ck45فلز

 عملیات حرارتی، فرایندی است که با هدف بهبود خواص مکانیکی مواد، بر روی قطعات انجام می‌شود. با توجه به گسترش استفاده از فولاد کربنی عملیاتی حرارتی شونده و نیز کاربرد متفاوت آنها و قابلیت عملیات حرارتی پذیری بسیار زیاد و صرفه اقتصادی این نوع فولاد ها تولید کنندگان قطعات را بر آن داشته که بیشتر از این نوع فولادها جهت تولید محصولات متنوع استفاده کنند.

لازم به ذکر است که خواص مکانیکی مطلوب این نوع فولادها بیشتر از راه عملیات حرارتی به دست می آید. لذا رسیدن به سیکل هایی که حداکثر خواص مکانیکی را در کنار سادگی و قابلیت دسترسی و نیز صرفه اقتصادی بدست آورند. خیلی حائز اهمیت است.

در این پروژه یکی از با اهمیت ترین فولاد های عملیاتی حرارتی شونده ؛ فولاد ck45  مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به کاربردهای فراوان این نوع فولاد با توجه آنالیز شیمیایی و نیز خواص مختلف متالورژی و مکانیکی ،مخصوصا در صنایع حساس، لزوم بررسی آن جهت استفاده بهینه از این فولاد با توجه به قابلیت های این نوع فولاد را ضروری می نماید.

 هدف از این پروژه بررسی رفتار تبلور مجدد فولاد ck45 می باشد. که این مطالب همراه نمونه های از تصاویر متالوگرافی شده می باشد که در متن آورده شده است .

توجه به استفاده گسترده فولادهای فریتی - پرلیتی در کاربردهای صنعتی، بهینه سازی خواص آنها یکی از موضوعات مهم تحقیقات انجام شده می باشد.

بر این اساس بهبود ریزساختار نهایی آنها که منجر به افزایش خواص مکانیکی می گردد، ضروری است. این مهم با طراحی مناسب یک عملیات امکان پذیر است. در این راستا یک پروسه در دمای پایین شامل کار سرد و عملیات تبلور مجدد بر روی یک فولاد ساده کربنی انجام شد.

نمونه ها تحت کرنش های مختلفی در دمای اتاق قرار گرفتند، سپس در دماو زمان  تبلور مجدد شده و به سرعت در آب سرد شدند. در نهایت ریزساختار نهایی آنها با استفاده از میکروسکوپ نوری مورد بررسی قرار گرفت.

فولاد ck45 در اجزا با چقرمگی بالا در خودرو و هواپیما مانند سگدست، اکسل شاتون، میل لنگ، چرخدنده کوچک، تسمه کاربرد دارند.

علاوه براین موارد فولاد فوق در صنایع نفت به عنوان مته های حفاری کاربرد خاص دارند.

در ضمن سیکل انجام شده به طور کامل از نظر تکنولوژیکی و متالورژیکی توضیح داده شده و اثرات آن بر روی ساختار در فولاد مذکور بررسی شده و نیز دما و زمان پیشنهادی برای سیکل مذکور ذکر گردیده است.

با توجه به اینکه فولاد ck45  یک فولاد فریتی – پرلیتی می باشد برای درک بهتر مطلب به توضیح مختصر در رابطه با ساختارهای  فولاد می پردازیم :                                         

2 - سا ختار های تعادلی و غیر تعادلی در فولادها

1-2) آستنیت

آستنیت عبارت است از محلول جامد بین نشینی کربن در آهن با شبکه بلوری مکعبی با وجوه مرکز دار (Fcc)است. کربن با وارد شدن در شبکه بلوری آهن آستنیتی ناحیه تشکیل و پایداری آستنیت را در فولادها افزایش می دهد.به دلیل آستنیت زا بودن کربن با اضافه کردن کربن ناحیه پایداری آستنیت از912 تا 1394 درجه سانیگراد که گستره تشکیل و پایداری آهن آستنیتی است ،به گستره وسیعی از دما و ترکیب شیمیایی ،افزایش یابد. حداکثر حلالیت کربن در آستنیت ,در 1148 درجه سانیگراد است که به %2.11 می رسد. در شبکه کریستالی Fcc دو نوع فضای جای خالی بین نشینی وجود داردکه می توانند محل های مناسبی برای قرار گرفتن اتمهای کربن باشد.این فضا ها که به هشت وجهی و چهار وجهی موسومند در شکل (2-1) نشان داده شده اند. نام دو نوع فضای خالی از تعداد صفحات جانبی چند وجهی ها گرفته شده که رئوس آنهااتم های آهنی هستند که آن فضا را احاطه کرده اند. یک اتم کربن که دریک فضای هشت وجهی قرار گیرد دارای 6 اتم آهن درمجاور خود و اگر در یک فضای چهار وجهی قرار گیرد دارای 4 اتم آهن در مجاور خود است. اندازه این دو نوع فضای خالی، به طور قابل توجهی با یکدیگر متفاوت است. در آستنیت، با فرض اینکه اتمهای آهن کروی بوده و در تماس با یکدیگر باشندیک فضای هشت وجهی قادر است اتمی به شعاع .52 انگسترم (nm 052/) را  در خود جای دهد . در حالی که یک فضای چهار وجهی می تواند اتمی به شعاع 28. انگسترم(nm 028/)را در خود بپذیرد. با توجه به اینکه شعاع اتمی کربن برابر با 0.7 انگسترم (0.07 nm) است، فضای هشت وجهی راحت تر از فضای چهار وجهی می تواند اتم های کربن را در خود جای دهد. البته لازم به ذکر است که حتی برای نشستن اتم های کربن در فضای هشت وجهی نیز نیاز یه انبساط شبکه ای است.

شکل 2-1

2-2 )  فریت

محلول جامد بین نشینی کربن در آهن با شبکه بلوری (bcc) ، به فریت موسوم است. حلالیت کربن در آهن فریتی به مراتب کمتر از آن در آهن آستنیتی است . بطوری که حد حلالیت کربن در فریت حداکثر 0.02% در 727 درجه سانتیگراد است که با کاهش دما به صورت پیوسته کاهش یافته و در دمای اتاق به مقدار ناچیزی خواهد رسید. ناحیه یاد شده به طور مشخص تر و با مقیاس بزرگتر در شکل 2-2 نشان داده شده است. دراین شکل گستره دمایی- ترکیب شیمیایی مربوط به تشکیل و پایداری فریت بطور وضوح مشخص است.

شکل 2-2

مشابه با آهن با شبکه Fcc در آهن با شبکه bcc نیز دو نوع فضای بین نشینی،یکی هشت وجهی و دیگری چهار وجهی وجود دارد که ممکن است اتم های کربن را در خود جای دهند(شکل2-3). از آنجایی که فضاهای بین نشینی در فریت بسیارکوچکتر از آستنیت اند،حد حلالیت کربن در فریت بسیار کمتر از آستنیت است. در فریت یک فضای هشت وجهی می توانداتمی به شعاع 0.19 انگسترم (nm 0.019) ویک فضای چهار وجهی می تواند اتمی به شعاع0.35 انگسترم (nm 0.035) را در خود جای دهد.لازم به ذکر است که فضای هشت وجهی در فریت متقارن نیست (شکل 2-3) و  بنابراین هنگامی که یک اتم کربن در فضاهای یاد شده قرار گیرد، فقط اتم های با فاصله2a/  را شدیدا جابجا می کند و نه اتم ها با فاصله را.مشخص شده که در فریت اتم های کربن ترجیح می دهند که در فضای هشت وجهی قرار گیرند و بنابراین انبساط زیادی در شبکه، در جهت محورهای <100> به وجود می آورند.از آنجایی که در فریت تعداد محدودی ازاتم های کربن می توانند درشبکه باقی بمانند(حل شوند)،شبکه بلوری اساسا به صورت مکعبی شکل باقی خواهد ماند. اگر اتم های بسیارزیادی از کربن که در آستنیت موجودند، دراثرسریع سردکردن در شبکه هشت وجهی محبوس شوند در اثر انبساط واعوجاج شدیدی که در جهت محورهای <100> به وجود می آید شبکه بلوری مکعبی فریت به صورت مکعب مستطیل درمی آید. ساختار یاد شده ازجمله مشخصه های فازی موسوم به مارتنزیت است.

شکل 2-3

3-2 )  فریت دلتا

فریت دلتا عبارت است از محلول جامد بین نشینی کربن در آهن دلتا. از آنجایی که دمای معمولی جهت شروع عملیات حرارتی فولادها در ناحیه آستنیت است و فریت دلتا در دمای پایینتر به آستنیت تبدیل می شود، فزیت دلتا فقط از نظر علمی مورد توجه قرار گرفته و کاربرد وسیع چندانی ندارد. لیکن، از آنجایی که فریت دلتا اولین فازی است که در ضمن انجماد و جوشکاری فولاد ها تشکیل می شود، شیب های غلظتی ناشی از عناصر آلیاژی و یا ناخالصیها و همچنین جدایش بین دندریتی در ضمن تشکیل این فاز بوجود می آیند، لذا از نظر انجماد و فولاد سازی این فاز اهمیت دارد.

4-2 ) کاربید آهن(سمنتیت)

در صورتی که درصد کربن در فولاد بیش از حد حلالیت آن در آستنیت و فریت باشد،فاز جدیدی موسوم به کاربید آهن یا سمنتیت به وجود می آید. کاربید آهن فازی کاملا متفاوت از محلولهای جامد فریت و آستنیت است. این فاز ترکیبی با نسبت ثابت و مشخص یک اتم کربن و سه اتم آهن است که دارای 6.67%کربن بوده و بصورت Fe3C نشان داده می شود.ساختار بلوری سمنتیت بسیار پیچیده است و روشهای مختلفی جهت نمایش ترسیمی آن وجود دارد که یکی از مناسب ترین آنها در شکل 4-2 نشان داده شده است. همچنانکه از این شکل مشخص است، سمنتیت دارای شبکه بلوری مکعب مستطیل باپارامترهای شبکهnm452/=a و nm509/=b  و nm 674/=C است . واحد شبکه سمنتیت دارای 12 اتم آهن و 4 اتم کربن است. همچنین شکل 2-4 نشان می دهدشبکه بلوری سمنتیت را می توان متشکل ا ز تعدادی هشت وجهی دانست که در رئوس آنها اتم های آهن و در مرکزهر کدام ازآنها یک اتم کربن وجود دارد. بنابراین، از آنجایی که هر اتم آهن متعلق به دو هشت وجهی و هر اتم کربن متعلق به یک هشت وجهی است،فرمول سمنتیت به صورت Fe3C در می آید. شکل 2-4 نشان می دهد که زوایای بین محورهای هشت وجهی ها با هم برابر نیستند.

شکل 2-4

 در سمنتیت پیوند بین اتمهای آهن کاملا فلزی است، در حالی که پیوند بین اتمهای آهن- کربن هنوز به طور کامل مشخص نیست. گفته می شود که پیوند یاد شده از نوع خاصی است که مشخصه های هر دو پیوند فلزی و یونی را داراست. در هر حال ، هر دو جزکربن و آهن در شبکه سمنتیت به صورت یون مثبت وجود دارند. به بیان دیگرکربن وآهن هر دو شبیه فلزات عمل می کنند. در حقیقت شرایط  فوق و وجود پیوند فلزی موجود در سمنتیت است که به آن خواص فلزی(هدایت الکتریکی، هدایت حرارتی و...)می دهد.

دمای ذوب سمنتیت در حدود 1250 درجه سانتیگراد است و بر خلاف آهن تغییرات  آلوتروپیک ندارد ولی در دماهای پایین به مقدار بسیار کم دارای خاصیت آهنربایی می باشد اما در اثر حرارت دیدن تا 217 درجه سانتیگراد خاصیت آهنربایی خود را از دست  می دهد سختی سمنتیت، بسیار بالا (بیش از 800 برینل که به سادگی شیشه را خراش می دهد) و انعطاف پذیری آن فوق العاده کم است(عملا صفر) است. بدیهی است که خواص یاد شده ناشی از ساختار پیچیده شبکه بلوری سمنتیت است. سمنتیت، ترکیبی ناپایدار است و تحت شرایط خاص تجزیه می شود و کربن آزاد (گرافیت) تولید می کند. واکنش یاد شده مخصوصا در رابطه با آلیاژهای پر کربن از اهمیت خاصی برخوردار است.

5-2 ) دگر گونی یوتکتوئیدی

در متالورژی ، دگرگونی هایی که یک فاز جامد به دو فاز جامد کاملا متفاوت تبدیل می شوند به دگرگونی های یو تکتوئیدی موسوم اند. در نمودارتعادلی آهن- کربن ، دگرگونی یوتکتوئیدی زیر انجام می گیرد

                          سرد کردن                                                                                                                                                                                                                                                   

                          آستنیت(C77/0%)  <--------     فریت (C02/0% ) + سمنتیت ( C67/6% )                                                                                                 گرم کردن   

رابطه بالا نشان می دهد که فازهایی که در تحول یوتکتوئیدی شرکت دارند ، دارای ترکیب شیمیایی ثابت اند و بر حسب اینکه از فولاد حرارت گرفته و یا بدان حرارت داده شود، دگرگونی می تواند در جهت تجزیه آستنیت و تشکیل فریت و سمنتیت و یا برعکس انجام گیرد. از جنبه نظری دگرگونی یوتکتوئیدی در فولادهای کربنی ساده باید به

طور همدما (در دمای ثابت) ، در دمای727درجه سانتیگراد انجام شود. لیکن شرایط تعادل به ندرت وجود دارد و در عمل دگرگونی یوتکتوئیدی معمولا در زیر خط 1A در یک گستره وسیع از دماانجام می شود.

6-2) ساختار پرلیت

محصول دگرگونی یوتکتوئیدی در فولادها ، میکرو ساختار منحصر به فردی موسوم به پرلیت است. پرلیت از لایه های متناوب فریت و سمانتیت تشکیل شده و مشابه اثر انگشت بر روی کاغذ است(شکل 2-6و2-7). به بیان دیگر، ساختار پرلیت توسط دسته هایی از لایه های متناوب فریت و سمانتیت با فواصل و جهات مختلف مشخص می شود. یکسان نبودن فواصل لایه های سمنتیت در نواحی مختلف تا حدی به زاویه برخورد لایه ها با سطح پولیش شده نمونه مربوط می شود. اگر فرض شود که تمام پرلیت در یک دمای ثابت تشکیل شده است، فواصل بین تمام لایه های پرلیت یکسان و برابر است. دسته هایی از پرلیت که لایه های تشکیل دهند آن عمود بر سطح پولیش باشد فاصله واقعی و یا نزدیک ترین فاصله فریت-سمنتیت به فاصله واقعی را دارند. از طرف دیگر لایه هایی که زاویه برخورد آنها با سطح پولیش شده کمتر از 90 درجه باشد، نسبت به فاصله واقعی بین لایه ای، دارای فواصل بیشتری اند از طرف دیگریکسان نبودن فواصل بین لایه ای می تواند به این دلیل باشد که پرلیت معمولا در یک گستره وسیعی از دما تشکیل می شود و نه در دمای ثابت.علت انتخاب نام پرلیت مربوط می شود به آرایش منظم لایه ای و این حقیقت که اثر خورندگی محلول شیمیایی حکاکی به فاز فریت نسبت به فاز سمنتیت بسیار شدید تر است. در هر دسته ، لایه های منظم و برجسته سمنتیت ، نقش شبکه انکسار نور را بازی می کند. بنابراین، در اثر انکسار نور به طول موجهای متفاوت از دسته های مختلف، شکلی شبیه به صدف مروارید به وجودمی آید. از این رو ساختار یاد شده به پرلیت موسوم شده است.

شکل 2-6

فریت و سمنتیت فازهایی اند که هر دو در زیر میکروسکوب روشن دیده می شوند. بنابراین خطوط سیاه رنگ موجود در شکل2-7 در حقیقت فصل مشترک های این دو فازهستند. این موضوع در شکل 2-8 که ساختار پرلیتی را در یک فولاد0.8% C نشان می دهد کاملا مشخص است. در این شکل زمینه فریتی و لایه های سمنتیت هر دو سفید رنگ و فصل مشترک آن دو به صورت خطوط سیاه رنگ دیده می شوند.

