-۱- صنعت نورد
تاریخ نورد به مفهوم امروزی آن، ولی در شکلهای بسیار ساده و اندازه های کوچک به آغاز سده ی هفدهم برمی گردد. به این صورت که دو غلتک چدنی در یک چهارچوبی قرار داده می شد و فلزهایی مانند قلع و سرب را نورد می کردند. هرچند پیش از این از غلتکهای برای صاف کردن و فشردن مواد استفاده می شد ولی ایده ی استفاده از غلتکها به منظور ایجاد کاهش در سطح مقطع فلز در این دوره بوجود آمد.

پس از آن کوشش شد از غلتکهای بزرگتر و سنگین تر استفاده شود و گشتاور لازم برای به چرخش درآوردن آنها بوسیله ی نیروی اسب و با پره های آبی تأمین می شد. ایده ی ایجاد شیار روی غلتکها به منظور شکل دادن به مقاطع میله ها و تیرها نیز به همین دوران برمی گردد.
قفسه های غلتک به سرعت گام های تکاملی خود را پیمودند و بزودی افزون بر نورد فلزهای نرم نورد گرم فولاد نیز شدنی شد. تنگنای نیرو و توان، ایده ی استفاده از غلتکهای کوچکتر را مطرح کرد. برخی صنعتگران متوجه شده بودند که نورد با غلتکهای کوچکتر به نیرو و توان کمتری احتیاج دارد. از این رو استفاده از غلتکهای کاری کوچکتر که بوسیله غلتکهای بزرگتر پشتیبانی می شدند متداول شد و در اصطلاح قفسه های چهار غلتکه بوجود آمدند.

 

پس از پیدایش ماشین بخار و از بین رفتن تنگنای نیرو و توان قفسه های نورد دوباره بزرگتر شدند و موتورهای با توان بسیار بالا، در اندازه ی۱۵۰۰۰ اسب برای نوردهای سنگین شمشهای فولادی بکار گرفته شدند. موتورها و قفسه های نورد به تندی گام های تکاملی خود را پیمودند به گونه ای که فرآورده های نورد بویژه فولادها به مهمترین فرآورده های فلزی در سطح جهان تبدیل شدند. برای بسیاری از فرآورده ها روشهای نورد جایگزین دیگر روشهای شکل دادن فلزها، همانند آهنگری و ریخته گری شد.

۱-۲- قفسه های نورد
امروزه بیشتر فلزها همچون آلیاژهای آلومینیم، مس و فولادها نخست به صورت شمش ریخته گری می شوند و سپس در خلال چند مرحله نورد گرم بصورت شمشه، شمشال و یا تختال در می آیند این فرآورده ها دوباره در خلال چند مرحله نورد گرم و سرد به فرآورده های پایانی مانند صفحه، ورق، تسمه و یا نوار ورق، فویل، تیر، میله گرد، مفتول، لوله، انواع مقطع های سازه ای مانند تیرآهن، ریل آهن، ناودانی نبشی و غیره تبدیل می شوند.
تولید هرکدام از این فرآورده ها بوسیله ی یک یا چند قفسه ی نورد دوسویه و یا چند قفسه نورد پیاپی انجام می پذیرد. هر قفسه ی نورد در بردارنده ی یک چهارچوب فولادی می باشد که یاتاقانهای غلتکها را در خود نگه می دارد و نیروی نورد را پذیرا می شود. چرخش غلتکها بوسیله یک موتور برقی و جعبه دنده تأمین می شود.

قفسه های نورد ممکن است دو غلتکه ی یک سویه باشد که در این صورت قطعه کار همواره از یک سو به فضای بین دو غلتک کشیده می شود و پس از تغییر شکل از سوی دیگر خارج می شود چرخش یکی از غلتکها در راستای عقربه های ساعت و دیگری خلاف عقربه های ساعت خواهد بود و نیروی محرکه به هر دو غلتک فرستاده می شود. قفسه های دو غلتکه ممکن است دو سویه

باشند در این صورت با تغییر جریان برق در موتور راستای چرخش غلتکها و در نتیجه راستای حرکت قطعه کار عوض می شود در قفسه های دوسویه قطعه کار چندین بار مسیر رفت و برگشت را می پیماید در هر مرحله غلتک بالائی پائین تر آمده، فضای بین دو غلتک تنگ تر شده و در نتیجه ضخامت و یا سطح مقطع قطعه کار کاهش خواهد یافت.
قفسه های سه غلتکه از سه غلتک تشکیل می شوند و نیروی محرکه ی موتور به غلتکهای بالا و پائین فرستاده می شود. غلتک میانی در اثر اصطکاک به چرخش در می آید. در اینگونه قفسه ها

قطعه کار نخست بین غلتک های پائینی و میانی در مسیر رفت نورد می شود و سپس بین غلتکهای میانی و بالایی در مسیر برگشت نورد می گردد.
برای کاهش نیرو و توان افزایش دقت و یکنواختی ضخامت ورقهای نازک از قفسه های چهارغلتکه استفاده می شود. در این نوع قفسه ها غلتک های کاری بوسیله ی دو غلتک پشتیبان، پشتیبانی می شوند.
قطر غلتکهای کاری کوچک برگزیده می شوند و غلتکهای پشتیبان از کجروی و خمش غلتکهای کاری جلوگیری می کنند.
در نورد ورقهای بسیار نازک و فویلها، از قفسه های خوشه ای استفاده می شود در اینگونه قفسه ها قطر غلتکهای کاری بسیار کوچک برگزیده می شود و شمار غلتک های پشتیبان بیش از دو تا خواهند بود در این شرایط از کجروی و خمش الاستیک غلتک های کاری جلوگیری می شود و فویل های بسیار نازک با ضخامت کمتر از ۱/۰ میلیمتر با دقت بسیار خوب بدست می آیند.

