عملیات حرارتی

عملیات حرارتی (به انگلیسی: Heat Treatment) مجموعه فرآیندهای صنعتی و فلزکاری و در بعضی موارد شیمیایی است که جهت تغییر خواص مکانیکی و فیزیکی مواد بر روی آن‌ها انجام می‌شود. عملیات حرارتی عمدتاً در متالورژی استفاده می‌شود. از عملیات حرارتی برای ساخت مواد غیرفلزی مانند شیشه‌ها و شیشه-سرامیک‌ها نیز استفاده می‌شود. در عملیات حرارتی معمولاً از گرمایش یا سرمایش تا دماهای ویژه ای، برای رسیدن به خواص موردنظر برای مثال سخت کاری یا نرم کردن ماده استفاده می‌شود. تکنیک‌های عملیات حرارتی شامل این موارد می‌شود: بازپخت، سختکاری پوسته (Case Hardening)، پیرسختکاری، برگشت دادن، کربن دهی (Carburizing)، نرمال سازی و کوئنچ کردن.

فرآیندهای فیزیکی

مواد فلزی از ساختارهای بسیار ریزی به نام «دانه» (grain) یا «کریستالیت» ساخته شده‌اند. طبیعت این دانه‌ها (یعنی اندازه و ترکیب آنها) مهم‌ترین عاملی است که خواص مکانیکی یک فلز را تعیین می‌کند. عملیات حرارتی کمک می‌کند که خواص فلز را با کنترل کردن نرخ واپخش (Diffiusion) و نرخ سرمایش در میکروساختار تغییر داد. عملیات حرارتی در فلزات معمولاً کمک می‌کند که خواص مکانیکی از قبیل سختی، استحکام، چقرمگی، شکل‌پذیری و الاستیسته را تغییر داد.
دو مکانیزم در عملیات حرارتی آلیاژها باعث تغییر خواص مکانیکی می‌شود: شکل‌گیری مارتنزیت باعث می‌شود که کریستال‌ها به صورت ذاتی تغییر شکل دهند، و مکانیزم واپخش (یا دیفیوژن) باعث تغییر در همگن بودن ماده می‌شود.
ساختار بلوری متشکل از اتم‌هایی است که در یک ترتیب بسیار خاص دسته‌بندی شده‌اند، که یک شبکه نامیده می‌شود. در بیشتر عناصر، این چینش بسته به شرایطی مانند درجه حرارت و فشار به خودی خود تغییر خواهد کرد. این تغییر چینش، که آلوتروپی یا پلی مورفیسم نامیده می‌شود، برای یک فلز خاص ممکن است در دماهای مختلف چندین بار رخ دهد. در آلیاژها، این تغییر چینش ممکن است باعث شود یک عنصر که در حالت عادی قابل حل در فلز پایه نیست به‌طور ناگهانی در فلز انحلال پذیر شود، در حالیکه معکوس شدن آلوتروپی باعث خواهد شد این عناصر به صورت جزئی یا کامل غیرقابل انحلال شوند.

