کارآموزی ریخته گری گروه صنعنتی نورد نوشهر

متالورژی، علم و تکنولوژی استفاده از فلزات است. متالورژی، به عنوان یک فن از زمانهای قدیم وجود داشته است. انسانهای گذشته بسیاری از فلزات موجود در طبیعت را می شناختند و به کار می بردند. ۳۵۰۰ سال قبل از میلاد از طلا برای ساختن زیورآلات، بشقاب و ظروف استفاده میشده است. فن گدازش، پالایش و شکل دادن فلزات توسط مصریان و چینی ها بسیار تکامل یافت. مصریان قدیم می دانستند چگونه آهن را از سنگ آهن جدا کنند و می دانستند که فولاد سختی پذیر است. اما استفاده از آهن تا سال ۱۰۰۰ قبل از میلاد رایج نشده بود. استفاده از آهن نزد مردم عهد باستان متداول نبود و آنها استفاده از طلا، نقره و مس و برنج را ترجیح می دادند.

عموما در قرون وسطی علم کار بر روی فلزات مستقیما از استاد به شاگرد منتقل می شد و در نتیجه بسیاری از فرآیندها با خرافات می آمیخت. در مورد فرآیندهای متالورزیکی بسیار کم نوشته شده بود تا اینکه برنیگوچیو کتاب پیوتکنیا را در سال ۱۵۴۰ و به دنبال آن کتاب دِرِ متالورژیکا را در سال ۱۵۵۶ منتشر کرد. طی سال های متمادی توسط مردمی که در تقلید جنس و ساتار فولاد دمشق می کوشیدند، اطلاعات بسیاری به علم افزوده شد.

تا آغاز آخرین ربع قرن نوزدهم، اغلب تحقیقات در مورد ساختار فلز با چشم غیرمسلح و به طور سطحی صورت می گرفت. علم ساختار فلزها تقریبا وجود نداشت. در این میان، نیاز به وجود افرادی که سابقه ی علمی انها بیشتر از سابقه علمی و تجربی شان بود، احساس می شد.

بعدها در سال ۱۹۲۲ با کشف روشهای پراش اشعه X و مکانیک موجی، آگاهی های بیشتری درباره ی ساختار و خواص فلزها حاصل شد.
متالورژی حقیقتاً علم مستقلی نیست، زیرا بسیاری از مفاهیم اساسی آن از فییک، شیمی و بلورشناسی مشتق می شود. متخصصان متالورژی به طور فزآینده ای در تکنولوؤی جدید اهمیت پیدا کرده اند. سال ها پیش بخش عمده ی قطعات فولادی از فولاد کم کربن ارزان قیمت تهیه می شد که به سهولت

ماشینکاری و ساخته می شد. عملیات گرمایی به طور عمده ای برای ابزار به کار برده می شد. طراحان قادر نبودند غیریکنواختی ساختاری، عیوب سطحی و غیره را به حساب بیاورند و کار درست آن بود که ضریب ایمنی بزرگ استفاده کنند. در نتیجه، ماشینها بسیار سنگین تر از حد لازم بودند و وزن زیاد نشانه ای از مرغوبیت محسوب مس شد. این وضع تا حدودی تا سالهای اخیر نیز اثر خود را حفظ کرده بود، اما با هدایت صنایع هواپیمایی و خودروسازی کم کم برطرف می شود. این صنایع بر اهمیت نسبت استحکام به وزن در طراحی خوب تأکید می کردند و این تأکید ، به ایجاد آلیاژهای جدید سبک و پراستحکام منجر شد]۱[.

دسته بندی رشته های متالورژی

متالورژی استخراجی یا فرآیندی که علم به دست آوردن فلز از کانه است و معدن کاری، تغلیظ استخراج و پالایش فلزها و آلیاژها را در برمی گیرد؛
متالورژی فیزیکی؛ علمی که با مشخصه های فیزیکی و مکانیکی فلزها و آلیاژها سر و کار دارد. در این رشته خواص فلزها و آلیاژها، که ۳ متغیر زیر بر آنها اثر می گذارند، بررسی می شود:
الف. ترکیب شیمیایی– اجزای شیمیایی آلیاژ؛
ب. عملیات مکانیکی– هر عملیاتی که سبب تغییر شکل فلز می شود مانند نورد(Rolling)، کشش (Drawing)، شکل دادن یا ماشینکاری؛
ج. عملیات گرمایی – اثر دما و آهنگ گرم یا سردکردن.

مفاهیم اساسی در شکل دهی فلزات

هدف اصلی از عملیات شکل دهی فلز، ایجاد تغییر شکل مطلوب است. در این راستا، برای رسیدن به تغییر شکل مطلوب و همراه با خواص مورد نظر ما، باید دو نکته ی مهم مورد توجه قرار گیرند:

 نیروهای لازم برای شکل دهی فلزات؛
 خواص لازم برای شکل دهی ماده ای که مورد تغییر شکل قرار می گیرد.

همان طور که می دانیم، خواص ماده، بر فرآیند شکل دهی تأثیر می گذارد و بهینه سازی آن برای تغییر شکل حائز اهمیت است. اگرچه موضوعاتی چون سایش، انتقال حرارت و طراحی مکانیکی، دارای اهمیت هستند، اما در اینجا، رابطه متقابل بین ابزار و فلز در حین تغییر شکل پلاستیک و همچنین روابط متقابل بین فرآیند تغییر شکل (در اینجا نورد) و فلز مورد نظر اهمیت بیشتری دارد.

هنگامی که ماده ای تحت تنشی کمتر از حد کشسان قرار گیرد، تغییر شکل یا کرنش حاصل، گذرا خواهد بود و با حذف تنش قطعه به تدریج ابعاد اولیه ی خود را باز می یابد، اما با واردکردن تنش بیش از حد کشسان، ماده تغییر شکل مومسان یا دائمی می دهد و قطعه به شکل اولیه باز نمی گردد، مگر با صرف نیرو.

