ميكروساختار

ميكروساختار مارتنزيتي سخت ترين ميكروساختاري است كه مي تواند در يك فولاد كربني ساده به وجود آيد. تشكيل ميكروساختار مارتنزيتي در صورتي امكان پذير است كه از دگرگوني آستنيت به مخلوط فريت و سمنتيت در دماهاي بالا جلوگيري شود. در اين فصل ابتدا رابطة سختي و استحكام مارتنزيت با درصد كربن بحث شده و سپس پارامترهايي كه امكان حصوص سختي و استحكام فوق را در يك قطعه فولادي تعيين مي كنند بررسي خواهد شد. اصطلاح سختي پذيري براي توضيح سهولت تشكيل مارتنزيت و همچنين ارتباط بين ابعاد قطعه، آهنگ سرد شدن و تركيب شيميايي فولادها به كار مي رود. در اين فصل، با تأكيد بر روي اصول كلاسيك سختي پذيري كه توسط گراسمن، بين و جاميني بسط داده شده است، كاربرد عملي نتايج حاصل و همچنين تحقيقات ديگري كه اخيراً در رابطه با فن آوري سختي پذيري انجام شده بررسي خواهد شد.

سختي و درصد كربن
از جمله مهمترين اهداف تشكيل مارتنزيت در فولادها عبارت از سختي زياد، استحكام بالا و مقاومت در برابر خستگي و سايش است. حداكثر سختي در يك فولاد كربني ساده مربوط به ميكروساختار صددرصد مارتنزيتي مي شود. شكل ۶-۱ نشان مي ده كه براي هر درصد كربن، سختي ساختار مارتنزيتي به مراتب بيشتر از سختي ساختارهاي فريت-پرليت و يا سمنتيت كروي-فريت است. به منظور بهبود خواص مكانيكي، تقريباً در تمامي موارد، فرايند سخت كردن (تشكيل مارتنزيت) همراه با بازپخت است بستگي به دما و زمان بازپخت، سختي فولادهاي سريع سرد شده و بازپخت شده از حداكثر سختي مربوط به مارتنزيت تا حداقل سختي مربوط به سمنتيت كروي تغيير مي كند. عمليات حرارتي جهت تشكيل مارتنزيت معمولاً بر روي فولادهايي انجام مي شود كه حداقل ۳/۰ درصد كربن داشته باشند.

از آنجايي كه سختي مارتنزيت حاصل از سريع سرد كردن فولادهاي كربني ساده با كمتر از ۳/۰ درصد كربن نسبتاً پايين است (شكل ۶-۱)، اصطلاحاً گفته مي شود كه اين فولادها آب نمي گيرند. در رابطه با شكل ۶-۱ تذكر اين نكته ضروري است كه در مقياس راكول سي، سختي كمتر از ۲۰ راكول سي فاقد اعتبار است و در اين شكل تنها جهت مقايسه آمده است. د شكل ۶-۱ ناحية هاشور زده شده اثر آستنيت باقيمانده را بر روي سختي مارتنزيت مشخص مي كند. از آنجايي كه با افزايش درصد كربن دماي Mr كاهش مي يابد (شكل ۳-۶) ميزان آستنيت باقيمانده در دماي اتاق نيز با افزايش درصد كربن افزايش مي يابد (شكل ۳-۷). در حالي كه حتي در فولادهاي كم كربن (در حدود ۳/۰ درصد كربن) مقدار كمي آستنيت باقيمانده در دماي اتاق وجود دارد (شكل ۳-۷). اثر قابل توجه اين فاز بر روي سختي فولادهاي مارتنزيت شده در درصدهاي زياد كربن (بيشتر از ۷/۰ درصد كربن) به خوبي مشهود است (شكل ۶-۱).

شكل ۶-۱: اثر كربن بر روي سختي فولاد با ساختارهاي مارتنزيتي، پرليتي و سمنتيت كروي. اثر استنيت باقيمانده بر روي سختي مارتنزيت توسط ناحيه هاشور زده مشخص شده است.

