مقدمه ای بر متالورژی آلیاژهای آهنی_بخش ۶

تشکیل مارتنزیت

اگر سرعت سرد کردن بسیار زیاد باشد دگرگونی به وسیله نفوذ کنترل شده به منظور تبدیل آستنیت به فریت، پرلیت و یا حتی بینیت امکان پذیر نخواهد بود. بجای آن، آستنیت آنقدر ناپایدار خواهد شد که ساختمان بلوری آن توسط دگرگونی غیر نفوذی برشی تغییر می کند. در این دگرگونی مجموعه ای از اتمها به طور همزمان در یک فاصله کوتاه جابجا می شوند. محصول این دگرگونی، مارتنزیت است که فازی نیمه پایدار بوده و شبیه بینیت به دلیل عدم تشکیل در شرایط تعادلی، در دیاگرام فاز مشاهده نمی شود. ساختمان مارتنزیت اساسا نتیجه تغییر فولاد fcc (آستنیت) به bcc (فریت) است. فرآیندی که به دلیل وجود مقادیر زیادی کربن در آستنیت که بسیار بیشتر از حد انحلال بسیار کم کربن در فریت است، انجام نمی شود. این مقدار کربن فوق اشباع از تشکیل یک ساختار واقعی bcc جلوگیری می کند. ساختار مارتنزیت را می توان شبیه bcc دانست که بخاطر جبران وجود کربن اضافی که در موقعیت های بین نشین حبس شده است، این bcc به مقدار زیادی دچار اعوجاج (پیچش) شده است.

در نتیجه، مارتنزیت ساختمان بلوری مرکز دار اما نه بصورت مکعبی دارد به عبارت دیگر شبیه شکل ۹ است. ( body‐centered tetragonal )تتراگونال مرکز دار

شکل ۹- دگرگونی آستنیت (fcc) به مارتنزیت (bct)

اعوجاج زیاد ساختار بلوری ونیز تنش باقیمانده حاصل از آن باعث سختی و استحکام بالای مارتنزیت و انعطاف پذیری و چقرمگی پائین آن می شود. همانطور که در شکل۱۰ نشان داده شده است، میزان اعوجاج بستگی به مقدار کربن دارد.
چون هر چه فولاد دارای کربن بالاتری باشد میزان کربن محبوس شده در مارتنزیت نیز بیشتر است.

شکل ۱۰- تاثیر اعوجاج روی ساختار bct به دلیل میزان کربن

همین مسئله باعث می گردد تا سختی مارتنزیت مستقیما متناسب با میزان کربن باشد (در کربن ۸/۰ درصد این میزان به حداکثر خود می رسد). این مطلب در شکل ۱۱ نمایش داده شده است.

شکل۱۱-تاثیر کربن بر سختی مارتنزیت

به دلیل کرنشهای زیادی که در دگرگونی مارتنزیتی وجود دارد، مارتنزیت در صفحات یا لایه های کوچکی درون
دانه های آستنیت تشکیل می شود. شکل ظاهری این ریز ساختار اغلب به صورت سوزنی (needle‐like‐acicular) توصیف می شود همانطور که این ریز ساختاردر شکل ۱۲ آمده است. بررسی های دقیق تر نشان داده است که شکل ظاهری مارتنزیت بستگی به میزان کربن دارد به طوری که مارتنزیت پر کربن بشقابی شکل و مارتنزیت کم کربن سوزنی شکل است . در مقادیر کربن متوسط هر دو شکل مشاهده می شوند.

شکل ۱۲- مارتنزیت سوزنی شکل (بزرگنمایی ۴۷۵ برابر)

همانطور که در بالا اشاره شد، به منظور تشکیل مارتنزیت، آستنیت باید به دمایی پائین با سرعت سرد کردن سریعی که مانع از تشکیل فریت، پرلیت و بینیت شود، آورده شود. بنابر این یک سرعت سرد کردن بحرانی وجود دارد که باید سرعت سرد کردن بیشتر از آن باشد تا مارتنزیت تشکیل شود. اگر سرعت سرد کردن اندکی کمتر از آن باشد مخلوطی از مارتنزیت و سایر محصولات تغییر فاز نیافته نظیر پرلیت، تشکیل می گردد. هر چه میزان کربن بیشتر باشد، نفوذ کربن بیشتری نیاز است تا با فرآیندهای نفوذی، فریت، پرلیت یا بینیت تشکیل شود به همین دلیل مارتنزیت در فولادهای با کربن بالاتر با سهولت بیشتری تشکیل می گردد به بیان ساده تر دمای بحرانی تشکیل مارتنزیت برای فولادهای با کربن بیشتر، کاهش می یابد.

در فولادهای کم کربن، حتی با سرعت های سرد کردن زیاد هم تشکیل مارتنزیت بسیار دشوار است. این موضوع به ویژه در مورد مقاطع ضخیم خود را بیشتر نشان می دهد چون در مغز مقاطع ضخیم، سرد شدن به اندازه کافی سریع نیست.
هنگام سرد کردن سریع آستنیت، مارتنزیت زمانی شروع به تشکیل شدن می کند که آستنیت به دمای پائین رسیده باشد که به آن دما، دمای شروع مارتنزیت یا دمای Ms اطلاق می شود.