آستنیتی کردن فولاد

آستنیتی کردن فولاد اغلب اولین مرحله عملیات حرارتی است؛ که برای یکنواخت کردن غلظت کربن در کریستال‌های آستنیت ضروری می‌باشد؛ و به عنوان کلید کنترل سختی در سخت کردن (یا آب دادن) فولاد معروف است. عمل آستنیتی کردن تابع درجه حرارت و زمان می‌باشد. (عامل درجه حرارت مهم‌تر از زمان است) هنگامیکه فولاد به درجه حرارت لازم برای تبدیل شدن به آستنیت می‌رسد، آستنیت در طی مراحل جوانه زنی و رشد تشکیل می‌گردد. به منظور تبدیل کامل در فولادهای هیپوای تکتوئیدی وای تکتوئیدی اغلب ۳۰ تا ۵۰ درجه سلسیوس بالای درجه حرارت خط A3 حرارت داده خواهد شد. درجه حرارت‌های دقیق را می‌توان از نمودار آهن-کربن انتخاب نمود. عموماً درجه حرارت نباید بسیار بالا انتخاب شود. چرا که آستنیت دانه درشت به وجود می‌آید؛ که ممکن است باعث شکستگی یا ایجاد ترک در فولاد شود. (در هنگام سرد شدن سریع از این درجه حرارت)
اندازه دانه‌های آستنیت با بالا رفتن درجه حرارت، افزایش می‌یابد. این رشد در نتیجه تمایل به کم شدن انرژی آزاد سیستم در اثر کاهش سطح دانه‌است. وقتیکه فولادهای هیپوای تکتوئیدی تا درجه حرارت‌هایی در حد نسبتاً زیاد بالای خط A3 حرارت داده می‌شود، علاوه بر رشد دانه‌ای آستنیت کردن در سرد کردن بعدی ممکن است فریت اضافی هم رسوب کند؛ که به صورت صفحات یا میله‌های طولانی بوده و دانه‌های پرلیت را از این سو به آن سو قطع می‌کند. این نوع ساختار دانه‌ای را ساختار ویدمن اشتاتن می‌نامند. از طرفی اگر درجه حرارت بسیار پایین باشد، بعد از عمل سرد کردن سریع سختی کامل مورد نظر بدست نمی‌آید. تبدیل پرلیت به آستنیت از نوع نفوذ است.

فولاد زنگ‌نزن مارتنزیتی

میکروساختار این فولادها در هنگام تحویل معمولاً به صورت کاربید(carbide) پخش شده در فرایت (Ferrite) می‌باشد. به همین دلیل قبل از استفاده، برای مثال برای ساخت لوازم آشپزخانه، باید کوئنچ شده و برگشت داده(Tempering) شود. برای ساخت یک ساختار کاملاً مارتنزیتی، فولاد باید تا محدوده دمای فاز آستنیت خالص (Austenite)، بالای دمای نقطه تغییر AC₃، در حدود ۹۰۰ درجه سلسیوس، بسته به درصد کروم آن، گرم شود. زمان نگهداری در دمای آستنیتی کردن بستگی به ضخامت فلز دارد و باید آنقدر در این دما نگه داشته شود تا همه کاربید کروم‌ها تبدیل به محلول شوند. سرمایش آن به دمای محیط برای اثرگذار بودن باید در زیر یک دقیقه انجام شود. برای ورق‌های نازک باد طبیعی یا فن کافی است در حالیکه برای ورق‌های ضخیم‌تر از ۵ میلی‌متر باید از کوئنچ کردن در آب یا روغن استفاده گردد. اگر پس از این فرایند باز هم کاربید کروم مشاهده شود یا دمای مربوطه کم بوده‌است یا زمان نگهداری آن.
در گریدهای با درصد کربن بالا خنک کردن تا دمای محیط به‌طور کامل اثرگذار نبوده و باید تا دماهای کرایوژنیک منفی ۸۰ درجه سلسیوس خنک کاری شود. شوک حرارتی ایجاد شده ممکن است باعث القای تردی در فلز شود. برای بازگرداندن خاصیت چکش خواری و چقرمگی باید عملیات تنش زدایی که گرم کردن به مدت چند ساعت در دمای ۱۵۰ تا ۳۰۰ درجه سیلسیوس است، انجام شود. خیلی مهم است که از دماهای ۴۰۰–۶۰۰ درجه سلسیوس خودداری شود چرا که در این دماها رسوب کاربید کروم اتفاق می‌افتد که باعث ایجاد فضاهای خالی از کروم شده و می‌تواند منجر به خوردگی در مرز بین دانه‌ها شود.

فولاد زنگ‌نزن فریتی

در متالوژی همه فولادهای فریتی یکسان نیستند چرا که بعضی در تمام دماها فریتی باقی می‌مانند ولی بعضی از گریدها که شبه-فریتی نیز خوانده می‌شوند در دماهای بالا تا ۳۰٪ آستنیت تشکیل می‌دهند که در هنگام خنک کاری به مارتنزیت تبدیل می‌شود.
گریدهای با بیش از ۲۵٪ کروم در دماهای ۵۰۰–۸۰۰ درجه سلسیوس مستعد شکل‌گیری فاز سیگمای غنی از کروم هستند. می‌توان این فاز را با گرم کردن تا دماهای ۱۰۰۰ درجه سلسیوس به مدت نیم ساعت و سپس خنک کاری سریع دوباره به محلول بازگرداند.