شکل۱-۱- نورد دو غلتکه ی یک سویه

شکل۱-۲- نورد دو غلتکه ی دو سویه

شکل ۱-۳- شمای عمومی قفسه های سه غلتکه

شکل۱-۴- شمای عمومی قفسه های چهار غلتکه

شکل ۱-۵- شمای عمومی قفسه های خوشه ای

۱-۳- نورد فلزها
با پیشرفت تکنولوژی انواع فرآورده های فلزی بویژه فرآورده های فولادی را به روش نورد تولید می کنند مهمترین ویژگی فرآیند نورد سرعت تولید آنهاست به گونه ای که حجم زیادی از فرآورده های فلزی از این روش تولید می شوند.

نخستین هدف فرآیندهای نورد کاهش در سطح مقطع و یا ضخامت قطعه کار است. این کار ممکن است به هر دو صورت نورد گرم و یا سرد انجام پذیرد. برگزیدن روش به نوع، اندازه، ویژگیهای ماده و شکل پایانی فرآورده بستگی دارد.
گوناگونی شکل و اندازه ی فرآورده های نورد ایجاب می کند که فرآیندهای نورد بصورت های مختلف به کار گرفته شوند برای نمونه نورد طولی، نورد عرضی، نورد پیچشی، نورد مقاطع و غیره.
در نورد صفحه، ورق و تسمه پهنای کار ثابت باقی می ماند و عمده تغییر شکل در راستای کاهش ضخامت است.
۱-۴- قفسه های پیش نورد

برای تولید صفحه، ورق و یا نوارهای ورق لازم است که ابتدا شمش های ریخته گری شده در خلال چند مرحله نورد سنگین گرم به تختال هایی که ضخامتشان خیلی کمتر از پهنایشان است تبدیل شوند.
پهنای تختال ها در مراحل بعدی نورد، یعنی نورد گرم پایانی تغییر نخواهد کرد. هدف نورد گرم پایانی کاهش در ضخامت و طبیعتاً افزایش طول ورق و تسمه خواهد بود.
۱-۵- نورد گرم پایانی
تختال های بدست آمده از نورد سنگین یا پیش نورد گرم برای تولید ورق و ورقه به قفسه های نورد گرم پایانی فرستاده می شوند. نورد گرم پایانی خود از چند قفسه نورد پیاپی و یا پشت سرهم تشکیل شده است. شماره قفسه ها به طراحی خط بستگی دارد. معمولاً این خط از ۶ تا ۷ قفسه ی نورد همراه با سیستم خنک کننده نهایی و دستگاه کلاف پیچ تشکیل شده است. فرآورده های پایانی بصورت ورق، ورقه و یا نوار ورق کلاف شده می باشند.
همه ی قفسه های نورد گرم پایانی چهار غلتکه می باشند این کار سبب می شود که ضخامت و تغییرات آن در عرض ورق در هر مرحله از نورد دقیقتر کنترل شود. از آنجا که همزمان ورق در همه ی قفسه ها در حال نورد شدن است، لازم است که هماهنگی دقیقی بین سرعت غلتکهای قفسه نسبت به یکدیگر وجود داشته باشد هر قفسه نورد بوسیله ی یک موتور برق DC با سرعت متغیر بصورت مستقل کار می کند و یک سیستم دقیق الکترونیکی کارکرد همه موتورهای قفسه ها را نسبت به هم هماهنگ می کند.

۱-۶- اسیدشویی
ورقهای بدست آمده از نورد گرم به دو دلیل ممکن است اسیدشوئی شوند:
۱٫ بهبود کیفیت سطحی که به دلیل جدا شدن و تمیز شدن لایه های اکسیدی از روی سطح ورق است در این صورت ورق از سطح مرغوب تر و شکل ظاهری بهتری بهره مند خواهد شد. این هدف برای آن دسته از ورقهایی است که پس از اسیدشویی وارد بازار مصرف می شوند.
۲٫ آماده سازی ورق برای فرآیند نورد سرد:
معمولاً پوسته های اکسیدی روی سطح ورق سخت و ضد سایش می باشند. به همین دلیل اگر ورقها بدون اسیدشوئی و اکسیدزدائی نورد سرد شوند سبب می شود که غلتکهای نوردسرد به سرعت سائیده و از تلورانس خارج شوند و روی هم رفته فرآیند نورد سرد را با دشواری رو به رو می سازد. این دشواری دو چندان خواهد شد اگر اتصال و یا چسبندگی پوسته های اکسیدی به سطح ورق سست و ضعیف باشد. بنابراین لازم است از سطح ورق پیش از فرآیند نورد سرد حتماً تمیز و تهی از اکسید باشد.
اسیدشوئی فرآیندی است که در یک واکنش شیمیائی، لایه اکسیدی روی سطح ورق بوسیله ی یک محلول مناسب از اسید حل و تمیز می شود. کار اسیدشوئی می تواند بوسیله ی حمام های دربردارنده ی اسید بصورت نیمه پیوسته و یا پیوسته انجام پذیرد.
اسیدشوئی به فاکتورهای مختلفی بستگی دارد. مهمترین اینها عبارتند از نوع اکسید، ضخامت لایه اکسیدی، چسبندگی لایه اکسیدی به سطح، نوع، دما و غلظت محلول اسیدی، اغتشاش و هم زدن محلول اسیدی، زمان نگه داری در محلول اسیدی، وجود بازدارنده های موجود در محلول اسیدی که باعث کندی واکنش می شوند و همه ی سازه هائی که