شكل ۶-۲ اثر كبن و محيط سرد كننده بر روي منحني مارتنزيت در فولادهاي كربني ساده
به منظور كاهش آستنيت باقيمانده و در نتيجه افزايش سختي، نمونه هاي فولادي را مي توان به جاي سرد كردن در آب در محيطهايي بي نظير نيتروژن مايع (۱۹۶-درجة سانتيگراد) و يا هليوم مايع (۲۶۹-درجة سانتيگراد) سريع سرد كرد. شكل ۶-۲ اثرات دماي محيط سردكننده را بر روي سختي فولاد كربني ساده نشان مي دهد. منحني پيوسته كه بر اساس سختي نمونه هايي كه تا دماي اتاق سريع سرد شده اند رسم شده پايينتر از منحني منقطع است كه بر اساس سختي حاصل از نمونه هايي است كه در نيتروژن مايع سرد شده اند. نقاطي كه توسط علامت ضربدر مشخص شده اند از آزمايش هايي استنتاج شده اند كه نمونه هاي آنها در هليوم مايع سريع سرد شده است. اثرات سريع سرد كردن فولاد تا زير دماي اتاق عمدتاً در رابطه با فولادهايي مؤثر است كه بيشتر از ۴/۰ درصد كربن داشته باشند. اين موضوع به خاطر مقدار زياد و قابل توجه آستنيت باقيمانده است كه در دماي اتاق در اين فولادها وجود دارد (شكل ۳-۷).

از جمله پارامترهاي ديگر كه بر روي سختي مارتنزيت اثر مي گذارد پديده پيرشدن يا گذشت زمان است. شكل ۶-۳ نشان مي دهد كه پيرشدن مارتنزيت در دماي اتاق باعث افزايش سختي فولادهاي Fe-Ni-C مي شود. نتايج تحقيقات مشابه بر روي فولادهاي كربني ساده نشان مي دهد كه تغييرات مشابهي در سختي مارتنزيت اين نوع فولادها نيز مشاهده شده است. بنابراين اگر توجهي به فاصلة زماني بين سريع سرد شدن قطعه و اندازه گيري سختي نشود تغييرات پراكنده اي در نتايج حاصل ديده خواهد شد.

شكل ۶-۳: سختي مارتنزيت در آلياژ Fe-Ni-C . تمام سختي ها در ۱۹۵- درجة سانتيگراد (۳۲۰- فارنهايت) و *** از ۳ ساعت پيرشدن مارتنزيت در دماي نشان داده شده بر روي محور افقي اندازه گيري شده اند.
اندازة دانه هاي آستنيت اوليه، پارامتر ديگري است كه بر روي سختي مارتنزيت اثر مي گذارد. از آنجايي كه مرز دانه هاي آستنيت مي تواند به عنوان يكي از موانع مؤثر در برابر پيشرفت و رشد صفحات مارتنزيتي عمل كند، هرچه دانه هاي آستنيت اوليه ريزتر باشد، چگالي صفحات مارتنزيتي در واحد حجم بيشتر بوده و بنابراين سختي مارتنزيت نيز افزايش مي يابد.
۶-۳ استحكام مارتنزيت
در رابطه با نظرية تشكيل مارتنزيت به اين نكته اشاره شد كه در اثر سريع سرد شدن فولاد از ناحية آستنيت، اتمهاي كربن در حفره هاي هشت وجهي شبكه fcc محبوس شده و از تبديل آن به شبكة تعادلي bcc در دماي اتاق جلوگيري مي كند. اين موضوع باعث جابه جا شدن اتمهاي آهن از محلهاي استقرار اولية خود و به وجود آمدن شبكة بلوري bct مي شود.
شكل ۶-۴ جابه جايي اتمهاي آهن در اثر قرار گرفتن اتمهاي كربن در شبكه bct مارتنزيت را نشان مي دهد. در حقيقت يكي از عوامل عمدة افزايش سختي و استحكام مارتنزيت همين اختلالات شبكة بلوري است كه در نتيجة آن حركت نابه جاييها بسيار مشكل مي شود.