بازپخت محلول

هدف از بازپخت محلول (Solution Annealing) بدست آوردن یک ساختار آستنیتی همگن است. بازپخت در دمای ۱۰۰۰ تا ۱۱۵۰ درجه سلسیوس، بسته به گرید، و با زمان نگهداری ۱ الی ۳ دقیقه به ازای هر میلی‌متر ضخامت، و خنک کاری سریع با آب یا هوا انجام می‌شود.

عملیات «ضد-فریت»

مقدار مشخصی از دلتا فریت (Delta Ferrite) دما-بالا می‌تواند در فولادهای زنگ نزن آستنیتی باقی بماند. این فاز معمولاً چندان خطرناک نیست، اما می‌تواند به دلیل شکل‌گیری فاز سیگما در دماهای ۵۵۰ تا ۹۰۰ درجه سلسیوس باعث تردی شود. می‌توان این فریت باقی مانده را با نگهداری در دمای ۱۱۵۰ درجه سلسیوس به مدت ۳۶ ساعت، و خنک کاری آهسته در کوره تا ۱۰۵۰ درجه سلسیوس و سپس خنک کاری سریع تا دمای اتاق از بین برد.

عملیات حذف تنش

دو نوع عملیات حذف تنش می‌توان انجام داد:
۱) نگهداری طولانی (۱۰ الی ۲۰ دقیقه به ازای هر میلی‌متر ضخامت) در دمایی بین ۲۰۰ تا ۴۰۰ درجه سلسیوس، و خنک کاری آهسته آن. مزیت این عملیات این است که هیچ فاز جدیدی شکل نمی‌گیرد.
۲)برای گریدهایی که مستعد خوردگی بین دانه ای نیستند، نگهداری کوتاه مدت (تقریبا ۳ دقیقه به ازای هر میلی‌متر ضخامت) در دمای تقریباً ۸۵۰ درجه سلسیوس.

بازپخت محلول

در فولادهای دوپلکس آستنیت-فریتی هدف عملیات «بازپخت محلول» معمولاً رسیدن به درصد ۵۰٪ آستنیت ۵۰٪ فریت در دمای اتاق، و عدم وجود فازهای بین-فلزی (Intermetallic) یا ذرات رسوب می‌باشد. خیلی مهم است که از رسوب بین فلزی در هنگام خنک کاری جلوگیری شود، چرا که فریت در فولادهای دوپلکس می‌تواند دچار تردی ۴۷۵ درجه سلسیوس شود. زمان اقامت در دماهای ۷۰۰ تا ۹۵۰ درجه سلسیوس باید تا حد ممکن کوتاه باشد تا خطر شکل‌گیری فاز سیگما به حداقل برسد. در گریدهای حاوی مولیبدن محدوده خطر تا ۱۰۵۰ درجه سلسیوس ادامه می‌یابد. دمای بازپخت در گریدهای فاقد مولیبدن تا ۱۰۵۰ درجه بوده و در گریدهای دارای این عنصر دما ۱۱۰۰ درجه سلسیوس می‌باشد.

عملیات حرارتی پس از جوشکاری (Post Weld Heat Treatment)

از آنجایی که فولادهای دوپلکس به خوردگی بین دانه ای حساس نیستند، نیاز به عملیات حرارتی پس از جوشکاری نیست. با این حال در فرآیندهای جوشکاری تک پاس، به خصوص بدون استفاده از فیلر، بالانس بین آستنیت و فریت به هم خورده، و پیدا شدن درصد فریت ۹۰٪ و بالاتر در جوش معمول است. برای بازگردانی نسبت صحیح توصیه می‌شود «بازپخت محلول» انجام شود.

نمودارهای T-T-T (زمان-دما-دگرگونی)

نمودارهای زمان(Time) دما(Temperature) دگرگونی(Transformation)
این نمودار شرایط تعادل عناصر تشکیل دهنده در دماهای مختلف را نشان می‌دهد در حالی که اکثر روش‌های عملیات حرارتی به صورت نا متعادل انجام می‌شوند. اثر زمان بر روی ساختار و خواص نهایی فلز توسط نمودار زمان -دما -دگرگونی که به نمودار TTT موسوم است مشخص می‌شود. در واقع به وسیلهٔ این نمودار می‌توان پیشرفت دگرگونی در فلز را به سادگی بررسی نمود. (بیشترین کاربرد این نمودارها برای عملیات حرارتی فولادهاست)

عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم

در مورد آلیاژهای آلومینیوم، زمانیکه از کلمه «عملیات حرارتی» استفاده می‌شود، اغلب فرآیندهایی منظور است که باعث افزایش استحکام و سختی آلیاژهای رسوب-سخت شونده و ریخته‌گری شده می‌گردد. به این آلیاژها معمولاً «عملیات حرارتی شونده» می‌گویند تا بتوان بین آن‌ها و آلیاژهایی که قابل عملیات حرارتی و افزایش استحکام نیستند تفاوت قائل شد. در این آلیاژها که معمولاً آلیاژهای «غیرقابل عملیات حرارتی» خوانده می‌شوند برای افزایش استحکام معمولاً از عملیات سرد استفاده می‌شود. از گرم کردن برای کاهش استحکام و افزایش چکش خواری (بازپخت) در مورد هر دو نوع آلیاژ استفاده می‌شود.

آلیاژهای آلومینیوم تجاری قابل عملیات حرارتی

آلیاژهای موجود در بازار که قابل افزایش استحکام و سختی از طریق عملیات حرارتی هستند شامل آلیاژهای Wrought سری 2XXX و 6XXX و 7XXX (به جز ۷۰۷۲) و آلیاژهای ریخته‌گری سری 2XX.۰ و 3XX.۰ و 7XX.۰ هستند. بعضی از این آلیاژها تنها دارای عنصر آلیاژی تقویت‌کننده استحکام مس یا مس و سیلیکون هستند. اما اکثر آلیاژهای «قابل عملیات حرارتی» دارای عنصر منیزیم به اضافه عناصری از قبیل مس، روی و سیلیکون هستند.

تنش زدایی

اعمال نیرو یا تغییرات دمایی می‌توانند در قطعه تنشی ایجاد کنند که ممکن است بسیار زیان بار باشد. این تنش‌ها که «تنش‌های باقیمانده» نامیده می‌شوند، می‌توانند سبب تاب برداشتن، ترک برداشتن یا شکست زودهنگام در حین تولید یا در حین کار شوند. از عوامل تشکیل چنین تنش‌هایی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
الف- وجود شیب حرارتی یا در واقع عدم سرد شدن یکنواخت قطعه.
ب- ماشینکاری و کارسرد
هدف از عملیات تنش‌گیری آن نیست که تغییرات عمدهای در خواص مکانیکی قطعه اتفاق بیفتد. در این عملیات از سازوکار بازیابی استفاده می‌شود و و در واقع تبلور مجدد و تغییرات ریزساختاری در آن انجام نمی‌شود.
به منظور تنش زدایی، قطعات را طی زمان مشخصی زیر دمای A1 گرما می‌دهند. زمان گرما دهی بستگی به دمای عملیات و ابعاد قطعه دارد. هر چقدر که دمای تنش‌گیری بالاتر انتخاب شود نیاز به زمان کمتری برای عملیات وجود دارد. در این عملیات نرخ گرم شدن و سرد شدن قطعه باید آهسته باشد تا تنش‌های حرارتی جدیدی به قطعه اعمال نشود.
این عملیات حرارتی به منظور کاهش یا برطرف کردن تمامی تنش‌های ایجاد شده در اثر عملیات تغییر شکل سرد یا در عملیات جوشکاری انجام می‌گیرد. درجه حرارت معمولاً در زیر درجه حرارت A1 و در حدود ۴۰۰ درجه سلسیوس می‌باشد.