          شکل 2-7                                                    شکل 2-8                                                                                                                                            

7-2 ) تشکیل پرلیت

تشکیل پرلیت از آستنیت به وسیله جوانه زنی و رشد انجام می شود. تقریبا همانند تمامی حالات دیگر دراین مورد نیز جوانه زنی ناهمگن است. اگر آستنیت همگن باشد ( یکنواخت از نظر ترکیب شیمیایی ) جوانه زنی عمدتا در مرز دانه ها انجام می گیرد. در صورتی که آستنیت همگن نباشد مثلا در داخل دانه های آستنیت شیب غلظتی و یا ذرات کاربید آهن وجود داشته باشد، جوانه زنی پرلیت نه تنها در مرز دانه ها بلکه در داخل دانه ها نیز انجام می گیرد.

ظاهرا هیچکس تاکنون جوانه زنی واقعی دسته های پرلیت را مشاهده نکرده است و بنابراین مکانیزم تشکیل پرلیت فقط بر اساس حدس و تصور است. همچنین در رابطه با اولین قدم برای تشکیل دسته های پرلیت و اینکه کدام یک از لایه های فریت و سمنتیت ابتدا بوجود می آیند، هنوز اتفاق نظر وجود ندارد. گفته می شود که این مرحله بستگی به ترکیب شیمیایی و آرایش اتمها در محلی که قرار است جوانه های مربوط به دسته های پرلیت تشکیل شود دارد. برطبق پیشنهاد مهل، فرض می شود که اولین جوانه فعال پرلیت یک لایه بسیار نازک و کوچک سمنتیت باشد که در مرز دانه آستنیت تشکیل شده و به داخل یکی از دانه ها رشد می کند همچنانکه این صحفه کوچک که در شکل 2-9 (الف) نشان داده شده است از ضخامت و طول رشد می کند، اتم های کربن موجود در آستنیت دراطراف خودرا جذب می کند. در نتیجه غلظت کربن آستنیت در مجاورت لایه سمنتیت افت کرده و سرانجام یک شیب غلظتی کربن، مانندحالت نشان داده شده درشکل 2-10 (الف ) بوجود می آید. موقعی که درصد کربن در ناحیه ای از آستنیت که در مجاورت سمنتیت است، به یک مقدار تقریبا ثابت و در حدود غلظت کربن در فریت (02/0 درصد) رسید جوانه های فریت بوجود آمده و در امتداد ورقه های سمنتیت رشد می کنند(شکل 2-4 (ب)). از آنجایی که فریت دارای درصد بسیار کمی کربن (02/0 درصد )است، رشد لایه های فریت همراه با افزایش درصد کربن در فصل مشترک فریت- آستنیت است (شکل 2-10(ب)). افزایش کربن در این محل ها آنقدر ادامه می یابد تا اینکه جوانه های جدیدسمنتیت بوجود آید. رشد لایه های جدیدسمنتیت به نوبه خودمنجر به تشکیل لایه های جدید فریت می شود.با ادامه فرایندیادشده، لایه های متناوب مربوط به یک دسته پرلیت تشکیل خواهدشد (شکل 2-9 ).

شکل 2-9         

شکل 2-10       

رشد دسته های پرلیت،نه تنها با جوانه زدن لایه های جدید در مجاور لایه های قبلی بلکه توسط رشد طولی لایه های موجود نیز انجام می شود. این موضوع از قسمتهای مختلف شکل 2-9 که نشان می دهد با ادامه رشد دسته های پرلیت، تعداد و طول لایه های پرلیت زیاد میشوند مشخص است. به طور کلی، مشاهده شده است که هر دو نوع رشد (طولی و عرضی ) با یکدیگر برابرند. مطالعات میکروسکوپی ساختارهای پرلیتی نشان می دهد که رشد پرلیت شامل جوانه زنی دسته های جدید پرلیت در فصل مشترک دسته های قدیم و آستنیت (یا شاخه ای شدن لایه های فریت و سمنتیت) است. این موضوع در شکل 2-9 (د) نشان داده شده است. در این شکل یک لایه سمنتیت بر روی یک لایه فریت از دسته اولیه جوانه زده و در حال رشد مورب است. دسته جدید، پس از جوانه زدن، همانند دسته اولیه به رشد خود ادامه می دهد (شکل 2-9 (ه)). به این ترتیب، با اضافه شدن دسته های جدید همراه با رشد دسته های قبلی، یک جوانه اولیه پرلیت، به گروهی از دسته های مجاور تبدیل می شود. ساختار حاصل از فرایند فوق، به کره پرلیت موسوم است. از آنجایی که دسته های پرلیت دارای آهنگ رشد تقریبا یکسان در جهت موازی و عمودبر لایه های پرلیت هستند،یک کره پرلیت معمولا شکل کروی دارد کره پرلیتی که کاملا رشد کرده باشد بر روی یک سطح صاف مانند آنچه در زیر میکروسکوپ دیده می شود، به صورت تقریبا  یک دایره است. شکل 2-11 مقاطع دایره ای شکل کره های پرلیت مربوط به یک فولاد یوتکتوئیدی که بطور جزئی به پرلیت تبدیل شده است را نشان می دهد. در این شکل تعدادی کره پرلیت نشان داده شده است که در دمای دگرگونی در حال رشد به داخل آستنیت اند.بر خلاف پرلیت نشان داده شده در شکل 2-7 در اینجا لایه های پرلیت ( فریت و سمنتیت ) آنقدر ریز و به یکدیگر نزدیک اند که در بزرگ نمایی 250 برابر کاملا سیاه رنگ ظاهر شده و قابل تشخیص نیستند. بقیه ساختار در شکل 2-11 ( زمینه سفید رنگ ) مارتنزیت است. مارتنزیت یاد شده همان آستنیت باقی مانده است که در دمای دگرگونی به پرلیت تبدیل نشده ودراثرسریع سرد کردن به مارتنزیت تبدیل شده است.

3 -  مقدمه ای بر فولادهای ساده کربنی

1-3 ) فولاد های کربنی:

فولاد های کربنی بیشترین تناژ تولید قطعات ریختگی فولادی را به خود اختصاص می دهد.این نوع فولاد ها متشکل از: کربن، منگنز، سیلیسیم ، فسفروگوگرد می باشند.کربن بیشترین تاثیر را در خواص مکانیکی قطعات تولیدی بر عهده داشته ،فسفروگوگرد عناصر نامطلوب (به استثنا فولاد های خوش تراش که درصد گوگرد در آن را به منظور سهولت تراش فولاد،حدود 1 درصد در نظر می گیرند)می باشند.گوگرد از سیالیت مذاب فولاد کاسته و تمایل به ایجاد ترکهای حرارتی گرم را (که در جریان انجماد قطعه پیش می آید)افزایش می دهد.فسفرنیزموجب تنزل مقاومت قطعات ریختگی در مقابل ضربه شده و با افزایش مقدار آن در فولاد مقاومت قطعات در برابر ضربه شدیدا(به خصوص در درجات حرارتی پایین)کاهش می یابد.به دلایل فوق مجموع فسفر و گوگرد در فولاد نبایستی از مرز 1/0 درصد تجاوز نماید.

با افزایش مقدار کربن در فولاد،استحکام نهایی،سختی و تنش تسلیم قطعات افزایش یافته و در مقابل از درصد ازدیاد طول نسبی ،درصد کاهش سطح مقطع کششی و مقاومت در مقابل ضربه آنها کاسته می شود.منگنز در فولاد عنصر اکسیژن زدا بوده و نقش مهم دیگر آن (نظیر حالت چدنها)خنثی نمودن تاثیر مضر گوگرد(جلوگیری از پیدایش FeS)و کمک به ایجاد MnS است. به این منظور مقدار منگنز را بایستی بیش از مقدار S 71 /1 Mnدر نظر گرفت.مقدار منگنز در این نوع فولاد ها معمولا بین 3/0 تا 8/0 درصد است. سیلیسیم نیز نظیر منگنز عنصری اکسیژن زدا بوده و به منظور کنترل گاز های محتوی مذاب مورد استفاده قرار می گیرد.مقدار سیلیسیم در این نوع فولاد ها بین 2/0 تا 5/0 درصد است.

منگنز و سیلیسیم در فولاد به صورت محلول بوده لذا در زیر میکروسکوپ قابل رویت نیستند. هر دو این عناصر قابلیت سختی پذیری قطعات ریختگی را (در جریان عملیات حرارتی و سرد کردن)افزایش می دهد. سولفور منگنز به صورت فازی خاکستری رنگ در ساختار میکروسکوپی قطعات فولادی دیده می شود.فسفر برخلاف حالت چدن ها که به صورت فاز استدیت در ساختار میکروسکوپی قطعات قابل رویت است در قطعات فولادی به علت محلول بودن آن در فولاد قابل مشاهده نیست.

بسته به شرایط مصرف و ویژگی های فولاد های کربنی قطعات ریختگی را می توان در سه گروه زیر تقسیم بندی نمود:

گروه اول فولاد های ریختگی برای مقاصد عمومی نظیر پایه ها و اجزای غیر حساس ماشین آلات.گروه دوم برای مقاصد اختصاصی و تولید قطعات صنعتی و مهندسی نظیر شیر ها و اتصالات چرخ دنده ها ... و گروه سوم قطعات برای مقاصد ویژه هستند.کار این گونه قطعات در تحت شرایط حساس بوده و رعایت اصول ایمنی و اطمینان از سلامت کار آنها ضروری است.نظیر چرخ قطار،اکسلها،سیستم های تعلیقی نظیر سگ دست خودرو ها و ...

تفاوت گروههای فوق در میزان فسفر و گوگرد محتوی فولاد می باشد

.
حداکثر مقدار مجاز گوگرد و فسفر در گروههای سه گانه فوق به قرار زیر است:

گروه اول : 05/0- 07/0 : درصد گوگرد و 05/0 تا 08/0 درصدفسفر.

گروه دوم: 045/0 – 06/0 درصد گوگرد و 04/0 تا 07/0 درصد فسفر.

گروه سوم : 045/0 – 05/0 درصد گوگرد و 04/0 تا 05/0 درصد فسفر.

مقدار کربن،منگنز و سیلیسیم فولاد ها در سه گروه فوق یکسان بوده و خواص مکانیکی قطعات تولیدی نیز مشابه خواهد بود.ترکیب شیمیایی فولاد های ساده کربنی در محدوده زیر قرار می گیرند.

منگنز 5/0 – 0/1

سیلیسیم 2/0 – 8/0

فسفر حداکثر 05/0

گوگرد حداکثر 06/0

2-3)  فولاد های کم کربن :

 این فولاد ها معمولا محتوی 12/0 تا 2/0 درصد کربن،35/0 تا 65/0 درصد منگنز، 15/0 تا 25/0 درصد سیلیسیم ،حدود 06/0 درصد فسفر و نزدیک 05/0 درصد گوگرد هستند.این نوع فولاد ها دارای سیالیت کم و تمایل به ایجاد ترک های گرم در قطعات ریختگی می باشند.استحکام کششی این نوع فولاد ها در حالت نرماله شده حدود 40 تا 42 کیلوگرم بر میلیمتر مربع (394 تا 410 نیوتن بر میلیمتر مربع) و ازدیاد طول نسبی حدود 25 درصد می باشند.مصرف اصلی این نوع فولاد ها در صنایع الکتریکی و صنایع ماشین سازی نظیر ریل راه آهن ،بدنه پاتیلها و قاب بدنه موتور ها می باشد. این نوع فولاد ها به دلیل نرمی آن بدون عملیات حرارتی مورد مصرف قرار می گیرند. سطح این نوع فولاد ها را می توان از طریق کربوره کردن سخت نمود.

3-3)  فولاد های میان کربن :

محتوی 2/0 تا 5/0 درصد کربن،35/0 تا 8/0 درصد منگنز،2/0 تا 45/0 درصد سیلیسیم،03/0 تا 05/0 درصد فسفر و 03/0 تا 05/0 درصد گوگرد می باشند این نوع فولاد ها دارای مشخصه ریخته گری بهتری از فولاد های کم کربن بوده ،سیال تر و تمایل کمتری به ایجاد ترک های گرم در قطعات ریختگی دارند.استحکام کششی آنها بین 42 تا 55 کیلوگرم بر میلیمتر مربع (410 تا 540 نیوتن بر میلیمتر مربع) و ازدیاد طول نسبی 12 تا 23 درصد می باشند.مصرف اصلی این نوع فولاد ها در صنعت ماشین سازی و در تولید قطعات ریختگی کوچک، متوسط و بزرگ،صنایع حمل و نقل،دستگاههای نورد و ماشین های راهسازی و ساختمانی است.در میان انواع فولاد های ساده کربنی این نوع فولاد ها بیشترین مقدار مصرف را دارا می باشند.

4- 3) فولادهای پرکربن:

این نوع فولاد ها محتوی 5/0 تا 6/1 درصد کربن،5/0 تا 8/0 درصد منگنز،04/0 تا 05/0 درصد فسفر و 04/0 تا 05/0 درصد گوگرد هستند.این فولاد ها دارای سیالیت بالا و عدم تمایل به ترک های حرارتی گرم است.مصرف عمده این نوع فولاد ها در تولید قطعاتی نظیر غلتک های نورد گرم،چرخ دنده ها ،قالبهای اکستروژن قطعات مقاوم در مقابل سایش است.

4 -  دسته بندی فولادهادرسیستم AISI :

از استاندارد آمریکایی فولادها نیز مانند استانداردهای آلمانی می توان به ترکیب اصلی فولاد ها پی برد.

اولین رقم شماره استاندارد نوع فولاد را مشخص می کند. بدین ترتیب که 1 فولاد غیر آلیاژی، 2 فولادهای نیکلی، 3 فولاد کرم – نیکل و غیره است. با رقم دوم درصد مقدار تقریبی آلیاژ عنصر غالب (عنصری که بیشترین مقدار درصد را دارد) مشخص می شود. رقم آخر و ماقبل آخر مقدار میانگین کربن را به صدم درصد بیان می کند.

پیشوند E  مربوط به فولاد هایی است که در کوره های الکتریکی تولید شده اند. فولادهای تولید شده در کنورتور اکسیژن با کوره های زیمنس مارتین بدون پیشوند می باشند. در مورد فولادهای حاوی بُر بین دو رقم اول و دوم حروف B  قرار میگیرد. برای مثال41B30 و یا برای فولادهای حاوی سرب بعد از دو رقم اول حرف L آورده می شود، برای مثال 41L30 .

بعضی از فولادها تنها برای موارد بخصوصی مناسب هستند، برای مثال 52100 منحصراً برای یاتاقانهای ضد سایشی و سری آلیاژی 9200 برای ساخت فنر و موارد کاربرد زیادی داشته باشد، برای مثال 434، 864 و 874 دارد، کاربرد متنوعی دارند.

فولادهای H : دامنه سختی پذیری بعضی از فولادها مشخص شده است. این فولادها با H شناسایی می شوند، برای مثال 4140H

درصد ترکیب عناصر									مشخصات فولاد	شماره استاندارد	شماره
غیره	%W	%V	%NI	%MO	%CR	%MN	%SI	%C
						0.50 0.80	~0.40	0.44 050	CK45	1.1191	3

 5-  مشخصات عمومی فولاد45 CK :

6-  عملیات حرارتی فولاد ck45 :

سیکل عملیات حرارتی این نوع فولاد به صورت ساده است  وشامل عملیات تبلور مجدد می باشد که  نحوه عملیات حرارتی به صورت مبسوط مورد بحث قرار گرفته شده است ،و تأثیر این عملیات بر روی ساختار فولاد بررسی گردیده. جهت بررسی رفتار تبلور مجددفولاد CK45 بایستی بر روی نمونه های مورد آزمایش کارسردانجام داد

1-6)  کارسرد یا نورد سرد چه می باشد :

ماده را وقتی کارسرد شده گویند که دانه های ان بعداز تغییر شکل مومسان کاملا واپیچیده باشند . تمام خواصی که به ساختار شبکه فلز بستگی دارند از تغییر شکل مومسان یا کار سرد تاثیر می پذیرند.

