عملیات حرارتی

گرم کردن و سرد کردن زمانبندی شده فلزات، سرامیک‌ها و آلیاژها را به منظور بدست آوردن خواص مکانیکی و فیزیکی مطلوب، عملیات حرارتی می‌نامند. عملیات حرارتی برای تغییر خواص فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و به ویژه متالورژیکی مواد استفاده می‌شود. عملیات حرارتی برای مواد غیرفلزی مانند شیشه‌ها و شیشه-سرامیک‌ها نیز بکار می‌رود.
تاریخچه
اولین پروسه‌هایی که میتوان به عنوان عملیات حرارتی یاد کرد در شهر تهران شهرستان اکبر آباد صورت گرفته‌است
دلایل عملیات حرارتی
تنش‌زدایی، تنش‌های ناشی از عملیات و فرایندهای تولید
ریز کردن دانه‌بندی
افزایش مقاومت به سایش با ایجاد لایه سخت بر سطح و در عین حال افزایش مقاومت به ضربه با به‌وجود آوردن مرکز نرم‌تر در داخل قطعه
بهبود خواص فولاد به منظور اقتصادی کردن جایگزینی بعضی از انواع ارزان‌تر فولاد به جای انواع گران آن
افزایش جذب انرژی ضربه فولاد
بهبود خصوصیات برش در فولادهای ابزار
بهبود خواص الکتریکی
تغییر یا بهبود خواص مغناطیسی
عملیات حرارتی فولادها
فولاد از نظر خواص مناسبی که در عمل دارد، یکی از مهمترین مواد فلزی است.
یکی از دلایل عمده‌ای که می‌توان فولادهایی با خواص مختلف بدست آورد همان
تبدیل ساختمان کریستالی آهن از آلفا به گاما با تغییر درجه حرارت می‌باشد. این تبدیل مطابق با نمودار آهن-کربن می‌تواند در حد زیادی تحت تاثیر کربن قرار گیرد. برای مثال سختی و استحکام در فولادهای سریع سرد شده (آب داده شده) بستگی به میزان درصد کربن موجود در آن‌ها دارد.
کربن‌دهی سطحی
در این روش به فولادهایی که درصد کربن آن از ۰٫۳ درصد کمتر است حداکثر تا عمق ۲ میلی‌متر در سطح قطعات می‌توان سختی داد. روش کار در حال حاضر به صورت متداول به دو طریق انجام می‌شود:
۱-روش کربورایزینگ گازی- بدن طریق که قطعات در داخل کوره‌های مخصوص قرار داده شده و به آن در دمای بین ۸۴۰ تا ۹۰۰ درجه گاز از طریق ژنراتورهای endo gas دمیده می‌شود و سطح قطعات بدین طریق کربوره می‌گردد.
۲- روش کربورایزینگ مایع - در این روش از کوره‌های حمام نمک با پایه نمک سیانور استفاده می‌شود و قطعات در مذاب نمک قرار داده شده و از این طریق با توجه به تجزیه سیانور به کربن ونیتروژن سطح قطعات کربوره می‌گردد.
بازپخت کامل (آنیلینگ)
آنیلینگ جهت کروی کردن سمنتیت
نرماله کردن (نرمالیزاسیون)
کوئنچ کردن
برگشت دادن (تمپر کردن)
تنش زدایی
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. عموما 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 نسبتا 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.
عملیات حرارتی فولادهای ضد زنگ
فولادهای زنگ نزن استنیتی قابل عملیات حرارتی نمی‌باشد. زیرا باعث ایجاد رسوب کاربید کرم در مرز دانه‌ها می‌شود و آن را شدت می‌بخشد.
فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی قابلیت عملیات حرارتی دارند و برای قطعاتی که هم نیاز به خواص ضدزنگی و هم مقاومت سایشی را دارند استفاده می‌گردد از قبیل فولاد ضد زنگ 420
عملیات حرارتی چدنها
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 وسیله این نمودار می‌توان پیشرفت دگرگونی در فلز را به سادگی بررسی نمود. (بیشترین کاربرد این نمودارها برای عملیات حرارتی فولادهاست)
عملیات حرارتی آلیاژهای غیرآهنی
عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم
T1
سرد شده از یک فرایند شکل دهی، با درجه حرارت بالا و پیر شده به صورت طبیعی
T2
سرد شده از یک فرایند شکل دهی، با درجه حرارت بالا، کار سرد شده و پیر شده به صورت طبیعی
T3
عملیات حرارتی از نوع محلول‌سازی شده، کار سرد شده و پیر شده به صورت طبیعی
T4
عملیات حرارتی از نوع محلول‌سازی شده و پیر شده به صورت طبیعی
T5
سرد شده از یک فرایند شکل دهی با دمای بالا و پیر شده به صورت مصنوعی
T6
عملیات حرارتی از نوع محلول‌سازی شده و پیر شده به صورت مصنوعی
T7
عملیات حرارتی از نوع محلول‌سازی شده و پایدار شده
T8
عملیات حرارتی از نوع محلول‌سازی شده، کار سرد و پیر شده به صورت مصنوعی
T9
عملیات حرارتی از نوع محلول‌سازی شده، پیر شده به صورت مصنوعی و سپس کار سرد شده
T10
سرد شده از یک فرایند شکل دهی با درجه حرارت بالا، کار سرد شده و پیر شده به صورت مصنوعی
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 معمولا در زیر درجه حرارت A1 و در حدود ۴۰۰ درجه سلسیوس می‌باشد.
تنش‌های داخلی و روش‌های کاهش آن‌ها در عملیات حرارتی
در عملیات حرارتی معمولا 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. عموما این تنشها تنشهای داخلی نامیده می‌شوند.
تنش‌های داخلی
اندازه این تنشهای داخلی به مقدار افت یا کاهش سریع دما در قطعه، شکل هندسی و ابعاد ان، سرعت سرد شدن و ضریب هدایتی حرارتی بستگی دارد.
تنش‌های داخلی می‌توانند به حدی برسند که حتی موجب تغییر شکل پلاستیکی و تاب برداشتن و ترک برداشتن و تخریب در حین عملیات حرارتی یا بعد از ان در حین کار شوند. در مواردی که تغییر دمایی بالا است و سریع از دماهای استنیتی به دماهای مارتنزیتی سرد شود توزیع این تنشها، به ویژه در قطعات با ابعاد نسبتا زیاد، در نقاط مختلف حجم قطعه غیر یکنواخت خواهد بود. این غیر یکنواختی با اختلاف شیب حرارتی در لایه خارجی و قسمت داخلی قطعه، نوع فازهای تشکیل شده و فاصله زمانی تبدیل فازها بین لایه خارجی و قسمت داخلی ارتباط دارد؛ بنابراین حالتهای مختلفی از لحاظ نوع تنش‌های داخلی می‌تواند وجود داشته باشد.
در مواردی که تنشهای داخلی ایجاد شده در لایه خارجی از نوع کششی و تنش‌های داخلی از نوع فشاری باشد بعد از سرد شدن سریع ترک‌هایی در سطح بوجود می‌ایند یا یک نوع تغییر دیگر ممکن است که در حین تنشهای کششی لایه خارجی به تنشهای کششی اعمالی افزوده شده و استحکام کششی و حد تحمل کاهش یابد.
به منظور کاهش یا حذف تنش‌های داخلی و اثرات مضر ان به خاطر تشکیل‌های ترک‌های سطحی در قطعاتی که تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرند باید سرعت گرم و سرد کردن و زمان مورد نیاز برای سرد یا گرم کردن با توجه به نوع جنس، شکل هندسی و ابعاد قطعه و خواص مکانیکی مورد نظر کنترل شده و به نکات زیر توجه شود:
۱-ابتدا قطعه پیش گرم شود و بعد با سرعت خیلی کم گرم کردن قطعه ادامه یابد.
۲-در تبدیل مارتنزیتی که باید در مدت زمان کم افت دمای بالایی انجام داد می‌توان از دو روش زیر استفاده کرد:
روش اول: مارت‌پخت
در روش مارت‌پخت (Martempering) ابتدا قطعه فولادی را کاملا 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 حدودا سه برابر بیشتر از فولادهای عادی است.
روش دوم: آس‌پخت
Time-temperature transformation (TTT) diagram. The red line shows the cooling curve for austempering.
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 نتیجتا 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.
جستارهای مرتبط
عملیات حرارتی موضعی
عملیات سطح
تردی هیدروژنی
تردی بازپختی
پیرسختی