عملیات حرارتی

:

آزمایشگاه عملیات حرارتی

آزمایش شماره 1

عنوان آزمایش : بررسی اثرسرعت سرد کردن در ریزساختار طولی و خواص مکانیکی فولاد

مقدمه

فریت

محلول جامد بین نشینی کربن در آهن با شبکه بلوری مکعب مرکز دار به فریت موسوم است.حلالیت کربن در آهن فریتی به مراتب کمتر از حلالیت آن در آهن آستنیتی است. به طوریکه حد حلالیت کربن در فریت حداکثر 0.02 درصد در 727 درجه سانتیگراد است که با کاهش دما به طور پیوسته کاهش یافته و در دمای اتاق به مقدار ناچیزی خواهد رسید.

آستنیت

آستنیت عبارتست از محلول جامد بین نشینی کربن در آهن با شبکه بلوری مکعبی با وجوه مرکزدار (fcc) است کربن با وارد شدن در شبکه بلوری آهن آستنیتی ، ناحیه تشکیل و پایداری آستنیتی را در فولادها گسترش می دهد . با اضافه شدن کربن ناحیه پایداری آستنیت از 912 تا 1394 درجه سانتیگراد که گستره تشکیل و پایداری آستنیت است ، به گستره وسیعی از دما و ترکیب شیمیایی افزایش می یابد .

ماتنزیت

در آلیاژهای آهن - کربن و فولادها ، مارتنزیت از سریع سرد کردن آستنیت بدست می آید . از آنجایی که دگرگونی آستنیت به مارتنزیت بدون نفوذ انجام می شود. بسته به ترکیب شمیایی آلیاژ، تا 2درصد کربن، مارتنزیت دقیقا همان ترکیب شمیایی آستنیت اولیه را دارد .

در تشکیل فاز مارتنزیت کربن در فضای هشت وجهی شبکه bcc محبوس شده و فاز جدید مارتنزیت را بوجود می آورد . با تشکیل مارتنزیت ، کربن محلول در شبکه bcc به مقدار زیادی افزایش پیدا می کند . با افزایش درصد کربن محلول در شبکه ، جاهای خالی بیشتری از شبکه توسط کربن اشغال می شود ، درنتیجه شبکه بلوری از bcc به bct میل میکند که در آن پارامتر c شبکه بزرگتر از دو پارامتر دیگر a  است نسبت c/a که تتراگونالیته شبکه می بتشد با افزایش میزان کربن افزایش میابد .

از آنجایی که در تشکیل مارتنزیت نفوذ نقشی ندارد ، مارتنزیت فازی ناپایدار است . اگر مارتنزیت تا دمایی حرارت داده شود که اتم های کربن قدرت کافی جهت نفوذ پیدا کنند ، از فضاهای خالی هشت وجهی خارج شده و تشکیل سمانتیت می دهند . در نتیجه شبکه بلوری مارتنزیت از حالت هشت وجهی خارج شده و فازهای تعادلی در نمودار آهن کربن یعنی فریت و سمانتیت به وجود می آیند .

مارتنزیت در اثر یک دگرگونی برشی بوجود می آید . در این مکانیزم ، جهت انجام دگرگونی اتم های زیادی با هم و به طور همزمان جابجا می شوند . این جابجایی گروهی اتم ها ، کاملا متفاوت از جابجایی انفرادی آنها و حرکت در فصل مشترک ، از فاز قدیم به فاز جدید است .

بینیت

بینیت در فولادها در گستره دمایی بین پایینترین دمای تشکیل پرلیت و بالاترین دمای تشکیل مارتنزیت تشکیل می شود . بینیت همانند پرلیت  ، یک فاز نیست بلکه مخلوطی از دو فاز فریت و سمنتیت است . بنابراین دگرگونی بینیتی نیاز به تغییر ترکیب شیمیایی دارد و در نتیجه برای انجام آن نفوذ کربن لازم است . تغییر ترکیب شیمیایی که در دگرگونی بینیتی انجام می شود شامل عناصر آلیاژی جانشینی که ممکن است در فولادها وجود داشته باشد ، نمی شود . بنابراین درصد عناصر آلیاژی در فازهای فزیت و سمنتیت ثابت و برابر همان ترکیب شیمیایی اولیه آستنیت است . همچنین برخلاف پرلیت محصول حاصل از دگرگونی بینیتی شامل لایه های متناوب فریت و سمنتیت نیست  و همچنین رشد آن به صورت صفحه ای است .