علاوه بر كربن، ساختار فرعي مارتنزيت نيز در افزايش استحكام نقش مهمي را بازي مي كند. دگرگوني مارتنزيتي از اين نظر منحصر به فرد است كه انجام آن همراه با به وجود آمدن چگالي بالايي از معايب خطي نظير نابه جاييها و / يا دوقلوهاي ريز و ظريف در ميكروساختار فولاد است. سهم ساختار فرعي مزبور در افزايش استحكام مارتنزيت تقريباً ثابت بوده و مستقل از درصد كربن فولاد است. بجز در مقادير كم كربن، اثر ساختار فرعي به مراتب كمتر از اثر كربني كه به صورت محلول در شبكة بلوري مارتنزيت وجود دارد، است. بنابراين، استحكام مارتنزيت عمدتاً ناشي از دو پارامتر است: يكي كربن موجود در شبكة بلوري كه به صورت جامد فوق اشباع باشد و ديگري ساختار فرعي كه در حقيقت همان چگالي بالايي از نابه جاييها و دوقلوهاست. نتايج حاصل از مطالعات انجام شده بر روي فولادهاي Fe-Ni-C (با دماي MS زير صفر درجه سانتيگراد) نشان داده است كه در اين فولادها استحكام تسليم مارتنزيت با ۲/۰ درصد انحراف را مي توان با تقريب خوبي از معادله زير به دست آورد:
معادله (۶-۱)

شكل ۶-۴: جابه جايي اتمهاي آهن در اثر محبوس شدن اتمهاي كربن در شبكة مارتنزيت.
در اين معادله جملة دوم اثر درصد كربن محلول را بر روي استحكام مارتنزيت نشان داده و مشخص مي كند كه استحكام مارتنزيت با ريشه دوم درصد وزني كربن محلول ارتباط مستقيم دارد. به بيان ديگر با افزايش درصد كربن، استحكام مارتنزيت ابتدا سريع و سپس به طور تدريجي و آهسته افزايش مي يابد (افزايش استحكام مارتنزيت بر حسب درصد كربن به صورت سهمي است). جمله اول اين معادله، افزايش استحكام مارتنزيت ناشي از مجموعه اي ا اثرات پارامترهاي زير است: وجود ۲۰ درصد نيكل به صورت محلول جامد (MPa 138 يا psi 20000)، تنش اصطكاكي يا تنش لازم براي به حركت درآوردن نابه جاييها در آن خالص bcc(MPa 69 يا psi 10000) و بالاخره اثر ساختار فرعي مارتنزيت (MPa 255 يا psi 37000). اين معادله براي مارتنزيت پير نشده است. لازم به اشاره است كه از آنجايي كه دماي MS براي آلياژهاي Fe-Ni-C زير دماي اتاق است، امكان بررسي فوق وجود دارد.

از آنجايي كه دماي MS مربوط به فولادهاي كربني ساده مخصوصاً فولادهاي كم كربن نسبتاً بالاست (شكل ۳-۶)، در ضمن سريع سرد شدن و قبل از رسيدن به دماي اتاق درصدي از كربن كه به صورت محلول در فضاهاي هشت وجهي محبوس شده است نفوذ كرده و بر روي نابه جاييها، فصل مشترك بين لايه هاي مارتنزيتي و فصل مشترك بين بسته هاي مارتنزيتي رسوب مي كند. اين فرايند به بازپخت خودبه خود موسوم است و به نظر مي رسد كه اثر كربن محلول بر روي استحكام كششي را بايد كاهش داد. مطالعات نشان داده است كه با وجود اثرات ناشي از رسوب اتمهاي كربن در عمليات بازپخت خود به خود، استحكام كششي مارتنزيت در اين فولادها نيز تابع ريشة دوم درصد وزني كربن به صورت زير است:
(۶-۲)
اين معادله از آزمايش هاي انجام شده بر روي فولادهاي كربني ساده كه حداكثر ۲/۰ درصد كربن داشته باشند به دست آمده و براي فولادهاي مارتنزيتي كه ۰۸/۰ تا ۲۴/۰ درصد كربن و ۴/۰ تا ۵/۰ درصد منگنز داشته باشند نيز صادق است. همانند معادله قبل، در اينجا نيز جملة اول شامل تمام پارامترهاي ساختاري نظير اثرات معايب خطي، اندازة لايه هاي مارتنزيتي، اندازة بسته هاي مارتنزيتي و بالاخره اندازة دانه هاي آستنيت است. در به دست آوردن معادله (۶-۲) اندازه دانه هاي آستنيت ثابت و تقريباً بين ۷ تا ۹ ASTM بوده است.

