تردی فولادها

پدیده تردی

تردی در فولادهای سریع سرد و بازپخت شده پدیده‌ای است که باعث کاهش مقاومت به ضربه می‌شود این پدیده که ناشی از تغییرات ایجاد شده در میکروساختار ماتنزیت در ضمن بازپخت است عملاً بر روی دیگر خواص مکانیکی نظیر استحکام کشش، استحکام تسلیم و انعطاف‌پذیری (درصد ازدیاد طول و کاهش سطح مقطع) اثری ندارد. در حقیقت اثر تردی با انتقال دمای تبدیل در آزمایش ضربه به سمت دماهای بالاتر به بهتترین وجه مشخص می‌شود. از این رو برای مطالعهٔ اثرات تردی در یک فولاد سریع سرد و بازپخت شده لازم است که منحنی تغییرات انرژی ضربه‌ای برحسب دمای آزمایش برای آن فولاد رسم شده و با منحنی مشابه برای فولاد ترد شده مقایسه شود. به بیان دیگر نتیچه حاصل از انجام فقط یک آزمایش ضربه در دمای اتاق ممکن اسن نه تنها تردی را به‌طور دقیق مشخص نکند بلکه گمراه‌کننده نیز باشد این مطلب در شکل زیر نشان داده شده‌است. در این شکل فولادهای فرضی A,B با دو رفتار کاملاً متفاوت مقایسه شده‌اند. دمای تبدیل برای فولاد A در حدود -۵۹ درجه سانتی گراد (-۷۵ درجه فارنهایت) است که پس از ترد شدن به تقریباً -۳ درجه سانتیگراد (+۲۵ درجه فارنهایت) افزایش می‌یابد. از طرف دیگر فولاد B دارای دمای تبدیلی در حدود -۱۸ درجه سانتی گراد (صفر درجه فارنهایت) بوده که با ترد شدن به تقریباً ۳۸ درجه سانتیگراد (۱۰۰ درجه فارنهایت) افزایش پیدا می‌کند. گرچه میزان جابجایی دمای تبدیل برای هر دو نوع فولاد تقریباً یکسان است و برابر ۵۶ درجه سانتی گراد(۱۰۰ درجه فارنهایت)، ولی همانگونه که در شکل مشخص است در صورتی که در فولادهای ترد شده A,B تحت آزمایش ضربه در دمای اتاق قرار گیرند انرژی لازم برای شکست فولاد B به مراتب کمتر از انرژی لازم برای شکست فولاد A است. به بیان دیگر نتایج حاصل از فقط یک آزمایش ضربه درد دمای اتاق بر روی فولادهای A,B نشان می‌دهد که فولاد A اساساً ترد نشده درحالیکه فولاد B  کاملاً ترد شده‌است. در صورتی که واقعیت امر چنین نیست و هر دو فولاد به یک میزان ترد شده‌اند، اما از آنجایی که فولاد A دارای چقرمگی بالایی است (دمای تبدیل بسیار کم) پس از ترد شدن نیز از خود چقرمگی خوبی را نشان می‌دهد.
به‌طور کلی فولادهای سریع سخت و بازپخت شده نسبت به سه نوع تردی حساس اند، یکی در اثر بازپخت در گسترهٔ دمایی ۲۶۰–۳۵۰ درجه سانتی گراد (۵۰۰–۷۰۰ درجه فارنهایت) که به تردی ۳۵۰ درجه سانتی گراد، تردی ۵۰۰ درجه فارنهایت یا تردی مارتنزیت بازپخت شده موسوم است و به‌طور خلاصه با THE نشان داده می‌شود. دیگری تردی در اثر حرارت دادن در گسترهٔ دمایی۳۷۵–۵۷۵ درجه سانتی گراد (۷۰۶ تا ۱۰۷۰ درجه فارنهایت) یا آهسته سرد کردن از گسترهٔ دمایی فوق که به تردی بازپخت معروف است و با TE نشان داده می‌شود. نوع سوم تردی ناشی از تشکیل نیترید آلومینیم است.

تردی مارتنزیت بازپخت شده

این نوع تردی در بیشتر فولادهای کربنی ساده، کم آلیاژ و فولادهای ابزار و همچنین فولادهای ساختمانی که پس از سریع سرد شدن، در گستره دمایی ۲۶۰–۳۵۰ درجه سانتی گراد بازپخت شده باشند دیده می‌شود. گسترهٔ دمایی مربوط به این نوع تردی تقریباً منطبق بر گسترهٔ دمایی مربوط به تجزیه آستنیت باقیمانده‌است.