روی واکنش شیمیائی اسید بر اکسید موجود روی سطح ورق کارآمد باشند.
در این میان نقش دما، نوع و غلظت اسید از همه مهمتر و حساس تر می باشد.
در گذشته از اسیدسولفوریک به عنوان ماده ی اصلی اسیدشوئی استفاده می شد. ولی امروزه بیشتر تولیدکنندگان فولاد برای فرآیند اسیدشوئی از اسیدکلریدریک استفاده می کنند.
دلیل این امر محاسنات مختلفی است که اسیدکلریدریک نسبت به اسید سولفوریک از خود نشان می دهد اول و مهمتر از همه جنبه ی اقتصادی کار است زیرا قیمت اسیدکلریدریک بسیار کمتر از اسید سولفوریک است. در شرایط غلظت و دمای یکسان نرخ اسیدشوئی با اسیدکلریدریک ۵/۲ تا ۵/۳ برابر بیشتر از نرخ اسیدشوئی با اسیدسولفوریک است. اسیدکلریدریک اکسید بیشتری را در خود حل می کند و استفاده از اسیدکلریدرک سبب می شود که در تانکهای اسیدشوئی از اسید کمتری استفاده شود.
حمله و کارآئی اسیدکلریدریک به خود فولاد بعنوان فلز پایه کمتر خواهد بود در نتیجه از هدر رفتن فلز جلوگیری می شود.
بزرگترین عیب اسیدکلریدریک نسبت به اسیدسولفوریک گریزنده بودن بیشتر آن است بنابراین تانک های اسیدشوئی دربردارنده ی اسیدکلریدریک می بایست بخوبی آب بندی شود تا از گریز اسید جلوگیری شود.
پس از اسیدشوئی برای جلوگیری سطح ورق از اکسیدشدن در تماس با هوا در هنگام نگهداری در انبار لازم است که ورق پیش از کلاف شدن به گونه ای بهینه روغنکاری شده و سطح آن بوسیله ی یک لایه ی نازک از روغن معدنی پوشیده شود.
۱-۷- نورد سرد
ورقهای بدست آمده از نورد گرم پس از اسیدشوئی و عملیات تکمیلی برای کاهش بیشتر ضخامت آنها و دستیابی به ویژگیهای مکانیکی بهینه بصورت سرد نورد می شوند. ورق و تسمه های بدست آمده از نورد سرد در ضخامت های گوناگون از ۶ تا کمتر از ۱/۰ میلیمتر بصورت کلاف و یا ورقه بوسیله ی قفسه نوردهای دوسویه و یا پشت سر هم تولید می شوند از آنجا که در شرایط کار سرد اندازه ی تغییر شکل در فلزها محدود می باشد. بنابراین برای تغییر شکل های بیشتر لازم است که فلز در شرایط مناسب قابکاری شده تا به دلیل رخداد پدیده های بازیابی و تبلور مجدد و ویژگیهای اولیه ی فلز بازسازی شوند. [۱]

کار سختی فولاد در فرآیند نورد سرد همراه با عملیات حرارتی و بازپخت مناسب فولاد این امکان را به تولید کنندگان فولاد می دهد که بتوانند فرآورده های خود را با ضریب سختی های متفاوت بصورت استاندارد تولید کنند می توان چند گونه از ورقهای فولادی بدست آمده از نوردسرد با ضریب سختی و کاربردهای متفاوت را چنین معرفی کرد :
۱- با ضریب سختی تمام: دارای حداکثر ۲۵/۰ درصد کربن با کمترین سختیHRB 84 برای ضخامتهای بیشتر از ۸/۱ میلیمتر و HRB 90 برای ضخامتهای کمتر از ۸/۱ میلیمتر.

چقرمگی و توانایی فلزی ورق بسیار زیاد است و برای مصرفهائی که نیاز به خم کردن ورق نیست مناسب می باشد.
۲- با ضریب سختی نصف: دارای حداکثر ۲۵/۰ درصد کربن با کمترین سختی ۷۰ و بیشترین سختی HRB 85 چقرمگی آن کمتر از ضریب سختی تمام است و قابلیت شکل پذیری آن تا آنجاست که می تواند خمشی به اندازه ی ۹۰ درجه با شعاع انحنای برابر با ضخامت خود ورق در راستای عرض ورق را پذیرا باشد.
۳- ضریب سختی ناچیز: دارای حداکثر ۱۵/۰ درصد کربن با بیشترین سختی HRB 55 به گونه ای کامل تابکاری شده و مناسب برای تغییر شکل های زیاد و فرآیندهای کشش عمیق.

فصل دوم

تحلیل فرآیند نورد سرد ورق

۲-۱- تعیین نرخ کرنش میانگین در نورد سرد
در روش های پیش از این فرض بر آن بود که بین قطعه کار و غلتک لغزش و یا سرخوردگی ناچیز است که این حالت با شرایط نورد گرم نزدیکی بیشتری دارد تا نورد سرد.
حال نرخ کرنش میانگین برای حالتی که بین قطعه کار و غلتک لغزش وجود دارد را بررسی می کنیم که این شرایط با نورد سرد نزدیکی بیشتری دارد. [۱]
شکل ۲-۱- نمایش مقطع خنثی و مولفه های سرعت در نورد طولی.

شکل ۲-۲- نمایش سرعت فشرده شدن یک المان در فضای بین دو غلتک.
برای این کار ابتدا بنابر قانون ثابت بودن حجم ماده، سرعت افقی هر المان از قطعه کار در ناحیه ی تغییر شکل برحسب سرعت مقطع خنثی نوشته می شود.
در شرایط کرنش صفحه ای می توان نوشت :

(۱-۲)
که در آن h ضخامت جاری قطعه کار، hn ضخامت قطعه کار در مقطع خنثی و سرعت مقطع خنثی است. از طرفی دیگر
(۲-۲)
که سرعت خطی غلتک و δ زاویه خنثی می باشد
حال می توان به جای رابطه شماره (۱) را نوشت:
(۲-۳)
بنابراین طبق هندسه نورد مولفه ی عمودی سرعت در هر مقطع از قطعه کار در فضای بین دو غلتک می شود و سرعت فشرده شدن هر المان عبارتست از:
(۲-۴)
بنابر رابطه نرخ کرنش تغییر شکل برای هر المان می توان نوشت.
(۲-۵)
در اینجاφ زاویه نورد است.
با انتگرال گیری رابطه ی بالا در محدوده طول تماس اندازه نرخ کرنش میانگین بصورت زیر محاسبه می شود:
(۲-۶)
با تغییر متغیر رابطه ی انتگرال بالا می شود:
(۲-۷)
رابطه فوق اندازه نرخ کرنش میانگین را برای نورد سرد ورق برحسب کمیت های معلوم مانند سرعت خطی غلتک ، کاهش در ضخامت ، ضخامت های اولیه و ثانویه ی قطعه کار ، طول تماس زاویه خنثی δ و ضخامت مقطع خنثی تعیین می کند.
۲-۲- توزیع فشار در نورد سرد
در فرآیندهای نورد، ماده به شدت دچار تغییر شکل پلاستیک می شود. آنچه که سبب پیدایش این تغییر شکل می شود، تنش های بوجود آمده در ماده است که مسبب آنها فشار غلتک است. فرآیندهای نورد بسته به اینکه فلز کار سختی انجام دهد یا خیر به دو نوع نورد گرم و سرد طبقه بندی می شوند. بنابراین مهمترین مشخصه نورد سرد کار سختی فلز است.
اگر یک قطعه فلز به سادگی در میان دو فک یک پرس بدون اصطکاک فشرده شود تنش فشاری ایجاد شده در فلز بصورت یکنواخت در درون فلز توزیع می شود و تغییر شکل فلز ح