اثر اندازة دانه هاي آستنيت بر روي استحكام مارتنزيت بدين صورت است كه با كاهش اندازه دانه ها، استحكام مارتنزيت به طور قابل توجهي افزايش مي يابد. همان گونه كه در فصل سوم توضيح داده شد در فولادهاي كم كربن و كربن متوسط، لايه هاي مارتنزيتي به صورت مجموعه ها و يا بسته هايي آرايش مي يابند كه اندازه هاي آنها مستقيماً بستگي به اندازة دانه هاي آستنيت اوليه دارد. بنابراين اندازة بسته هاي مارتنزيتي و يا اندازة دانه هاي آستنيت اوليه را مي توان جهت مطالعه و بررسي استحكام مارتنزيت به كار برد. شكل ۶-۵ ارتباط بين استحكام تسليم و اندازه بسته هاي مارتنزيتي را براي فولادهاي C2/0%Fe- و Fe-Mn نشان مي دهد. نكتة قابل توجه، تفاوت شيب دو منحني مربوط به دو نوع فولاد مورد بحث است. اين موضوع بدين صورت توجيه مي شود كه در آلياژ C2/0%Fe- اتمهاي كربن در فصل مشترك بين بسته هاي مارتنزيتي كوچكتر باشد اين اثر نيز مشهودتر است. از اين رو، شيب منحني استحكام بر حسب اندازه بسته هاي مارتنزيتي براي فولاد C2/0%Fe- بيشتر از فولاد Fe-Mn است.

شكل ۶-۵: اثر اندازه بسته هاي مارتنزيت (D) بر روي افزايش استحكام مارتنزيت لايه اي. منحني بالايي مربوط به فولاد C2/0%Fe- و منحني پايين مربوط به مارتنزيت Fe-Mn است.

۶-۴ سختي پذيري
در صورتي كه آهنگ سرد شدن يك فولاد از ناحيه آستنيت بيشتر از آهنگ سرد شدن بحراني (حداقل آهنگ سردشدني كه از تشكيل پرليت و بينيت جلوگيري شود) باشد، سختي حاصل عمدتاً بستگي به درصد كربن فولاد دارد. اگر آهنگ سردشدن كمتر از آهنگ سرد شدن بحراني باشد، درصد مارتنزيت حاصل كاهش يافته و بنابراين سختي فولاد نيز كاهش مي يابد. در اينجا منظور از كربن فولاد، مقدار كربني است كه در آستنيت به صورت محلول جامد باشد. به بيان ديگر، آن مقدار كربني كه پس از آستنيته شدن فولاد به صورت كاربيد باقي مي ماند، در دگرگوني تشكيل مارتنزيت شركت نداشته و بنابراين اثري بر روي سختي مارتنزيت ندارد. ارتباط بين سختي، درصد كربن و درصد مارتنزيت در شكل ۶-۶ نشان داده شده است.

سختي پذيري عبارت از توانايي يا قابليت تشكيل مارتنزيت (و سخت شدن فولاد) در اثر سريع سرد شدن از ناحية آستنيت است. سختي پذيري توسط ضخامت پوسته سخت شده تشخص مي شود. ضخامت پوسته سخت شده عبارت از فاصله سطح تا محلي در داخل نمونه كه داراي ۵۰ درصد مارتنزيت باشد است. ۵۰ درصد بقيه ساختار را معمولاً بينيت در نظر مي گيرند. بنابراين هرچه سختي پذيري يك فولاد بيشتر باشد ضخامت پوسته سخت شده و يا به عبارت ديگر ضخامت پوسته اي كه در اثر سريع سرد شدن بيشتر از ۵۰ درصد ساختار آن مارتنزيت شود بيشتر خواهد بود.

