عوامل موثر بر سختی پذیری

برای بررسی عوامل موثر بر سختی پذیری (Hardenability Parameters) باید به عوامل موثر بر دگرگونی پرلیت توجه داشت. در صورتی سختی پذیری یک فولاد زیاد است که حتی در آهنگ‌ های سرد شدن نسبتا آهسته نیز دگرگونی نفوذی تشکیل پرلیت انجام نشده و آستنیت به مارتنزیت تبدیل شود. برعکس در فولاد هایی که سختی پذیری آن ها کم است، تشکیل مارتنزیت مستلزم سرد شدن سریع است. در هر دو حالت، پارامتر محدود کننده، آهنگ تشکیل پرلیت در دماهای بالاست. به طور کلی هر عاملی که خطوط تشکیل پرلیت در نمودار CCT را به سمت راست منتقل کند امکان تشکیل مارتنزیت در آهنگ‌های سرد شدن کمتر را فراهم می‌کند. بنابراین، انتقال دماغه نمودار CCT به سمت راست همراه با افزایش سختی پذیری است. به بیان دیگر می‌توان گفت، هر عاملی که باعث کاهش آهنگ جوانه‌ زنی و رشد پرلیت شود (زمان لازم برای جوانه زنی و رشد پرلیت را افزایش دهد) سختی پذیری را در فولادها افزایش می‌ دهد. این عوامل عبارت‌اند از:

1- اندازه دانه های آستنیت

2- درصد کربن

3- عناصر آلیاژی

4- آخال - ناخالصی های غیر فلزی

5- همگن بودن ریز ساختار

اثر اندازه دانه های آستنیت بر سختی پذیری

اثر اندازه دانه‌ ها بر روی سختی پذیری باتوجه به جوانه زنی ناهمگن پرلیت از مرز دانه‌ های آستنیت توضیح داده می‌ شود. در حالی که آهنگ رشد پرلیت مستقل از اندازه دانه‌ های آستنیت است، تعداد جوانه‌هایی که در واحد زمان (ثانیه) تشکیل می‌شود مستقیما با محل‌های مناسب برای تشکیل آنها (مرز دانه‌ها) متناسب است. از آنجایی که با ریز شدن دانه‌ها کل سطوح مربوط به مرز دانه‌ها افزایش می‌یابد، در یک فولاد با دانه‌ های ریز تشکیل پرلیت به مراتب سریع‌ تر از یک فولاد با دانه‌ های درشت است. در نتیجه سختی پذیری فولاد با دانه‌های ریز کمتر از سختی پذیری فولاد با دانه‌های درشت خواهد بود. لیکن، استفاده از فولاد با دانه‌ های درشت به منظور افزایش سختی پذیری عملا کاربرد صنعتی ندارد، زیرا افزایش سختی پذیری از این روش با تغییرات ناخواسته و زیان آور در خواص فولاد نظیر افزایش تردی و کاهش انعطاف پذیری همراه است. از جمله معایب دیگر که بیشتر در فولادهای دانه درشت به وجود می‌آید عبارت است از: ترک‌های ناشی از سریع سرد کردن یا ترک‌ های ناشی از شوک‌ های حرارتی که در اثر تنش‌ های حاصل از عملیات حرارتی به وجود می‌ آیند.

اثر درصد کربن بر سختی پذیری

سختی پذیری یک فولاد شدیدا تحت تأثیر درصد کربن آن تغییر می‌ کند. بدین صورت که اگر کربن به صورت محلول در آستنیت باشد، افزایش آن باعث افزایش سختی پذیری می‌شود. دلیل این امر را می‌ توان در این حقیقت جستجو کرد که با افزایش درصد کربن تشکیل پرلیت و فاز پرویوتکتویید مشکل‌ تر شده و در نتیجه نمودار CCT به سمت راست جابه‌جا می‌ شود. این موضوع نه تنها برای فولاد های هیپویوتکتویید، بلکه برای فولاد های هایپریوتکتویید که قبل از سریع سرد شدن کاملاً آستنیته شده باشند نیز صادق است. برای سخت کردن فولادهای هایپریوتکتویید، آن ها را در ناحیه  دوفازی آستنیت - سمنتیت آستنیته می‌ کنند. در این حالت، درصد کمی از کربن در آستنیت حل نشده و به صورت سمنتیت پایدار باقی می‌ ماند. در ضمن سرد کردن ذرات سمنتیت حل نشده باعث افزایش جوانه زنی پرلیت و در نتیجه کاهش سختی ناپذیری می‌ شوند.

اثر عناصر آلیاژی بر سختی پذیری

عناصر آلیاژی به جز کبالت تا حدی که در آستنیت کاملا حل شده باشند سختی پذیری را افزایش می‌دهند.

