افزایش سرعت سرد شدن فولاد ها از ناحیه تک فاز آستونیت فاز هایی با مورفولوژی متفاوت یا فاز هایی کاملا متفاوت ایجاد می شوند

این ساختار ها خصوصیات مختلفی دارند

پرلیت ریز و پرلیت درشت

بنیت Bainite Upper bainite

مارتنزیت با افزایش سرعت سرد شدن فاز آستونیت فازی ایجاد می شود که با افزایش سرعت سرد شدن فاز آستونیت فازی ایجاد می شود که ساختار تراگونال دارد تک فاز است و محلولی فوق اشباع از آلياژ آهن و کربن است غیر تعادلی است (چون سریع سرد شده) سختی و تنش تسلیم بالایی دارد (بالاترین در بین آلیاژ های آهن وکربن) بسیار ترد است .

نکاتی درباره مارتنزیت تغییر فاز آستونیت به پرلیت و بنیت به کمک نفوذ انجام می شود و نیاز به زمان دارند اما دگرگونی فاز آستونیت به مارتنزیت به زمان احتیاج ندارد و ناگهانی وبا سرعت صوت انجام می گیرد. بنابراین ایجاد فاز مارتنزیت در دمای خاص شروع می شود و در یک دمای خاص پایان می یابد و دردمای ثابت با گذشت زمان تغییری در آن صورت نمی گیرد.

برای اینکه مشخص کنیم دگرگونی های یاد شده در سیستم آهن-کربن در چه سرعت سرد شدن هایی صورت می گیرد از نمودار های دگرگونی در دمای ثابت(Isothermal Transformation = IT) استفاده می کنیم . در ابتدا نحوه رسم این نمودارها را بیان می شود و سپس نحوا استفاده از آنها بیان می شود.

نحوه رسم نمودار های IT 1- ابتدا تعدادی نمونه به ناحیه تک فاز آستونیت حرارت داده می شوند (حدود 50-100 oC بالاتر از دمای A1 و A13) 2- تعدادی از نمونه ها را به دمایی خاص زیر دمای یوتکتوئید سرد می کنیم و در این دما به مدت زمان های مختلف ( t1,t2,t3,t4,…. (نگه داری می شود. 3- در هر زمان خاص در این دمای مشخص نوع فاز های موجود و مقدار آن بررسی می شود.

زمان شروع دگرگوني مورد در دماي خاص ( T1 4- این عملیات در سایر دما ها تکرار می شود و نمودار هایی مانند شکل رسم می شود. Temperature زمان شروع دگرگوني مورد در دماي خاص ( T1 زمان پايان دگرگوني در دماي خاص (T1 ) Time

بدين ترتيب زمان شروع زمان پايان ونوع (دگرگوني پرليت + فاز پرويوتكتوئيد، بنيت يا مارتنزيت) هر دگرگوني در دماي خاص مشخص مي شود. سوال: چگونه آغاز و پايان دگرگوني مشخص مي شود؟

از وصل كردن نقاط شروع وپايان دگرگوني در دماي خاص منحني هايي مانند شكل زير به دست مي ايد.

شروع دگرگوني نفوذي پرليت يا بنيت پايان دگرگوني نفوذي شامل پرليت و بنيت شروع دگرگوني ماتنزيت پايان دگرگوني ماتنزيتي

شرح نمودارIT A: : آستونيت P: پرليت B: بنيت M: ماتنزيت نكته 1: دگرگوني هاي نفوذي براي انجام احتياج به زمان دارند و در يك زمان خاص شروع و در يك خاص زمان پايان مي يابد منظور از دگرگوني هاي نفوذي تبديل آستونيت به فاز پرويوتكتوئيد + پرليت يا بنيت است.

در اين فولاد يوتكتوئيد از نقطه يوتكتوئيد تا بالاي دماغه نمودار آستونيت به فاز پرليت تبديل مي شود و از دماي زير دماغه تا دماي Ms فاز بنيت تشكيل مي شود.

Ms:=M(start) : دماي شروع ايجاد فاز مارتنزيت است دمايي است كه كه اگر آستونيت به زير اين دما سرد شود 50 درصد آن به مارتنزيت تبديل مي شود M(90) دمايي است كه كه اگر آستونيت به زير اين دما سرد شود 90 درصد آن به مارتنزيت تبديل مي شود

Mf: دمايي است كه اگر آستونيت به زير آين دما سرد شود به 100 درصد ماتنزيت تبديل مي شود. نكته : مشاهده مي شود كه دگرگوني ماتنزيت تقريبا به دما وابسته نيست وبه محض اينكه آستونيت به زير دمايي خاص سرد شود به كاملا (يا تا حدودي) به ماتنزيت تبديل مي شود.