استحکام کششی ، استحکام تسلیم وسختی افزایش می یابند .در حالی که داکتیل بودن که با درصد ازدیاد طول مشخص می شود ، کاهش می یابد . گر چه استحکام وسختی هر دو افزایش می یابند ولی اهنگ تغییرات انها یکسان نیست  .عموما سختی به ازای 10 درصد کاهش سطح مقطع اولیه به سرعت افزایش می یابد ،در حالی که افزایش استحکام کششی کم وبیش به صورت خطی است .استحکام تسلیم سریع تر از استحکام کششی افزایش می یابد ، به طوری که با افزایش مقدار تغییرشکل مومسان،فاصله ی بین استحکام تسلیم واستحکام کششی کم می شود. این موضوع در بعضی از عملیات شکل دادن که تغییر شکل زیادی مورد نیاز است،اهمیت دارد برای مثال در کشش سیم ، بار باید از استحکام نقطه تسلیم بیشتر باشد تا تغییر شکل قابل ملا حظه ایی پدید آید،ولی ازاستحکام کششی کمتر باشد تا سیم پاره نشود .اگر فاصله بین این دو کم شود ، کنترل دقیق مقدار بار ضروری می شود .

داکتیل بودن راهی بر خلاف سختی می پیماید و به ازای 10 درصد کاهش سطح مقطع اولیه به شدت وسپس بااهنگ کمتری کاهش می یابد

واپیچش ساختار شبکه ، عبور الکترون ها را به تاخیر می اندازد و رسانندگی الکتریکی را کاهش می دهد .این اثر در فلزات خالص جزئی ولی در آلیاژها محسوس است .

افزایش انرژی داخلی به خصوص در مرز دانه ها ، ماده را مستعد به خوردگی بین دانه ایی می کندودر نتیجه مقاومت ان در برابر خوردگی کاهش می یابد .آنچه به نام خوردگی تنشی  شنا خته می شود،باعث شتابگیر خوردگی در محیط های معین می شودکه علت ان، تنشهای باقیمانده حاصل از کار سرداست . یکی از راه های جلوگیری از خوردگی تنشی رهاسازی تنشهای درونی است که با عملیا ت گرمای مناسب بعد از کار سرد وقبل از به کارگیری ماده انجام می شود.

2-6 )  اثر کارسرد:

با ازدیاد تغییر شکل پلاستیکی سرد وایجاد نابجایی های جدید چگالی نابجایی ها افزایش می یابد . این افزایش سبب تجمع بیشتر نابجایی ها در پشت موانع (ناخالصی ها ، مرز دانه ها ) وهمچنین تلاقی بیشتر انها در سیستم  های لغزشی فعال می شود ، بطوری که تحرک نابجایی ها با افزایش تغییر شکل سرد مشکل تر می شود ودر نتیجه استحکام ، سختی وحد تسلیم افزایش و برعکس شکل پذیری کاهش می یابد .

3-6 ) آزمون های مکانیکی سرد:

1.      آزمون کشش

2.      ازمون فشار

3.      ازمون خمش

4.      ازمون پیچش

5.      ازمون ضربه

و....

که با توجه به اینکه در این تحقیق از ازمون فشار استفاده  کردیم به توضیح ان می پردازیم :

7- آزمون فشار

1-7 ) مقدمه

عموما یک آزمون فشار می تواند به صورت عکس آزمون کشش در نظر گرفته شود .در حالیکه یک آزمون کشش تمایل به کشیدن یک قطعه(نمونه)را دارد ،یک آزمون فشار تمایل به لهیدن و فشردگی نمونه را دارد .تصمیم گیری برای انتخاب یک آزمون فشار علاوه بر انواع دیگر آزمون ها ،عمدتا با توجه به نوع کاربردهایی صورت می گیرد که بواسطه آن مواد احتمالا در معرض چنین فشارهایی قرار می گیرند . با بزرگتر شدن ارتفاع نمونه ،تمایل زیادی برای کمانش بوجود می آید .این موضوع بعلت توزیع غیر یکنواخت تنش های داخلی ایجاد شده ،تحت آزمون نیز می باشد .بنابراین نمونه آزمایشی باید کوچک باشد و برای جلوگیری از کمانش ،طول(ارتفاع )نمونه نبایستی از دو برابر قطر کوچکترین سطح مقطع تجاوز نماید .

2- 7 ) ابعاد نمونه

نمونه استاندارد ،یک استوانه با ابعاد cm30×15(in12×6)می باشد .(ASTM D143).از طرف دیگر انتهای دو سر نمونه آزمون فشار بایستی مسطح ،موازی و عمود باشد .

بطور کلی بر اساس استاندارد ،ابعاد نمونه ها در آزمایش فشار به صورت (<10 D₀ /

در آزمایش فشار نیرو معمولا از طریق صفحات فشار موازی (فک ها)که سطح تماس آنها با نمونه روغنکاری نشده است بر نمونه اعمال می شود .همراه با فشار محوری بعلت وجود اصطکاک در سطح قاعده های نمونه ،تنش های عرضی در جهت شعاع و مماس وارد می شود .لذا بعلت وجود اصطکاک و تنش های ناشی از آن ،از تغییر شکل همگن و یکنواخت نمونه جلوگیری می شود . این ممانعت با افزایش فاصله از سطح فک ها به صورت مخروطی کاهش می یابد .بدین صورت نواحی تاثیر پذیر مخروطی شکل بدست می آید که به هر یک از این ناحیه ها ،نواحی غیر فعال یا مناطق مرده گفته می شود که در این نواحی تنش هنوز به حد تسلیم نرسیده است .بدین ترتیب قسمت های مخروطی شکل از نمونه که در تماس با فک های دستگاه فشار قرار دارند به مقدار بسیار جزئی تغییر شکل یافته و یا هیچ تغییر شکلی نمی یابد و بر عکس در قسمت وسط نمونه های نرم ،تغییر شکل پلاستیکی بدون هیچ ممانعتی صورت می گیرد بطوری که نمونه بشکل یک بشکه که دور تا دور وسط آن متورم شده باشد در آمده (پدیده بشکه ای شدن) و بدین ترتیب تغیر شکل به صورت غیر یکنواخت (غیر همگن)انجام می گیرد .

وسط نمونه ازدیاد قطر بیشتری مشاهده می شود که به این پدیده بشکه ای شدن می گویند .

ü     راه های کاهش اصطکاک

1-روغن کاری سطوح

2-استفاده از تفلون در دو سر نمونه

3-پرداخت کردن فک های دستگاه

4-استفاده از پودر شیشه یا مواد روانساز در دماهای بالا

3-7)  مقایسه آزمون فشار با آزمون کشش

1-مدول الاستیکی مواد تحت تاثیر تنش های کشش و فشاری برابر است 2-در مواد نرم نتایج بدست آمده از آزمون کشش و فشار تقریبا یکسان است .

3- در مواد ترد نتایج حاصله از آزمایش کشش و فشار تفاوت قابل توجهی را نشان می دهند .

4- نتایج حاصل از آزمایش فشار توسط عواملی همچون نوع پرداخت کاری سطح نمونه و نوع روغنکاری تغییر خواهد کرد

4-7) اصول

معمولا رفتار مواد در کشش و فشار تقریبا یکسان است .از طرف دیگر آزمایش فشار به ما این امکان را می دهد که به علت عدم شکست نمونه ،رفتار آن را تا کرنش بالا بررسی کنیم اما قطعه می تواند در اثر زیاد بودن نسیبت طول به قطر دچار کمانه شدن گردد که معمولا در آزمایش کشش رخ نمی دهد.

5-7) مواد تردونرم

در مواد ترد ،استحکام فشاری به راحتی بدست می آید در حالی که همانند آزمون کشش استحکام فشاری برای مواد چکش خوار بایستی بر مبنای چند تغییر شکل دلخواه بدست آید .مواد نرم بر خلاف مواد ترد رفتارهایی مانند شکست ناگهانی از خود نشان نمی دهند زیرا مواد نرم ،گرایش به متورم شدن دارند .

6-7 ) شرایط نمونه هادرآزمایش فشار:

قبل از آزمون ابعاد نمونه بایستی توسط تجهیزات مناسب و با دقت کافی اندازه گیری شود .نمونه آزمایش کشش نسبتا بلند و دارای یک قسمت باریک شده مرکزی به منظور تعیین دقیق ویژگی های کششی ماده است .در آزمون فشار نمی توان از نمونه بلند استفاده کرد زیرا در اثر ایجاد نیروی محوری فشاری مستقیم ،کمانش بوجود می آید و موجب از کار افتادگی قطعه می شود . در آزمون فشار نیرو به دو سر نمونه وارد می شود وآن را تحت فشارقرار می دهد. این کار تمایل به جمع کردن یا فشردن نمونه تحت بار فشاری دارد .لذا نمونه مورداستفاده برای آزمون  تمایل به کوتاه شدن و قطور شدن دارد . معمولا برای انجام آزمون فشار یک سطح مقطع دایره ای برای نمونه پیشنهاد می گردد .بعبارت دیگر شکل نمونه به صورت استوانه می باشد چرا که نمونه های استوانه ای شکل استحکام فشاری بالاتری را نسبت به نمونه های مکعبی شکل یا همان سطح قاعده و همان ارتفاع نشان می دهند. توزیع تنش در نمونه های استوانه ای شکل مناسبتر از نمونه های مکعبی شکل است .نسبت طول ارتفاع نمونه به قطر آن بایستی به دقت انتخاب گردد .هرگاه ارتفاع یا طول نمونه افزایش یابد ،پایداری نمونه کاهش می یابد .

