آهنگ سرد شدن در سختی پذیری



یک فولاد تحت تأثیر دو پارامتر مهم تغییر می‌ کند: یکیانتقال حرارت از داخل به سطح نمونه فولادی و دیگری انتقال حرارت از سطح قطعه توسط محیط سرد کننده. توانایی انتقال حرارت یک فولاد توسط پارامتر نفوذ حرارتی یا نسبت هدایت حرارتی به گرمای ویژه حجمی آن مشخص می‌ شود. نفوذ حرارتی محصولات دگرگونی آستنیت با کاهش دما افزایش می‌ یابد. برای یک محیط سرد کننده سریع، نفوذ حرارتی مشخص کننده توزیع دما در ناحیه سریع سرد شونده در هر لحظه است. شکل زیر آهنگ‌ های سرد شدن نقاط مختلف در یک قطعه فولادی به قطر یک اینچ را هنگامی که در محیطی با شدت سردکنندگی 4=H سریع سرد شود، نشان می‌ دهد. آهنگ‌ های سرد شدن آهسته‌ تر در نقاط دور از سطح و نزدیک مرکز، زمان بیشتری را برای انجام دگرگونی نفوذی فراهم می‌کند. در حقیقت، همین شرایط است که منجر به سختی کم مراکز میله‌ هایی می‌شود؛ این پدیده، مخصوصا در میله‌ هایی با قطر های زیاد مشهودتر است. از آنجایی که عملا امکان کنترل خواص حرارتی در فولاد ها بسیار کم است مهم‌ ترین روش، کنترل آهنگ سرد شدن یک قطعه با انتخاب صحیح محیط سرد کننده مناسب انجام می‌ شود.

انتقال حرارت در فصل مشترک قطعه فولادی با محیط سرد کننده آن مسئله نسبتا پیچیده‌ای است. این پدیده بستگی به شدت تشعشع حرارت از سطح فولاد و جریان‌ های همرفت در داخل محیط سردکننده دارد. این امر باعث دور کردن حرارت از فصل مشترک فلز - محیط می‌ شود. بهترین راه برای بررسی این مسئله مطالعه نمودار سرد شدن یک نمونه فولادی در محیط مورد نظر است. برای رسم این نمودار ترموکوپل‌ هایی در نقاط مختلف نمونه نصب کرده و با استفاده از یک ثبت کننده با حساسیت زیاد افت دما برحسب زمان را ثبت می‌ کنند. شکل زیر نمونه‌ ای از این نمودار ها برای سطح و مرکز یک استوانه فولادی کوچک موقعی که از دمای بالا در تماس با یک مایع سرد قرار گیرد نشان داده شده است.

در این شکل، چهار مرحله سرد شدن نشان داده شده است که عبارت‌اند از:

مرحله 'A: اولین مرحله تماس با مایع (Initial liquid contact stage)

این مرحله اولین اثر غوطه‌ ور شدن نمونه داغ در یک مایع سرد را نشان می‌ دهد و شامل تشکیل حباب‌ های بخار روی سطح نمونه است که منجر به تشکیل لایه بخار (مرحله A) می‌ شود. مرحله 'A فقط در حدود 0.1 ثانیه طول می‌ کشد و در ارزیابی مکانیزم کاهش دما از همیت بسیار کمی برخوردار است. فقط در صورتی می‌ توان به مرحله 'A پی برد که برای رسم منحنی کاهش دما برحسب زمان از وسایل و تجهیزات بسیار دقیق و حساس استفاده شود. به علاوه، در صورتی که مایع سرد کننده دارای گرانروی بالایی بوده، حاوی گاز باشد و یا در دمایی نزدیک دمای جوش استفاده شود مرحله فوق از بین می‌ رود.

مرحله A: مرحله سرد شدن توسط لایه بخار (Vapor blanket cooling stage)

این مرحله شامل تشکیل یک لایه بخار پایدار در اطراف قطعه و در نتیجه جدا کردن آن از محیط سرد اطراف است. این مرحله را هنگامی خواهیم داشت که حرارت حاصل از سطح نمونه از مقدار گرمای لازم برای به صورت بخار در آوردن مایع در واحد سطح قطعه بیشتر باشد. از آنجایی که در این مرحله سرد شدن قطعه توسط تشعشع حرارت از میان لایه بخار پایدار انجام می‌ شود و به علاوه لایه بخار نیز به عنوان یک عایق عمل می‌ کند، این مرحله یکی از مراحل سرد شدن آهسته است. این مرحله در محلول‌ های غیرفرار نظیر پتاسیم کلرید، لیتیم کلرید، سدیم هیدروکسید و اسیدسولفوریک (در غلظت‌های حدود 5 درصد) دیده نمی‌ شود. نمودارهای سرد شدن در محیط‌ های فوق بلافاصله از مرحله B شروع می‌ شود. اگر از موادی مانند