شاید شکل پذیری فلز، برجسته ترین مشخصه ی آن در مقایسه با دیگر مواد باشد. کلیه عملیات شکل دهی همچون پرسکاری، ورق کشی، نورد، آهنگری، کشش و اکستروژن مستلزم تغییر شکل مومسان اند. عملیات مختلف ماشینکاری نظیر تراشکاری، برشکاری و سوراخکاری نیز با تغییر شکل مومسان همراه است.

رفتار فلز تحت تغییر شکل مومسان و مکانیسمی که توسط آن این تغییرات روی میدهد، در تکمیل عملیات فلزکاری اهمیت اساسی دارد.
با بررسی رفتار یک تک بلور تنش یافته، اطلاعات زیادی در مورد مکانیسم تغییر شکل به دست می آید که می توان آن را در مورد مواد چندبلوری نعمیم داد. تغییر شکل مومسان با لغزش، دوقلویی شدن یا ترکیبی از این دو روش انجام می شود.

مکانیزم های تغییر شکل

 مکانیزم لغزش در تغییر شکل

دو بخش بلور در دو طرف یک صفحه ی لغزش در جهات مخالف هم حرکت می کنند و با رسیدن به حالتی که اتمها تقریبا در حالت موازنه اند، توقف می کنند، به طوری که تغییر جهت گیری شبکه بسیار اندک است. بنابراین شکل خارجی بلور بدون تخریب آن تغییر می کند. بررسی با روشهای حساس پرتو X نشان می دهد که بعد از تغییر، مقداری خمش یا چرخش در صفحه های شبکه پدید آمده است و اتمها کاملا در موقعیت عادی خود قرار ندارند.

(الف) (ب) (ج)
شکل ۱ : (الف) لغزش هنگام کشش قبل از کرنش؛ (ب) با انتهای مقید شده در هنگام کرنش؛ (ج) صفحه و امتداد لغزش در شبکه fcc؛
فرض منطقی در این مورد این است که اتمها متوالیاً می لغزند، یعنی حرکت از یک یا چند نقطه در صفحه ی لغزش شروع و سپس در بقیه ی صفحه منتشر می شود.

نا به جایی ها در عرض صفحه ی لغزش حرکت می کنند و وقتی به سطح بیرونی می رسد، یک پله به جا می گذارد. هر وقت نابجایی در صفحه لغزش حرکت می کند، بلور به اندازه ی یک فضای اتمی حرکت می کند. چون بعد از عبور نابه جایی اتمها کاملاً در محل معمول خود قرار نمی گیرند، حرکت بعدی نابجایی در همان صفحه ی لغزش با مقاومت بیشتری مواجه می شود تا نابه جایی را در ساختار بلور قفل کند و حرکت متوقف شود. ادامه ی تغیی شکل نیاز به حرکت در صفحه ی لغزش دیگری دارد.

به ترکیب یک صفحه و یک جهت لغزش ، سیستم لغزش گفته می شود. امتداد لغزش، همواره امتدادی است که بیشترین انباشتگی اتمی را در صفحه ی لغزش دارد و مهمترین عامل در سیستم لغزش است.

 ساختار fcc . در مواد fcc – از جمله در آهن – چهار سري صفحه ي (۱۱۱) و در هر صفحه، سه امتداد انباشته ي >110< وجود دارد كه مجموعاً ۱۲ سيستم لغزش را ايجاد مي كنند. اين سيستم هاي لغزش به خوبي در بلور توزيع شده اند و ممكن نيست بلور fcc كرنش يابد كه حداقل در يكي از صفحه هاي {۱۱۱} و در يكي از امتدادهاي مطلوب لغزش واقع شود. همان طور كه انتظار مي رود، ميزان تنش بحراني تجزيه شده براي لغزش اندك است و فلزات با اين نوع ساختار شبكه اي به راحتي تغيير شكل مي دهند (نقره، طلا، مس، آلومينيوم).

 

 ساختار hcp . فلزات با ساختار hcp، تنها يك صفحه ي متراكم اتمي و سه امتداد انباشته در اين صفحه دارد. با محدودبودن تعداد سيستم هاي لغزش، تغيير شكل با دوقلويي شدن، سيستم هاي لغزشي بيشتري را به موقعيت مناسب مي كشاند، بنابراين مومساني ين سيستم به مومساني ساختار fcc نزديك مي شود و از مومساني فلزاتbcc پيشي مي گيرد.

 ساختار bcc . چون فلزات bcc، در هر سلول واحد اتم كمتري دارند، داراي سيستم لغزش كاملا مشخص و صفحه ي واقعا انباشته نيستند. امتداد لغزش، امتداد فشرده ي >111< است. دليل ديگر بر فقدان صفحه ي انباشته، تنش برشي بحراني تجزيه شده ي نسبتاً بالا براي لغزش است. بنابراين درجه ي مومساني آن زياد نيست.

 مکانیزم دوقلويي در تغییر شکل

در مواد معيني به خصوص فلزات hcp، دوقلويي شدن عامل اصلي تغيير شكل است. اين عمل ممكن است با تغيير شكل زياد همراه باشد، يا صرفاً صفحات لغزش را در موقعيت مناسب تري قرار دهد.
دوقلويي شدن يعني حركت صفحات اتمي شبكه، موازي با صفحه اي مشخص به طوري كه شبكه به دو بخش قرينه، با امتدادهاي مختلف تقسيم شود.

مقايسه سیستم هاي تغيير شكل (لغزش و دوقلويي)

تفاوت هاي موجود بين لغزش و دوقلويي شدن شامل موارد زير مي شوند:

۱٫ مقدار حركت. در لغزش، اتمها مضرب صحيحي از فاصله ي بين اتمي را طي مي كنند، در حالي كه در دوقلويي شدن اتمها، كسري از اين مقدار را كه به فاصله شان از صفحه ي دوقلويي بستگي دارد، طي مي كنند.
۲٫ نمايش ميكروسكوپي. لغزش به صورت خطوط نازك و دوقلويي به صورت خطوط پهن يا نوار ديده مي شود.
۳٫ جهت گيري شبكه. در لغزش تغييرات جزيي در جهتگيري شبكه پديد مي آيد و پله هاي به وجود آمده، فقط بر سطح بلور ديده مي شوند. چنانچه با پرداخت كاري پله ها برطرف شوند، هيچ اثر ديگري از بروز لغزش باقي نمي ماند. در دوقلويي شدن، به سبب تغيير جهت گيري شبكه در منطقه دوقلويي شده، حتي حذف پله ها از سطح به وسيله ي پرداخت كاري هم باعث حذف آثار دوقلويي نمي شود. حكاكي با محلولهاي مناسب كه به تغييرات جهتگيري شبكه بلوري حساس باشند، منطقه ي دوقلوشده را آشكار مي كند.

مفهوم سوپرپلاستیسیته

در پاره ای از مواد که دارای اندازه دانه کوچکی هستند، تغییر شکل دمای بالا رخ می دهد. این تغییر شکل به وسیله ی لغزش مرزدانه به طور وسیع و دیفوزیون و یا به وسیله ی دیفوزیون و انتقال جرم به طوری که کل دانه ها در شکل دگرگون می شوند، رخ می دهد. نیروی تغییرشکل دهنده، مادامی که آهنگ کرنش در بین حدودی خاص نگه داشته می شود و دما مناسب باشد، بسیار کوچک است و رفتار سوپرپلاستیک باقی می ماند، یعنی الانگیشن های بسیار بالا به دست می آید (بیش از صدها درصد و حتی بالاتر از هزار درصد).
بنابراین تکنیک هایی که برای شکل دادن پلیمرها طراحی شده است را می توان برای مواد سوپرپلاستیک به کار برد. پس از سردکردن از دمای SP در بسیاری از آلیاژها، استحکام فوق العاده ای ایجاد می شود. اما همان مکانیزمی که باعث تغییر شکل سوپرپلاستیک می شود نیز برای مواد ریزدانه ای که در مقابل خزش ضعیف اند، عمل می کنند، از این رو موادی که به صورت SP تغییر شکل یافته اند را میتوان برای سرویس در دمای بالا از طریق آنیل دمای بالا مناسب ساخت. دانه هایی که به این طریق رشد می کنند و بزرگ می شوند، دارای مرزدانه های نسبتاً کمی بوده و مقاومت بیشتری در مقابل خزش در آهنگ کرنش های پایین دارد.
مطابق شکل استحکام فلزات، با بزرگ تر شدن اندازه دانه، کوچکتر می شود؛ به خصوص وقتی که تغییر شکل در دمای بالا و آهنگ کرنشهای پایین به همراه نفوذ عظیمی از اتمها رخ می دهد. این ترتیب پروسه، مبنای ساخت قطعات سوپرآلیاژهای دیسکهای توربین می باشد.

تأثیر متقابل تغییر شکل و ساختار ماده

از تأثیر متقابل تغییر شکل و جنبه های ریزساختار آن می توان برای کنترل خواص ماده بهره برد. ساختار شمش (بیلت) ریختگی، شامل جنبه های نامطلوبی می باشند. دانه ها و بازوهای دندریتی بین دانه ها بزرگ هستند و در نتیجه استحکام ماده پایین است. دانه های ستونی ممکن است در جهت های مطلوب، جهت گیری و رشد کرده باشند که آن هم باعث بیشترشدن استحکام و داکتیلیته در بعضی از جهات می گردد. از این رو شیب غلظتی به وجود می آید و همچنین سوراخهای ریز، حفره های انقباضی و مکها و ناخالصیها نیز وجود خواهند داشت.

فرآيندهاي مورد استفاده در طي شكل دهي فلزات

اغلب قطعات فلزي از شمشهاي ريختگي تهيه مي شوند. براي ساخت ورق، صفحه، ميله، سيم و غيره از اين شمش، روشهاي مختلفي مورد استفاده قرار ميگيرد كه در زير به مهمترين آنها اشاره مي شود.

بازیابی

بازیابی فرآیندی دما پایین است و تغییر خواص ناشی از این فرآیند، باعث تغییر محسوس ریزساختار نمی شود. به نظر می رسد اثر عمده ی بازیابی، آزادسازی تنشهای داخلی ناشی از کارسرد است. در دمایی معین، آهنگ کرنش –سختی باقیمانده، ابتدا سریعترین مقدار خود را دارد و به تدریج افت می کند. همچنین مقدار کاهش تنش باقیمانده، با افزایش دما زیاد می شود. اگر بار به وجودآورنده ی تغییر شکل مومسان ماده ای چندبلوری حذف شود، تغییر شکل کشسان کاملا ناپدید نمی شود. این به سبب جهت گیری مختلف بلورهاست که وقتی بار رها می شود، بعضی از آنها نمی توانند به عقب برگردند. با افزایش دما برگشت فنری در اتمهایی که حرکت کشسان کرده اند به وجود می آید که بیشتر تنشهای داخلی آزاد می کند. در بعضی موارد ممکن است جریان مومسان جزیی موجب افزایش ناچیز سختی و استحکام شود. رسانندگی الکتریکی نیز به طور محسوس طی مرحله ی بازیابی افزایش می یابد.
از آنجا که در بازیابی، خواص مکانیکی فلز اساساً تغییر نمی کند، گرم کردن به طور عمده به منظورآزادکردن تنش و جلوگیری از ایجاد ترکهای خوردگی تنشی یا به حداقل رسانیدن واپیچش ناشی از تنشهای باقیمانده در آلیاژهای کارسردشده به کار می رود. از نظر تجارتی این عملیات دما-پایین در گستره ی بازیابی، تابکاری تنش زا نامیده می شود.