شرح آزمایش :

در ابتدا یک میله فولادی را انتخام می کنیم و سه نمونه مسطح mm 15با اره دستی می ریم و سپس عملیات سوهان کاری و صیقل کاری را بر روی سه نمونه فولادی بریده شده انجام می دهیم و سپس با سنباه های نمره مختلف عمل سنباده زنی را بر روی یکی از سطوح نمونه ها انجام می دهیم.سپس سه نمونه فولادی را پس ازعلامتگذاری در کوره در دمای 900درجه سانتیگراد می گذاریم . زمان نگه داشتن قطعات بستگی به حجم قطعات دارد . سپس یکی را در آب ، یکی را در حمام روغن و آخری را در هوا سرد می کنیم . سپس قطعات را اچ ومتالوگرافی می کنیم و در نهایت سختی آنها توسط دستگاه سختی سنج اندازه گرفته می شود.

1- نمونه سرد شده در آب :

نمونه را پس از در آوردن از کوره به سرعت وارد آب میکنیم و آن را در آب حرکت می دهیم تا حباب در اطراف قطعه تشکیل نشود چون حباب های تشکیل شده باعث می شود که انتقال حرارت به سرعت انجام نگیرد پس باید قطعه را در اب حرکت داد تا حباب های تشکیل شده در اطراف قطعه ازبین بروند در این حالت دمای نمونه به سرعت تا زیر دمای تشکیل مارتنزیت افت کرده و چون فرصت کافی برای نفوذ وجود ندارد پس امکان تشکیل فازهای پرلیت و بینیت وجود ندارد و تمام قطعه مارتنزیتی میشود . سختی در این حالت 63راکول سی  بدست آمد که بیشترین عدد سختی، همین حالات می باشد.

2- نمونه سرد شده در روغن :

در این حالت نمونه پس از آستنیته شدن کامل ، سریعا از کوره خارج شده و توسط یک انبر آهنی ،نمونه در داخل حمام روغن قرار می گیرد . در این حالت آهنگ سرد شدن بیشتر از نرماله کردن می باشد  و ساختار بدست آمده در این حالت مخلوطی از پرلیت و مارتنزیت می باشد .عدد سختی در این حالی برابر با  45 راکول سی بدست آمد.

3- نمونه سرد شده در هوا :

این عملیات دقیقا همان عملیات نرماله کردن میباشد . به این صورت که ابتدا قطعه در کوره و در دمای آستنیته قرار میگیرد تا تمام قطعه آستنیتی شود و سپس قطعه را از کوره خارج میکنیم و آن را دردمای اتاق قرار میدهیم در این حالت نمونه با آهنگی بیشتر از حالت آنیل و نسبتا متوسط سرد می شود . ساختار نهایی در این حالت پرلیت ریز میباشد . سختی در این حالت از همه کمتر و برابر 17 راکول سی می باشد.

همچنین سختی نمونه شاهد توسط دستگاه سختی سنج عدد 26 راکولسی گزارش شد.

آزمایش شماره 2

عنوان آزمایش :تمپر (( Tempering

مقدمه :

سه مرحله کاملا مشخص و مجزا از یکدیگر در رابطه با تغییر میکرو ساختار مارتنزیت در ضمن بازپخت وجود دارد :

مرحله اول :

تشکیل کاربیدهای انتقالی نظیر کاربید اپسیلن ( ε ) و یا کاربید اتا ( η ) و در نتیجه کاهش درصد کربن زمینه مارتنزیتی تا حدود 25/0 درصد . گستره دمایی این مرحله 100 تا 250 درجه سانتی گراد می باشد . این کاربید های انتقالی بصورت ذرات بسیار ریز در ساختار مارتنزیت و در تمامی نقاز آن نظیر داخل صفحات مارتنزیتی و در فصل مشترک های آنها تشکیل می شود

مرحه دوم :

مرحله دوم بازپخت شامل تجزیه آستنیت باقی مانده و تبدیل آن به مخلوط فریت و سمانتیت  است . گستره دمایی این مرحله 200 تا 300 درجه سانتیگراد است .

مرحله سوم :

جایگزین شدن کاربید های انتقالی و مارتنزیت کم کربن توسط فریت و سمانتیت . در گستره دمایی 250 تا 350 درجه سانتیگراد .

در حقیقت ابتدا با تشکیل کاربید های انتقالی از درصد کربن مارتنزیت کاسته شده و بنابراین تتراگونالیتی شبکه بلوری آن کاهش میابد . به عبارت دیگر شبکه بلوری ناتعادلی bct مارتنزیت به سمت شبکه بلوری تعادلی bcc فریت متمایل می شود .و در نهایت با خروج کربن بیشتر از شبکه بلوری مارتنزیت ، صفحات فریتی جایگزین صفحات مارتنزیت در ساختار می شوند .