  8 - تابکاری

تابکاری کامل فرایندی است که طی ان ساختار شبکه کار سرد شده ای که واپیچیده است به ساختاری تغییر می یابد که در حین گرم کردن دوچار کرنش نمی شود . این فرایند در حالت جامد انجام می شود و معمولا به دنبال ان سرد کردن اهسته از دمای مطلوب در کوره انجام می گیرد . فرایند تابکاری به سه مرحله تقسیم می شود:

1.      بازیابی

2.      تبلور مجدد

3.      رشد دانه

1-8)  بازیابی(Recovery) و تبلورمجدد(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 می 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 باعث از بین رفتن معایب بلوری موجود و بازیابی ریزساختار و خواص فیزیکی و مکانیکی اولیه می شود . این پدیده تحت عنوان بازیابی و تبلور مجدد بررسی و مطالعه شده است .

2-8)   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.دراین 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 حقیقت با ردیف قرار گرفتن نابه جاییها در زیر هم (به منظور تشکیل مرز های فرعی ) میدان تنش کششی هر نابجایی بر میدان تنش فشاری نابجای دیگر اثر گذاشته وان را کاهش می دهد ویا خنثی می کند .بدین ترتیب بدون انکه تعداد نابجایی هاتغییر کند فقط با ارایش مجدد ومرتب کردن انها انرژی داخلی کاهش می یابد بنابرین نیروی محرکه در عملیات بازیابی همان کاهش انرژی داخلی ناشی از حذف یا ارایش مجدد معایب بلوری حاصل در ضمن کار سختی 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 خواص مکانیکی چندان محسوس نیست . در حقیقت ، عملیات حرارتی تبلور مجدد است که باعث بازیابی خواص مکانیکی قطعه کار سرد شده می شود .

بازیابی فرایندی دما پایین است و تغییر خواص ناشی از این فرایند ، با عث تغییر محسوس ریز ساختار نمی شود . به نظر می رسد اثر عمده ی بازیابی ، ازاد سازی تنشهای داخلی ناشی از کار سرد است.در دمای معین ، اهنگ کاهش کرنش – سختی باقیمانده ، ابتدا سریع ترین مقدار خود را دارد و به تدریج افت می کند . همچنین مقدار کاهش تنش باقیمانده با افزایش دما زیاد می شود . اگر بار بوجود اورنده تغییر شکل مومسان ماده ی چند بلوری حذف شود ، تغییر شکل کشسان ناپدید نمی شود . این به سبب جهت گیری مختلف بلورهاست که فقط بار راها می شود بعضی از انها نمی توانند به عقب بر گردند . با افزایش دما برگشت فنری در اتمهایی که حرکت کشسان کرده اند به وجود می اید که بیشتر تنشهای داخلی را ازاد می کند . در بعضی موارد ممکن است جریان مومسان جزئی موجب افزایش ناچیز سختی واستحکام شود . رسانندگی الکتریکی نیز به طور محسوس طی مرحله بازیابی افزایش می یابد .

چون در بازیابی خواص مکانیکی فلز اساسا تغییر نمی کند ، گرم کردن به طور عمده به منظور ازاد کردن تنش و جلوگیر از ایجاد  ترک های خوردگی تنشی یا به حداقل رسانیدن واپیچش ناشی از تنشهای باقیمانده در الیاژ کار سرد شده بکار می رود .از نظز تجاری این عملیات دما- پایین در گستره ی بازیابی ، تابکاری تنش زدا نامید همی شود .

3-8)  تبلور مجدد :

 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 آیند . اساسا فرآیند تبلور مجدد شامل جوانه زنی و رشد بوده که نیروی 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 عملیات حرارتی تبلور مجدد باعث می شود که دانه های جدید هم محور وعاری از تنش در زمینه فریت تغییر شکل یافته  ورشد  کند . در نتیجه میکروساختار اولیه دو مرتبه بوجود می اید.پس از اینکه تبلور مجدد به پایان رسید ( ساختار تغییر شکل یافته به طور کامل توسط دانه های هم محور عاری از تنش جایگزین شد )، اگر باز هم حرارت دان قطعه ادامه یابد ، دانه های هم محور موجود شروع به درشت شدن می کنند .این عملیات به رشد دانه موسوم است وتا هنگامی که قطعه در دمای بالا قرار دارد ، رشد دانه ها هم ادامه خواهد داشت . در حقیقت رشد دانه ها به این صورت انجام میگیرد که با مهاجرت به مرز دانه ها ، دانه های ریزتر به ترتیب به دانه های درشت مجاور ملحق می شوند . نیروی محرکه یا عامل ترمودینامیکی رشد دانه ها همان انرژی مرز دانه هاست ، بدین صورت که با درشت شدن دانه ها کاهش می یابد وبنابراین انرژی داخلی فلز نیز کاهش خواهد یافت .

با رسیدن به دمایی بالاتر در گستره ی بازیابی ، بلور های کوچک جدیدی در ریز ساختار ظاهر می شوند . این بلور های جدید مانند دانه های اصلی شکل یافته ، ترکیب شیمایی وساختار شبکه ایی یکسانی دارند. انها افزایش طول نمی یابند ودر ابعاد تقریبا یکنواخت اند . ( هم محور) بطور کلی بلور های جدید در قسمتهایی از دانه یا گاهی نیز مرز دانه ها و صفحهی لغزش که تغییر شکل جدید یافته اند ، ظاهر می شوند . توده ای از اتم ها که دانه های جدید از ان پدید می ایند جوانه نامیده می شوند . تبلور مجدد با ترکیبی از جوانه زایی دانه های کرنش نیافته ورشد این جوانه صورت می گیرد تا ماده کار سرد را بطور کامل در بر گیرد .

ابتدا یک دوره نهفتگی وجود دارد که طی ان انرژی کافی برای ادامه فرایند فراهم می شود .در دوره نهفتگی برای جوانه های کرنش نیافته امکان رسیدن به اندازه میکروسکپی فراهم می شود . تشخیص بازگشت ناپذیر بودن رشد بلور های تبلور مجدد یافته حائز اهمیت است . طی بررسی پدیده تبلور مجدد یافته خاطر نشان بود که وقتی اندازه گروهی از اتم ها به حد بهرانی برسد تا یک توده پایدار پدید اورند ، انجماد صورت می گیرد . نطفه هایی که توده کوچکتر از اندازه بحرانی اند ممکن است مجددا حل یا ناپدید شوند ، با این وجود این چون راه حل سادهای برای پدید اوردن مجدد ساختار واپیچیده ی پر نابجایی وجود ندارد ، نطفه تبلور مجدد یافته نمی تواند دوباره حل شود . بنابراین  این نطفه ها تا رسیدن انرژی اضافی باقی می مانند تا بتوانند اتم های بیشتری به داخل شبکه شان جذب کنند . سرانجام اندازه ی نطفه از اندازه بحرانی تجاوز می کند وتبلور مجدد قابل روئیت شروع می شود . دوره ی نهفتگی مطابق است با رشد غیر قابل بازگشت نطفه ها .

 4-8)  دمای تبلور مجدد :

اصطلاح دمای تبلور مجدد به دمای معینی که در کمتر از آن تبلور مجدد صورت نگیرد اطلاق نمی شود ، بلکه به دمای تقریبی که در ان ماده بسیار کار سرد شده ،ظرف یک ساعت بطور کامل تبلور مجدد یابد اشاره می کند .توجه داشته باشید که دمای تبلور مجدد فلزهای بسیار خالص  در مقایسه با فلزهای ناخالص و الیاژها پایین تر است . دمای تبلور مجدد روی قلع وسرب پایین تر از دمای اتاق است ، به این معنی که بر این فلز ها در دمای اتاق نمی توان کار سرد کرد ، چون فورا تبلور مجدد می یابند و ساختار شبکه ای کرنش نیافته ای پدید می آورند .

