فایل word مقاله میکروساختار

    —         —    

ارتباط با ما     —     لیست پایان‌نامه‌ها

... دانلود ...

بخشی از متن فایل word مقاله میکروساختار :

میکروساختار

میکروساختار مارتنزیتی سخت ترین میکروساختاری است که می تواند در یک فولاد کربنی ساده به وجود آید. تشکیل میکروساختار مارتنزیتی در صورتی امکان پذیر است که از دگرگونی آستنیت به مخلوط فریت و سمنتیت در دماهای بالا جلوگیری شود. در این فصل ابتدا رابطه سختی و استحکام مارتنزیت با درصد کربن بحث شده و سپس پارامترهایی که امکان حصوص سختی و استحکام فوق را در یک قطعه فولادی تعیین می کنند بررسی خواهد شد. اصطلاح سختی پذیری برای توضیح سهولت تشکیل مارتنزیت و همچنین ارتباط بین ابعاد قطعه, آهنگ سرد شدن و ترکیب شیمیایی فولادها به کار می رود. در این فصل, با تأکید بر روی اصول کلاسیک سختی پذیری که توسط گراسمن, بین و جامینی بسط داده شده است, کاربرد عملی نتایج حاصل و همچنین تحقیقات دیگری که اخیراً در رابطه با فن آوری سختی پذیری انجام شده بررسی خواهد شد.

سختی و درصد کربن
از جمله مهمترین اهداف تشکیل مارتنزیت در فولادها عبارت از سختی زیاد, استحکام بالا و مقاومت در برابر خستگی و سایش است. حداکثر سختی در یک فولاد کربنی ساده مربوط به میکروساختار صددرصد مارتنزیتی می شود. شکل 6-1 نشان می ده که برای هر درصد کربن, سختی ساختار مارتنزیتی به مراتب بیشتر از سختی ساختارهای فریت-پرلیت و یا سمنتیت کروی-فریت است. به منظور بهبود خواص مکانیکی, تقریباً در تمامی موارد, فرایند سخت کردن (تشکیل مارتنزیت) همراه با بازپخت است بستگی به دما و زمان بازپخت, سختی فولادهای سریع سرد شده و بازپخت شده از حداکثر سختی مربوط به مارتنزیت تا حداقل سختی مربوط به سمنتیت کروی تغییر می کند. عملیات حرارتی جهت تشکیل مارتنزیت معمولاً بر روی فولادهایی انجام می شود که حداقل 3/0 درصد کربن داشته باشند.

از آنجایی که سختی مارتنزیت حاصل از سریع سرد کردن فولادهای کربنی ساده با کمتر از 3/0 درصد کربن نسبتاً پایین است (شکل 6-1), اصطلاحاً گفته می شود که این فولادها آب نمی گیرند. در رابطه با شکل 6-1 تذکر این نکته ضروری است که در مقیاس راکول سی, سختی کمتر از 20 راکول سی فاقد اعتبار است و در این شکل تنها جهت مقایسه آمده است. د شکل 6-1 ناحیه هاشور زده شده اثر آستنیت باقیمانده را بر روی سختی مارتنزیت مشخص می کند. از آنجایی که با افزایش درصد کربن دمای Mr کاهش می یابد (شکل 3-6) میزان آستنیت باقیمانده در دمای اتاق نیز با افزایش درصد کربن افزایش می یابد (شکل 3-7). در حالی که حتی در فولادهای کم کربن (در حدود 3/0 درصد کربن) مقدار کمی آستنیت باقیمانده در دمای اتاق وجود دارد (شکل 3-7). اثر قابل توجه این فاز بر روی سختی فولادهای مارتنزیت شده در درصدهای زیاد کربن (بیشتر از 7/0 درصد کربن) به خوبی مشهود است (شکل 6-1).

شکل 6-1: اثر کربن بر روی سختی فولاد با ساختارهای مارتنزیتی, پرلیتی و سمنتیت کروی. اثر استنیت باقیمانده بر روی سختی مارتنزیت توسط ناحیه هاشور زده مشخص شده است.