به علت تنش های داخلی در ضمن سریع سرد شدن ، تقریباً تمامی قطعات سخت شده نسبتاً ترد و شکننده اند . از این رو به ندرت فولاد ها پس از سریع سرد شدن و در شرایط سخت شده استفاده می شوند . معمولا فولاد پس از سرد شدن و قبل از استفاده باید بازپخت شود . بازپخت عبارت است از حرارت دادن فولاد سخت شده تا دمایی زیر دمای Ae1 ، نگه داشتن برای مدت زمان مشخص و سپس سرد کردن آهسته تا دمای اتاق . دما و زمان حرارت دادن به ترکیب شمیایی فولاد ، ابعاد قطعه ، وخواص مکانیکی مورد نظر بستگی دارد . در اثر بازپخت تنش های داخلی کاهش پیدا کرده و یا حذف می شوند و بنابراین استحکام ضربه ای افزایش می یابد . در عوض سختی و استحکام قطعه سخت شده تا حدودی کاهش خواهد یافت .

تغییرات ساختار در هنگام تمپر :

ساختار یک فولاد سریع سرد شده مارتنزیت و ناپایدار است . دلیل این ناپایداری عبارت است از:

1- وجود کربن به صورت فوق اشباع در شبکه bct

2- انرژی تنشی ناشی از وجود نابجایی ها و دوقلویی ها در ساختاربلوری صفحات مارتنزیتی

3- انرژی سطحی ناشی از فصل مشترک های بسیار زیاد بین صفحات مارتنزیتی

4- وجود آستنیت باقی مانده که حتی در فولاد های کم کربن هم اجتناب ناپذیر است

هنگامی که فولاد مارتنزیت شده به منظور تمپر شدن حرارت داده می شود هر کدام از پارامتر های فوق نقش نیرومحرکه برای تغییر ساختار در مراحل مختلف را بازی می کنند ، که عبارتند از :

1- کربن فوق اشباع در شبکه مارتنزیت نیرو محرکه جهت تولید کاربید می باشد

2- انرژی تنشی نیرومحرکه برای بازیابی می باشد

3- انرژی فصل مشترک نیرومحرکه برای رشد دانه ها و یا افزایش پیوستگی و وسعت زمینه فریتی

4- آستنیت باقی مانده نیرو محرکه برای تشکیل مخلوط فریت و سمانتیت در ضمن بازپخت می باشد

نحوه انجام آزمایش :

نمونه ای که در آب(در آزمایش قبل) سخت شده است و دارای ساختار پر تنش مارتنزیتی می باشد را در کوره که در دمای 400درجه سانتیگراد قرار داده و پس از 1 دقیقه آن را از کوره بیرون آورده و در هوا سرد می کنیم. آنگاه سختی نمونه را اندازه گیری میکنیم .

در مراحل بعد نمونه را به مدت 2 و3 دقیقه در کوره قرار می دهیم و در هر مرحله نمونه در هوا سرد شده و سختی آنها را اندازه گیری می شود و میزان سختی را در هر سه مرحله ثبت می شود.

نتیجه گیری

اثرات دمای بازپخت و درصد کربن بر روی سختی فولادهای کربنی ساده و مارتنزیتی در نمودار مشاهده می گردد . مشخص می شود که با افزایش دمای بازپخت و یا کاهش درصد کربن سختی نهایی کاهش میابد . هرچه دمای بازپخت افزایش یابد، استحکام تسلیم وکششی کاهش یافته و انعطاف پذیری زیاد می شود .

آزمایش شماره 3

عنوان آزمایش : آنیل (Anealing) 

مقدمه:  

آنیل کردن ( Annealing)

واژه آنیل دارای , مفهوم و کاربرد وسیعی است , بدین صورت که , به هر نوع عملیات حرارتی که منجر به تشکیل ساختاری بجز مارتنزیت و با سختی کم و انعطاف پذیری بالا شود اطلاق می شود .

عملیات حرارتی آنیل به یک سری فرآیندهای مشخص تر و دقیق تر تقسیم می شود . این تقسیم بندی بر اساس دمای عملیات , روش سرد کردن , ساختار و خواص نهایی بستگی دارد .

1- آنیل کامل :

آنیل کامل عبارت است از حرارت دادن فولاد و سپس سرد کردن آهسته , معمولا در کوره است . تحت شرایط فوق آهنگ سرد شدن در حدود 02/0 درجه سانتی گراد بر ثانیه است . گستره دمایی آستنیته کردن برای آنیل کامل , تابع درصد کربن فولاد است . بدین صورت که برای فولاد های هیپویوتکتوئید حدود 50 درجه سانتی گراد بالای خط A3 و برای فولادهای هایپر یوتکتوئید حدود 50 درجه سانتیگراد بالای خط A1 است . دماهای بحرانی A1 وa3 تا حدودی تحت تاثیر عناصر آلیاژی در فولادها تغییر می کند . بنابراین , به طور کلی در عملیات آنیل کامل فولاد های هیپویوتکتوئید را در ناحیه تکفازی آستنیت و فولادهای هایپریوتکتوئید را در ناحیه دوفازی آستنیت – سمانتیت حرارت می دهند .