الت همگن خواهد داشت به همین ترتیب قطعه ی در حال نورد را همچنین می توان پنداشت که بین دو غلتک همچون دو فک پرس در حال فشرده شدن است.
می توان فشار غلتک برای تغییر شکل بدون اصطکاک ماده در هر نظر از طول تماس غلتک و قطعه را چنین نوشت:
(۲-۸)
که P فشار غلتک، Y تنش تسلیم کششی فلز که به دلیل کار سختی افزایش می یابد و ψ ضریب انسداد است که اندازه آن بنا به حالت تنش و یا کرنش در محدوده زیر قرار می گیرد.

شکل ۲-۳- توزیع فشار غلتک در طول تماس در شرایط نورد سرد با فرض بدون اصطکاک بودن فرآیند
اگر نورد در شرایط کرنش صفحه ای انجام پذیرد، در این صورت فشار لازم برای تغییر شکل فلز، بدون در نظر گرفتن اصطحکاک می شود : P=2K=S=1.155Y
که K تنش تسلیم برشی ماده و S تنش تسلیم ماده در شرایط کرنش صفحه ای است. بنابراین تغییر شکل فلز بین دو غلتک همانند فشردن ساده ی یک قطعه کار، بین دو فک یک پرس فشاری است در این صورت طول غلتکها همچون پهنای فک پرس و طول تماس بین غلتک و قطعه کار همچون طول تماس فک پرس با قطعه کار می باشد. اگر کرنش صفحه ای حکمفرما باشد در این صورت غلتکها همانند سمبه های آزمایش فشاری در شرایط کرنش صفحه ای عمل می کنند. اینکه آیا تغییر شکل بصورت کرنش صفحه ای باشد یا خیر دقیقاً به نسبت طول تماس غلتک قطعه کار به ضخامت میانگین قطعه کار بستگی دارد.
اگر کمیت های ابعادی بگونه ای باشند کهW>>ld>hm باشد در این صورت شرایط کرنش صفحه ای حاکم خواهد بود اگر دراین صورت تغییر شکل در هر دو راستای ضخامت و پهنا ایجاد شده و پدیده ی پهن شدن در قطعه بوجود می آید.
اغلب کارشناسان خطوط نورد مایلند که برای فرآیندهای نورد یک فشار میانگین غلتک بدست آوردند. در شرایط ایده آل نورد بدون اصطکاک فشار میانگین غلتک با تنش تسلیم میانگین فلز یکی خواهد بود یعنی :
(۲-۹)
تنش تسلیم و یا تنش سیلان میانگین ماده است بدست می آید :
(۲-۱۰)
و بتریب کرنش های مؤثر اولیه و کل می باشند و تنش سیلان فلز است. که بصورت زیر بیان می شود:
(۲-۱۱)

شکل ۲-۴- تغییرات فشار میانگین غلتک در طول تماس غلتک و قطعه کار

 

شکل ۲-۵- نمایش فشار غلتک در نورد سرد با در نظر گرفتن تأثیر اصطکاک
مطالب بالا توزیع فشار غلتک را برای شرایط ایده آل بدون اصطکاک بیان می کند. وجود اصطکاک بین غلتک و قطعه کار سبب می شود که تغییر شکل فلز از حالت ایده آل همگن خارج شده و بصورت غیرهمگن در درون قطعه کار توزیع شود. درجه غیرهمگن بدون تغییر شکل در فلز به ضخامت قطعه کار بستگی پیدا می کند.
شکل ۲-۳- توزیع واقعی فشار غلتک را در شرایط نورد سرد که تأثیر اصطکاک نسبت به نورد گرم بسیار کمتر است، نشان می دهد. منحنی پائینی توزیع فشار غلتک را برای حالت بدون اصطکاک نشان می دهد و منحنی بالائی فشار غلتک را برای حالت نورد سرد با اصطکاک کوچک نشان می دهد. دیده می شود که فشار غلتک در مقطع خنثی به بیشترین اندازه خود می رسد.
دلیل آن این است که جایگاه خنثی ، مقطعی از فضای بین دو غلتک است که در آن راستای اصطکاک تغییر می کند. تأثیر اصطکاک در پیرامون و نزدیکی این نقطه های تماس بیشتر است. این امر سبب می شود که مولفه ی عمودی تنش ناشی از اصطکاک که بصورت فشاری عمل می کند در این نقطه بزرگترین اندازه ی خود را داشته باشد. چنانچه تنش برشی ناشی از اصطکاک در طول تماس غلتک و قطعه کار را بصورت تابعی از مکان و یا زاویه ای نورد در نظر گرفته شود، اندازه ی آن در نقطه خنثی ناپیوسته خواهد بود ولی این تابع در نزدیکی این نقطه بزرگترین اندازه خود را خواهد داشت. این موضوع به معنای افزایش فشار غلتک در این نقطه است.
افزون بر این سیلان ماده در فضای بین دو غلتک از مقطع خنثی آغاز می شود. این بدان معنا است که انسداد ماده در این مقطع بیش از نقطه های دیگر است. به بیان دیگر برای ایجاد تغییر شکل پلاستیک در این مقطع فشار بیشتری باید وارد شود تا جابجائی نقطه ها بدست آید.
مطالب بالا گویای آن است که فشار غلتک در طول تماس را می توان به دو بخش جدا

از هم تجزیه کرد. یک بخش آن فشار لازم برای چیده شدن به مقاومت درونی ماده در برابر تغییر شکل می باشد که این بخش از فشار با تنش سیلان ماده یکی می باشد. دیگری فشار لازم برای چیده شدن به مقاومت اصطکاک بین غلتک و قطعه کار. به بیان دیگر سرچشمه ی پیدایش این بخش از فشار، مولفۀ فشاری نیرو اصطکاک است.
اگر این بخش از مقاومت فشاری را با نشان دهیم در این صورت فشار غلتک بصورت زیر فرموله می شود:

(۱۲-۲)
۲-۳- روش ساختن ورق فولادی استحکام بالای نورد سرد شده
ورق فولادی با استحکام بالای نورد سرد شده کارپذیری سرد عالی در شرایط آنیل دارد و ترکیب شیمیائی آن الزاماً شامل C%2/0-03/0، Si%5/0- 6/0، Mn% 0/3-3/1، Nb%25/0-01/0، Ti%2/0 یا Ti+Nb3/0-01/0 و باقیمانده آن آهن با مقداری ناخالصی که غیرقابل اجتناب است، می باشد.
ورق فولادی می تواند تا mm3 یا کمتر نازک شود. در صورتی که استحکام بالای ۵۰ تا را دارا باشد که در این حالت برای استفاده در ساختمان بدنه خودرو مناسب می باشند.

۲-۴- روش ساخت فولاد استحکام بالای کارسرد شده
این روش با فرآیند ساخت ورق فولادی استحکام بالای کار سرد شده که کارپذیری سرد بالایی دارد مرتبط می شود تا ورق فولادی استحکام بالای نورد سرد شده توسط این فرآیند ساخته شود و همچنین برای بدنه خودرو مورد استفاده قرار می گیرد این چنین ورق فولادی نورد سرد شده برای بدنه خودرو ضخامت mm3 و یا کمتر دارد.
اخیراً فاکتورهای ثابتی در ساخت خودروها ایجاد شده اند تا با کاهش وزن بدنه نه تنها از نقطه نظر امنیت و سلامتی احتیاجات را رفع کند بلکه به عنوان یک ابزار برای کاهش مقدار سوخت مصرفی مورد استفاده قرار می گیرند.
به همین منظور استفاده از فولاد استحکام بالای نورد سرد شده بیشتر از قبل مورد توجه قرار گرفته و استفاده وسیعی نسبت به ورق های فولادی مهم تجاری و معمولی را دارا می باشد. ورق فولادی که برای بدنه خودرو استفاده می شود را ابتدا نورد گرم و سرد انجام می دهند سپس در دمای بین ˚۶۲۰ تا نقطه استحاله آنیل می کنند.

در ترکیب ورق فولادی بایستی مقدار Si و Mn بصورت دقیق تعیین شود زیرا سیلیسیم بیش از ۶/۰% تردی را افزایش می دهد و قابلیت جوش فولاد را پائین می آورد و همچنین منگنز کمتر از ۶/۱% سهمی در استحکام کششی یا بیشتر ندارد ولی در فولاد استحکام بالای نورد سرد شده افزایش سیلیسیم حتی بیشتر از ۶/۰% قابلیت جوش نقطه ای را کم نمی کند و ممکن است کارپذیری سرد فولاد را هم بالا ببرد.
ورق فولادی موجود اساساً مستقیماً به عنوان بدنه خودرو استفاده نمی شود بلكه برای فرم پذیری کار سرد می شوند بنابراین علاوه بر استحکام، کارپذیری سرد ورق فولادی حائز اهمیت می باشد.
قابل توجه است که برای صفحه فولادی استحکام بالا ازدیاد ط

ول به خاطر کشش معیار بهتری برای خواص شكل گیری مقدار آستنيت می باشد.
علت اصلی استفاده از ورق فولادی استحکام بالای نورد سرد شده نسبت به ورق های دیگر این می باشد که افزایش مقدار Si علاوه بر اینکه ازدیاد طول در کشش را بالا می برد افت قابلیت جوش نقطه ای را نیز به دنبال نخواهد داشت.
همانطور که ذکر شد مقدار Si بیشتر از نقطه تردی داده نمی شود بنابراین چنین حدی در تردی یک مشکل جدی می باشد.
در نتیجه ورق فولادی مذکور شدیداً مناسب برای استفاده به عنوان ماده بدنه خودرو می باشد در حالیکه منجر به کاهش فوق العاده وزن بدنه خودرو می شود و استحکام بالای آن نیز حفظ می شود.
مقدار کربن کمتر از ۰۳/۰% استحکام کششی را فراهم می کند همچنین مقدار کربن نباید از ۲/۰% به خاطر بدست آوردن قابلیت جوش خوب تجاوز کند.
مقدار نیوبیوم کمتر از ۰۱/۰% برای بهبود استحکام موثر نیست در حالیکه مقدار بیش از ۲۳/۰% نیز نمی توند باعث بهبود و بیشتر شدن استحکام شود.
همچنین تیتانیوم نیز باید بین ۲/۰-۰۱/۰ باشد اگر مقدار تیتانیوم بیشتر از ۲/۰ باشد ساخت شمش را مشکل می کند.
همانطور که در ترکیب ورق فولاد مذکور اشاره شد محدوده بالائی Nb+Ti 3/0% تعیین می شود زیرا مقدار بیش از این هیچ اثر خاصی ایجاد نمی کند.
مقدار منگنز کمتر از ۳/۱% در استحکام کشش نقشی ندارد. نظر به اینکه مقدار منگنز بیش از ۳% فرآیند ساخت فولاد را مشکل می سازد.