شکل 6-2 اثر کبن و محیط سرد کننده بر روی منحنی مارتنزیت در فولادهای کربنی ساده
به منظور کاهش آستنیت باقیمانده و در نتیجه افزایش سختی, نمونه های فولادی را می توان به جای سرد کردن در آب در محیطهایی بی نظیر نیتروژن مایع (196-درجه سانتیگراد) و یا هلیوم مایع (269-درجه سانتیگراد) سریع سرد کرد. شکل 6-2 اثرات دمای محیط سردکننده را بر روی سختی فولاد کربنی ساده نشان می دهد. منحنی پیوسته که بر اساس سختی نمونه هایی که تا دمای اتاق سریع سرد شده اند رسم شده پایینتر از منحنی منقطع است که بر اساس سختی حاصل از نمونه هایی است که در نیتروژن مایع سرد شده اند. نقاطی که توسط علامت ضربدر مشخص شده اند از آزمایش هایی استنتاج شده اند که نمونه های آنها در هلیوم مایع سریع سرد شده است. اثرات سریع سرد کردن فولاد تا زیر دمای اتاق عمدتاً در رابطه با فولادهایی مؤثر است که بیشتر از 4/0 درصد کربن داشته باشند. این موضوع به خاطر مقدار زیاد و قابل توجه آستنیت باقیمانده است که در دمای اتاق در این فولادها وجود دارد (شکل 3-7).

از جمله پارامترهای دیگر که بر روی سختی مارتنزیت اثر می گذارد پدیده پیرشدن یا گذشت زمان است. شکل 6-3 نشان می دهد که پیرشدن مارتنزیت در دمای اتاق باعث افزایش سختی فولادهای Fe-Ni-C می شود. نتایج تحقیقات مشابه بر روی فولادهای کربنی ساده نشان می دهد که تغییرات مشابهی در سختی مارتنزیت این نوع فولادها نیز مشاهده شده است. بنابراین اگر توجهی به فاصله زمانی بین سریع سرد شدن قطعه و اندازه گیری سختی نشود تغییرات پراکنده ای در نتایج حاصل دیده خواهد شد.

شکل 6-3: سختی مارتنزیت در آلیاژ Fe-Ni-C . تمام سختی ها در 195- درجه سانتیگراد (320- فارنهایت) و *** از 3 ساعت پیرشدن مارتنزیت در دمای نشان داده شده بر روی محور افقی اندازه گیری شده اند.
اندازه دانه های آستنیت اولیه, پارامتر دیگری است که بر روی سختی مارتنزیت اثر می گذارد. از آنجایی که مرز دانه های آستنیت می تواند به عنوان یکی از موانع مؤثر در برابر پیشرفت و رشد صفحات مارتنزیتی عمل کند, هرچه دانه های آستنیت اولیه ریزتر باشد, چگالی صفحات مارتنزیتی در واحد حجم بیشتر بوده و بنابراین سختی مارتنزیت نیز افزایش می یابد.
6-3 استحکام مارتنزیت
در رابطه با نظریه تشکیل مارتنزیت به این نکته اشاره شد که در اثر سریع سرد شدن فولاد از ناحیه آستنیت, اتمهای کربن در حفره های هشت وجهی شبکه fcc محبوس شده و از تبدیل آن به شبکه تعادلی bcc در دمای اتاق جلوگیری می کند. این موضوع باعث جابه جا شدن اتمهای آهن از محلهای استقرار اولیه خود و به وجود آمدن شبکه بلوری bct می شود.
شکل 6-4 جابه جایی اتمهای آهن در اثر قرار گرفتن اتمهای کربن در شبکه bct مارتنزیت را نشان می دهد. در حقیقت یکی از عوامل عمده افزایش سختی و استحکام مارتنزیت همین اختلالات شبکه بلوری است که در نتیجه آن حرکت نابه جاییها بسیار مشکل می شود.

علاوه بر کربن, ساختار فرعی مارتنزیت نیز در افزایش استحکام نقش مهمی را بازی می کند. دگرگونی مارتنزیتی از این نظر منحصر به فرد است که انجام آن همراه با به وجود آمدن چگالی بالایی از معایب خطی نظیر نابه جاییها و / یا دوقلوهای ریز و ظریف در میکروساختار فولاد است. سهم ساختار فرعی مزبور در افزایش استحکام مارتنزیت تقریباً ثابت بوده و مستقل از درصد کربن فولاد است. بجز در مقادیر کم کربن, اثر ساختار فرعی به مراتب کمتر از اثر کربنی که به صورت محلول در شبکه بلوری مارتنزیت وجود دارد, است. بنابراین, استحکام مارتنزیت عمدتاً ناشی از دو پارامتر است: یکی کربن موجود در شبکه بلوری که به صورت جامد فوق اشباع باشد و دیگری ساختار فرعی که در حقیقت همان چگالی بالایی از نابه جاییها و دوقلوهاست. نتایج حاصل از مطالعات انجام شده بر روی فولادهای Fe-Ni-C (با دمای MS زیر صفر درجه سانتیگراد) نشان داده است که در این فولادها استحکام تسلیم مارتنزیت با 2/0 درصد انحراف را می توان با تقریب خوبی از معادله زیر به دست آورد:
معادله (6-1)

