مقدمه ای بر متالورژی آلیاژهای آهنی_بخش ۵

رشد دانه آستنیت اثر مخربی بر خواص مکانیکی دارد و به همین دلیل آستنیته کردن معمولا بیشتر ازC °۶۰ بالای ۳A انجام نمی شود. حین سرد کردن آهسته از دمای آستنیته کردن، هیچ تغییری تا دمای ۳A بوجود نمی آید. زمانی که به ۳A می رسیم آستنیت fcc شروع به تبدیل شدن به فریت bcc می کند. این تغییر با جوانه زنی و رشد دانه های فریت در مرز دانه های آستنیت آغاز می گردد. همینطور که سرد شدن از ۳A به سمت ۱A ادامه می یابد، دگرگونی آستنیت به فریت با جوانه زنی و رشد دانه های جدید فریت ادامه می یابد. این فریت که در دمای بالای اوتکتوید تشکیل شده است، فریت Proeutectoid نامیده می شود. از آنجا که فریت مقدار بسیار کمی کربن (حداکثر ۰۲۵/۰ درصد) دارد، میزان کربن آستنیت باقیمانده (که دچار دگرگونی نشده است) مرتبا با جایگزینی آستنیت توسط فریت، افزایش می یابد. در این زمان که دما درست بالای دمای ۱A رسیده است، آنقدر فریت تشکیل شده است که میزان کربن آستنیت باقیمانده به ۸/۰ درصد رسیده است که همان ترکیب یوتکتوید است .

با کاهش دما تا زیر آ۱ آستنیت تبدیل نشده ناپایدار گردیده و به پرلیت تبدیل می گردد. در این هنگام ریز ساختار مخلوطی از فریت و پرلیت است. این ریز ساختار در شکل۷ نمایش داده شده است که در آن نواحی سفید رنگ، فریت پرویوتکتوید و نواحی تیره، پرلیت است.

شکل ۷- ساختار فولاد هایپریوتکتوید متشکل از فریت پرویوتکتوید و پرلیت

ادامه سرد کردن از دمای۱A تا دمای محیط تغییرات فازی بیشتری را ایجاد نخواهد کرد. مقادیر وزنی فریت و سمنتیت به طور نسبی در ساختار نهایی فولاد با ۴/۰ درصد کربن را می توان با توجه به پیش بینی دیاگرام فاز متشکل از ۹۴ بخش فریت و ۶ بخش سمنتیت دانست. مقادیر نسبی پرلیت و فریت پرویوتکتوید را می توان به شکل مشابه با در نظر گرفتن این نکته که آن مقادیر همان مقادیر نسبی آستنیت و فریت درست بالای دمای ۱Aهستند، تخمین زد (حدودا مقادیری یکسان دارند)

سرد کردن آهسته فولاد هایپویوتکتوید که درصد کربن آن کمتر از ۴/۰ است، ریز ساختاری شامل فریت پرویوتکتوید بیشتر و پرلیت کمتر نسبت به فولاد ۴/۰ درصد کربن خواهد داشت. به همین ترتیب، ریز ساختار فولادهایی که درصد کربن آنها بین و۴/۰ ۸/۰ (ترکیب یوتکتوید) باشد، شامل پرلیت بیشتر از فریت پرویوتکتوید خواهد بود.

اگر سرعت سرد کردن سریعتر از مثالهای بالا باشد، به دلیل عدم وجود زمان کافی جهت فرآیند نفوذ برای رسیدن به تعادل کامل، نتایج متفاوتی خواهیم داشت. یکی از آنها این است که فریت پرویوتکتوید که بالای دمای ۱A تشکیل می شود در مرز دانه های آستنیت به صورت دانه های بزرگ رشد نمی کند. بجای آن پس از جوانه زنی روی مرز دانه های آستنیت، با شکل های مختلفی در داخل آستنیت رشد می کند . یکی از مورفولوژی های معمول فریت پرویوتکتوید شامل صفحات فریت است که به داخل دانه های آستنتیت در جهات مختلف رشد کرده اند. این مورفولوژی که نخستین بار در آهن شهاب سنگی مشاهده گردید، به فریت وید منشتاتن (Widmanstaten) موسوم است.

تاثیر دیگر سرد کردن سریع این است که پرلیت در دمای خیلی پائینتر از ۱A تشکیل می گردد که لایه های فریت وسمنتیت در آن نازکتر است و پرلیت ظریف می شود.
فولادهای هایپریوتکتوید در سرد کردن آهسته همان رفتار فولادهای هایپویوتکتوید را نشان می دهند اما با چندتفاوت. برای آستنیته کردن کامل لازم است عمل آستنیته کردن بالای دمای Acm انجام شود. فاز پرویوتکتویدی که حین سرد کردن بین Acm و۱A تشکیل می شود، سمنتیت است که در مرز دانه های آستنیت رسوب کرده است، هنگامی که دما به ۱A می رسد، آنقدر سمنتیت پرویوتکتوید تشکیل شده است که میزان کربن آستنیت را به ۸/۰ درصد برساند.

بنابراین زمانی که دما به زیر ۱A می رسد، آستنیت باقیمانده به پرلیت تبدیل می گردد. از آنجایی که زیر دمای ۱A ، تغییر فازی نداریم، ریز ساختار نهایی در دمای محیط شامل پرلیت با شبکه ای از سمنتیت (پرویوتکتوید) در مرزدانه های اولیه آستنیت است. شکل ۸ این ساختار را نمایش می دهد. دیاگرام فاز نشان می دهد که برای نوعی از فولاد پر کربن که حدود ۱ درصد کربن دارد، مقدار کل سمنتیت پرویوتکتوید، اندک است (بعبارت دیگر بسیار کمتر از فریت پرویوتکتوید در یک فولاد هایپویوتکتوید)

شکل ۸- فولاد هایپویوتکتوید که ساختار آن شامل پرلیت و شبکه ای از سمنتیت (پرویوتکتوید) در مرزدانه های آستنیت اولیه است.

