سختی پذیری
سختی پذیری (Hardenability) برای توضیح سهولت تشکیل مارتنزیت و هم چنین ارتباط بین ابعاد قطعه، آهنگ سرد شدن و ترکیب شیمیایی فولادها به کار می رود. در صورتی که آهنگ سرد شدن یک فولاد از ناحیه آستنیت بیشتر از آهنگ سرد شدن بحرانی باشد، سختی حاصل عمدتا بستگی به درصد کربن فولاد دارد. آهنگ سرد شدن بحرانی (Critical Cooling Rate) یا CCR حداقل سرعت سرد شدن است که از تشکیل پرلیت و بینیت جلوگیری می کند. اگر آهنگ سرد شدن کمتر از آهنگ سرد شدن بحرانی باشد، درصد مارتنزیت حاصل کاهش یافته و بنابراین سختی فولاد نیز کاهش می‌یابد. در اینجا منظور از کربن فولاد، مقدار کربنی است که در آستنیت به صورت محلول جامد باشد. به بیان دیگر، آن مقدار کربنی که پس از آستنیته شدن فولاد به صورت کاربید باقی می ماند، در دگرگونی تشکیل مارتنزیت شرکت نداشته و بنابراین اثری بر روی سختی مارتنزیت ندارد. ارتباط بین سختی، درصد کربن و درصد مارتنزیت در شکل زیر نشان داده شده است.
سختی پذیری عبارت از توانایی یا قابلیت تشکیل مارتنزیت (و سخت شدن فولاد) در اثر سریع سرد شدن از ناحیه آستنیت است. سختی پذیری توسط ضخامت پوسته سخت شده مشخص می شود. ضخامت پوسته سخت شده عبارت است از فاصله سطح تا محلی در داخل نمونه که دارای 50 درصد مارتنزیت باشد. 50 درصد بقیه ساختار را معمولا بینیت در نظر می گیرند. بنابراین هر چه سختی پذیری یک فولاد بیشتر باشد ضخامت پوسته سخت شده و یا به عبارت دیگر ضخامت پوسته‌ای که در اثر سریع سرد شدن بیشتر از 50 درصد ساختار آن مارتنزیت شود بیشتر خواهد بود.
توزیع سختی در یک قطعه
برای مطالعه تغییرات سختی و پارامتر های مؤثر بر آن در یک قطعه سریع سرد شده نتایج حاصل از آزمایش هایی در این رابطه بررسی می‌شود. در شکل های زیر تغییرات سختی از سطح به مرکز برای یک سری میله های فولادی به قطر های مختلف و از جنس فولاد کربنی ساده1045 SAE با ترکیب شیمیایی زیر:
0.48%C , 0.6% Mn , 0.022% P , 0.014% S , 0.17% Si
که به ترتیب در آب و روغن سریع سرد شده باشند نشان داده شده است.
| الف) توزیع سختی در میله هایی با قطر های متفاوت و از جنس فولاد 1045 SAE که در آب سریع سرد شده اند | ب) توزیع سختی در میله هایی با قطر های متفاوت و از جنس فولاد 1045 SAE که در روغن سریع سرد شده اند |
در حقیقت این دو شکل اثرات قطر یا ضخامت قطعه و شدت سردکنندگی محیط بر روی توزیع سختی در فولادهای کربنی ساده را نشان می دهند. ملاحظه می شود که بدون توجه به محیط سرد کننده حداکثر سختی در هر نمونه مربوط به سطح آن می شود. به بیان دیگر در تمامی نمونه ها سختی از سطح به طرف مرکز کاهش می یابد. دلیل اینکه چرا سطح یک فولاد سریع سرد شده سخت تر از مرکز آن است را می توان به کمک نمودار CCT توضیح داد. شکل زیر منحنی های سرد شدن سطح و مرکز میله ای به قطر 25 میلیمتر که در روغن سریع سرد شده است را نشان می دهد. از آنجایی که آهنگ سرد شدن سطح به طور قابل ملاحظه‌ای بیشتر از آهنگ سرد شدن مرکز است، منحنی سرد شدن سطح نمونه از سمت چپ منحنی سرد شدن بحرانی گذشته و در نتیجه در سطح فقط مارتنزیت تشکیل می شود. از طرف دیگر در مرکز نمونه که آهنگ سرد شدن کمتر است (منحنی سرد شدن آن سمت راست منحنی سرد شدن بحرانی قرار گرفته) علاوه بر مارتنزیت، مقداری بینیت نیز تشکیل شده که در نتیجه، سختی کاهش می یابد.