تردی نیترید آلومینیم

یکی دیگر از انواع تردی که گاهی در فولادهای سریع سخت شده مشاهده می‌شود ناشی از رسوب نیترید آلومینیم در مرز دانه‌های آستنیت اولیه است. درحالیکه توزیع ذرات بسیار ریز و ظریف نیترید آلومینیم در مرز دانه‌های آستنیت برای کنترل و رشد دانه‌ها و بنابراین تهیهٔ فولادهای ریزدانه مؤثر و مورد نظر است. رسوبات صفحه‌ای شکل نیترید آلومینیم که در حین سرد شدن در دمای انجماد یا در ضمن آستنیته کردن در دمای نسبتاً بالا تشکیل شده باشند، چقرمگی ضربه‌ای را به نحو قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهند. شکست بین دانه‌ای ناشی از وجود ذرات نیترید آلومینیم در مرز دانه‌های آستنیت اغلب در فولادهای کربنی ساده که از روش ریخته‌گری تهیه شده باشند، مشاهده می‌شود. البته این نوع شکست در فولادهای کربنی ساده نوردی نیز دیده شده‌است.

تردی فلز مایع

در تماس گرفتن فولاد با مذاب برخی از فلزات یا فلزات مایع ممکن است منجر به شکست ترد بین دانه‌ای آن شود. فولادهای کربنی ساده و کم آلیاژ ممکن است با تماس پیدا کردن با مذاب فلزات سرب، کادمیم، برنج، آلومینیم، برنز، مس، روی، لحیم سرب-قلع و لیتیم ترد شوند. شروع شکست توسط تردی فلز مایع بستگی به زمان نداشته و مستلزم تر شدن فولاد توسط فلز مذاب است. در واقع به مجرد تر شدن فولاد توسط فلز مایع شکست می‌تواند شروع شود. اغلب، تنش بسیار کمی برای شکست از طریق تردی فلز مایع کافی است.

تردی هیدروزنی

اثرات پدیده تردی هیدروژنی بر روی فولاد زیاد است. استحکام نهایی فولاد ممکن است کاهش یابد، انعطاف‌پذیری برحسب تابعی از ازدیاد طول شکسست و کاهش سطح مقطع ممکن است کم شود و بالاخره رشد ترک ترد ممکن است شدیداً افزایش یابد. هیدروژنی که عامل تردی و در نتیجه اثرات یاد شده می‌شود، ممکن است در محیط خارج و در تماس با سطوح خارجی فولاد یا در داخل آن باشد. در حالت اخیر هیدروژن ممکن است در اثر عملیاتی نظیر فولادسازی، اسیدشویی و پوشش دهی الکتریکی به داخل فولاد نفوذ کرده باشد. هیدروژن ممکن است شکست نرم را به شکست ترد تبدیل کند یا اینکه بدون ایجاد تغییر در نحوه شکست انعطاف‌پذیری را کاهش دهد. از جمله موارد قابل توجه در ارتباط با ترد شدن هیدروزنی فولادها با استحکام بالا در شرایط سخت و بازپخت شده عبارت از ترک خوردن بین دانه‌ای آن‌ها در حضور هیدروژن است.