علت آستنیته کردن فولادهای هایپر یوتکتوئید در ناحیه دوفازی استنیت – سمانتیت این است که سمنتیت پرویوتکتوئید در این فولاد به صورت کروی و مجتمع شده در آید اگز چنین فولادی تا بالای خط acm  حرارت داده شود , در ضمن آهسته سرد شدن سمنتیت پرویوتکتوئید بصورت شبکه پیوسته ای در مرزدانه های آستنیت رسوب میکند و در نتیجه منجر به ترد و شکننده شدن فولاد می شود .

در عملیات آنیل کامل , هدف از آستنیته کردن فولادهای هایپر یوتکتوئید در ناحیه دوفازی آستنیت – سمنتیت , عبارت از شکستن شبکه پیوسته کاربید یاد شده و تبدیل آن به ذرات ریز و کروی شکل مجزا از یکدیگر است . نیروی محرکه در این عملیات عبارت از کاهش انرژی فصل مشترک ناشی از کزوی شدن ذرات کاربید و در نتیجه کاهش مقدار فصل مشترک آستنیت – کاربید است .

سرد کردن آهسته که معادل سرد شدن در کوره است باعث می شود که در ضمن عبور از خطوط A1 و A3 ابتدا فریت و سپس پرلیت ار آستنیت به وجود آیند . به علت سرد شدن آهسته , فریت تشکیل شده دارای دانه های درشت و هم محور بوده و پرلیت دارای فاصله بین لایه ای نسبتا زیاد است . از جمله مشخصه های مکانیکی این میکروساختار عبارت از کاهش سختی و استحکام و افزایش انعطاف پذیری است .

2- آنیل همدما :

این عملیات , شامل حرارت دادن فولاد در دو دمای مختلف است , ابتدا عملیات آستنیته کردن که در همان گستره دمایی مربوط به آنیل کامل انجام می شود و سپس سرد کردن سریع تا دمای دگرگونی ( زیر دمای A1 ) و نگه داشتن برای مدت زمان کافی جهت انجام دگرگونی . پس از پایان دگرگونی , فولاد را با هر آهنگ دگرگونی دلخواهی می توان سرد کرد .

زمان لازم برای عملیات آنیل همدما در مقایسه با آنیل کامل به مراتب کمتر است , در حالی که سختی نهایی کمی بیشتر خواهد بود .

همانند آنیل کامل , میکرویاختار حاصل از آنیل همدما در فولادهای هیپویوتکتوئید, یوتکتوئید و هایپریوتکتوئید به ترتیب عبارت از فریت – پرلیت , پرلیت و پرلیت – سمنتیت است . ولی پرلیت حاصل نسبتا ظریفتر و درصد فریت و سمنتیت پرویوتکتوئید تا حدودی کمتر است .

از جمله موارد عمده کاربرد آنیل همدما در رابطه با فولادهای آلیاژی است که دارای سختی پذیری بالایی هستند . در صورتی که بر روی این فولاد ها عملیات حرارتی آنیل کامل انجام گیرد به علت سختی پذیری زیاد , ساختارنهایی حاصل بجای پرلیت خشن ,ممکن است پرلیت ظریف و یا حتی مخلوطی از پرلیت ظریف و بینیت بالایی باشد .

انیل همدما در ضمن مراحل ساخت قطعات فولادی نیز استفاده می شود . اگر یک شمش ریخته گری یا نورد شده از جنس فولاد آلیاژی سخت شونده در هوا را از ناحیه آستنیت تا دمای اتاق درهوا سرد کنند احتمال تشکیل ترک های سطحی بر روی آن زیاد است . این پدیده به هنگام مارتنزیت شدن مغز قطعه و در نتیجه اعمال تنش کششی بر روی سطح آن که قبلا مارتنزیت و سخت شده است اتفاق می افتد . از این رو به منظور جلوگیری از ایجاد ترک های سطحی , شمش های گرم را در کوره های آنیل هم دما در دمای 700 درجه سانتی گراد نگه داشته تا دگرگونی آستنیت به پرلیت به طور کامل انجام شود . از این پس , آهنگ سرد شدن اثر چندانی در ساختار و خواص نهایی ندارد .