همانطور که قبلاً ذکر شد مقدار سیلسیم ۶/۰% یا بیشتر از آن خواص ازدیاد طول تحت کشش را بالا می برد و در زمان مشابه استحکام کششی تا چند درجه افزایش می یابد از طرف دیگر محدوده بالای Si باید ۵/۱% باشد.
مقدار سیلسیم (۶/۰ تا۵/۱%) و مقدار Mn (3/1 تا ۳%) ورق فولادی موجود قابلیت کار سرد عالی به همراه ازدیاد طول بالای از خود نشان می دهد در حالیکه استحکام کششی خود را حفظ می کند.
مواد مورد استفاده در بدنه خودروها باید خاصیت کشش عمیق و انعطاف پذیری (داکتیلیته) عالی داشته باشند این خواص ممکن است در نرم ازدیاد طول تحت کشش بیان شوند در حالیکه استحکام تا حد امکان بالا نگه داشته می شود.

ورق فولادی باید بعد از نورد شدن در دمای بین ˚۶۲۰ تا نقطه استحاله آنیل شود آنیل زیر ˚۶۲۰ باعث تبلور مجدد می شود که رضایت بخش نیست همچنین منجر به بازیابی ضعیف داکتیلیته محصول می شود از طرف دیگر از آنیل در دمای بالا نقطه استحاله نباید پرهیز شود زیرا چنین کاری منجر به زینتر می شود و باعث تغییر شکل ورق فولادی می شود و غیر اقتصادی است.
در جدول ۲-۱ ترکیب شیمیایی شمش های فولادی آماده شده در کوره فرکانس بالا نشان می دهد که در دمای نهایی ˚۸۵۰ بصورت تسمه هائی به ضخامت mm5/2 و نورد نرم شده است هرکدام از تسمه های فولادی اسیدشوئی می شوند و سپس بصورت ورق فولادی با ضخامت mm8/0 تبدیل می شود ورق ها در دمای از پیش تعیین شده آنیل می شوند و سپس تست می شوند که نتایج در جدول زیر خلاصه شده است.
جدول ۲-۱: ترکیب شیمیایی شمش های فولادی آماده شده در کوره فرکانس بالا.

فصل سوم

فولاد مورد استفاده در بدنه خودرو

۳-۱- مواد مورد استفاده در ساختمان بدنه اتومبیل در آینده
تحقیق در توسعه تکنولوژی های بوم شناختی (اکولوژیکی) برای خودروها در صنعت اتومبیل اهمیت پیدا کرده است. یکی از بزرگترین چیزهائی که در این قرن به آن توجه ویژه می شود حفظ منابع طبیعی و به حداقل رساندن آلودگی می باشد، که یکی از راه های رسیدن به این مهم کاهش وزن وسیله های نقلیه و در نتیجه کمتر کردن مصرف سوخت می باشد.
امروزه میانگین وزن ماشینهای مسافرتی یک روند رو به بالائی را نشان می دهد چون در عملکرد بدنه خودرو بهبود داده شده است و این باعث افزایش وزن ساختمان خودرو شده است.
یکی از عوامل مهم در افزایش وزن خودرو بالا بردن قدرت موتور خودرو می باشد. همچنین در رابطه با آلودگی ماشینها دانشمندان معتقدند که دی اکسید کربن منتشر شده از خودروها اثرات گلخانه ای را به دنبال دارند و حتی مقادیر کمی از کاهش مصرف سوخت نیز باعث کاهش زیادی منتشر شده از خودرو می شود.

با فرض کاهش مصرف سوخت تقریباً ۳/۰ تا ۴/۰ لیتر به ازای هر Km100 به کاهش وزنی معادل kg100 دست پیدا خواهد کرد. [۳]
اگر وزن بدنه کاهش یابد یک کاهش وزن ثانویه ای در تئوری قابل دریافت است برای مثال: شاسی، ترمزها و چرخ دنده ها می تواننند کوچکتر و سبکتر طراحی شوند تا منجر به کاهش وزن خودرو شوند.[۴]

۳-۲- پروسه های تولید سازه های سبک وزن
۱٫ سازه های سبک وزن: که دارای چگالی کم و در عین حال سختی، استحکام و مقاومت مکانیکی بالایی می باشند. مواد سبک وزنی که معمولاً استفاده می شوند فلزاتی مانند آلومینیوم، منیزیم، فولادهای استحکام بالا، فومها یا انواع مختلفی از پلاستیک های تقویت شده و تقویت نشده می باشند.
۲٫ بهینه سازی طراحی: که باعث کاهش وزن بدون کاهش سختی و کارآئی می شود.
۳٫ بهینه سازی فرآیند تولید: مهمتر از همه کاهش جوش های نقطه ای است که موقعیکه توسط تکنیکهای جدید مثل جوشکاری با لیزر انجام می شود باید وزن بدنه را کاهش دهد.[۵]
۳-۳- کاربرد مواد در بدنه خودرو
۳-۳-۱- فولاد
امروزه بیشترین موادی که برای وسایل نقلیه استفاده می شوند انواع مختلفی از فولادها هستند فولادهای نوع استحکام بالا به منظور افزایش تولید به مقدار زیادی در قسمتهایی مثل ورقها یا پروفیل ها که توسط تکنیکهای ساخت مخصوص مونتاژ می شوند مورد استفاده قرار می گیرند.
فولادهای استحکام بالا حدوداً ۸۰% بدنه خودروهای اروپائی را تشکیل می دهند. تنش تسلیم فولادهای استحکام بالا از Mpa220 به حدود Mpa1400 بهبود داده شده است. امروزه فولادهای استحکام بالا بصورت متناوبی بعنوان قسمتهای کوچکتر وسایل نقلیه استفاده می شوند.[۶]
شکل ۳-۱ گسترش مواد مورد استفاده در ماشین ها از سال ۱۹۷۰ تا ۲۰۱۰ را نشان می دهد. مواد سبک وزن جای مقدار زیادی از مواد سنگین مثل آهن و فولاد را خواهند گرفت.
رقابت برای جایگزین شدن فولادها بین پلاستیک – آلیاژهای آلومینیوم و مخصوصاً آلیاژهای منیزیم می باشد که تقریباً ۲۰% وزن خودرو را کاهش خواهد داد.