كارگرم

كارگرم معمولا كم خرج ترين روش است. اما در مورد فولاد، ماده كارگرم شده، هنگام خنك شدن با اكسيژن تركيب مي شود و پوشش اكسيدي سياهرنگي به نام پوسته تشكيل مي دهد. گاه اين پوسته هنگام ماشينكاري يا شكل دلدنف مشكلاتي را به وجود مي آورد. به سبب تغيير ابعاد در هنگام سردشدن، امكان ساخت ماده ي كارگرم شده با ابعاد دقيق وجود ندارد.

از طرف ديگر ماده كارسردشده را با تلرانس دقيق تري مي توان ساخت. سطح آن بدون پوسته است، اما براي تغيير شكل قدرت بيشتري لازم دارد و لذا فرآيند پرهزينه اي است. در صنعتف كاهش اوليه ي سطح مقطع در دماي بسيار بالا انجام مي شود و كاهش نهايي مقطع در سرما انجام مي شود تا مزيتهاي هر دو فرآيند را داشته باشد.

در كارگز، دماي تمامكاري، تعيين كننده ي اندازه ي دانه موجود براي كار سرد بعدي است. براي افزايش يكنواختي ماده، ابتدا كار در دماي بالا انجام مي شود و دانه هاي بزرگ حاصل از اين مرحله، امكان كاهش اقتصادي تر مقطع، طي عمليات بعدي را فراهم ميكند. با سرد شدن ماده، عمليات ادامه و اندازه ي دانه ها كاهش مي يابد، تا اينكه در دماي نزديك به دماي تبلور مجدد دانه ها بسيار ريز مي شوند.

كنترل مناسب كارسرد بعدي اندازه ي نهايي دانه ها را به هم نزديك مي كنند. گرچه مواد دانه درشت، داكتيل ترند، ولي نايكنواختي تغيير شكل دانه ها در ظاهر سطح ايجاد اشكال مي كند. بنابراين انتخاب اندازه دانه، حاصل سازگاري شرايط مختلف است كه توسط عمليات شكل دادن سرد مخصوص تعيين مي گردد.

همگن سازي

در فلزات ريختگي ساختارهاي مغزه دار زياد ديده مي شود. از بحث فوق درباره ي منشأ ساختارهاي مغزه دار مشخص مي شود كه آخرين جامد تشكيل شده در مرزدانه ها و فضاي بين شاخه اي از فلزي با نقطه ذوب پايين تر غني است. بسته به خواص فلز، مرزدانه ها ممكن است به صورت صفحه هاي ضعيف عمل كنند. همچنين خواص مكانيكي و فيزيكي به طور جدي نايكنواخت مي شوند و در بعضي موارد هم امكان خوردگي بين دانه اي در اثر حمله ي انتخابي يك محلول خورنده به وجود مي آيد. بنابراين، غالباً ساختار مغزه دار نامطلوب است.
يكي از روشهاي مناسب براي همگن سازي كه در صنعت مورد استفاده قرار مي گيردف تركيب يا همگن سازي ساختار مغزه دار با انجام نفوذ در حالت جامد است.
در دماي محيط، در اغلب فلزات، آهنگ نفوذ بسيار پايين است، اما با گرم كردن آلياژ تا دمايي زير خط انجماد، نفوذ سريعتر صورت مي گيرد و همگن سازي در زمان نسبتاً كوتاهي انجام مي شود.

كار داغ و تبلور مجدد

كار داغ، بهترين روش در صنعت براي از بين بردن جنبه هاي منفي و مضر ساختار ريختگي مي باشد. زيرا در درجه ي اول باعث حركت اتمها شده و تبلور مجدد را ايجاد مي كند، در نتيجه يكساني تركيب شيميايي در ساختار رخ مي دهد و نيز دانه هاي ريز داراي جهت هاي گوناگون (equiaxial) مي شوند و هموژن شدن نيز تسريع مي گردد.
بايد به ياد داشت كه براي از بين بردن ساختار نامطلوب قطعه ريختگي، به حداقل ۷۵ درصد ريداكشن نياز است. در صورت لزوم، جهت تغيير شكل را بايد معكوس كرد تا كرنش لازم را بدون تغيير در شكل ماده اعمال كنند.

حفره ها و مكها در اثر فشار از بين مي روند، از سوي ديگر، اكسيدها و ناخالصي هاي ديگر كه اكثراً پر بوده و باعث ناهمگوني در خواص ماده مي شوند، از اين طريق خرد شده و به ذرات ريز تبديل مي گردند كه بعضاً خواص مثبتي براي فلز خواهند داشت. البته فازها و اضافات داكتيل و نرم اثر معكوس دارد، يعني در اثر كار داغ كشيده و به طور قابل توجهي خواص مكانيكي را پايين مي آورند. اكسيد هاي سنگين و اضافات سرباره اي كه در pipe، پس از انجماد يافت مي شود، از

ذوب در طول كار جلوگيري كرده و باعث ساختار لايه اي در محصول مي شود. معمولاً شمش را در معرض چندين مرحله متوالي كارداغ قرار مي دهيم كه به اين مراحل Pass گفته مي شود. در تبلور مجدد(Recrystallization) كه در طول پاس ها و يا مابين آنها رخ مي دهد، دانه هاي درشت محصول ريختگي به دانه هاي ريز و مختلف المحور در يك ريزساختار با خواص مكانيكي به مراتب بهتر تبديل مي كند. در مقابل يكي از خواص مكانيكي كه در اثر كارداغ ممكن است به ماده تحميل گردد اين است كه ذرات اضافي و فازهاي ثانوي كه به طور رندوم توزيع شده اند، در اثر كارداغ دچار هم جهتي شده و در جهت نيرو صف آرايي مي كنند. اين پروسه را Mechanical Fibering گوييم كه باعث افزايش ناهمسانگردي مي شوند.

 

عملیات حرارتی-مکانیکی (ترمومکانیکال)

عملیات حرارتی-مکانیکی، از جمله فرآیندهای حرارتی بوده که مجموعه ای از تغییر شکل مومسان و گرمایش یا عملیات حرارتی را در بر می گیرد. هدف از این عملیات، دستیابی به میکروساختارها و در نتیجه خواصی بوده که توسط هر کدام از فرآیندهای مکانیکی و حرارتی به تنهایی امکانپذیر نیست. به طور کلی افزایش استحکام، همراه با بهبود انعطاف پذیری و یا چقرمگی، هدف اصلی عملیات ترمومکانیکی است.

جد.ول ۱: طبقه بندی عملیات حرارتی-مکانیکی، بر اساس سیستم آمریکایی
MD، دمایی است که بالاتر از آن امکان تشکیل مارتنزیت توسط تغییر شکل مومسان وجود ندارد.

آسفورمینگ، نام ویژه ای است که برای عملیات حرارتی-مکانیکی نوع I که در آن آستنیت در حد فاصل دماهای A1 و Ms در نمودار TTT تغییر شکل مکانیکی داده می شود. نوع خاصی از این عملیات، شامل استفاده از فولادهای پرآلیاز با ساختار اولیه آستنیت شبه پایدار است. این نوع فولادها به فولادهایی که تغییر شکل مکانیکی مومسان، تحریک کننده دگرگونی در آنها است (TRIP ) موسوم اند. این نوع نامگذاری به خاطر این است که این فولادها در اثر کرنش، به مارتنزیت تبدیل می شوند؛ از طرف دیگر مارتنزیت ایجادشده در اثر کرنش در برابر گلویی شدن(necking) مقاومت کرده و در نتیجه ترکیبی از استحکام بسیار بالا و انعطاف پذیری را موجب می شوند.

فولادهای مارایجینگ، فولادهای پرآلیاژی بوده که حاوی ۱۸درصد نیکل، ۸درصد کبالت و مقادیر کمی آلومینیوم و تیتانیوم اند. در این فولادها با رسوب ترکیباتی نظیر Ni3Mo و Ni3Ti در زمینه ای از مارتنزیت لایه ای عاری از کربن با استحکام بالا و چقرمگی خوب به دست می آیند. اما مهمترین کاربرد عملیات حرارتی-مکانیکی که واقعاً استفاده می شود، نورد کنترل شده فولادهای میکروآلیاژی (HSLA) برای کنترل اندازه دانه ها است؛ لیکن اجرای فرآیند فولادهای کم کربن بستگی به اندازه دانه های بسیار ریز فریت و تشکیل رسوب برای افزایش استحکام دارد و ربطی به تشکیل مارتنزیت ندارد.

در پروسه های ترمومکانیکی، اساس بر این است که قطعه را با بالابردن دماف در دماهای مختلف کارکردن روی فلز، خواصی به فلز می دهیم که این خواص را نداشته است. چون تغییر شکل پلاستیک درگیر حرکت اتمها است، همه ی پروسه هایی که مبتنی بر حرکت اتمها است، همچون نفوذ، همچنین پروسه هایی که بر اساس نفوذ و دگرگونی و استحاله است را تسریع خواهد کرد. نابه جایی ها در جریان تغییرشکل تکثیر و در هم پیچیده می شوند و همین درهم پیچیدگی سایتهای مناسبی را برای تبلور مجدد فراهم می کند. نابه جایی ها همچنین سایتهایی را برای جوانه زنی ذرات رسوبی ایجاد می کنند. در نتیجه تعداد ذرات رسوبی بیشتر و اندازه های آن بیشتر می شوند.

 

۱٫ هنگامی که یک فولاد آلیاؤ میشود، به طوریکه استنیت شبه پایدار بتواند برای مدتی وجود داشته باشد (یعنی دماغه منحنیTTT به سمت راست انتقال می یابد)، زمان کافی برای کار روی آستنیت شبه پایدار وجود دارد، برای این منظور فولاد آستنیته شده و سپس به سرعت۱۰۰ تا ۲۰۰ درجهزیر دمای استحاله سرد میشود و در ان دما روی آنکار انجام میشود. دنسیته ی بالای نابجایی که در استنیت انجام میشود ، منجر به ریز دانگیشدید در محصول استحاله میشود. اگر کار برروی استنیت در دمای کمتری انجام شود( کار ترمومکانیکال در دمای پایین ) باز هم استحکام بالا میرود و داکتیلیته کاهش می یابد.

۲٫ دمای آغاز استحاله مارتنزیتی Ms به وسیله ی آلیاؤسازی میتواند پایین آورده شود ودر نتیجه یک ساختار آستنیت شبه پایدار ایجاد میشود.( در دمای اتاق باقی میماند). هنگامی که چنین ماده ای تحت تغییر شکل قرار گیرد تحرک اتمها باعث آغاز استحاله به مارتنزیت میگردد بنابراین در هنگام تست کشش در ماده یک گردنی اولیه بوسیله استحاله آستنیت به مارتنزیت (که بسیار مستحکم تر است) پایدار میشود و آغاز گردنی شدن موضعی تا زمانیکه تمام حجم نمونه استحاله یابد، به تعویق می افتد. از اینرو پلاستیسیته تسریع شده به وسیله استحاله (Transformation Induced Plasticity) علاوه براین که باعث افزایشm و n میگردد ، موجب افزایش همزمان استحکام و داکتیلیته میشود. فولادهای TRIP از یک دانسیته ی بالای نابجاییکه به وسیله ی کارگرم به استنیت وارد شده است، بهره میبرند.
۳٫ می دانیم همه مارتنزیت ها سخت نیستند. اگر ظرفیت کربن کم باشد مانند فولادهای ماریجینگ ، مارتنزیت نرم بوده و به سادگی میتوان روی ان کار کرد. اما میتوان ان را با رسوب دهی ذرات بین فلزی مثلTi Ni3، Ni3N استحکام بخشی عظیمی دارد. این ذرات رسوبی، در سایتهای بیشماری توسط نابجایی های زیاد حاصل از کارسرد فراهم شده تشکیل می شود.
۴٫ مواد رسوب سختی شده، مثل آلیاژهای Al و Ni را میتوان در حالی که در دمای محلول جامد هموژن قرار دارند، تحت کار قرار داد. هنگام سردکردن، ذرات رسوبی ریزتر می شوند. زیرا آنها در سایتهای تمرکز نابجایی ها تشکیل می شوند. از سوی دیگر ممکن است ماده در اثر کارسرد به صورت محلول جامد فوق اشباع (SSSS) در می آیند که بسیار نرم است. تا به این وسیله یک دانسیته عظیم از نابجایی ها به آن وارد شود. در این صورت اگر پیرسازی بعدی انجام شود، ذرات رسوبی بسیار ریز خواهند شد و بدون اینکه لطمه ای به داکتیلیته بخوردف استحکام افزایش زیادی خواهد داشت.