مثال های بالا اهمیت دیاگرام فاز آهن – کاربید آهن در پیش بینی تغییرات ریز ساختار و در نتیجه تغییر خواص فولادها را به هنگام عملیات حرارتی نشان می دهد. خاطر نشان می گردد که محدودیت هایی نیز در استفاده از دیاگرام وجود دارد. به عنوان مثال وجود عناصر آلیاژی باعث جابجا شدن (Shifting) موقعیت برخی از خطوط دیاگرام بسته به نوع و مقدار عنصر آلیاژی خواهد شد.
علاوه بر این، همانطور که پیشتر نیز ذکر شد، سریع گرم کردن یا سرد کردن سریع نظیر آنچه در جوشکاری یا کوئنچ کردن اتفاق می افتد باعث می شود دگرگونی فازها به تاخیر بیفتد، جابجا شود یا به دلیل عدم وجود زمان کافی، اتفاق نیفتد.
تاثیر سرعت سرد کردن بیشتر از نمونه های قبلی را در اینجا بررسی می کنیم. آهسته ترین سرعت سرد کردن،سرد کردن در کوره است که در دمای مورد نظر کوره خاموش شده و اجازه داده می شود تا کل سیستم به دمای محیط برسد. پس از این روش سرد کردن در هواست که اقتصادی تر است یعنی قطعه از کوره خارج شده و در هوا سرد می شود.

سرعت سرد کردن بیشتر با کوئنچ کردن فولاد بدست می آید یعنی قطعه از کوره خارج شده و بلافاصله در یک محیط سرد با ضریب انتقال حرارت خاص غوطه ور می شود.
این محیط ها به ترتیب قدرت سرد کنندگی عبارتند از : روغن ، آب و آب نمک. در ضمن دامنه وسیعی از مواد شیمیایی (بویژه پلیمرها) وجود دارند که به آب اضافه شده و سرعت سرد کردن را افزایش یا کاهش می دهند.

محیط سرد کننده باید به هم زده شود (تلاطم) تا سرد شدن بصورت یکنواخت انجام شود. قدرت سرد کنندگی محیط های کوئنچ را بوسیله عدد H نشان می دهند که برای آب ساکن ۱ ، برای روغن ساکن ۲۵/۰ و برای آب نمک متلاطم ۵ است. معمولا ازکمترین سرعت سرد کردن در دامنه مورد نظر برای رسیدن به ریز ساختار مطلوب استفاده می گردد چون افزایش سرعت سرد کردن باعث افزایش میزان تنش باقیمانده و افزایش احتمال اعوجاج یا ترک خوردن قطعه خواهد شد.

برخی از تاثیرات افزایش سرعت سرد کردن بر تشکیل ساختار فریتی – پرلیتی پیش از این مورد بحث قرار گرفت که تحت نام مورفولوژی های مختلف فریت پرویوتکتوید و نیز ظریفتر شدن پرلیت به آنها اشاره شد. حال اگر سرعت سرد کردن باز هم افزایش یابد زمانی کافی برای نفوذ اتمها که شرط لازم برای تشکیل پرلیت است، وجود نخواهد داشت. در نتیجه، ریز ساختار بجای پرلیت شامل اجزاء دیگری خواهد بود که بینیت (bainite) و مارتنزیت (martensite) هستند. این دو اجزائی غیر تعادلی هستند و به همین دلیل است که شما آنها را در دیاگرام فاز (تعادلی) نمی بینید. در مورد بینیت بخشی از فرآیند تشکیل بر اساس نفوذ اتمی است و در مورد مارتنزیت نفوذ اتمی هیچ نقشی ندارد.

تشکیل بینیت

بینیت در دامنه دمایی زیر C° ۵۳۵ و بالای یک دمای بحرانی ( که دمای Ms نامیده می شود) که بستگی به میزان کربن دارد و حدود C° ۲۷۵ برای فولاد یوتکتوید است از آستنیت شروع به تشکیل شدن می کند. بینیت شبیه پرلیت، مخلوطی از فریت و کاربید آهن است اما مورفولوژی آن با پرلیت متفاوت است چون تشکیل آن بوسیله نفوذ اتمی و نیز یک فرآیند غیر نفوذی (برش) است .
این ویژگی باعث می شود تا بینیت در سرعتهای سرد کردن سریع تر از مربوط به تشکیل پرلیت، بوجود آید. علاوه براین جزئیات فرآیند تشکیل بینیت قویا به دمای دگرگونی آستنیت بستگی دارد. در دماهای دگرگونی در بخش بالایی دامنه تشکیل بینیت، بینیت بالایی (upper bainite) تشکیل می گردد. این نوع، حالتی پر شکل دارد.

بینیت پائینی (lower bainite) که در دماهای کمتر تشکیل می شود، سوزنی شکل است. این دو نوع بینیت در خواص مکانیکی با هم تفاوت دارند. در دماهای پائین، فولاد بینیتی ، سخت تر، مستحکم تر و قابل انعطاف تر از فولاد فریتی – پرلیتی یا پرلیتی است. متاسفانه تشخیص بینیت بالایی و پائینی، یا بینیت بالایی و پرلیت ظریف یا تشخیص بینیت پائینی و مارتنزیت توسط میکروسکوپ نوری بسیار دشوار است. در این موارد بهره گرفتن ازمیکروسکوپ الکترونی راهگشا خواهد بود.

نویسنده: آقای مهندس کامران خداپرستی

برای مشاهده ادامه مطلب کلیک کنید