تنش‌های داخلی و روش‌های کاهش آن‌ها در عملیات حرارتی

در عملیات حرارتی معمولاً با تنش‌های حاصل از انبساط و انقباض به نام تنش‌های حرارتی (به انگلیسی Thermal Stresses) و همچنین با تنش‌های حاصل از تغییر یا تبدیل فاز، به ویژه در تبدیل‌های غیر تعادلی استنیت در فولادها، به نام تنش‌های تبدیلی مواجه خواهیم بود. عموماً این تنش‌ها تنش‌های داخلی نامیده می‌شوند.

روش اول: مارت‌پخت

در روش مارت‌پخت (Martempering) ابتدا قطعه فولادی را کاملاً استنیتی کرده و بعد ان را سریع در ظرفی که حاوی روغن داغ یا نمک مذاب حدود۱۵۰–۳۰۰ درجه سانتیگراد یا با دمایی کمی بالاتر از دمای شروع مارتنزیت است سرد می‌کنیم. بعد قطعه مورد نظر به مدت زمان معینی در یکی از این دو محیط با دمای ثابت نگه داشته می‌شود.
زمان نگهداری به ابعاد قطعه بستگی دارد و باید در حدی باشد که دمای تمامی قطعه به آن دما برسد.
سپس قبل از اینکه تبدیل استنیت به باینیت شروع شود قطعه با سرعت متوسطی تا دمای اتاق سرد می‌شود، به گونه‌ای که از ایجاد اختلاف زیاد دما در آن جلوگیری شود.
سرانجام این قطعه فولادی تحت عملیات حرارتی بازپخت قرار می‌گیرد. بدین ترتیب یک ساختار مارتنزیتی باز پخت شده به دست می‌آید. این فرایند عملیات حرارتی مارتمپرینگ یا سریع سرد کردن ناپیوسته نامیده می‌شود.
بازپخت در این روش به منظور افزایش چغرمگی صورت می‌گیرد.
تفاوت بین فولادهایی که مارتنزیتی شده و سپس عملیات حرارتی باز پخت معمول روی آن‌ها انجام گرفته سختی برابر فولادهایی است که تحت عملیات حرارتی مارت‌پخت قرار گرفته‌اند، اما مقاومت به ضربه فولادهای که مارت‌پخت شده‌اند حدوداً سه برابر بیشتر از فولادهای عادی است.

روش دوم: آس‌پخت

آس‌پخت یا آستمپرینگ (Austempering) یک نوع عملیات حرارتی از نوع تبدیل هم دما یا ایزوترمال است که برای رسیدن به ساختار باینیتی در تعدادی از فولادهای کربنی ساده انجام می‌شود.
در این فرایند ابتدا فولاد استنیتی شده و سپس در حمام نمک مذاب با دمایی درست بالای دمای شروع تبدیل مارتنزیت سریع سرد شده و برای مدت زمان معینی در این دمای ثابت نگه داشته می‌شود. در بعضی موارد نیاز به دوباره گرم کردن می‌باشد چون ممکن است به حالت باینیت یا اسفریت تبدیل شده باشد و ساختار داخلی ان تفاوت‌هایی با هدف مورد نظر داشته باشد.
زمان مورد نیاز برای نگه داشتن در دمای ثابت که در بالا اشاره شد به نوع فولاد و ابعادان بستگی دارد و باید در حدی باشد که تبدیل استنیت به باینیت
به‌طور کامل انجام شود و سرانجام قطعه فولادی تا دمای اتاق سرد می‌شود.
از مزایای این فرایند در مقابل روش سریع سرد کردن و بازپخت، افزایش مقاومت ضربه‌ای تا دو برابر بیشتر از روش عادی و کاهش تنش‌های داخلی و احتمال ترک برداشتن و تاب برداری است.
این فرایند روش دومی را برای جایگزینی فرایند سریع سرد کردن و بازپخت ارائه می‌دهد. از مزایای این روش بهبود مقاومت ضربه‌ای و انعطاف‌پذیری بعضی از فولادها در مقایسه با فرایند سریع سرد کردن و بازپخت و دیگری کاهش تنش‌های داخلی و نتیجتاً تاب و ترک‌برداری است. از معایب این روش نیاز داشتن به حمام نمک مذاب و دیگری محدودیت این روش یرای تعدادی از فولادهای خاص است.