سوال: اگر آستونيت به دمايي پايين تر از Ms سرد شود و در اين دما نگه داشته شود چه اتفاقي مي افتد.؟

نمودار هاي IT براي فولاد هاي Hypoeutectoid و Hypereutectoid نمودار IT رسم شده در حالت قبل براي فولاد Eutectoid بود. حال مي خواهيم بدانيم شكل اين نمودار براي فولاد هاي Hypoeutectoid و Hypereutectoid كه در انها فاز پرويوتكتوئيد هم تشكيل مي شود به چه صورتي است ؟

نمودار IT براي فولاد هاي Hypoeutectoid

منحني هاي دگرگوني فاز سرد كردن پيوستهContinuous cooling قبلا منحني هاي TTTدر شرايطي به دست آمد كه قطعه به يك دماي خاص سرد مي شد و سپس در همان دما براي مدت زماني نگه داشته مي شد.اما در عمل عمليات هاي حرارتي فلزات معمولا با صورت سرد كردن پيوسته انجام مي شود. بنابراين لازم است كه نمودار هاي تغييرات فازي با گذشت زمان(TTT) براي شرايطي كه سرد كردن به صورت پيوسته انجام مي شود نيز به دست آيد.

روش به دست آوردن نمودار هاي TTT در حالت سرد كردن پيوسته 1- ابتدا تعدادی نمونه به ناحیه تک فاز آستونیت حرارت داده می شوند (حدود 50-100 oC بالاتر از دمای A1 و A13) 2- تعدادی از نمونه ها را با سرعت هاي مختلف سرد مي كنيم 3- در هر سرعت سرد شدن خاص نوع فاز های موجود و مقدار آن بررسی می شود.

از وصل كردن نقاط شروع وپايان دگرگوني در دماي خاص منحني هايي مانند شكل زير به دست مي ايد.

نكته : همان طور كه قبلا گفته شد تغييرات فازي فازي بين فاز هاي پرليت، بنيت و مارتنزيت قابل تبديل به هم غير ممكن است بنابراين اگر حين سرد كردن پيوسته قطعه منحني سرد شدن منحني پايان دگرگوني ژليت را قطع كند و نمونه كاملا به فاز پرليت (يا مخلوط پرليت و فاز پرويوتكتوئيد) تبديل شود تبديل آن به بينيت يا مارتنزيت ممكن نيست .

اثر اضافه كردن عناصر آلياژي بر منحني هاي IT و CT فولاد آلياژ آهن و كربن است كه حداكثر 2 درصد كربن دارد. فولاد ها را مي توان بر اساس عناصر موجود به دو دسته كلي تقسيم كرد 1- فولاد هاي كربني : در اين فولاد ها كربن اصلي مهمترين عنصر استحكام بخش است 2- فولاد هاي آلياژي : فولاد هايي هستند كه مقادير قابل توجهي از ساير عناصر به آنها اضافه شده است.

اضافه كردن عناصر الياژي به منظور بهبود خواص (مانند افزايش سختي، افزايش استحكام كششي، افزايش مقاومت به زنگ زدگي ”خوردگي“ و... ) مي باشد. اضافه كردن عناصر آلياژي (شامل كربن، و ساير عناصر) باعث مي شود كه منحني هاي IT و CT نسبت به نمودار هاي مربوطه در مورد فولاد هاي ساده كربني به سمت راست محور زمان منتقل مي شوند تا حدودي باعث تغيير شكل منحني مي شود

نمودار CT براي فولاد كربني

سوال با توجه به منحني IT براي دو نوع فولاد ساده كربني و آلياژي امكان ايجاد بينيت و مارتنزيت براي كدام فولاد حين سرد كردن بالاتر است؟

انواع عمليات حرارتي 1- آنيل كامل Full Annealing روش : قطعه به دمايي بالا (شكل زير) حرارت داده شده و براي مدت زماني مشخص در اين دما نگه داشته مي شود و سپس به آرامي تا دماي اتاق سرد مي شود. اهداف : 1-خارج كردن تنش هاي حرارتي باقي مانده 2- نرم كرن قطعه (كاهش تنش تسليم) 3- افزايش تافنس و Ductility 4- همگن سازي خواص بعد از ريخته گري