(1) محلول‌ های اشباع باریم‌ هیدروکسید، کلسیم‌ هیدروکسید (و یا مواد مشابه دیگر که به میزان کم در آب محلول‌ اند)

(2) محلول‌ های حاوی ذرات جامد بسیار ریز و معلق

(3) محلول‌ های کلوئیدی در آب

استفاده شود، در مرحله A لایه‌ای از مواد فوق بر روی سطح قطعه رسوب کرده و باعث طولانی شدن مراحل A و C می‌ شود. شرایط فوق معمولا منجر به تشدید عملکرد مرحله B خواهد شد. محلول‌ هایی که حاوی مواد ژلاتینی باشند نظیر پلی وینیل الکل، ژلاتین، صابون و نشاسته در اطراف لایه بخار تشکیل شده در مرحله A یک لایه ژلاتینی تشکیل داده و بنابراین مراحل مختلف سرد شدن را طولانی‌ تر می‌ کنند.

مرحله B: مرحله سرد شدن توسط انتقال بخار (Vapor transport cooling stage)

این مرحله بیشترین آهنگ انتقال حرارت را در بین مراحل مختلف دارد و هنگامی شروع می‌ شود که دمای سطح فلز آنقدر کاهش یابد که سبب ناپایداری لایه بخار شده و در نتیجه آن را به قطرات مایع تبدیل کند. این قطرات پس از تماس مجدد با فلز بلافاصله بخار شده و در اثر جذب گرمای نهان از قطعه، باعث سرد شدن سریع آن می‌ شوند. مدت زمان و آهنگ سرد شدن در این مرحله توسط پارامتر های مختلفی نظیر نقطه جوش مایع، اندازه و شکل حباب‌ های بخار کنترل می‌ شوند.

مرحله C: مرحله سرد شدن توسط مایع (Liquid cooling stage)

آهنگ سرد شدن در این مرحله از مراحل A و B کمتر است. مرحله C هنگامی شروع می‌ شود که دمای سطح فلز تا زیر دمای نقطه جوش مایع سرد کننده کاهش یابد. در زیر این دما، جوشیدن مایع متوقف شده و بنابراین اطراف قطعه را مایع اشغال می‌ کند. از این رو، دفع حرارت از این لحظه به بعد توسط هدایت و همرفت انجام می‌ شود. از جمله پارامتر های مؤثر بر روی آهنگ سرد شدن در این مرحله گرانروی مایع و اختلاف دما بین دمای محیط و نقطه جوش آن است.

به کمک منحنی‌ های سرد شدن می‌ توان اثرات پارامترهای مختلف را بر روی آهنگ سرد شدن یک قطعه در یک محیط مشخص بررسی کرد. به عنوان مثال، ایجاد تلاطم در محیط سرد کننده و یا حرکت دادن نمونه در آن باعث کاهش پایداری لایه بخار در مرحله A و تشکیل حباب‌ های کوچک‌ تر و مجزا از یکدیگر در مرحله B خواهد شد. اثر تلاطم محیط در مرحله C بدین صورت است که لایه‌های جامد و ژلاتینی که بر روی سطح قطعه و یا در فصل مشترک لایه بخار و محیط تشکیل شده است را به طور مکانیکی از بین برده و در نتیجه آهنگ سرد شدن در این مرحله نیز افزایش می‌ یابد. به علاوه، ایجاد تلاطم در محیط باعث می‌ شود که مایع سرد، سریع جانشین مایع گرم شده و در تماس مستقیم با قطعه قرار گیرد.

گرچه منحنی‌ های سرد شدن سطح و مرکز در شکل فوق منحصرا مربوط به یک نمونه آزمایشی مشخص است ولی لازم به اشاره است که مکانیزم سرد شدن دقیقاً مشابه با مکانیزم سرد شدن یک نمونه واقعی در ضمن عملیات حرارتی است. همچنین، گرچه منحنی سرد شدن به دست آمده بستگی به اندازه و جنس نمونه مورد آزمایش، موقعیت ترموکوپل‌ها و شرایط مایع سرد کننده دارد، با این حال با استفاده از فرمول‌ های انتقال حرارت که تحت شرایط مشخص از منحنی‌ های سرد شدن به دست آمده است می‌ توان منحنی‌ های سرد شدن تحت شرایط دیگر را استنتاج کرد. همچنین با استفاده از اطلاعات فوق می‌توان شدت یا قدرت سرد کنندگی میحط‌ های مختلف را مشخص کرد.




1397/07/29 - 16:15 دانشنامه