هر چه تغییر شکل قبلی بیشتر باشد ، دمای شروی تبلور مجدد پایین تراست چون واپیچش بیشترودرنتیجه انرژی داخلی باقیمانده زیاد تر خواهد بود .

با افزایش مدت تابکار دمای تبلور مجدد کاهش می یابد . اثر تغییر دما بر فرایند تبلور مجدد، نسبت به اثر تغییر زمان در دمای ثابت ، بیشتر است .

برای مقادیر مساوی کار سرد در فلز دانه ریز ، کرنش سختی بیشتری نسبت به فلز دانه درشت صورت می گیرد بنابراین هر قدر اندازه دانه ها ی اولیه ریزتر باشد ، دمای بلور مجدد پاینتر است . طبق همین استدلال هر قدر دمای کار سرد پاینتر باشد ، مقدار کرنش انجام شده بیشتر است ودمای تبلور مجدد ،در صورت ثابت بودن زمان تابکاری ، کاهش می یابد .

برای تبلور مجدد ، مقدار کارسردحداقلی (معمولا 2تا8 درصد ) لازم است . این تغییر شکل  تغییر شکل بحرانی نام دارد . در این تغییر شکل ها با مقدار کمتر از حد بحرانی ، تعداد جوانه های تبلور مجدد خیلی کم می شود.

5-8)  رشد دانه :

انرژی ازاد دانه های درشت نسبت به دانه های ریز کمتر است.این تفاوت در انرژی به علت کاهش مرز دانه هاست.  بنابراین در شرایط ایده ال یک تک بلور ، کمترین مقدار انرژی را دارد . این مقدار انرژی نیروی محرکه برای رشد دانه است . در مقابل این نیرو ، صلابت شبکه قرار دارد . با کاهش دما ، صلابت شبکه کاهش و اهنگ رشد دانه افزایش می یابد . در هر دمایی ،اندازه ی بیشینه ای از دانه وجود دارد که به ازای آن دو اثر مذکور در تعادل اند .

بنابراین از لحاظ نظری می توان دانه های بسیار درشتی را با نگه داشتن نمونه در منطقه رشد – دانه برای مدت طولانی ، بدست اورد .

6-8 ) مدت زمان نگه داری در دمای تبلور مجدد:

افزایش مدت نگه داری در هر دمای بالاتر از دمای تبلور مجددرشد دانه را افزایش می دهد واندازه نهایی دانه را بیشتر می کند.

براساس استاندارد موجود، دماهای عملیات حرارتی CK45 جدول 1 ارائه شده است.

جدول 1

9- سیال کوئنچ                          

سیال کوئنچ برای عملیات حرارتی قطعات از جنس CK45 معمولاً روغن‌های معدنی است که از نظر سرعت سردکنندگی به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند.  شکل 1، قدرت سردکنندگی سه نوع روغن در دمای 40                                         درجه سانتی‌گراد را نشان می‌دهد.

       شکل 1

همان‌گونه که در شکل 1 دیده می‌شود، نرخ خنک‌کنندگی روغن در ابتدای کوئنچ قطعات، زیاد بوده و پس از مدت کمی، کاهش یافته است. علت این امر، تشکیل فیلم بخار در اطراف قطعات است که سبب کاهش انتقال حرارت می‌شود. لذا برای جبران این موضوع می‌توان موارد ذیل را پیش ‌بینی کرد .

حجم روغن باید آن‌قدر زیاد باشد که در نتیجه کوئنچ تغییرات دمایی آن به حداقل برسد.

روغن باید در حین کوئنچ، هم زده شود تا باعث شکستن فیلم بخار در اطراف قطعه شده و انتقال حرارت افزایش یابد.روغن‌ها بسته به نوع خود در دمایی خاص، بیشترین انتقال حرارت را دارند.به همین دلیل، روغن باید همواره تا دمایی با بیشترین انتقال حرارت، گرم شود.

10- اندازه گیری ابعاد دانه

سه روش پیشنهادی برای تخمین اندازه دانه توسط ASTM پیشنهاد شده است :

1.      روش مقایسه ای

2.      روش جداسازی(یا روش هین)

3.      روش مساحت سنجی(یاروش جفری)

1-10)  روش مقایسه ای:

نمونه را طبق روش های مورد استفاده در متالوگرافی آماده و حکاکی می کنیم .تصویر یا عکس ریز ساختار با بزرگنمایی 100 را با یک سری از نگاره های مربوط به اندازه دانه درجه بندی شده استاندارد(ASTME112-63) مقایسه می کنیم و تصویر مشابه را می یابیم و سپس اندازه دانه فلز را توسط عددی مطابق با عدد شاخص تصویر مشابه ، مشخص می کنیم . فلزها با دانه های مختلف به همین روش درجه بندی می شوند ودر چنین مواردی معمول است اندازه دانه را بر حسب دو عدد که نشانگر درصد تقریبی اندازه های موجودند ، ارائه می دهیم . روش مقایسه ایی برای نمونه های دانه های هم محور مناسب تر ودقیق تر است . عدد اندازه دانه ASTM ، n را می توان از رابطه ی زیر بدست اورد :

n-1

N=2            

که N تعداد دانه های  مشاهده شده در تقریبا 6.5 سانتیمتر مربع (یا یک اینچ مربع ) با بزگ نماییX100است. چارت ارائه شده در بززرگنمایی 100x می باشد اگر عکس های متالوگرافی شده در بزرگنمایی بیشتر یا کمتر باشد طبق فرمول زیر اندازه دانه واقعی را محاسبه میکنیم :

Q=-6.64 Log   ------                                         

:m بزرگنمای عکسهای متالوگرافی شده

M :بزرگنمایی چارت که 100X می باشد

و جوابQ  را با اندازه دانه بدست امده از مقایسه باچارت استانداردجمع میکنیم،حاصل اندازه دانه در بزرگنمایی فوق است.                                                                                         

چارت استاندارد تعیین اندازه دانه

 11-  مواد وروش تحقیق :

به منظور نیل به هدفی که در مقدمه بیان شد نمونه ck45 با ترکیب گفته شده مورد نیاز است

عملیات انجام شده بر روی نمونه ها عبارت اند از:

1.      برش نمونه ها با استفاده از دستگاه کاتر

2.      انجام عملیات مکانیکی سرد ( ازمون فشار)

3.      عملیات حرارتی نمونه ها

4.      متالوگرافی

دمای تبلور مجدد بر روی نمونه ها یکسان بوده ولی آزمون مکانیکی ( آزمون فشار) در نمونه ها بصورت متفاوت انجام شده است ، ترتیب چینش نمونه ها بایستی بگونه ایی باشد تا تاثیر میزان کار مکانیکی سرد بر روی نمونه ها بهتر مورد بررسی قرار دهیم .

لازم به ذکر است علت اینکه فقط عملیات کار مکانیکی سرد( ازمون فشار)متغییر انتخاب شده ولی بقیه ی عملیات ها ثابت نگه داشته شده اند در بحث های ویژه ی هر یک از این عملیات ها اورده شده که با توجه به مطالب ذکر شده در بخشهای مذکور قابل استنباط می باشد وذکر دوباره مطالب در این بخش لازم نمی باشد.

1-11 ) شرح تحقیق بصورت زیر می باشد:

نمونه aرا بصورت خام جهت مقایسه کنار می گذاریم،یعنی اینکه هیچ گونه عملیاتی روی این نمونه انجام نمی شود جز متالوگرافی کردن

 2-11)  انجام کار مکانیکی سرد بر روی نمونه ها :

قبل از آزمون کشش نمونه ها تا شماره 800در جهت طولی سمباده زده شدند وسپس طبق تصویر زیر کشیده شدند که به دلیل کالیبره نبودن دستگاه نمونه به حد گلویی نرسیده به همین جهت در ادامه از آزمون فشار جهت کارسرد کردن نمونه استفاده شد

کشش نمونه در دستگاه  کشش بصورت زیر می باشد:

3-11)    انجام آزمون فشار بر روی نمونه ها :

مرحله اول: تهیه 3 نمونه استاندارد که بهتراست به منظور توزیع یکنواخت تنش به شکل استوانه ای شکل بوده. به عبارت دیگر طول (ارتفاع) نمونه نباید از دو برابر قطر کوچکترین سطح مقطع تجاوز کند.