مشخص شده است که عناصری که میل ترکیبی آن ها با کربن بیشتر از تمایل آن ها به حل شدن در فریت باشد در صورتی بیشترین اثر را بر روی سختی پذیری دارند که قبل از سریع سرد شدن فولاد، در آستنیت کاملا حل شده باشند. یک عنصر کاربید ساز که در آستنیت حل نشده باشد به صورت ذرات کاربید در ساختار ظاهر می‌شود و مانع از رشد دانه‌های آستنیت شده و در نتیجه سختی پذیری را کاهش خواهد داد. کاربید های حل نشده، درصد کربن و عناصر آلیاژی محلول در آستنیت را نیز کاهش می‌ دهند. از این رو، برخی مواقع سریع سرد کردن فولاد از دمای بالاتر باعث افزایش عمق سختی فولاد می‌ شود. در حقیقت افزایش دمای آستنیته کردن باعث انحلال کاربیدها و همچنین افزایش اندازه دانه‌ های آستنیت می‌ شود. در شکل زیر توزیع سختی در نمونه‌ های استوانه‌ ای به قطر یک اینچ از دو نوع فولاد، یکی کربنی ساده با 0.9 درصد کربن و دیگری آلیاژی با 0.9 درصد کربن و 0.27 درصد وانادیم که از دما های مختلف سریع سرد شده اند، نشان داده شده است. به طوری که ملاحظه می‌ شود اگر هر دو فولاد از یک دمای ثابت (975 درجه سانتیگراد یا 1800 درجه فارنهایت) سریع سرد شوند سختی پذیری فولاد کربنی ساده همواره بیشتر از فولاد وانادیم دار خواهد بود. دلیل این امر را می‌ توان این گونه تشریح کرد که، رشد دانه‌ های آستنیت در فولاد وانادیم دار مستلزم انحلال کاربید های وانادیم بوده و بنابراین رشد دانه‌ ها در این فولاد به مراتب کندتر از فولاد کربنی ساده است، مگر در دماهای بالا که کاربیدهای وانادیم در آستنیت حل شوند. از طرفی عدم انحلال رسوبات کاربید باعث کاهش درصد کربن و وانادیم فولاد شده که منجر به کاهش بیشتر سختی پذیری فولاد وانادیم دار می‌ شود.

توزیع سختی در میله‌هایی از جنس فولاد کربنی ساده (سمت چپ) و فولاد وانادیم دار (سمت راست) به قطر یک اینچ برحسب دمای آستنیته کردن و عدد اندازه دانه

از مطالعه شکل فوق مشخص است که سختی پذیری فولاد کربنی ساده با اندازه ی  دانه 4-5 ASTM تقریبا با سختی پذیری فولاد وانادیم دار با اندازه دانه 7-8 ASTM برابر است. دمای آستنیته کردن 900 درجه سانتیگراد (1650 درجه ی  فارنهایت) مربوط به فولاد وانادیم دار بر دمای شروع انحلال کاربیدهای وانادیم در آستنیت منطبق است. در حقیقت اولین اثر قابل توجه انحلال کاربید وانادیم در آستنیت افزایش سختی پذیری فولاد مزبور است. میزان افزایش سختی پذیری در این حالت با اثر 3 عدد اندازه دانه (یعنی از 7 یا 8 به 4 یا 5) معادل است. در دماهای بالاتر نظیر 975 درجه سانتیگراد (1800 درجه فارنهایت) که درصد بیشتری از وانادیم در آستنیت حل می‌ شود، اندازه دانه‌ ها در فولاد وانادیم دار به 4 تا 5 رسیده، درصد کربن و وانادیم فولاد افزایش یافته و سختی پذیری آن حتی از فولاد کربنی ساده با عدد اندازه دانه 1-2 نیز بیشتر می‌ شود. با افزایش بیشتر دمای آستنیته کردن، کاربیدهای بیشتری در فولاد حل می‌ شود، در نتیجه اندازه دانه‌ های فولاد وانادیم دار به سمت اندازه دانه‌ های فولاد کربنی ساده میل کرده و حتی از آن هم بیشتر خواهد شد و بنابراین باعث سختی پذیری فوق العاده زیاد فولاد می‌ شود، به نحوی که برای نشان دادن آن نیاز به میله‌ هایی با قطر بیشتر از یک اینچ خواهد بود.

اثر آخال بر سختی پذیری

آخال یا ناخالصی‌ های غیر فلزی به صورت ذرات بسیار ریز در ریزساختار فولاد توزیع شده و از رشد دانه‌ های آستنیت جلوگیری می‌ کنند. علاوه بر آن، این ذرات به عنوان محل‌ های تشکیل پرلیت عمل می‌ کنند و بنابراین جوانه زنی پرلیت از آستنیت را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌ دهند. به این ترتیب، آخال ها سختی پذیری را کاهش خواهند داد. موارد زیادی وجود دارد که دانه‌ های یک فولاد با آستنیته شدن در دمای بالا درشت شده در حالی که سختی پذیری آن چندان بهبود نمی‌ یابد. این پدیده می‌ تواند ناشی از وجود آخال زیادی باشد که در ریزساختار فولاد همچنان باقی مانده و باعث سهولت جوانه زنی و تشکیل پرلیت می‌ شود.

اثر همگن بودن ریز ساختار بر سختی پذیری

در حالی که کاربید آهن به راحتی در فاز آستنیت حل می‌شود، بعضی از کاربید های آلیاژی نظیر کاربید هایی که توسط کرم، مولیبدن و عناصر مشابه دیگر تشکیل می‌ شوند نرخ انحلال کمتری دارند. بنابراین، برای اینکه انحلال کاربید های فوق در آستنیت به طور کامل انجام شود، گاهی نیاز است که فولاد در دمایی بالاتر و یا برای زمانی طولانی‌تر از فولاد کربنی ساده آستنیته شود. در مواردی که فولاد قبل از انحلال کامل کاربیدها و توزیع یکنواخت آنها در آستنیت سریع سرد شود، نواحی مختلف آستنیت از نظر ترکیب شیمیایی همگن نخواهد بود. تحت چنین شرایطی سختی پذیری نقاطی که از نظر درصد کربن و عنصر آلیاژی فقیرند کم خواهد بود. از سوی دیگر نواحی پرکربن که از نظر درصد عنصر آلیاژی نیز غنی هستند از سختی پذیری خوبی برخوردار خواهند بود. بنابراین، به طور کلی ناهمگن بودن آستنیت از نظر ترکیب شیمیایی باعث کاهش سختی پذیری فولاد می‌ شود. این عیب را می‌ توان با افزایش دما و یا زمان آستنیته کردن و در نتیجه انحلال بیشتر و یکنواخت‌ تر کاربیدها در آستنیت برطرف کرد.

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن