عملیات حرارتی فولادها و گستردگی خواصی که ایجاد می‌شود

عملیات حرارتی مجموعه فرآیندی است که با حرارت دهی و خنک کردن قطعه همراه است، حاصل این فرآیند‌ها تغییر خواص متالورژیکی قطعه است. فولاد در گریدهای آلیاژی متنوع قابلیت عملیات حرارتی دارد به این ترتیب از یک فولاد با ترکیب شیمیایی مشخص می‌توان خواص متنوعی حاصل کرد.

پیش از مرور مهمترین انواع عمیات حرارتی به بررسی دیاگرام فازی فولاد می‌پردازیم. فولاد آلیاژ آهن و کربن است، ساختار تعادلی آهن و کربن انواع مختلفی دارد که با توجه به محدوده دمایی و ترکیب شیمیایی در هر نقطه یک فاز مشخص پایدار است. تعداد زیادی از آلیاژهای فولادی قابل عملیات حرارتی هستند. به این معنا که عملیات حرارتی روی این آلیاژها اثر چشم گیری دارد. روی لینک زیر کلیک کنید و این آلیاژهای را بیشتر بشناسید:

فولاد آلیاژی

مناطق پایدری این فازها و خطوط تعادلی بین آن‌ها دیاگرام فازی آهن و کربن را نشان می‌دهد. مهم‌ترین فازهای تعادلی آهن و کربن در محدوده کاربردی فولاد ساده کربنی عبارتنداز: فریت و آستنیت

فازهای تعادلی نمودار آهن و کربن

فریت

این فاز محلول جامد بین نشین آهن و کربن است که ساختار آن مکعب مرکز پر(BCC) است. این فاز در محدوده دمایی ۰ تا ۹۱۲ درجه سانتیگراد و حد حلالیت ۰/۰۲ درصد کربن پایدار است.

آستنیت

این فاز محلول جامد بین نشین آهن و کربن است که بر خلاف فریت، ساختار آن مکعب با وجوه مرکز پر (FCC) است. این فاز در محدوده دمایی ۹۱۲ تا ۱۳۹۴ درجه سانتیگراد و حد حلالیت ۲/۱۴ درصد کربن، پایدار است.

سمانتیت

خارج از محدوده حد حلالیت کربن در آهن، کربن به شکل کاربید آهن در ساختار فولاد رسوب می‌کند. کاربید آهن با نام سمانتیت شناخته می‌شود.

پرلیت

به ساختار دوفازی فریت و سمانتیت که ساختار لایه لایه دارد، پرلیت گفته می‌شود. معمولا ساختار تعادلی تمامی فولادها در دمای محیط پرلیت است.

محدوده پایداری برای دیاگرام فازی فولادهای آلیاژی کمی متفاوت از دیاگرام فولاد ساده کربنی است. در شکل زیر دیاگرام فازی تعادلی آهن و کربن در محدوده مشخصی نشان داده شده است. همچنین روی لینک دیاگرام فازی آهن و کربن کلیک کنید تا با این دیاگرام، نحوه تدوین آن و کاربردش بیشتر آشنا شوید.

دیاگرام فازی فولاد

فرآیندهای عملیات حرارتی

در این بخش به مرور مهم‌ترین فرآیندهای حرارتی که باعث تغییر خواص قطعه می‌شود، می‌پردازیم. آنیل کردن، همگن سازی، نرماله کردن، کروی کردن و تنش زدایی را می‌توان مهم‌ترین این فرآیندها دانست. کلیت عملیات حرارتی، حرارت دهی در دما و زمان مشخصی و خنک کاری قطعه با شرایط خاصی است.

همگن سازی (Homogenizing)

هدف از این فرآیند یکنواخت کردن ساختارهای به دست آمده از فرآیند ریخته گری است. قطعاتی که به کمک ریخته گری تولید می‌شوند ساختار به اصطلاح دندریتی دارند. این ساختار دندانه دندانه حاصل از انجماد جهت دار مذاب است. خواص قطعه در حالتی که ساختار دندریتی است بسیار ضعیف و شکننده است. یکی از راه‌های اصلاح این ساختار عملیات حرارتی همگن سازی است.

همگن سازی با حرارت دهی در محدوده دمایی پایداری آستنیت ( حدود ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد) و آهسته خنک کردن در هوا اتفاق می‌افتد. محدوده حرارت دهی مناسب برای فرآیند همگن سازی در تصویر زیر دیده می‌شود:

محدوده دمایی همگن سازی

آنیل کردن (Annealing)

هدف از فرآیند آنیل ایجاد یک ساختار نرم و شکل پذیر است. در واقع ساختار حاصله از فرآیند آنیل نرم‌ترین نوع حالت یک فولاد است. برای شکل دهی، تراشکاری و برشکاری قطعات نیاز به انجام این نوع عملیات حرارتی وجود دارد. آنیل کردن با حرارت دهی در بازه‌ای که در شکل زیر نشان داده شده و خنک کردن بسیار آرام قطعه در فضای کوره انجام می‌شود. حاصل فرآیند آنیل ساختاری درشت دانه با شکل پذیری بالا است.

محدوده دمایی آنیل کردن

نرماله کردن (Normalizing)

هدف از این فرآیند ریزدانه کردن و یکنواخت کردن ساختار قطعه است. قطعاتی که با کار گرم یا ریخته گری تولید می‌شوند نیاز به نرماله کردن دارند. این عملیات حرارتی با حرارت دهی در بازه مشخصی و خنک کردن در هوا انجام می‌شود. بازه حرارت دهی مخصوص این فرآیند در شکل زیر دیده می‌شود:

محدوده دمایی نرماله کردن

کروی کردن (Spheriodizing)

همانطور که از اسم این عملیات مشخص است حاصل آن ساختار کروی کاربیدها است. در این حالت شکل پذیری قطعه در دمای پایین بسیار افزایش پیدا می‌کند. حرارت دهی فرآیند کروی کردن در محدوده مشخصی با مدت زمان مشخصی انجام می‌شود. در شکل زیر محدوده مورد نیاز برای حرارت دهی قطعه جهت کروی شدن نشان داده شده است:

محدوده دمایی کروی کردن

تنش گیری (stress relief)

برای تنش گیری حرارت دهی در بازه ۵۰۰ تا ۶۵۰ درجه سانتیگراد انجام می‌شود. این فرآیند باعث حذف تنش‌های پسماند ایجاد شده در قطعه می‌شود. تنش‌های پسماند در یک قطعه فولادی می‌تواند ناشی از کار سرد یا شوک حرارتی باشد. در شکل زیر سیکل حرارتی مورد نیاز برای تنش گیری یک قطعه از جنس فولاد ساده کربنی دیده می‌شود:

محدوده دمایی تنش گیری

مقاطع فولادی مختلف از جمله میلگرد، پروفیل، ورق، تیرآهن و نبشی و ناودانی معمولا در حالت بدون عملیات حرارتی یا آنیل شده راهی بازار می‌شوند. میلگرد آجدار در دو نوع ترمکس و آلیاژی شده تولید می‌شود که در مقاله‌ای به طور کامل راجع به آن توضیح داده شده است.

معمولا زمانی که از ورق فولادی برای ساخت یک قطعه استفاده می‌شود، قطعه نهایی تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرد تا بهترین خواص خود را داشته باشد.