۵٫ ماده ای که پیرسختی شده ( و حتی یک مارتنزیت تمپرشده) را میتوان کارسرد نمود تا از استحکام ناشی از pile-up نابه جایی ها در برابر موانع ذره ای ریز توزیع شده بهره گیری کرد. البته معمولاً در عمل، داکتیلیته کاهش می یابد.

۶٫ اگر ماده متحمل یک استحاله آلوتروپیک شود نیز احتمالات دیگر مطرح می شود. ماده اگر تا نزدیکی دمای استحاله گرم شود، اغلب استحکام کم و داکتیلیته بالا را نشان می دهد و نوعاً دانه ها نیز ریز می شود. مثلاً پرلیت تشکیل شده در طول کار بر روی فولاد در دمای استحاله بسیار ریزدانه شده و میتوانند کروی شوند. فولادی که درست در دمای استحاله مورد کار قرار گیرد، به طور غیر معمول از خود استحکام بالا و داکتیلیته مطلوب نشان میدهد.

کوره پیش گرم

برای عملیات حرارتی پیش گرم، انواع متعددی از کوره ها مورد استفاده قرار می گیرند که در زیر نام برده می شوند و با توجه به کاربرد خاص کوره موفلی شعله ای ساده در اینجا، به توضیح آن می پردازیم.
محیط های گرم کننده در عملیات حرارتی در ضمن گرم کردن قطعات در عملیات حرارتی باید از هرگونه تغییر ترکیب شیمیایی جلوگیری شود. روش مناسب برای حفاظت سطح در برابر تغییر شیمیایی بستگی به نوع کوره ی عملیات حرارتی دارد. از اینرو در این قسمت انواع کوره های عملیات حرارتی بیان می شوند و به شرح کوره ی مشعلی ساده می پردازیم:
۱٫ کوره های حمام نمک؛

۲٫ کوره های موفلی برقی؛
۳٫ کوره های با اتمسفر کنترل شده؛ شامل اتمسفرهای:
۳٫۱٫۱٫ گاز خنثی؛
۳٫۱٫۲٫ گاز گرمازا؛

۳٫۱٫۳٫ گاز گرماگیر.
۴٫ کوره های خلأ؛
۵٫ کوره های موفلی شعله ای (با سوخت گاز یا مایع).

در این کوره ها، محفظه گرمایش و بنابراین قطعاتی که باید عملیات حرارتی شوند، توسط شعله گرم می شوند. سوخت مورد استفاده می تواند یک گاز قابل احتراق (مانند گاز طبیعی و یا پروپان) و یا یک سوخت مایع (گازوییل) باشد.

معمولترین کوره ها از این نوع، کوره های شعله ای ساده است. در این نوع کوره ها، قطعات یا به طور مستقیم با شعله در تماس بوده و یا اینکه شعله از فاصله نزدیکی از آنها عبور کرده و آنها را گرم می کند. در هر صورت در این نوع کوره ها قطعات در تماس با محصولات حاصل از احتراق اند. بنابراین اجزای تشکیل دهنده محصولات حاصل از احتراق و یا به بیان دیگر نوع شعله (خنثی، احیایی و یا اکسیدی) اثر بسیار زیادی بر روی قطعات عملیات حرارتی شده دارند. نوع شعله را میتوان توسط تعدیل نسبت سوخت به هوا در سیستم احتراقکنترل کرده و یا اینکه تغییر داد. این کنترل می تواند به صورت دستی انجام شود؛ ولی بهتر است توسط دستگاههای خودکار انجام شود.

معمولاً از کوره های شعله ای برای عملیات حرارتی و یا گرم کردن در مراحل اولیه و یا میانی (مثلاً برای آهنگری یا پتک کاری) قطعه استفاده می شود. تحت چنین شرایطی اگر سطوح قطعات، کربن گرفته، کربن داده و یا اکسید شوند، در مراحل بعدی ساخت، لایه ی سطحی معیوب را میتون توسط سنگ زدن و یا ماشینکاری حذف می کنند. در صورتی که از کوره های شعله ای ساده برای عملیات حرارتی در مراحل نهایی ساخت قطعات و ابزارها استفاده شود، بهتر است نسبت هوا به سوخت به نحوی تنظیم شوند که با توجه به ترکیب شیمیایی فولاد، شعله یا محصولات احتراق مناسب که اثرات زیان آوری سطوح قطعه نداشته باشند، تولید شود. در این شرایط بهترین نوع شعله برای این کار شعله احیاءکننده ضعیف و یا خنثی است.

مشعل هایی که در کوره های شعله ای استفاده می شوند، هم توسط گاز و هم توسط سوخت مایع کار می کنند. در بیشتر موارد، سوخت مایع به عنوان سوخت کمکی به کار می رود. در حقیقت از سوخت مایع معمولاً هنگامی استفاده می شود که تهیه گاز طبیعی برای مدت زمان نسبتاً طولانی با وقفه روبرو می شود.