نرماله کردن ( Normalizing):

نرماله کردن یکی دیگر از انواع روش های عملیات حرارتی است که ریزساختار حاصل همانند آنیل کردن شامل پرلیت ، مخلوطی از پرلیت و فریت و یا مخلوطی از پرلیت و سمانتیت ( بستگی به ترکیب شیمیایی فولاد ) است. لیکن تفاوت های مهمی بین نرماله کردن و آنیل کردن وجود دارد. در نرماله کردن ، دمای آستنیتی کردن برای فولادهای هیپویوتکتواید کمی بالاتر از گستره دمایی مربوط به آنیل کردن است ، در حالی که برای فولادهای هایپریوتکتواید از گستره دمایی حدود 50 درجه سانتی گراد بالای Acm استفاده می شود . بر خلاف آنیل کامل که فولاد در کوره سرد می شود ، در عملیات نرماله کردن ، قطعات پس از آستنیتی شدن در هوا سرد می شوند . تحت چنین شرایطی آهنگ سرد شدن در حدود 0,1 تا 1 درجه سانتی گراد بر ثانیه است. از آنجایی که در نرماله کردن فولادهای هیپویوتکتواید گستره دمایی آستنیته کردن بالاتر از گستره دمایی مربوط به آنیل است، ساختار آستنیت و همچنین توزیع عناصر آلیاژی از یکنواختی بیشتری برخوردار خواهد بود. یکی دیگر از اهداف مهم نرماله کردن عبارت است از ریز کردن دانه های درشتی که اغلب به هنگام کار گرم در دمای بالا و یا در ضمن ریخته گری و انجماد به وجود آمده اند . هنگامی که قطعه کار گرم یا ریخته گری شده با دانه های درشت در دمایی بین دمای AC1 و AC3 قرار بگیرد، دانه های جدید آستنیت جوانه زده و رشد می کنند . بنابراین درعملیات نرماله کردن فولادهای هیپویوتکتواید ، ابتدا آستنیتی با ساختار همگن و دانه های ریز به وجود می آید و سپس در اثر سرد شدن در هوا به فریت و پرلیت تبدیل می شود . از نظر خواص مکانیکی، ریزساختار حاصل از نرماله کردن می تواند در بعضی موارد به عنوان عملیات حرارتی نهایی منظور شود. در مواردی که هدف سخت کردن قطعاتی باشد که دارای دانه های درشت هستند ، نرماله کردن به عنوان عملیات حرارتی اولیه جهت ریز کردن دانه ها استفاده می شود. برای نرماله کردن فولادهای هایپر یوتکتواید از گستره دمایی بین خط Acmو حدود 50  درجه سانتی گراد بالای آن استفاده می شود . انتخاب این گستره دمایی به منظور ریز کردن دانه های آستنیت ، انحلال کاربیدهای رسوب شده و هچنین شکسته شدن شبکه پیوسته کاربیدی است. نمودار قبل شمایی از گستره های دمایی مربوط به دگرگونی آستنیت به مخلوط فریت و پرلیت را برای فولاد هیپویوتکتواید در عملیات آنیل و نرماله کردن نشان می دهد. با توجه به اینکه درنرماله کردن فریت و پرلیت در دمایی کمتر و با آهنگی بیشتر از آنیل کردن تشکیل می شوند، اندازه دانه های فریت و سمانتیت و فاصله بین لایه ای پرلیت هر دو کاهش می یابد. بنابراین درمقایسه با خواص حاصل از فرآیند آنیل ، استحکام و سختی افزایش یافته و انعطاف پذیری تا حدودی کاهش می یابد .

کروی کردن ( Spheroidizing ):

انعطاف پذیرترین و نرم ترین شرایط در هر فولاد مربوط به میکروساختاری شامل سمانتیت کروی توزیع شده به طور یکنواخت در زمینه فریتی می شود . انعطاف پذیری زیاد این ریز ساختار مستقیما مربوط به زمینه کاملا یکنواخت و پیوسته فریتی می شو د . لازم به اشاره است که در پرلیت لایه های سمانتیت باعث نا پیوستگی و تقسیم زمینه فریتی شده و در نتیجه تغییر شکل را به طور موثری کاهش می دهد . بنابراین در مقایسه با ساختار کروی ، انعطاف پذیری ساختارپرلیت کمتر و سختی آن بیشتر است . انعطاف پذیری بسیار خوب فولاد های کم کربن و کربن متوسط با سمانتیت کروی از این نظر اهمیت دارد که این فولادها اغلب توسط کار سرد شکل می گیرند . از طرف دیگر از آنجایی که ساخت قطعات از جنس فولادهای پرکربن اغلب نیاز به ماشین کاری زیاد دارند ، سختی کم ریزساختار سمانتیت کروی این فولادها اه میت قابل ملاحظه ای دارد. سمانتیت کروی پایدارترین ریز ساختار موجود در فولادهاست که با حرارت دادن فولاد در مدت زمان مناسب به دست می آید . از آنجایی که کروی کردن سمانتیت مستلزم نفوذ است ، دما وزمان عملیات باید طوری انتخاب شود که نفوذ به بهترین وجه انجام گرفته و در نتیجه در کوتاهترین مدت بیشترین درصد سمانتیت کروی شود . آهنگ کروی شدن سمانتیت بستگی به میکروساختار اولیه فولاد و همچنین نحوه عملیات حرارتی کروی کردن دارد . از نظر میکرو ساختاری، پرلیت بیشترین زمان را برای کروی شدن نیاز دارد و در بین ریز ساختارهای مختلف پرلیتی زمان لازم برای کروی شدن به ترتیب از پرلیت خشن به پرلیت متوسط و سپس پرلیت ظریف کاهش می یابد. مهم ترین روش های عملیات حرارتی کروی کردن عبارتند از :