شکل۳-۱- گسترش مواد مورد استفاده در ماشین ها از سال ۱۹۷۰ تا ۲۰۱۰

 

۳-۳-۲- آلیاژهای آلومینیم
آلومینیم با وزن مخصوص پایین، مدول الاستیکی حدود Mpa70، انعطاف پذیری خوب، مقاومت به خوردگی بالا یکی از فلزاتی است که اهمیت صنعتی فراوانی دارد. این فلز با استحکام ویژه (نسبت استحکام به وزن) عالی و همچنین با توجه به قابلیت آن برای پذیرش مکانیزمهای استحکام بخشی، شکل پذیری گرم و سرد خوب در صنایع هواپیماسازی و وسایل حمل و نقل اهمیت زیادی یافته است. همچنین با شکل پذیری بالایی که دارد می توان از آن، انواع پروفیلها با شکلهای توپر و توخالی پیچیده، ورق تا ضخامتهای بسیار پائین (زرورقها یا فویلها) را تولید کرد. به عنوان مثال آلیاژهای Al-Li که دارای چگالی پایین می باشد و این وزن کم می تواند باعث استحکام ویژه بسیار خوب این آلیاژ برای کاربردهای هوا- فضا و وسایل نقلیه گردد. [۵]

آهنگ رشد ترک خستگی در این آلیاژها پایین است که باعث بهبود مقاومت خستگی و سفتی (تافنس) خوب این آلیاژها در دماهای پایین می شود.
۳-۳-۳- آلیاژهای منیزیم
منیزیم با چگالی سبکتر از آلومینیم است و نقطه ذوب آن نیز پایین تر از آلومینیوم (C˚۶۵۰) است مقاومت به خوردگی منیزیم در بسیاری از محیطها به آلومینیم می رسد، اما در مقابل نمکها حساس است، به طوری که در نزدیکی محیط دریا سریع تخریب می شود. بنابراین آلیاژهای منیزیم استحکامی مانند آلیاژهای آلومینیم ندارند، اما استحکام ویژه آنها قابل مقایسه است. نتیجه اینکه آلیاژهای منیزیم در حمل و نقل و صنعت خودرو سازی به کار می روند. به هر حال منیزیم دارای مدول الاستیکی پایین (Mpa45000) و مقاومت خستگی، مقاومت خزشی و مقاومت سایشی ضعیفی است.
۳-۳-۴- کامپوزیتها (مواد مختلط)
به موادی گفته می شود که از مخلوط چند ماده (حداقل دو ماده) با خواص متفاوت تشکیل شده باشند. مواد کامپوزیتی، بیشتر شامل یک جزء نرم و شکل پذیر به عنوان جزء اصلی زمینه و یک جزء بسیار سفت و سخت به عنوان تقویت کننده است. کامپوزیتها معمولاً دارای استحکام بالا و چگالی پایین هستند. هم اکنون با دستیابی به مواد کامپوزیتی با نسبت استحکام به وزن بالا قطعات زیادی از وسایل نقلیه زمینی دریایی و هوایی و تجهیزات صنایع نفت و پتروشیمی ساخته می شوند.
۳-۴- کاهش در وزن خودرو
در دهه های بعدی افزایش درخواستها در بخش ترافیک منجر به رشد پیوسته ای از سرویسهای حمل و نقل خواهد شد. همچنین تعداد وسایل و خودروها با مهاجرت طاقت فرسای افراد به دلایل شخصی و شغلی رشد خواهد کرد و نتیجه اش این است که مصرف سوخت باید کاهش داده شود بنابراین لازم است که از مواد سبک وزن در بدنه ماشین استفاده شود.
۳-۵- اثر نیوبیوم روی تبلور مجدد ورق فولادی کم کربن حاصل از نورد سرد در خودرو

فولادهای بسیار کم کربن (If) عاری از عناصر بین نشین، حاوی مقدار بسیار جزئی تیتانیوم و نیوبیوم (به منظور مهار عناصر بین نشین کربن و نیتروژن) بطور وسیعی امروزه در صنعت اتومبیل به خاطر ترکیب های متنوعی که در رابطه با خواص استحکامی و داکتیلیتی ارائه می دهند مورد استفاده قرار می گیرند.
اخیراً این کلاس فولاد با خواص ویژه ای تولید می شود برای مثال پانل های بدنه از جنس فولادهای فورج شده که دارای اثر بخشی بر روی خشک شدن پوشش رنگ شده و یا بطور ضعیف رنگ شده هستند ، می باشند و به عنوان فولادهای با اثر BH شناخته می شوند.

آنها دارای نقطه تسلیم پائین و انعطاف پذیری بالا در حالت اولیه می باشند که این امر سبب می شود که اجزا مرکب بدنه را از آنها فورج کنند (امکان فورج کردن این فولادها برای استفاده در بدنه را ممکن می سازد).
موقعی که پوشش رنگ شده در دمای ˚۲۰۰-۱۵۰ خشک شود سختی فولاد و نقطه تسلیم آن به بالای Mpa40 افزایش می یابد و خواص لازم را برای سرویس فراهم می کند.
با دانستن این پارامترها، می توانیم مکانیسم تشکیل میکروساختار و خواص فولاد عملیات حرارتی شده را شرح دهیم و مقدار معینی از احتمال تشکیل خواص ترکیبی مورد نیاز آن را پیشگوئی کنیم. به منظور سخت شدن فولاد در فرآیند خشک کردن آن باید حاوی مقدار خاصی از کربن در فریت در حالت اولیه باشد.
از داده ها چنین برمی آید که فریت باید حداقل apm60 (%wt0006/0) کربن داشته باشد.[۸و۷] در زمان مشابه یک مقدار اضافی کربن خصوصاً در نورد سرد شده نیمه تمام باعث کاهش نامطلوبی در ویژگیهای انعطاف پذیری (داکتیلیتی) می شود و قابلیت فولاد را به پیر شدن طبیعی (پیرسازی طبیعی) افزایش می دهد.[۹] همچنین مشخص شده است که دمای نورد یک فاکتور موثر در خواص فولادهای If است.[۱۱و۱۰]
تغییر دمای نورد بعد از نورد گرم می تواند باعث تغییر مشخصی در میکروساختار و خواص مکانیکی فولاد شود این امر به خاطر تفاوتهائی است که در درجه پیوند کربن در کاربیدهای خاص وجود دارد.
بطور کلی اگر در یک ورق که حاوی apm25 (0025/0%) کربن و حدود apm120 (wt012/0%) تیتانیوم و حدود apm220-100 نیوبیوم باشد می توانیم نسبت نیوبیوم را به کربن با روشهای مختلف بررسی کنیم یک روش چنین می باشد که به ترکیبات Ti که حاوی کربن نیستند اجازه تشکیل دهیم (مانند TiS,TiN) در این حالت کربن بطور کلی یا جزئی بستگی به مقدار Nb و یا کاربی