اندازه گیری دما و ابزارهای مربوط به آن

به منظور شناخت اثر عملیات گرمایی و خواص فلزات، آگاهی مختصری از چگونگی اندازه گیری دما ضروری است.
آذرسنجی عبارت است از اندازه گیری دماهای بالا، عموماً بیش از C˚۵۱۰ و ابزاری که به این منظور به کار می رود، آذرسنج نام دارد.
دماسنجی، عبارت است از اندازه گیری دماهای پایینتر از C˚۵۱۰ و ابزار لازم برای این کار دماسنج نام دارد.

 اندازه گیری دما با توجه به رنگ

یکی از ساده ترین روشهای تخمین دمای هر فلز، توجه به رنگ بدنه داغ آن است. بین دما و رنگ هر فلز، ارتباط آشکاری وجود دارد که در جدول زیر دیده می شود. غیر از ناظری باتجربه، دیگران با این روش فقط دمایی بسیار تقریبی را تشخیص می دهند. مشکل اساسی آن است که تشخیص رنگ، طبق نظر هر فرد فرق می کند. دیگر منبع خطا، یکنواخت نبودن رنگها است که در اجسام گوناگون ممکن است اندکی تغییر کند.
اگر نمایش یا ثبت پیوسته دما لازم باشد، آنگاه ابزار کار به دو دسته کلی تقسیم می شود:
۱٫ سیستم های مکانیکی که اساساً با انبساط یک فلز، مایع، گاز یا بخار سروکار دارند؛
۲٫ سیستم های الکتریکی که با مقاومت، ترموکوپل، تابش و آذرسنج های چشمی سروکار دارند.

رنگ دما
C˚ F˚
قرمز کم رنگ
قرمز تیره
آلبالویی تیره
قرمز آلبالویی
آلبالویی روشن
نارنجی تیره
نارنجی
زرد ۵۱۰
۶۲۰
۶۳۵
۷۰۵
۸۰۰
۹۰۰
۹۵۵
۹۸۰ ۹۵۰
۱۱۵۰
۱۱۷۵
۱۳۰۰
۱۴۷۵
۱۶۵۰
۱۷۵۰
۱۸۰۰

 مواد ترموکوپل

به طور نظری، وقتی در نقاط اتصال دو سیم فلزی غیر مشابه اختلاف دما وجود داشته باشد، emf به وجود می آید. اما در صنعت، برای ساخت ترموکوپل، فقط از ترکیبهای معدودی استفاده می شود. این ترکیبات فلزی ترجیحاً به خاطر پتانسیل ترموالکتریکی، قیمت مناسب، پایداری اندازه دانه، خطی بودن منحنی دما-emf و نقطه ذوب بالاتر از دمای مورد اندازه گیری برگزیده می شود. اولین ماده نام برده شده در ترکیبها همیشه به پایانه مثبت وصل می شود.

ترموکوپلها پس از دقیق بریدن طولهای مناسبی از دو سیم و حدود دو دور به هم پیچیدن انتهای آنها ساخته می شوند یا گاهی سر سیم ها را به هم جوش سربه سر می دهند تا انتهای صاف و یکدستی حاصل شود.
سیم های ترموکوپل فقط باید در نقطه اتصال داغ تماس الکتریکی داشته باشند، چون اتصال در هر نقطه دیگر معمولاً باعث می شود که emf بسیار اندکی اندازه گیری شوند، لذا هر دو سیم توسط مهره های چینی یا لوله های سرامیکی از هر طرف عایق بندی می شوند. در اغلب موارد، ترموکوپلها در لوله های محافظی از جنس سرامیک یا مواد فلزی قرار می گیرند.
لوله محافظ، ترموکوپل را از صدمات مکانیکی و آلودگی محیط محافظت می کند. لوله های محافظ متنوعی مانند آهن کارشده یا چدن تا C˚۷۰۰، فولاد با ۱۴درصد کروم تا C˚۸۱۵، فولاد با ۲۸ درصد کروم یا نایکروم تا C˚۱۰۹۰ در دسترس است. برای دماهای بالاتر از C˚۱۰۹۰ لوله های محافظ چینی یا سیلیسیم کاربید به کار می روند.

 آذرسنج ثبتگر و کنترلگر

در اغلب تأسیسات صنعتی، تنها نشان دادن دما توسط دستگاه کافی نیست و باید با قراردادن یک قلم متحرک به جای عقربه پتانسیل سنج دما را ثبت کرد. این دستگاه آذرسنج ثبتگر نام دارد. همچنین با استفاده از مدارهای الکتریکی در دستگاه میتوان جریان گاز به مشعلها یا جریان برق به عنصرهای گرمایی را کنترل و دمای کوره را در مقدار مورد نظر ثبت کرد. این دستگاه آذرسنج کنتذل گذ نام دارد. امکان طراحی وسیله ای برای ثبت و کنترل دما متشکل از یک یا چند ترموکوپل نیز هست.

