ریز ساختار فولاد

مقدمه
بررسی روش های مختلف عملیات حرارتی که منجر به تشکیل میکروساختارهای تعادلی می شوند،. این ساختارها که تماما شامل فریت و سمانتیت ، ولی با توزیع های متفاوت اند ، اکثرا به کمک حرارت دادن فولاد در دماهای نسبتا بالا و یا برای مدت زمان نسبتا طولانی و سپس سرد کردن آهسته تا دمای اتاق به دست می آید . در فولادهای آلیاژی ، علاوه برفریت و سمانتیت ، کاربیدهای آلیاژی نیز وجود دارند . بنابراین علاوه بر ترکیب شیمیایی و ساختار اولیه ، دما و زمان حرارت دادن از جمله پارامترهای کنترل کننده میکروساختار و خواص مکانیکی نهایی اند . از جمله خواص مورد نظر در این عملیات عبارتند از : بهبود انعطاف پذیری، کاهش تنش های داخلی و باقیمانده از عملیات قبلی ، بهبود قابلیت ماشین کاری و ایجاد یکنواختی در میکروساختار .
 همگن کردن ( Homogenising ):
از جمله مشخصه های فولاد های ریخته گری شده ، ساختار شاخه ای ( Dendritic Structure)،  جدایش موضعی ( Segrigation )  و نایکنواختی در ترکیب شیمیایی (Coring)  است . پدیده های  مزبور که ناشی از ناتعادلی سرد شدن در ضمن انجماد و عدم نفوذ کامل عناصر آلیاژی است، باعث افت خواص مکانیکی فولاد ، از جمله قابلیت کار گرم و یا سرد و همچنین کاهش کیفیت وکارایی عملیات حرارتی مختلف می شوند . از این رو، ساختار و ترکیب شیمیایی فولادهای ریخته گری شده باید به کمک عملیات حرارتی مناسب یکنواخت شود . برای این منظور، قطعات مورد نظر را در دمای نسبتا بالا ( مطابق شکل ) برای مدت زمان نسبتا طولانی حرارت داده و سپس به آهستگی تا دمای اتاق سرد می کنند . ( زمان حرارت دادن بستگی به ابعاد و ترکیب شیمیایی قطعه دارد ).  این عملیات به همگن کردن و یا آنیل نفوذی ( Diffusion Annealing ) موسوم است. از آنجایی که دمای انتخاب شده نسبتا بالاست ، نفوذ سریع بوده و بنابراین پس از پایان عملیات، نایکنواختی ریزساختار و ترکیب شیمیایی از بین می رود . به علاوه فازهای ثانویه نظیر کاربیدهای رسوب شده به هنگام انجماد ، در آستنیت حل شده و به صورت محلول در می آیند. همچنان که از نمودار مشخص است ، گستره دمایی همگن کردن و کار گرم بر یکدیگر منطبقند .
 
آنیل کردن ( Annealing):
واژه آنیل دارای معنی ، مفهوم و کاربرد وسیعی است ، بدین صورت که ، به هر نو ع عملیات حرارتی که منجر به تشکیل ساختاری به جز مارتنزیت و با سختی کم و انعطاف پذیری زیاد شود، اطلاق می گردد . از آنجایی که این مفهوم بسیار کلی است ، عملیات حرارتی آنیل به یک سری فرآیندهای مشخص ترو دقیق تر تقسیم می شود . این تقسیم بندی بر اساس دمای عملیات، روش سرد کردن ، ساختار و خواص نهایی است .