از شکل های الف و ب مشخص است که با افزایش قطر یا ضخامت، سختی تمام نقاط از جمله سطح و مرکز نمونه ها کاهش می یابد. در حقیقت با افزایش ابعاد قطعه، آهنگ سرد شدن کاهش می یابد و در نتیجه در مرکز آن پرلیت و فریت تشکیل شده که منجر به کاهش بیشتر سختی مرکز می شود. از آنجایی که با افزایش ابعاد، منحنی سرد شدن سطح نیز به سمت راست منتقل می شود سختی سطح نیز کاهش می یابد.
پارامتر های دیگری که بر روی توزیع سختی در یک نمونه فولادی اثر دارد و از شکل های الف و ب نیز مشخص است، شدت سردکنندگی محیط است. از آنجایی که روغن نسبت به آب، محیط سرد کننده ملایم تری است، آهنگ سرد شدن میله های مختلف در روغن به مراتب کمتر از آهنگ سرد شدن میله های مشابه در آب است. بنابراین، سختی نقاط مختلف نمونه هایی که در روغن سریع سرد می شوند، همواره کمتر از سختی نقاط مشابه در نمونه های مشابهی است که در آب سریع سرد شده باشند. حتی سختی سطح نمونه‌ای به قطر 12.7 میلیمتر (0.5 اینچ) که در روغن سریع سرد شده باشد از سختی مورد انتظار از یک ساختار کاملا مارتنزیتی با 0.48 درصد کربن کمتر است. بنابراین به نظر می رسد که با سریع سرد کردن نمونه های فولادی SAE 1045 در روغن امکان متوقف کردن دگرگونی نفوذی (تشکیل پرلیت و بینیت) وجود ندارد.
|
ج) توزیع سختی در میله های فولادی 6140 SAE با قطر های مختلف که در آب سریع سرد شده باشند |
د) توزیع سختی در میله های فولادی 6140 SAE با قطر های مختلف که در روغن سریع سرد شده باشند |
از جمله پارامتر های دیگر که بر روی توزیع سختی در قطعات فولادی مؤثر است، عناصر آلیاژی و مقدار کمی آنها در فولادهاست. به طور کلی، عناصر آلیاژی به جز کبالت اگر به صورت محلول در آستنیت باشند سختی نقاط مختلف نمونه سریع سرد شده را افزایش می دهند. در رابطه با کبالت گفته می شود که این عنصر انرژی فصل مشترک بین فریت - سمنتیت را کاهش داده و در نتیجه نیروی محرکه لازم برای تشکیل پرلیت از آستنیت را کاهش می دهد. شکل های فوق توزیع سختی در نمونه های استوانه‌ای فولاد آلیاژی 6140 SAE با ترکیب شیمیایی
0.42%C , 0.023% S , 0.027% P , 0.73% Mn , 0.17%V , 0.94% Cr
که به ترتیب در آب و روغن سریع سرد شده باشند را نشان می دهند. از مقایسه شکل های ج و د شده با شکل های الف و ب نتیجه می شود که سختی نقاط مختلف نمونه های فولاد آلیاژی 6140 SAE همواره بیشتر از سختی نقاط مشابه نمونه هایی از فولاد کربنی ساده 1045 SAE که در شرایط یکسان سریع سرد شده باشند. نقش عناصر آلیاژی به تأخیر انداختن نفوذ و در نتیجه افزایش مدت زمان لازم برای تجزیه آستنیت به مخلوط فریت و سمنتیت و بنابراین فراهم کردن امکان تشکیل مارتنزیت در آهنگ‌های سرد شدن کمتر است. در واقع حضور این عناصر نمودار TTT را به سمت راست جابه‌جا می کند.
منابع و پیوندها
گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن
گلعذار. م، اصول و کاربرد عملیات حرارتی فولادها و چدن ها، اتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان.
برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است