د نیوبیوم دارد.
کاربیدها می توانند در یک دمای کاملاً بالا تحت زمان کوتاه گرم شده (حدوداً ۱۵۰ ثانیه تا ۶۰ ثانیه) و در فرآیند عملیات حرارتی (آنیل) پیوسته حل شوند.
به همین خاطر مقدار کربن در محلول جامد (فریت) و در نتیجه اثر BH افزایش می یابد.
در یک حالت تعادلی در یک نسبت افقی زمانی که باشد محلول جامد باید حاوی کربن اضافی باشد و زمانی که باشد محلول جامد باید حاوی Nb اضافی باشد.
به هر حال از داده های بسیاری از محققان می توان نتیجه گرفت که فولادهای بسیار کم کربن آلیاژ شده با تیتانیوم ممکن است تشکیل کاربوسولفید تیتانیوم دهند که در این حالت کربن بطور جزئی در کاربوسولفید تیتانیوم پیوند ایجاد می کند که بطور تجربی در دمای آنیل نامحلول است (حدود ˚۸۵۰) بنابراین مقدار موثر کربن کاهش می یابد.
نسبت کل مقدار Nb به مقدار موثر Ti، در جدول ۱-۳ موجود است که این داده ها برای دو دمای نورد میانگین گرفته شده اند تبلور مجدد در فولادهایی که تحت دمای نورد بالا (˚۷۷۰) حاصل شده اتفاق می افتد.
جدول ۳-۱- نسبت کل مقدار Nb به مقدار موثر Ti،
Nb/Cef Nb/C Steel
0.7 0.5 1
0.8 0.6 2
1.0 0.8 3
1.2 0.9 4
1.8 1.3 5

تبلور مجدد فولادهائی که نسبت نیوبیوم به کربن تقریباً کامل است در حالی که تبلور مجدد فولادها با نسبت تنها در حال شروع شدن است.
شکل ۳-۲ وابستگی تعداد فاز تبلور مجدد شده به زمان نگهداری در آنیل تبلور مجدد بوسیله دمای نورد و ترکیب شیمیائی فولاد را نشان می دهد.

شکل۳-۲- مقدار فاز تبلور مجدد یافته Vr.ph به عنوان تابعی از زمان آنیل فولادهای با نسبت های مختلف (○و● دمای آنیل C˚۷۲۰) (∆ و ▲ C˚ ۷۴۰) (□ و ■ C˚۷۶۰: علامتهای سیاه مربوط به دمای نورد C˚۷۷۰=tr و علامتهای سفید مربوط به C˚۶۵۰=tr هستند.
در تمام فولادها نورد شده در دمای بالا تبلور مجدد بطور وسیعتر اتفاق می افتد. خصوصاً این مورد برای فولادهایی که نسبت قابل توجیح است.
شایان ذکر است که در فولاد نورد شده در دمای بالاتر کاملاً تبلور مجدد اتفاق می افتد. فولاد مشابه نورد شده در پائین ترین دما بعد از آنیل در دمای ˚۷۵۰ (t=1Sec) تنها ۹۰% تبلور مجدد می شود.[۱۲]

ر مجدد در دمای حدوداً ˚۷۶۰ بعد از نگهداری برای آنیل پیوسته در زمان حدوداً ۱Sec پایان می یابد. اما برای فولادی که عناصر اضافی در محلول جامد ندارد دمای نهایی تبلور مجدد کمتر است و گاهی تا ˚۷۲۰ هم می رسد. مشخص شده است که دمای نورد اندازه ذرات کاربید نیوبیوم را تحت تأثیر قرار می دهد.
کاربیدهای نیوبیوم ریزتر و ظریفتر در یک متوقف کننده و موثر در رشد همچنین جوانه زنی فاز تبلور مجدد انجام وظیفه می کنند.
مطالعه ارتباط بین نسبت اندازه دانه های فریت و خواص مکانیکی فولاد بعد از شبیه سازی آنیل پیوسته در دمای T90c˚ به مدت sec60 (شکل۳-۳) نشان داده شد که پارامترهای تبلور مجدد مطابق با اندازه دانه های فریت خواص مکانیکی و میکرو ساختار فولاد است (مطابق شکل ۳-۳).

شکل۳-۳- اندازه دانه های فریت df، نقطه تسلیم ۲/۰ σ، ازدیاد طول ۴δ و ضریب آنیزوتروپی پلاستیک نرمال rm فولادهای با نسبتهای مختلف بعد از آنیل در C˚۷۹۰: ستونهای سیاهرنگ C˚۷۷۰=tr: ستونهای سفید رنگ C˚۶۵۰=tr
اندازه دانه های فریت در فولادی که در معرض نورد در دمای بالا قرار گرفته خیلی بیشتر از فولادی است که در معرض نورد در دمای پائین قرار گرفته است. (در شکل ۳-۳ مشهود است)
این موضوع با این حقیقت پیوند می خورد که تبلور مجدد فولادها بعد از نورد در دمای بالا زودتر می باشد.
خواص مکانیکی فولادهای حاصل شده بعنوان یک نتیجه از شبیه سازی آنیل پیوسته د

ر دمای ˚۷۹۰ وابسته به اندازه دانه هاست.
می توان دید که افزایش در اندازه دانه های فریت در فولاد بعد از نورد در دمای بالا یک اثر مطلوبی بر روی ترکیب خواص مکانیکی مورد نیاز برای بهبود قابلیت آهنگری و خروج فولاد دارد.