شکل 6-4: جابه جایی اتمهای آهن در اثر محبوس شدن اتمهای کربن در شبکه مارتنزیت.
در این معادله جمله دوم اثر درصد کربن محلول را بر روی استحکام مارتنزیت نشان داده و مشخص می کند که استحکام مارتنزیت با ریشه دوم درصد وزنی کربن محلول ارتباط مستقیم دارد. به بیان دیگر با افزایش درصد کربن, استحکام مارتنزیت ابتدا سریع و سپس به طور تدریجی و آهسته افزایش می یابد (افزایش استحکام مارتنزیت بر حسب درصد کربن به صورت سهمی است). جمله اول این معادله, افزایش استحکام مارتنزیت ناشی از مجموعه ای ا اثرات پارامترهای زیر است: وجود 20 درصد نیکل به صورت محلول جامد (MPa 138 یا psi 20000), تنش اصطکاکی یا تنش لازم برای به حرکت درآوردن نابه جاییها در آن خالص bcc(MPa 69 یا psi 10000) و بالاخره اثر ساختار فرعی مارتنزیت (MPa 255 یا psi 37000). این معادله برای مارتنزیت پیر نشده است. لازم به اشاره است که از آنجایی که دمای MS برای آلیاژهای Fe-Ni-C زیر دمای اتاق است, امکان بررسی فوق وجود دارد.

از آنجایی که دمای MS مربوط به فولادهای کربنی ساده مخصوصاً فولادهای کم کربن نسبتاً بالاست (شکل 3-6), در ضمن سریع سرد شدن و قبل از رسیدن به دمای اتاق درصدی از کربن که به صورت محلول در فضاهای هشت وجهی محبوس شده است نفوذ کرده و بر روی نابه جاییها, فصل مشترک بین لایه های مارتنزیتی و فصل مشترک بین بسته های مارتنزیتی رسوب می کند. این فرایند به بازپخت خودبه خود موسوم است و به نظر می رسد که اثر کربن محلول بر روی استحکام کششی را باید کاهش داد. مطالعات نشان داده است که با وجود اثرات ناشی از رسوب اتمهای کربن در عملیات بازپخت خود به خود, استحکام کششی مارتنزیت در این فولادها نیز تابع ریشه دوم درصد وزنی کربن به صورت زیر است:
(6-2)
این معادله از آزمایش های انجام شده بر روی فولادهای کربنی ساده که حداکثر 2/0 درصد کربن داشته باشند به دست آمده و برای فولادهای مارتنزیتی که 08/0 تا 24/0 درصد کربن و 4/0 تا 5/0 درصد منگنز داشته باشند نیز صادق است. همانند معادله قبل, در اینجا نیز جمله اول شامل تمام پارامترهای ساختاری نظیر اثرات معایب خطی, اندازه لایه های مارتنزیتی, اندازه بسته های مارتنزیتی و بالاخره اندازه دانه های آستنیت است. در به دست آوردن معادله (6-2) اندازه دانه های آستنیت ثابت و تقریباً بین 7 تا 9 ASTM بوده است.

اثر اندازه دانه های آستنیت بر روی استحکام مارتنزیت بدین صورت است که با کاهش اندازه دانه ها, استحکام مارتنزیت به طور قابل توجهی افزایش می یابد. همان گونه که در فصل سوم توضیح داده شد در فولادهای کم کربن و کربن متوسط, لایه های مارتنزیتی به صورت مجموعه ها و یا بسته هایی آرایش می یابند که اندازه های آنها مستقیماً بستگی به اندازه دانه های آستنیت اولیه دارد. بنابراین اندازه بسته های مارتنزیتی و یا اندازه دانه های آستنیت اولیه را می توان جهت مطالعه و بررسی استحکام مارتنزیت به کار برد. شکل 6-5 ارتباط بین استحکام تسلیم و اندازه بسته های مارتنزیتی را برای فولادهای C2/0%Fe- و Fe-Mn نشان می دهد. نکته قابل توجه, تفاوت شیب دو منحنی مربوط به دو نوع فولاد مورد بحث است. این موضوع بدین صورت توجیه می شود که در آلیاژ C2/0%Fe- اتمهای کربن در فصل مشترک بین بسته های مارتنزیتی کوچکتر باشد این اثر نیز مشهودتر است. از این رو, شیب منحنی استحکام بر حسب اندازه بسته های مارتنزیتی برای فولاد C2/0%Fe- بیشتر از فولاد Fe-Mn است.

شکل 6-5: اثر اندازه بسته های مارتنزیت (D) بر روی افزایش استحکام مارتنزیت لایه ای. منحنی بالایی مربوط به فولاد C2/0%Fe- و منحنی پایین مربوط به مارتنزیت Fe-Mn است.