:( Full Annealing ) آنیل کامل
آنیل کامل عبارت است از حرارت دادن فولاد در گستره دمایی نشان داده شده در نمودار قبل وسپس سرد کردن آهسته ، معمولا در کوره. تحت شرایط فوق آهنگ سرد شدن در حدود ۰,۰۲ درجه سانتی گراد بر ثانیه است . همچنان که از شکل مشخص است ، گستره دمایی آستنیته کردن برای آنیل کامل ، تابع درصد کربن فولاد است . بدین صورت که ، برای فولادهای هیپو یوتکتواید ، حدود ۵۰ درجه سانتی گراد بالای خط Ac3 و برای فولادهای های هایپر یوتکتواید حدود ۵۰ درجه سانتی گراد بالا ی خط Ac1است. دماهای بحرانی Ac1 و Ac3  تا حدودی تحت  تاثیر عناصر آلیاژی در فولادها تغییر می کند. بنابراین به طور کلی در عملیات آنیل کامل، فولادهای هیپو یوتکتواید را در ناحیه تک فازی آستنیت و فولادهای هایپر یوتکتیک را در ناحیه دو فازی آستنیت – سمانتیت حرارت می دهند. علت آستنیتی کردن فولادهای هایپر یوتکتواید در ناحیه دو فازی آستنیت – سمانتیت این است که سمانتیت پرویوتکتواید در این فولادها به صورت کروی و مجتمع شده در می آیند . اگر چنین  فولادی تا بالای خط Acm حرارت داده شود ، در ضمن آهسته سرد شدن سمانتیت پرویوتکتواید به صورت شبکه پیوسته ای در مرزدانه های آستنیت رسوب می کند و در نتیجه منجر به ترد و شکننده شدن فولاد می گردد . در عملیات آنیل کامل ، نه تنها دمای آستنیتی کردن ، بلکه آهنگ سرد کردن نیز دارای اهمیت ویژه ای است . سرد کردن آهسته که معادل سرد شدن در کوره است باعث می شود که در ضمن عبور از خطوط Ac1 و Ac3  ابتدا فریت و سپس پرلیت از 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 ( پرلیت خشن یا درشت ) است . از جمله مشخصه های مکانیکی این میکروساختار عبارت است از : کاهش سختی و استحکام و افزایش انعطاف پذیری . اگر واژه آنیل بدون پسوند استفاده شود ، منظور همان آنیل کامل است .
آنیل همدما :
این عملیات شامل حرارت دادن فولاد در دو دمای مختلف است . ابتدا عملیات آستنیتی کردن در همان گستره دمایی مربوط به آنیل کامل      انجام می شود و سپس سرد کردن سریع تا دمای ( زیر خط AC1 ) و نگهداشتن برای مدت زمان کافی جهت انجام دگرگونی . پس از   پایان دگرگونی ، فولاد را با هر آهنگ سرد شدن دلخواهی می توان سرد کرد . در نمودار  شمایی از مراحل گرم و سرد شدن را در عملیات آنیل همدما برای یک فولاد هیپو یوتکتواید نشان داده شده است . زمان لازم برای آنیل همدما در مقایسه با آنیل کامل به مراتب کمتر است، در حالیکه سختی نهایی کمی بیشتر خواهد بود . همانند آنیل کامل ، ریزساختار حاصل از آنیل همدما در فولاده ای هیپویوتکتواید ، یوتکتواید و هایپریوتکتواید به ترتیب عبارت است از فریت –پرلیت ، پرلیت و پرلیت – سمانتیت . ولی پرلیت حاصل نسبتا ظریف تر و درصد فریت و سمانتیت پرویوتکتواید تا حدودی کمتر است .
از جمله موارد عمده کاربرد آنیل همدما در رابطه با فولادهای آلیاژی ای است که دارای سختی  پذیری ( Hardenability) بالایی هستند . در صورتی که بر روی این فولادها عملیات حرارتی آنیل  کامل انجام شود ، به علت سختی پذیری بالا ساختار نهایی حاصل ، به جای پرلیت خشن، ممکن است پرلیت ظریف و یا حتی مخلوطی از پرلیت ظریف و باینیت بالایی باشد. آنیل 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  ( Air Hardening Steel ) را از ناحیه آستنیت تا دمای اتاق در هوا سرد کنند ، احتمال تشکیل ترک های سطحی بر روی آن زیاد است . این پدیده به هنگان مارتنزیت شدن مغز قطعه و در نتیجه اعمال تنش کششی ( ناشی از انبساط ) 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 همدما در دمای ۷۰۰ درجه سانتی گراد نگه داشته تا دگرگونی آستنیت به پرلیت به طور کامل انجام شود. از این پس ، آهنگ سرد شدن اثر چندانی بر ساختار و خواص نهایی ندارد . با این حال پس از پایان دگرگونی ، قطعات معمولا در هوا سرد می شوند.
  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 ۵۰ 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 ۰,۱ تا ۱ 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 ۵۰  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 :
۱- 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 بین Ac و Acn برای فولادهای هایپریوتکتواید به منظور آستنیته کردن جزیی ، سرد کردن آهسته تا زیر دمای ۱ 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  Ar1 و نگهداشتن برای مدت زمانی در حدود ۳۰ 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 .