مرحله دوم : ابعاد دقیق نمونه ها را توسط کولیس اندازه گیری می شود

مرحله سوم: نمونه ها را یکی پس از دیگری بین فک دستگاه قرار داده وبه انها نیرو وارد می کنیم ، فشار نمونه ها تحت سه نیروی متفاوت می باشد

در نهایت طول ثانویه ی نمونه ها را بعد از  فشار با کولیس اندازه گرفته وکرنش طولی هر نمونه را محاسبه می کنیم

شماره نمونه	طول اولیه نمونه	میزان نیروی وارده	طول ثانویه نمونه	کرنش طولی
نمونه شماره 1	12mm	175bar یا   2200psi	mm 9	E = 25
نمونه شماره 2	mm 12	150 bar یا   2000 psi	mm 10	16.6 E=
نمونه شماره 3	mm 12	140bar یا     1900psi	mm 11	E = 8.33

 طبق جدول زیر:

بعد از کار سرد کردن،  نمونه ها را درجهت عمود بر نیروی وارد شده برش زده و متالوگرافی می کنیم.

با مراجعه به راهنمای کلید فولاد،دمای تبلور مجدد فولادck45 را یافته و سپس نمونه هایی که تحت فشار قرارداده شده اند را تبلور مجدد میکنیم . مشخص شدکه دمای تبلورمجدد فولاد  ck45طی سیکل زیر انجام می شود

سیکل :

حرارت دادن تا دمای 650 درجه سانتیگراد ونگه داشتن در این دما در مدت کمتراز یک ساعت وسپس  خنک کردن در آب وروغن

ساختار فوق فریت وپرلیت می باشد نمونه فوق با محلول نایتال %2 اچ شده است. و با بزرگنمایی 400X نشان داده شده است.

4- 11)  تصاویر متالوگرافی

تصویر1: ساختار میکروسکپی فولاد ck45 نمونه خام که هیچ گونه عملیاتی روی ان انجام نشده است 

تصویر2:ساختار میکروسکپی فولاد ck45 که تحت فشار 2200psi قرارگرفته است

تصویر 3 : ساختار میکروسکپی فولاد که تحت فشار 2000psi کارسرد روی ان انجام شده است

تصویر 4 : ساختار میکروسکپی فولاد ck45 که تحت فشار 1900 روی ان کار سرد انجام شده است

تصویر 5 : ساختار میکروسکپی تبلور مجدد یافته ی فولاد ck45 که تحت فشار 2200 psiکار سرد روی ان انجام شد

* عدد اندازه دانه با توجه به روش مقایسه ای  n= 12  

تصویر6 : ساختار میکروسکپی تبلور مجدد یافته ی فولاد ck45 که تحت فشار 2000 psiکار سرد روی ان انجام شد

*عدد اندازه دانه واقعی در بزرگنمایی 400:     n= 10

تصویر 7: ساختار میکروسکپی تبلور مجدد یافته ی فولاد ck45 که تحت فشار 1900 psiکار سرد روی ان انجام شد.

* عدد اندازه دانه واقعی در بزرگنمایی 400:   n = 8    

12- نتایج :

•   در فرایندهای تغییر شکل فلزات در دمای معمولی محیط تا دماهای کمترازنصف دمای ذوب فلز،با ازدیاد تغییر شکل، چگالی نابجاییها افزایش می یابد. اما با تجمع نابجاییها پشت موانعی از قبیل ناخالصیها ومرزدانه ها وهمچنین تلاقی آنها،از تحرک نابجایها کاسته می شود ودر نتیجه استحکام و حد تسلیم افزایش و انعطاف پذیری کاهش می یابد. انرژی داخلی فلز تغییر شکل سرد یافته بیشتر از فلز تغییر شکل نیافته است. ساختار شبکه نابجایی حاصل از فلز تغییرشکل یافته ازلحاظ مکانیکی پایداراما ازلحاظ ترمودینامیکی ناپایداراست. پدیده کار سختی و یا کرنش سختی که در حین تغییر شکل سرد رخ می دهد، می تواند از طریق انجام پدیده متقابلی به نام پدیده نرم شدن (softening) که با تغییر آرایش و چگالی نابجایی همراه است، جبران شود. بنابراین می توان با حرارت دادن نمونه تغییر شکل سرد یافته و افزایش دما، آن را از حالت پایداری مکانیکی خارج و شرایط را برای انجام پدیده نرم شدن فراهم آورد. پدیده های مهمی که منجر به نرم شدن فلز تغییر شکل یافته می شوند ، بازیابی وتبلور مجددهستند.

• ریزساختارتبلور مجدد یافته در حالت تعادل ترمودینامیکی نیست. ازاین رو با طولانی تر شدن زمان حرارت دهی دانه های کریستالی به رشد خود ادامه می دهند. نیرو محرکه رشد دانه ها، انرژی مرز دانه (کاهش انرژی آزاد) حاصل ازکاهش سطح خارجی مرزدانه ها در واحد حجم نسبت به افزایش اندازه دانهاست. مرحله رشد دانه به شدت به درجه حرارت بستگی دارد. تبلور مجدد ثانویه نیز در مرحله رشد دانه، شناسایی شده است: در تبلور مجدد ثانویه فقط تعدادی از دانه ها بطور ترجیحی رشد می کنند، بطوری که در حین تبلور مجدد ثانویه دانه های بزرگتر در کنار دانه های نسبتاً کوچک تبلور مجدد اولیه شکل می گیرند.

•        عوامل موثر بر تبلور مجدد عبارتند از:

ü     میزان تغییر شکل یا کرنش اعمالی

ü     درجه حرارت

ü     مدت زمان نگهداشتن در دمای تبلور مجدد

ü     اندازه دانه اولیه

ü     آنالیز شیمیایی فلز

ü     میزان بازیابی قبل از شروع تبلور مجدد.

▪   توجه به نکات زیر در پدیده recrystallization ضروری بنظر میرسد:

ـ تبلورمجدد فقط در صورتی می تواند انجام گیرد که مقدار حداقل   تغییر شکل معینی انجام گرفته باشد.
ـ هر چقدر میزان این تغییر شکل بیشتر باشد، دانه تبلور یافته نیز کوچکتر خواهد شد.

 همان طور در بالا (تصاویر متالوگرافی)مشاهده گردید :

دراثر فشارpsi 2200 کرنش طولی به میزان 25 ایجادشده واندازه دانه ها دراثر تبلور مجدد به12 تغییر یافتند.

دراثر فشارpsi 2000 کرنش طولی به میزان 16.6  ایجاد شده واندازه دانه ها در اثر تبلور مجدد به 10 تغییر یافتند.

در اثر فشار psi 1900 کرنش طولی به میزان8.33  ایجاد شده واندازه دانه ها در اثر تبلور مجدد به 8  تغییر یافتند.
ـ اندازه نهایی دانه های تبلورجدد یافته به میزان کرنش اعمالی و دمای تبلور مجدد بستگی دارد.
ـ هر چقدراندازه دانه های اولیه کوچکترباشد، میزان تغییر شکل مورد نیاز برای یک دمای تبلور مجدد معین کوچکتر است.
ـ دمای تبلور مجدد با افزایش میزان خلوص فلز کاهش می یابد.
ـ اگر دانه های جدید فاقد کرنش در دمایی بیشتر از دمای لازم برای تبلور مجددحرارت داده شوند،اندازه دانه بسیاربزرگ خواهد شد.
ـ دمای تبلور مجدد یک دمای ثابتی نیست و به عوامل فوق بستگی دارد، اما در کارهای عملی دمای  تبلور مجدد، دمایی تعریف می شود که درآن:تبلورمجددآلیاژی که تغییر شکل سرد یافته(به مقدار زیاد) در مدت یک ساعت انجام گیرد.
تبلور مجدد را می توان برای فلزات خالص صنعتی به کمک رابطه T > (۰.۴-۰.۵) Tm بصورت تقریبی تخمین زد.

منابع و ماخذ:

1)    اصول و کاربردی عملیات حرارتی فولادها(ویرایش دوم)

        تالیف:دکتر محمد علی گلعذار

2)    راهنمای کلید فولاد