سخت كردن سطحي
در بسياري از كاربردهاي صنعتي نياز به قطعاتي است كه داراي سطحي سخت بوده و در عين حال از چقرمگي يا مقاومت به ضربه خوبي نيز برخوردار باشند. از جمله مواردي كه مي تواند در اين رابطه به عنوان مثال به آنها اشاره كرد عبارت اند از: ميل لنگ، ميل بادامك، چرخ دنده و قطعات مشابه. اين قطعات بايد سطحي بسيار سخت و مقاوم در برابر سايش داشته و همچنين بسيار چقرمه و مقاوم در برابر ضربه هاي وارده در حين كار باشند.

بسيار از قطعات فولادي را مي توان به نحوي عمليات حرارتي كرد كه در پايان داراي مجموعة خواص بالا باشند، يعني در حالي كه از مقاومت به سايش خوبي برخوردارند، داراي استحكام ديناميكي خوبي نيز باشند. اين نوع عمليات حرارتي كه اصطلاحاً به سخت كردن سطحي موسوم اند، آخرين عملياتي اند كه بايد در مرحلة پاياني ساخت قطعه و پس از انجام تمام مراحل مربوط به شكل دهي نظير ماشينكاري و غيره انجام شود.
روشهاي مختلف عمليات حرارتي كه به كمك آنها مي توان سطح قطعات را سخت كرد، عمدتاً به دو دسته تقسيم مي شوند. دستة اول عملياتي كه منجر به تغيير تركيب شيميايي سطح فولاد مي شوند و به عمليات حرارتي-شيميايي يا عمليات ترموشيمي موسوم اند، نظير كربن دهي، نيتروژن دهي، و كربن نيتروژن دهي. دستة دوم روشهايي كه بدون تغيير تركيب شيميايي سطح و فقط به كمك عمليات حرارتي كه در لايه سطحي متمركز شده و باعث سخت شدن سطح مي شوند و به عمليات حرارتي موضعي موسوم اند، مانند سخت كردن شعله اي و سخت كردن القايي. فرآيندهاي متعدد ديگري نيز وجود دارند كه براي سخت كردن و يا اصلاح و بهبود شرايط سطحي فولادها (و فلزات و آلياژهاي ديگر) به كار مي روند.

از آنجايي كه اين فرايندها از قدمت تاريخي كمتري نسبت به فرايندهاي ياد شده برخوردارند و يا در برخي موارد فرايندهاي بسيار جديدي هستند، اصطلاحاً تحت عنوان فرايندهاي نوين مطرح مي شوند. مجموعه گسترده اي از فرايندهايي كه براي سخت كردن سطحي فولادها و يا حتي فلزات و آلياژهاي ديگر به كار مي روند، همراه با فرايندهاي نوين ديگري كه براي بهبود و اصلاح خواص و شرايط سطحي در ارتباط با كاربردهاي مختلف استفاده مي شوند.

۱۰-۲ كربن دهي
هنگامي كه يك قطعه فولاد كم كربن (مثلاً ۱۵/۰ درصد) در مواد كربن ده مانند ذغال قرار گرفته و در دمايي بالا نظير ۹۲۵ درجة سانتيگراد (۱۷۰۰ درجه فارنهايت) حرارت داده شود كربن اتمي از ماده كربن ده آزاد شده و به داخل سطح قطعه نفوذ مي كند. گرچه اين عمليات نياز به زمان دارد ولي در مدت چند ساعت سطح قطعه مي تواند مقدار قابل ملاحظه اي كربن (تا ۲/۱ درصد) جذب كند. به اين ترتيب قطعه اي ساخته مي شود كه مغز آن را فولاد كم كربن و سطح آن را فولاد پركربن تشكيل مي دهد. ميكروساختار تعادلي چنين قطعه اي در شكل ۱۰-۱ نشان داده شده است. اگر اين قطعه سخت شود، در سطح مارتنزيت پركربن تشكيل مي شود و بنابراين از سختي زيادي برخوردار خواهد بود. در حالي كه مغز آن كه همان درصد كم كربن اوليه (۱۵/۰ درصد) را داراست از چقرمگي خوبي برخوردار است (به شكل ۵-۱۴ و ۶-۱ مراجعه شود).