1- حرارت دادن فولاد تا درست زیر دمای Ac1، نگهداشتن برای مدت زمان کافی جهت کروی شدن و سپس سرد کردن آن در هوا تا دمای اتاق
 2- حرارت دادن فولاد تا ناحیه دو فازی بین Ac1 وAc3  برای فولادهای هیپویوتکتواید و یا بين Ac و Acn برای فولادهای هایپریوتکتواید به منظور آستنیته کردن جزیی ، سرد کردن آهسته تا زیر دمای 1 Ar، نگهداشتن برای مدت زمان کافی جهت کروی شدن و سپس سرد کردن در هوا تا دمای اتاق.
  -3 حرارت دادن فولاد تا بالای دمای Ac1  و آستنیتی کردن جزیی ، سرد کردن تا زیر دمای  Ar1و نگهداشتن برای مدت زمانی در حدود 30 دقیقه ، گرم کردن مجدد تا بالای دمای  Ac1 و تکرار عملیات تا اینکه ریز ساختاری با سمانتیت کاملا کروی شده به دست آید .
پس از کروی شدن سمانتیت ، قطعه را تا دمای اتاق در هوا سرد می کنند.

روش آزمایش :

نمونه های موجود را در کوره ای که از قبل تا درجه حرارت های لازم برای آنیل گرم شده است به مدت زمان لازم نگهداری میکنیم و سپس نمونه ها را در کوره سرد میکنیم . تست انجام شده آنیل کامل است .  سپس سختی نمونه ها را اندازه گیری میکنیم . مشاهده می شود که در هر سه نمونه سختی زیر 10 می باشد و ساختار آنها نیز فریتی پرلیتی است .

آزمایش شماره4

عنوان آزمایش :سختی پذیری(تست جومینی)

مقدمه

در این آزمایش از یک نمونه استوانه ای به قطر 25 میلیمتر(1 اینچ) و طول 100 میلیمتر(4 اینچ) استفاده می شود. از آنجایی که ساختار اولیه فولاد اثر قابل توجهی بر روی سختی پذیری دارد، بهتر است نمونه ها قبل از آزمایش نرماله شوند. در این روش نمونه مورد نظر را تا دمای سخت کردن فولاد حرارت داده و به مدت 20 دقیقه در آن دما نگه می دارند. پس از آن به کمک یک فواره آب با فشار و دبی مشخص، نمونه را از یک انتها توسط آب 25 درجه سانتیگراد شرد می کنند. فاصله فواره از انتهای نمونه در حدود 12.5 میلیمتر(0.5 اینچ) است. تحت این شرایط ، آهنگ شرد شدن نقاط مختلف نمونه از انتهای سریع سرد شده به سمت دیگر کاهش می یابد. پس از سرد شدن، دو طرف نمونه موازی طول آن به اندازه 0.4 میلیمتر از هر طرف سنگ زده و سختی نمونه در امتداد محور طولی از یک انتها به انتهای دیگر به فواصل 1.5 میلیمتر اندازه گیری می شود. به این ترتیب منحنی تغییرات سختی بر حسب فاصله از انتهای سریع سرد شده که به نمودار جامینی موسوم است را رسم می کنند.

کاربرد نتایج حاصل از آزمایش جامینی

یکی ازکاربرد های مهم نمودار جامینی عبارت است از مقایسه سختی پذیری فولادهای تهیه شده از ذوبهای مختلفی است که برای تولید یک نوع فولاد با مارک مشخص استفاده می شود.همچنین از منحنیهای جامینی می توان برای پیش بینی و تخمین توزیع سختی در قطعات فولادی با ابعاد مختلف هنگامی که در محیطهای متفاوت شرد می شوند استفاده کرد. از جمله مشخصه های نمونه جامینی این است که هر نقطه آن دارای آهنگ سرد شدن تقریباً ثابتی است که فقط بستگی به فاصله آن نقطه از انتهای سریع سرد شده دارد. از طرفی هر نقطه در داخل یک نمونه فولادی که در یک محیط مشخص سرد شده باشد، از نظر آهنگ شرد شدن و در نتیجه سختی، معادل یک نقطه بر روی نمونه جامینی از همان جنس است.