در اين عمليات زمان نقش مهمي دارد در اين عمليات زمان نقش مهمي دارد. معمولا بين سطح و مركر يك قطعه شيب دمايي(تفاوت دمايي) وجود دارد كه مقدار اين شيب حرارتي به اندازه ، شكل و جنش قطعه بستگي دارد. وجود اين شيب حرارتي مبي تواند باعث ايجاد تنش هاي حرارتي شود. چون قسمت هايي از جسم كه گرمتر است تمايل به انبساط بيشتري نسبت به ساير قسمت هاي سردتر جسم دارد. همين تفاوت در ميزان انبساط حرارتي قسمت هاي مختلف جسم مي تواند باعث ايجاد تنش هاي حرارتي شود.

منشا ايجاد تنش حرارتي σ = Eα∆T در اثر افزايش دما جسم ازادانه افزايش طول پيدا مي كند σ = Eα∆T مانعي كه از افزايش طول ناشي از انبساط حراراتي جلوگيري مي كند و در نتيجه در جسم تنش ايجاد مي شود

اگر قطعه سريع سرد يا سريع گرم شود در آن تنش هاي حرارتي ايجاد مي شود كه مي تواند باعث تغيير شكل قطعه يا شكست آن شود. شكل زير محدوده دمايي گرم كردن قطعه در عمليات آنيل كامل را نشان مي دهد.

2- نرماليزه كردن Normalizing روش : 1- گرم تا دمايي خاص 2- نگه داشتن در دماي خاص براي مدت زمان مشخص 3- سرد كردن تا دماي محيط در هوا اهداف 1- ريز ساختن اندازه دانه ودر نتيجه افزايش تنش تسليم و استحكام كششي 2- ايجاد پرليت هاي ريز در ساختار و افزايش تنش تسليم و سختي

3- تنش زدايي Stress relief هدف : حذف تنش هاي باقي مانده در قطعه تنش هاي باقي مانده به 3 دليل عمده در قطعه ايجاد مي شوند 1- تنش باقي مانده ناشي از تغيير شكل پلاستيك بعد از عمليات هايي نظير ماشينكاري و سنگ زني 2- تنش باقي مانده به علت عدم يكنواختي در سرد شدن قطعه مثلا بعد از جوشكاري 3- تنش باقي مانده در قطعه به علت تغيير فاز هاي اتفاق افتاده در ماده (توضيح به صفحه بعد )

هر فازي نظيراستونيت، پرليت، فريت يا مارتنزيت هر كدام حجم مخصوص به خود دارند . بنابراين هنگام تغيير يك فاز به فاز ديگر مقداري افزايش يا كاهش حجم روي ميدهد كه ناشي از تفاوت حجم دو فاز نسبت به هم است . اين تغييرات حجم مي تواند باعث ايجاد تنش در قطعه شود چگونه؟

روش عمليات تنش زدايي قطعه براي مدت زمان مشخص به دمايي خاص گرم شده وبراي مدت زماني در آن دما باقي مي ماند. طيف دمايي در شكل زير نسان داده شده است. صيف دمايي طوري انتخاب مي شود كه اثرات ناشي از كار سرد در قطعه از بين نرود و تنها تنش هاي باقي مانده ( ناشي از عدم تطابق ها به هر دليل) آزاد شود.

آنيل كردن Annealing براي از بين بردن اثرات كار سرد كه قبلا توضيح داده شد.

كروي كردن Spheroidizing هدف : 1- كاهش سختي و تنش تسليم به منظور تسهيل در براده برداري از قطعه و سهولت تغيير شكل پلاستيك 2- افزايش تافنس

فولادهاي كبني با درصد كربن 0. 4wt با انجام عمليات كروي كردن اين لايه ها به صورت كروي در مي آيد و بدينوسيله تنش تسليم و سختي كم مي شود و تافنس زياد مي شود

روش عمليات كروي كردن 3 روش كلي براي عمليات كروي كردن وجود دارد 1- حرارت دادن قطعه به دماي زير يوتكتوئيد (700oC) و نگه داشتم براي مدت زماني در اين دما (15-25 ساعت) 2- گرم كردن قطعه به درست بالاتر از نقطه يوتكتوئيد و سپس سرد كردن آهسته(در كوره) 3- سرد كردن و گرم كردن متناوب در فاصله دمايي 50 بالا وزير دماي يوتكتوئيد

سخت كاري Hardening