواهیم بود که این تغییر ابعادی نیز بسیار ناچیز است، ولی در سرد و گرم کردن غیر تعادلی (کوئنچ کردن در محیطهای با شدت سردکنندگی بیشتر)، انبساط و انقباض ایجاد شده یکنواخت نبوده که دلیل آن علاوه بر وجود درصد عناصر آلیاژی مختلف ریزساختار نمونه، ایجاد تنش باقیمانده کششی - ضمن سریع سرد کردن در قطعه می باشد.
۲- ایجاد تنش باقیمانده در قطعات حتی به نسبت کم (کمتر از تنش تسلیم فولاد) نیز با گذشت زمان ممکن است منجر به تغییر شکل و شکسته شدن قطعه گردد. چرا که تنش باقیمانده در قطعات سریع سردشده از نوع کششی بوده که با تنش کششی اعمال شده کاهش داده و همانطوریکه در این پژوهش بررسی گردید کوئنچ حالت عمودی باعتث ایجاد بیشترین تنش در قطعه می گردد، در این حالت انقباض و انبساط ها به طور یکنواخت در تمام حجم قطعه توزیع نشده و امکان ایجاد تنش در قطعه وجود دارد، با کوئنچ کردن قطعات به صورت افقی تا حدی می توان تنشهای باقیمانده و در نتیجه میزان تغییرات ابعادی را کاھش داد.