: بازیابی (Recovery)  و تبلور مجدد ( Recristallization)

انجام کار سرد بر روی فولادها ( تقریبا تمامی فلزات و آلیاژها ) باعث افزایش استحکام و سختی و  کاهش انعطاف پذیری و یا شکل پذیری آنها م شود . این پدیده که به کارسختی  (Work Hardening ) موسوم است ناشی از افزایش پیوسته معایب بلوری در اثر ادامه انجام کار سرد است . در اثر کار سرد ، انرژی داخلی فلز افزایش یافته و بنابراین از نظر ترمودینامیکی ناپایدار خواهد شد . حرارت دادن چنین قطعه ای ب اعث از بین رفتن معایب بلوری موجود و بازیابی رزساختار و خواص فیزیکی و مکانیکی اولیه می شود . این پدیده تحت عنوان بازیابی و تبلور مجدد بررسی و مطالعه شده است .
بازیابی :
در ضمن عملیات حرارتی بازیابی تغییرات عمده ای که در ساختار بلوری فلز به وجود می آید، عبارت است از کاهش و یا از بین رفتن معایب بلوری که از قدرت تحرک زیادی برخوردارند . در این عملیات ، معایب نقطه ای نظیر جاهای خالی و اتم های اضافی یکدیگر را خنثی می کنند. نابجایی های پیچی چپگرد و راستگرد و نابجاییهای لبه ای مثبت و منفی به ترتیب در یکدیگر ادغام شده و حذف می گردند . در نتیجه انرژی داخلی کاهش می یابد . ادامه عملیات حرارتی بازیابی همراه با لغزش و صعود نابجایی های باقیمانده و ردیف قرار گرفتن آنها است . به این ترتیب ، مرزهی فرعی تشکیل می شود . تشکیل مرزهای فرعی که به چند وجهی شدن موسوم است عملی خود به خود می باشد ، زیرا انرژی آزاد داخلی میکروساختار با دانه های فرعی در مقایسه با قطعه کار سرد شده به مراتب کمتر است . در عملیات بازیابی خواص فیزیکی تقریبا به طور کامل بازیابی شده و تا حدودی به خواص فیزیکی قطعه قبل از کار سرد بر می گردد . در حالی که
تغییرات خ واص مکانیکی چندان محسوس نیست . در حقیقت ، عملیات حرارتی تبلور مجدد است که باعث بازیابی خواص مکانیکی قطعه کار سرد شده می شود . تغیراتی که در ساختار بلوری در ضمن عملیات بازیابی به وجود می آید را نمی توان به کمک میکروسکوپ نوری مطالعه کرد و نیا ز به میکروسکوپ الکترونی دارد.
تبلور مجدد :
از جمله اثرات کار سرد عبارت است از تغییر شکل دانه ها در جهت اعمال نیرو و ایجاد تنش های داخلی. در عملیات حرارتی تبلور مجدد دانه های جدید هم محور و عاری از تنش در فلز کار سرد شده به وجود می آید . در ضمن این عملیات ، تغییراتی که د ر اثر انجام کار سرد در خواص فیزیکی و مکانیکی به وجود آمده از بین می رود و قطعه به حالت قبل از کار سرد برمی گردد . در حقیقت ، تبلور مجدد ادامه عملیات حرارتی بازیابی است و دانه های جدید عاری از تنش می توانند از دانه های فرعی حاصل از عملیات بازیابی به وجود آی ند . اساسا فرآیند تبلور مجدد شامل جوانه زنی و رشد بوده که نروی محرکه برای این عملیات ، ناشی از کاهش انرژی آزاد حجمی در اثر کاهش چگالی نابجای هاست . از آنجایی که عملیات حرارتی تبلور مجدد فولادها در ناحیه دو فازی فریت -سمانتیت انجام می شود ، تغییرات ساختار هم راه با تغییر فاز نخواهد بود . به طور کلی ریزساختار فولادهای کم کربن و کربن متوسط قبل از کار سرد شامل سمانتیت کروی و یا عمدتا فریت با مقدار کمی پرلیت است ، که هر دو از انعطاف پذیری خوبی برخوردارند . فریت موجود در این ساختار عاری از تنش بوده و دارای دانه های هم محور است . کار سرد، دانه هی فریت را در جهت انجام کار مکانیکی تغییر شکل داده و معایب بلوری را در آن افزایش می دهد .