شرح آزمایش

ابتدا نمونه استاندارد فولادی تست جومینی را تهیه نموده و در کوره با دمای 910 درجه(دمای آستنیته) قرار می دهیم و زمان کافی برای آستنیته شدن مغز نمونه فولادی به آن می دهیم. سپس به سرعت از کوره خارج شده و در محل قرار گیری نمونه تست جومینی قرار می دهیم.آب با دمای 25 درجه سانتیگراد با دبی و فشار معین از یک انتهای نمونه با آن تماس پیدا کرده و به این ترتیب سرعت سرد شدن از انتهای سرد شده به طرف دیگر کاهش می یابد و لذا باید عدد سختی نیز کاهش یابد. در این آزمایش با بدست آوردن سختی نقاط مختلف نمونه از انتهای سرد شده به کمک دستگاه سختی سنج، منحنی جامینی مربوط به این فولاد رسم می شود. داده های آزمایش به صورت زیر است:

آزمایش شماره5

عنوان آزمایش : کربن دهی

مقدمه :

کربن دهی

هنگامی که یک قطعه فولاد کم کربن حدودا 15/0 درصد در مواد کربن ده مانند زغال قرار گرفته و در دمایی بالا نظیر 925 درجه سانتی گراد حرارت داده شود کربن اتمی از ماده کربن ده آزاد شده و به داخل سطح قطعه نفوذ می کند . گرچه این عملیات نیاز به زمان دارد ولی در مدت چند ساعت سطح قطعه می تواند مقدار قابل ملاحظه ای کربن ( تا 2/1 درصد) جذب کند . به این ترتیب قطعه ای ساخته می شود که مغز آن را فولاد کم کربن و سطح آن را فولاد پر کربن تشکیل می دهد . اگر این قطعه سخت شود ، در سطح مارتنزیت پر کربن تشکیل می شود و بنابراین از سختی زیادی برخوردار خواهد بود . درصورتی که مغز آن همان 15/0کربن را داراست و دارای چقرمگی خوبی است . در چنین حالتی عمق نفوذ کربن بر حسب فاصله از سطح ، از رابطه زیر بدست می آید :

Cc − Cs / C − Cs = erf [ x / 2√Dt]

در این رابطه :

Cs : درصد کربن سطح است که توسط پتانسیل کربن محیط مشخص می شود .

C : درصد کربن اولیه فولاد قبل از کربن دادن .

Cc : درصد کربن از فاصله x از سطح .

X : فاصله از سطح .

D : ضریب نفوذ کربن در آستنیت .

t : زمان کربن دهی بر حسب ثانیه .

Erf : تابع خطا برحسب جدول تعیین می شود . 

کربن دهی به سه صورت امکان پذیر است :

1- کربن دهی پودری :

در این روش قطعات مورد نظر همراه با مواد کربن ده که اغلب از زغال چوب و یک ماده انرژی زا است را در یک جعبه فولادی که از جنس فولاد نسوز است ، به نحوی بسته بندی میکنند که فاصله بین قطعات در حدود 50 میلیمتر باشد . سپس در جعبه را به نحوی میبندند که هیچ گونه تبادل هوا با خارج نداشته باشد . این جعبه را تا دمای کربن دهی که اغلب بین 875 تا 925 درجه سانتی گراد است حرارت داده و برای مدت زمان مشخصی در این دما نگه می دارند زمان نگهداری در دمای کربن دهی بستگی به ضخامت لایه سطحی مورد نیاز دارد . با افزایش دما و یا زمان کربن دهی ضخامت لایه سطحی نیز افزایش میابد . در این روش عامل اصلی تولید کننده کربن گاز منواکسید کربن ( co ) است که کربن اتمی را به سطح قطعه حمل میکند .

2C + O2 → 2CO

سپس در سطح فولاد ، گاز منواکسید کربن تجزیه شده و تولید کربن اتمی میکند .

2CO → CO2 + C

کربن اتمی آزاد شده در سطح فولاد که تا ناحیه حرارتی آستنیت گرم شده به صورت بین نشینی در فولاد حل می شود .

معمولا قطعات فولادی را پس از کربن دهی مستقیما سریع سرد نمی کنند زیرا امکان شکسته شدن آنها در ضمن سریع سرد شدن و یا عدم دستیابی به سختی مورد نیاز زیاد است .