6-4 سختی پذیری
در صورتی که آهنگ سرد شدن یک فولاد از ناحیه آستنیت بیشتر از آهنگ سرد شدن بحرانی (حداقل آهنگ سردشدنی که از تشکیل پرلیت و بینیت جلوگیری شود) باشد, سختی حاصل عمدتاً بستگی به درصد کربن فولاد دارد. اگر آهنگ سردشدن کمتر از آهنگ سرد شدن بحرانی باشد, درصد مارتنزیت حاصل کاهش یافته و بنابراین سختی فولاد نیز کاهش می یابد. 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 6-6 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 تشخص می شود. ضخامت پوسته سخت شده عبارت از فاصله سطح تا محلی در داخل نمونه که دارای 50 درصد مارتنزیت باشد است. 50 درصد بقیه ساختار را معمولاً بینیت در نظر می گیرند. بنابراین هرچه سختی پذیری یک فولاد بیشتر باشد ضخامت پوسته سخت شده و یا به عبارت دیگر ضخامت پوسته ای که در اثر سریع سرد شدن بیشتر از 50 درصد ساختار آن مارتنزیت شود بیشتر خواهد بود.

سخت کردن سطحی
در بسیاری از کاربردهای صنعتی نیاز به قطعاتی است که دارای سطحی سخت بوده و در عین حال از چقرمگی یا مقاومت به ضربه خوبی نیز برخوردار باشند. از جمله مواردی که می تواند در این رابطه به عنوان مثال به آنها اشاره کرد عبارت اند از: میل لنگ, میل بادامک, چرخ دنده و قطعات مشابه. این قطعات باید سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش داشته و همچنین بسیار چقرمه و مقاوم در برابر ضربه های وارده در حین کار باشند.

بسیار از قطعات فولادی را می توان به نحوی عملیات حرارتی کرد که در پایان دارای مجموعه خواص بالا باشند, یعنی در حالی که از مقاومت به سایش خوبی برخوردارند, دارای استحکام دینامیکی خوبی نیز باشند. این نوع عملیات حرارتی که اصطلاحاً به سخت کردن سطحی موسوم اند, آخرین عملیاتی اند که باید در مرحله پایانی ساخت قطعه و پس از انجام تمام مراحل مربوط به شکل دهی نظیر ماشینکاری و غیره انجام شود.
روشهای مختلف عملیات حرارتی که به کمک آنها می توان سطح قطعات را سخت کرد, عمدتاً به دو دسته تقسیم می شوند. دسته اول عملیاتی که منجر به تغییر ترکیب شیمیایی سطح فولاد می شوند و به عملیات حرارتی-شیمیایی یا عملیات ترموشیمی موسوم اند, نظیر کربن دهی, نیتروژن دهی, و کربن نیتروژن دهی. دسته دوم روشهایی که بدون تغییر ترکیب شیمیایی سطح و فقط به کمک عملیات حرارتی که در لایه سطحی متمرکز شده و باعث سخت شدن سطح می شوند و به عملیات حرارتی موضعی موسوم اند, مانند سخت کردن شعله ای و سخت کردن القایی. فرآیندهای متعدد دیگری نیز وجود دارند که برای سخت کردن و یا اصلاح و بهبود شرایط سطحی فولادها (و فلزات و آلیاژهای دیگر) به کار می روند.

از آنجایی که این فرایندها از قدمت تاریخی کمتری نسبت به فرایندهای یاد شده برخوردارند و یا در برخی موارد فرایندهای بسیار جدیدی هستند, اصطلاحاً تحت عنوان فرایندهای نوین مطرح می شوند. مجموعه گسترده ای از فرایندهایی که برای سخت کردن سطحی فولادها و یا حتی فلزات و آلیاژهای دیگر به کار می روند, همراه با فرایندهای نوین دیگری که برای بهبود و اصلاح خواص و شرایط سطحی در ارتباط با کاربردهای مختلف استفاده می شوند.

10-2 کربن دهی
هنگامی که یک قطعه فولاد کم کربن (مثلاً 15/0 درصد) در مواد کربن ده مانند ذغال قرار گرفته و در دمایی بالا نظیر 925 درجه سانتیگراد (1700 درجه فارنهایت) 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 پرکربن تشکیل می دهد. میکروساختار تعادلی چنین قطعه ای در شکل 10-1 نشان داده شده است. اگر این قطعه سخت شود, در سطح مارتنزیت پرکربن تشکیل می شود و بنابراین از سختی زیادی برخوردار خواهد بود. در حالی که مغز آن که همان درصد کم کربن اولیه (15/0 درصد) را داراست از چقرمگی خوبی برخوردار است (به شکل 5-14 و 6-1 مراجعه شود).

لینک کمکی