تردی بازپختی

تردی بازپختی تحت شرایط زیر ممکن است به وجود آید:
۱. در اثر حرارت دادن و نگه داشتن فولاد سخت شده در گسترهٔ دمایی ۳۷۵–۵۷۵ درجه سانتی گراد بدون توجه به
آهنگ سرد شدن
۲. در اثر حرارت دادن فولاد سخت شده در دمایی بالاتر از ۵۷۵درجهٔ سانتی گراد و سپس آهسته سرد کردن آن در گسترهٔ دمایی مشابه
در حالت دوم هنگامی که فولاد از گسترهٔ دمایی تردی سریع عبور کند (مثل سرد شدن در آب) امکان ترد شدن آن وجود ندارد. از طرف دیگر سرد کردن سریع در حالت اول از به وجود آمدن تردی نمی‌تواند جلوگیری کند؛ بنابراین به‌طور خلاصه وارد شدن به گسترهٔ دمای تردی از دماهای پایین (در حرارت دادن و نگه داشتن در گسترهٔ دمایی فوق) یا دماهای بالا (در آهسته سرد کردن) نتیجه یکسان خواهد داشت.
یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های تردی بازپخت، طبیعت بازگشت پذیری آن است. اگر فولادی که در اثر قرار گرفت در گسترهٔ دمایی تردی یا عبور کردن از آن ترد شده‌است را تا بالاتر از ۵۷۵ درجه سانتی گراد حرارت داده و سپس آن را از گسترهٔ دمایی ۳۷۵–۵۷۵ درجه سانتی گراد سریع عبور دهیم، چقرمگی فولاد افزایش یافته و به مقدار قبل از ترد شدن برمی گردد. اگر این فولاد دوباره در گسترهٔ دمایی TE قرار گیرد (حرارت دادن هم دما یا سرد شدن آهسته) دو مرتبه ترد خواهد شد. از این رو گاهی به این پدیده تردی برگشت‌پذیر گفته می‌شود.
نظریه‌هایی که برای تردی بازپختی و مکانیزم آن ارائه شده‌است، براساس مطالعات میکرو ساختار و تعیین نوع و غلظت عناصر آلیاژی یا ناخالصی‌های متمرکز شده بر روی سطح مقطع شکست فولادهایی است که در گسترهٔ دمایی TE حرارت دیده باشند.
این نظریه‌ها کاهش چقرمگی ضربه را عمدتاً ناشی از تشکیل یک فاز ثانویه نظیر سفیدها یا افزایش غلظت ناخالصی‌ها به صورت نوار باریک وپیوسته‌ای در مرز دانه‌های آستنیت اولیه می‌دانند. به کمک طیف‌سنج الکترونیکی اوژه ترکیب شیمیایی لایه سطحی سطوح شکست فولادهای ترد شده از این طریق بررسی شده و مشخص شده‌است که کاهش چقرمگی به‌طور مستقیم با افزایش غلظت ناخالصی‌ها در حوالی مرز دانه‌های آستنیت اولیه ارتباط دارد.
در دمای بالاتر از ۵۷۵ درجه سانتی گراد و با انحلال ناخالصی‌ها، تجمع آن‌ها در مرز دانه‌های آستنیت کاملاً از بین می‌رود (نظیر آنتیموان) یا اینکه به مقدار بسیار زیادی کاهش می‌یابد (نظیر فسفر). در اثر سرد کردن سریع (مثلاً در آب) زمان جهت تجمع مجدد ناخالصی‌ها در مرز دانه‌ها کافی نبوده و بنابراین فولاد ترد نخواهد شد. برعکس تحت شرایط سرد کردن آهسته ناخالصی‌ها فرصت کافی جهت رسوب در مرز دانه‌های آستنیت را داشته و در نتیجه باعث ترد شدن آن می‌شود. مخرب‌ترین ناخالصی‌ها در این رابطه عبارتند از آنتیموان، فسفر، قلع و آرسنیک. مشخص شده‌است که وجود مقدار بسیار کمی از این عناصر در حد ۱۰۰ ppm و حتی در بعضی موارد کمتر از این حد می‌تواند منجر به تردی فولاد شود.
نقش عناصر آلیاژی در ایجاد تردی بازپختی کمتر از ناخالصی‌ها نیست. در فولادهای کربنی ساده (Fe-c) تجمع ناخالصی‌های مضر آنقدر کم است که منجر به تردی بازپختی نمی‌شود. در حالیکه در حضور عناصر آلیاژی نظیر کرم، منگنز، نیکل، سیلیسیم تجمع ناخالصی‌های فوق در مرز دانه‌ها به شدت افزایش می‌یابد. همچنین در حضور ناخالصی‌های مضر، عناصر آلیاژی محلول در مرز دانه‌های آستنیت تجمع خواهند کرد بنابراین چنین استنباط می‌شود که ناخالصی‌ها و عناصر آلیاژی محلول در فاز آلفا متقابلاً بر یکدیگر اثر گذاشته و تجمع یکدیگر را در مرز دانه‌های آستنیت تشدید می‌کند. توجیه دیگری در این رابطه می‌گوید که بعضی اتم‌های ناخالصی و عناصر آلیاژی به مراتب بیشتر از اتم‌های ناخالصی و آهنی یکدیگر را جذب می‌کنند؛ بنابراین حضور عناصر آلیاژی فوق در فولاد منجر به تشدید تجمع ناخالصی‌ها و اتم‌های عناصر آلیاژی در مرز دانه‌های آستنیت می‌شود. معمولاً وجود چند عنصر آلیاژی تجمع ناخالصی‌ها را بیشتر تشدید می‌کند به عنوان مثال تجمع آنتیموان در فولادهای آلیاژی نیکل-کرم را به مراتب بیشتر از تجمع آن در فولادهای کرم یا نیکل دار است. گزارش شده‌است، در صورتی که درصد منگنز کمتر از ۰٫۵ درصد باشد فولاد نسبت به تردی بازپختی حساس نیست همچنین مشخص شده‌است که اگر مولیبرن فولاد بین ۰٫۲ تا ۰٫۴ درصد باشد از ترد شدن بازپختی چلوگیری می‌کند. حضور بیشتر از ۰٫۴ درصد مولیبرن اثر معکوس دارد.