2- کربن دهی مایع :

کربن دهی مایع در مذاب مخلوط نمک های سیانید سدیم ، کربنات سدیم و مقادیر متنابهی از کلرید سدیم و یا کلرید باریم انجام می شود . این مخلوط غنی از سیانید را در بوته هایی با پوشش شمیایی آلمینیوم ذوب کرده و در دمایی بین 870 تا 950 درجه سانتی گراد نگه می دارند . حال قطعات مورد نظر برای کربن دهی را در سبدهای فلزی ریخته و یا توسط سیمهای فلزی به طور معلق در مذاب فوق برای مدت زمانی در حدود 5 دقیقه تا یک ساعت نگه می دارند. زمان کربن دهی بستگی به عمق نفوذ مورد نظر دارد . پس از عملیات ، سبد حاوی قطعات کربن داده شده را در آب یا روغن فرو می برند . کربن دهی مایع را معمولا برای قطعات کوچک که نیاز به ضخامت لایه سطحی کمی داشته باشند به کار می برند . از  آنجاییی که ظرفیت حرارتی نمک مذاب بالا بوده و انتقال حرارت از مایع بع قطره سریع است ، این روش نسبت به کربن دهی پودری سریعتر و اقتصادی تر است .

در رابطه با مکانیزم کربن دهی مایع، اعتقاد بر این است که سیانید سدیم در سطح حمام با اکسیژن ترکیب شده و به سیانات سدیم تبدیل می شود .

2NACN + O2 → 2NACNO

سپس سیانات حاصل در تماس با سطح فولاد بر اساس واکنش تجزیه شده ، نیتروژن و منواکسید کربن آزاد میکند

8NACNO → 4NACN + 2NA2CO3 + 2CO + 4N

همچنین منو اکسید کربن تولید شده در سطح فولاد تجزیه شده و کربن اتمی تولید می کند . 

3-کربن دهی گازی :

کربن دهی گازی که نسبت به روش های پودری و مایع از قدرت کمتری برخوردار است ، به عنوان اقتصادی ترین و سریع ترین روش کربن دهی برای تولید انبوه شناخته شده است . تحت شرایطی که ضخامت لایه سطحی کربن داده شده نسبتا کمی مورد نظر باشد ، این مزیت حائز اهمیت است . به علاوه در این روش کربن سطح را بسیار دقیق تر و ساده تر از روش های دیگر می توان کنترل کرد .

در کربن دهی گازی قطعات را در 900 درجه سانتی گراد برای مدت 3 تا 4 ساعت در محیطی که شامل گاز یا گازهایی باشد که بتواند در سطح فولاد تجزیه شده و تولید کربن اتمی کند حرارت می دهند.

شرح آزمایش :

برای ایجاد کربن اکتیو،مقدار3 تا 7 درصد کربنات کلسیم و 8 تا 12 درصد کربنات باریم را به آب جوش افزوده و دانه های زغال به ابعاد 3 تا 10 میلیمتر را به آن اضافه کرده و پس از مخلوط کردن ، بیرون آورده می گذاریم تا خشک شود . سپس  مقداری ازمخلوط حاصل را در جعبه سمانتاسیون ریخته و نمونه ای که از قبل صیقل شده است را در آن قرار می دهیم و مجدداً اطراف وروی نمونه را از ذغال پر می کنیم  و تا دهانه جعبه  را با ذغال پر می کنیم. برای اینکه نمونه برای اینکه با بیرون تبادل هوا نداشته باشد از آزبست استفاده می کنند.

صندوق را در کوره ای که از قبل به درجه حرارت 900 تا 950 درجه رسیده است ، قرار داده و به مدت دو ساعت در درجه حرارت مذکور نگهداشته ، آنگاه جعبه را تا دمای 500 درجه در کوره سرد می کنیم. این عمل برای جلوگیری از شکسته شده نمنه در ضمن سریع سرد شدن و دستیابی و سختی مورد نظر صورت می گیرد.سپس نمونه را از کوره خارج شده و درهوا سرد شده و مقطع زده و مقطع نمونه را از لحاظ میزان کربن مورد بررسی قرار می دهیم .

مشاهده می شود که کربن از سطح به سمت مرکز نمونه نفوذ کرده و میزان کربن در سطح نمونه بیشتر از مرکز آن است و این عامل باعث شده است که میزان سختی در سطح نمونه افزایش پیدا کند و میزان انعطاف پذیری در مرکز نمونه بیشتر باشد . منطقه نفوذ کربن در سطح حدود 1.5 میلیمتر اندازه گیری شده است. با مشاهده مقطع برش خورده فولاد،مشاهده می شود کربن به صورت هاله ای از سطح به طرف مرکز نمونه نفوذ کرده و یک لایه دایره ای شکل نزدیک به سطح نمونه قابل مشاهده است که کربن در آن نفوذ کرده که حتی در بعضی از موارد با چشم غیر مسلح نیز قابل تشخیص می باشد .