 آذرسنج تابشی

اصول کارکرد آذرسنج تابشی بر پایه یک منبع تابشی استاندارد به نام جسم سیاه یا تابشگر کامل قرار دارد. تابشگر کامل، جسمی فرضی است که کلیه پرتوهای تابیده به خود را جذب می کند. در دمایی یکسان، چنین جسمی سریعتر از هر جسم دیگر از خود انرژی می تابد. آذرسنج های تابشی، عموماً برای نشان دادن دمای تابشگر کامل یا دمای حقیقی درجه بندی می شوند. قانون استفان-بولتزمن که مبنای مقیاس دمای آذرسنج های تابشی است، نشان می دهد که آهنگ تابش انرژی از یک تابشگر کامل متناسب با توان چهارم دمای مطلق آن است:

که در اینجا:

آهنگ تابش انرژی = W
ثابت تناسب =K
دمای مطلق تابشگر کامل= T
 آذر سنج نوری

ابزار تشریح شده در قسمت قبل که به تمام طول موجهای تابش پاسخ می دهد آذر سنج تابشی نام دارد. با اینکه اصول کارکرد آذر سنج نوری با اذر سنج تابشی یکسان است اما آذر سنج نوری با طول موج منفرد یا نوار باریکی از طول موج طیف مرئی کار میکند. آذر سنج نوری، دما را از طریق مقایسه درخشندگی نور گسیل شده توسط منبع، با نور گسیل شده از یک منبع استاندارد، اندازه می گیرد. برای سهولت مقایسه رنگها، یک فیلتر قرمز که تنها طولموج پرتو قرمز را عبور میدهد به کار می رود.

متداول ترین نوع آذرسنج نوری که در صنعت به کار می رود، نوع رشته پنهان شونده است. این آذرسنج شامل دو قسمت، یک تلسکوپ و یک جعبه کنترل است. تلسکوپ شامل یک فیلتر شیشه ای قرمز که جلوی چشمی نصب شده و یک لامپ با رشته درجه بندی شده است که عدسی های شیء تصویر از جسم مورد آزمایش را بر آن متمرکز می کند. این دستگاه دارای یک کلید برای بستن مدار الکتریکی لامپ و یک پرده جاذب برای تغییر گستره اندازه گیری دما توسط آذرسنج است.

گستره کاری آذرسنج نوری مورد بحث، از˚۷۶۰ تا C˚۱۳۱۵ است. حد بالایی دما تا اندازه ای بستگی به خطر خراب شدن رشته و میزان خیره کنندگی ناشی از درخشش در دماهای بالاتر دارد. گستره دما ممکن است با به کارگیری پرده جاذب بین عدسی شیء و شبکه رشته به حد بالاتری افزایش یابد و به این وسیله سازگاری درخشش در دماهای پایینتر رشته ممکن می شود.بدین ترتیب با استفاده از دماهای پایینتر رشته، میتوان آذرسنج را برای دماهای بالاتر درجه بندی کرد. با به کارگیری پرده های جاذب مختلف، حد بالایی آذرسنج نوری را میتوان تا C˚۵۵۰۰ (C˚۱۰۰۰۰) یا بیشتر افزایش داد.
برخی مزایای آذرسنجهای نوری و تابشی عبارتند از:

۱٫ اندازه گیری دماهای بالا؛
۲٫ اندازه گیری دمای اجسام دور از دسترس؛
۳٫ اندازه گیری دمای اجسام کوچک یا متحرک؛
۴٫ هیچ یک از قسمتهای دستگاه در معرض آثار مخرب گرما نیست.
محدودیتهای آنها عبارتند از:
۱٫ چون سازگاری نورسنجی بستگی به قضاوت فردی دارد، خطاهایی روی می دهد؛
۲٫ به خاطر وجود دود یا گاز بین ناظر و منبع اشتباهاتی پدید می آید؛
۳٫ بسته به میزان انحراف از شرایط تابشگر کامل خطا ایجاد می شود.

آزمون کشش

پس از آزمون سختی، آزمون کشش معمولی ترین روش برای تعیین خواص مکانیکی معین ماده است. نمونه ای با شکل استاندارد در گیره های دستگاه قرار می گیرد و نیروی محوری توسط سیستم بارگذاری هیدرولیکی یا مکانیکی بر آن اعمال می شود. مقدار نیرو توسط عقربه صفحه مدرج یا به صور ت دیجیتال بر روی صفحه نمایشگر رایانه متصل به دستگاه کشش، نشان داده می شود. در صورتی که سطح مقطع اولیه نمونه معلوم باشد، تنش حاصل از هر میزان نیرو را میتوان محاسبه کرد.

تغییر شکل یا کرنش را در یک طول معین که معمولاً ۵ سانتی متر است توسط یک صفحه ی عقربه دار که کشیدگی سنج نام دارد، اندازه میگیرند. کرنش واحد را نیز میتوان از تقسیم تغییر طول اندازه گیری شده بر طول اولیه نمونه به دست آورد. گاهی با استفاده از کرنش سنجهای برقی میتوان کرنش کل را اندازه گرفت.
ارتباط بین تنش واحد، و کرنش واحد، به طور تجربی به دست آمده است. این ارتباط در شکل زیر (الف) برای مواد داکتیل و (ب) برای مواد ترد نشان داده شده است.

 

 خواص کششی

خواصی که طی آزمون کشش به دست می آیند، به ترتیب عبارتند از:
 حد تناسب . مشخص شده است که در بیشتر مواد ساختاری، بخش اول نمودار تنش-کرنش تقریباً به صورت خطی است که در شکل با OP نشان داده شده است. در این گستره تنش و کرنش باهم متناسب اند. با هر مقدار افزایش تنش، کرنش نیز به همان نسبت، افزایش می یابد. مقدار تنش در آخرین نقطه تناسب، P را حد تناسب می نامند.

 حد کشسان . اگر بار کم اعمال شده بر نمونه ای را قطع کنیم، عقربه کشیدگی سنج به صفر باز خواهد گشت که نشان دهنده کشسان بودن کرنش در اثر آن میزان نیرو است. اگر با افزایش پیوسته و سپس قطع نیرو کشیدگی سنج را بررسی کنیم، در نهایت به نقطه ای می رسیم که دیگر عقربه کشیدگی سنج به صفر باز نخواهد گشت که نشان دهنده ایجاد تغییر شکل دائمی در ماده است. بنابراین حد کشسان را به صورت حداقل تنشی که طی آن اولین تغییر شکل پایدار روی می دهد، تعریف می کنیم. در اغلب مواد ساختاری، حد کشسان، عددی نزدیک به مقدار حد تناسب است.