انواع سختی پذیری

سختی پذیری

هدف از عملیات حرارتی فولاد اغلب دستیابی به سختی پذیری مناسب است. فاز ریزساختاری مهم معمولاً مارتنزیت است که سخت ترین ماده در فولادهای کم آلیاژ است. سختی مارتنزیت در درجه اول به درصد کربن آن بستگی اگر ریزساختار کاملاً مارتنزیتی نباشد، سختی آن کمتر است. در عملیات حرارتی، رسیدن به سختی کامل تا حداقل عمق معین پس از سرد شدن ( یعنی به دست آوردن یک ریزساختار کاملاً مارتنزیتی تا یک حداقل عمق معین) که همچنین نشان دهنده نرخ سرد شدن بحرانی است مهم است.

اگر یک فولاد معین اجازه تشکیل ساختار مارتنزیتی در این عمق را ندهد، باید فولاد دیگری با سختی پذیری بالاتر انتخاب شود. روش های مختلفی برای مشخص کردن سختی پذیری فولاد وجود دارد. دیاگرام CCT می تواند به این منظور کمک کنند.

تست سختی پذیری گروسمن

یکی از روش های سختی پذیری با استفاده از میله‌های تست استوانه‌ای، روش کلاسیک گروسمن است. تعدادی از میله های فولادی استوانه ای با قطرهای مختلف در یک محیط خنک کننده معین سخت می شوند. با بررسی متالوگرافی، میله ای که 50 درصد مارتنزیت در مرکز آن وجود دارد، جدا می شود و قطر این میله به عنوان قطر بحرانی (D₀) تعیین می شود. این مقدار D₀ برای محیط خنک کننده خاص مورد استفاده و همچنین شدت سرمایش آن معتبر است.

یک وضعیت خنک‌کننده ایده‌آل زمانی است که سطح میله آزمایشی بلافاصله تا دمای محیط خنک شود، یعنی نرخ خنک‌کنندگی بی‌نهایت در سطح. اگرچه چنین خنک‌کاری در عمل نمی‌تواند انجام شود، می‌توان این وضعیت را از طریق محاسبات ریاضی برون یابی کرد و قطر گروسمن ایده‌آل، D_I را استخراج کرد، که به عنوان قطر میله‌ای تعریف می‌شود که وقتی سطح با سرعت بی‌نهایت سرد می‌شود، ساختاری حاوی 50 درصد مارتنزیت تولید می‌کند. در مرکز نمونه مقدار D_I بدست آمده معیاری برای سختی پذیری فولاد است و مستقل از محیط خنک کننده است.

با استفاده از این روش، مقادیر D_I برای فولادهای کم و متوسط کربن با محتوای کربن و اندازه دانه های مختلف تعیین شده است. اثر اضافی عناصر آلیاژی برای تعدادی از عناصر آلیاژی تعیین شده است و به عنوان عوامل سخت‌پذیری f بیان می‌شود که فاکتورهای ضربی مربوط به درصد عنصر آلیاژی موجود هستند. قطر ایده آل، D_I، برای یک فولاد خاص را می توان به صورت زیر بیان کرد:

که در آن f1، f2، f3 عوامل آلیاژی عناصر 1، 2، 3 هستند و D₀ برای آلیاژهای Fe-C محاسبه می شود. نمودارهایی ایجاد شده است که D_I را برای محیط خنک کننده مورد نظر به D₀ تبدیل می کند. ISO همچنین نمودارهایی را برای تبدیل از مقاطع مستطیلی به گرد ایجاد کرده است. روش گروسمن اغلب مورد استفاده قرار می گیرد، اما اندازه گیری بسیار تقریبی سختی پذیری را ارائه می دهد. با این حال، می توان به طور قابل اعتمادی برای مقایسه فولادهای با ترکیبات مختلف استفاده کرد. اطلاعات دقیق تر در مورد روش گروسمن و محاسبه مقادیر DI از ترکیب شیمیایی را می توان در در مقاله “Quenching of Steel” یافت.

 تست جومینی

متداول ترین روش آزمایشی مورد استفاده برای سختی پذیری، تست جومینی است. برای این آزمایش از یک نمونه میله گرد که 100 میلی متر (4 اینچ) طول و 25 میلی متر (1 اینچ) قطر دارد استفاده می شود. نمونه تا دمای آستنیته شدن فولاد با زمان نگهداری 20 دقیقه گرم می شود. یک قسمت انتهایی نمونه با اسپری کردن آن با جت آب کوئنچ می شود. این باعث می شود که سرعت خنک شدن به تدریج از انتهای کوئنچ شده در طول میله کاهش یابد. هنگامی که خنک است، دو صفحه کاملاً متضاد با عمق 0.4 میلی متر (0.015 اینچ) و موازی با محور میله، سختی اندازه گیری می شود.

مقادیر سختی در یک نمودار در فواصل مشخص از انتهای کوئنچ شده رسم می شود. برای به دست آوردن تکرارپذیری خوب، زمان و دمای آستنیته کردن، آسیاب کردن تخت ها برای جلوگیری از سوختن، و قرار دادن نمونه در سختی سنج باید به دقت کنترل شود. همچنین محافظت از نمونه در برابر کربن زدایی مهم است. دمای آب، قطر نازل پاشش، ارتفاع جت آب و زمان انتقال نمونه از کوره به فیکسچر از اهمیت کمتری برخوردار است. برای فولادهایی با سختی پذیری بسیار بالا یا بسیار کم، نه روش گروسمن و نه روش جومینی مناسب نیستند و از روش های دیگر استفاده می شود.

این روش ها به خوبی در جلد 1 کتاب راهنمای ASM، نسخه 10 کتاب راهنمای فلزات به خوبی پوشش داده شده است. سرعت خنک شدن در فواصل مختلف از انتهای کوئنچ شده تقریباً مستقل از فولاد مورد استفاده است زیرا هدایت حرارتی و ظرفیت حرارتی فولادهای سخت‌شونده خیلی تغییر نمی‌کند و انتقال حرارت در انتهای سرد شده مستقل از فولاد است. بنابراین، نوار Jominy طیفی از منحنی های خنک کننده را ارائه می دهد که می توان از آنها برای تخمین نمودار CCT استفاده کرد. نرخ های خنک کننده خطی نیستند،

بلکه طبق قانون خنک کننده نیوتن از نوع طبیعی هستند. کسرهای حجمی اجزای مختلف ریزساختار به صورت کمی در فواصل جومینی مختلف و همچنین اندازه‌گیری سختی ارزیابی می‌شوند. برعکس، منحنی جومینی را می توان از نمودار TTT با استفاده از روش های کامپیوتری شرح داده شده در بالا و عباراتی که سختی فازهای مختلف را نشان می دهد، محاسبه کرد سپس سختی کل میانگین وزنی است. شکل زیر توافق بین منحنی های جومینی محاسبه شده و تجربی را نشان می دهد که می توان به آن دست یافت.

یک روند اقتصادی برای کاهش میزان آزمایش جومینی و جایگزینی آن با محاسبه منحنی های جومینی از ترکیب شیمیایی و اندازه دانه وجود دارد. چندین فرمول رگرسیون برای درجات مختلف فولاد ایجاد شده است که برای محدوده ترکیب محدود کاملاً دقیق هستند.