:  تنش گیری ( Stress Relieving ):

برخی از فرآیندهای عملیات حرارتی و یا مکانیکی در قطعات ایجاد تنش های داخلی می کند که می تواند مخرب بوده و بر عملکرد این قطعات تاثیر نامطلوب گذارد . تنش های داخلی حاصل، مکن است منجر به تاب برداشتن ، ترک خوردن و یا انحدام قطعات در تنش هایی به مراتب کمتر از سطح تنش طراحی شده برای آنها شود. از جمله منابع تنش های داخلی عبارتند از :
۱- نا یکنواخت سرد شدن نقاط مختلف یک قطعه در ضمن کاهش دما از ناحیه آستنیت .
۲-  ماشین کاری و کار سرد در فولادها .
۳-  جوشکاری که ممکن است باعث ایجاد تنش های کششی در قطعه شود .
برای حذف یا کاهش تنش های باقیمانده از عملیات قبلی ، قطعات مورد نظر را برای زمان  مشخصی در دمایی زیر دمای بحرانی حرارت می دهند. زمان حرارت دهی بستگی به ابعاد قطعه و دمای تنش گیری دارد. هرچه دمای تنش گیری بالاتر انتخاب شود،  زمان لازم برای انجام عامل عملیات کمتر است. به منظور جلوگیری از ایجاد تنش های حرارتی جدید و همچنین احتمال شکستن قطعه در ضمن عملیات حرارتی تنش گیری، معمولا حرارت دادن و یا سرد کردن از دمای تنش گیری باید خیلی آهسته انجام شود . این موضوع به ویژه در رابطه با قطعات حجیم و تجهیزات بزرگ جوشکاری شده صادق است.
هنگام آنیل معمولا آلیاژ نرم تر می شود. در این نمونه ها درصد کربن بین ۰,۲ تا ۰,۳ است. این درصد کربن به قسمت فریتی پرلیتی تعلق دارد . اگر دمایی که نمونه به آن برده می شو د زیر Ac1 باشد تنها تنش زدایی انجام می شود و تغییر فاز، تغییر اندازه دانه و تبلور مجدد رخ نخواهد داد . برای انجام تبلور مجدد حتما باید درصدی کار سرد انجام شده باشد. نمونه A دارای دو فاز می باشد . قسمت های تیره رنگ پرلیت و قسمت های روشن رنگ فریت هستند. با افزایش دما تا ۶۵۰ درجه سانتی گراد (دمای زیر Ac1 )  و نگهداری ۱۵ دقیقه ای در این دما، نمونه تنش زدایی می شود. که این حالت در نمونه B دیده می شود.  مقداری درصد  ز تیره رنگ پرلیت کمتر شده است که علت آن دکربوره شدن نمونه است .
  اگر نمونه اولیه را به دمای ۸۵۰ درجه ببریم ، چون این دما بالاتر ازAc1 است  دانه ها درشت خواهند شد.  در نمونه C از آنجا که نمونه اولیه دارای دانه های نسبتا ریزی بوده است ، افزایش اندازه دانه ها چشمگیر نیست .
در نمونه D نیزهمانند نمونه C  افزایش اندازه دانه ها چشمگیر نیست . اما به د لیل اینکه کوره  مورد استفاده اتمسفری و رو باز بوده است، مقداری دکربوره شده است .
 در نمونه  E درشتی دانه ها بیشتر شده است  و علت آن زمان بیشتری است که نمونه در کوره نگه  داشته شده است. زیرا با توجه به پارامتر دما – زمان ، چون در بین نمونه های C، D و E د مای  نگهداری یکسان بوده است ، در این بین زمان بر روی اندازه دانه ها تاثیر گذار بوده است و نمونه E که زمان بیشتری را در کوره گذرانده است ، دارای اندازه بزرگتری شده است .
در نمونه  F  ابتدا در کوره به دمای ۹۵۰ درجه سانتی گراد برده شده است  که در این دما آستنیتی ا ست و سپس با انداختن نمونه در آب ، عمل تبدیل به مارتنزیت انجام شده است . قسمت های تیره رنگ این نمونه به دلیل تنش های ناشی از انداختن نمونه در آب است .
 در نمونه G  چون به نمونه اجازه داده شده است آرام و در هوا سرد شود ، مارتنزیت تشکیل نشده است. در نمونه H  زرگترین اندازه دانه ها دیده می شود . در این نمونه فاز روشن فریت بسیار  یشتر از فاز تیره رنگ پرلیت است. علت این امر بالا بودن دمای کوره و خارج شدن کربن نمونه به صورت اکسید از نمونه است . به همین دلیل پرلیت نمونه کمتر شده است . در سطح دانه های فریت لکه های سیاه رنگی دیده می شود که علت وجود آنها زمان زیاد اچ کردن نمونه ها است