دگرگونی آستنیت به مارتنزیت کامل نخواهد شد مگر دما باز هم کاهش یابد که به آن دمای پایان مارتنزیت یا Mf گفته می شود. از آنجایی که مارتنزیت های با کربن بیشتر به همان نسبت بیشتر دچار اعوجاج (پیچش) می شوند، آستنیت با کربن بالا باید تا دماهای بیشتری زیر دمای یوتکتوید سرد شود. به عبارت دیگر تا دمای پایین تری سرد شوند تا ناپایداری کافی ایجاد گردد و مارتنزیت تشکیل شود. به همین دلیل دماهای Ms و Mf با افزایش میزان کربن فولاد کاهش می یابند. عناصر آلیاژی به جز کبالت، دماهای Ms و Mf را کاهش می دهند.
دمای Mf برای فولاد های کم کربن و کربن متوسط می تواند کمتر از دمای محیط باشد و به همین دلیل اگر این نوع فولاد ها آستنیته شده و تا دمای محیط کوئنچ شوند، ساختار نهایی آنها مخلوطی از مارتنزیت و آستنیت باقیمانده خواهد بود. این آستنیت باقیمانده می تواند باعث کاهش استحکام مکانیکی شود. آستنیت باقیمانده معمولا نا مطلوب تلقی می شود چون در حین عملیات حرارتی بعدی یا حتی حین سرویس ممکن است با تبدیل به مارتنزیت که ترد است، باعث بروز مشکلاتی گردد.

مارتنزیت تمپر شده

اگر چه مارتنزیت، بسیار مستحکم، سخت و مقاوم به سایش است اما به تبع آن چقرمگی و داکتیلیتی (چکش خواری) کمی دارد. به همین دلیل شکست ترد مارتنزیت به راحتی ممکن است اتفاق بیفتد. بنابر این فولادی که تمام مقطع آن به مارتنزیت تبدیل شده نمی تواند فولاد مناسبی برای کاربرد های مهندسی باشد.در حقیقت یک لایه سطحی مارتنزیت روی فلز پایه فریتی – پرلیتی خواص مناسبتری به ما می دهد. حتی می توان مارتنزیت را توسط تمپر کردن عملیات حرارتی کرد تا به ریز ساختار مارتنزیت تمپر شده با خواصی مناسب برای کاربرد های صنعتی دست یافت. تمپر کردن اجازه می دهد کربن نفوذ محدودی در ساختار bct مارتنزیت داشته باشد و تغییر ساختار اندکی رخ دهد (تشکیل کاربید بصورت محدود). این تغییر باعث کاهش اعوجاج (پیچش) و نیز کاهش تنش داخلی مارتنزیت شده و چقرمگی و انعطاف پذیری را افزایش می دهد. میزان تمپر شدن و تغییرات خواص مکانیکی با کنترل دما و زمان تمپر شدن، انجام می پذیرد؛ یعنی تعادلی بین استحکام و انعطاف پذیری ایجاد می گردد.

سختی پذیری

باید تفاوت بین سختی (hardness) و سختی پذیری (hardenability)روشن شود. سختی طبق تعریف مقاومت جسم در برابر فرو رفتن یک فرو رونده در شرایط استاندارد نظیر سختی سنجی به روش راکول یا ویکرز یا برینل است. سختی فولاد به وسیله ترکیب شیمیایی و ریز ساختارش تعیین می گردد. سختی پذیری، قابلیت فولاد را برای سخت شدن نشان می دهد. به عبارت دیگر تا چه عمقی مارتنزیت تشکیل می شود. فولاد هایی که سختی پذیری اندکی دارند آنهایی هستند که هنگام کوئنچ شدن آنها فقط یک لایه نازک مارتنزیت تشکیل می شود.

اطلاعاتی درباره عناصر آلیاژی و عناصر همراه

بین عناصر آلیاژی از این نظر که آیا آنها کاربیدساز، پایدار کننده آستنیت و یا پایدار کننده فریت هستند و یا هدف خاصی دیگری را برآورده می کنند، می توان تمایز قائل شد. هر عنصر آلیاژی، متناسب با مقدار اضافه شده، خواص ویژه ای را در فولاد ایجاد می کند. استفاده همزمان از چند نوع عنصر آلیاژی متفاوت، خواص ایجاد شده در فولاد را می تواند تشدید کند و یا ممکن است تاثیر تک تک آن عناصر به تنهایی تضعیف شده ویا حتی بی اثر گردد.
جدول زیر تاثیر عناصر آلیاژی را در فولادها نشان می دهد.

جدول ۱- تاثیر عناصر آلیاژی در فولادها

≈ : تقریبا بدون تاثیر + : افزایش خواص – : کاهش خواص ? : تاثیر نامشخص اعداد : شدت افزایش و کاهش

نویسنده: آقای مهندس کامران خداپرستی

مراجع:  

  ۱‐The Metals Black Book, Ferrous Metals, Vol. 1, 2^nd ed., CASTI Publishing Inc., 1995

   ۲‐ M.Kutz, Handbook of Materials Selection, John Wiley & Sons, New York, 2002