مقالات تجارت آلیاژ مقالاتی از فلزات پرکاربرد
سختی‌پذیری از خصوصیات مهم مکانیکی است. همان‌طور که می‌دانید فولاد ماده‌ای متشکل از کربن، آهن و دیگر عناصر بوده و سختی آن مربوط به کربن است. اما دیگر عناصر نیز موجب بهبود سختی و سختی پذیری فولاد می‌شود. در ابتدا بهتر است با تفاوت های سختی و سختی پذیری آشنا شویم.
سختی چیست؟
سختی تحمل ماده در برابر سایش و خراش است. در سختی هرچه ماده سخت‌تر باشد، مقاومت سطح کمتر می‌شود و ماده سخت دیرتر خراش برمی‌دارد. هرچه کربن فولاد بیشتر باشد فولاد سخت‌تر است. سختی اطلاعاتی در مورد دوام، قدرت، انعطاف پذیری و قابلیت‌های مختلف در اختیار ما قرار می‌دهد. در واقع سختی مقاومت در مقابل نفوذ است و به اندازه دانه، نرخ کرنش، دما و عناصر موجود بستگی دارد. سختی با جوشکاری رابطه عکس دارد.
سختی پذیری چیست؟
سختی پذیری قابلیت تشکیل مارتنزیت در فولاد بر اثر سرد شدن سریع آستنیت است. مارتنزیت یک ریز ساختار مقاوم است که باعث افزایش سختی می‌شود. اگر مارتنزیت تا عمق زیاد ایجاد شود، سختی پذیری افزایش می‌یابد و اگر تا عمق کم ایجاد شود، سختی پذیری کم می‌شود. سختی‌پذیری با محاسبه ضخامت پوسته، یعنی فاصله سطح تا قسمتی از داخل نمونه که دارای ۵۰ درصد مارتنزیت باشد محاسبه می‌شود و ۵۰ درصد بقیه معمولاً بینیت است. در نتیجه اگر ساختار ضخامت پوسته سخت شده در اثر سرد شدن سریع بیش از ۵۰ درصد مارتنزیت شود، سختی پذیری بیشتر می‌شود. مارتنزیت یک ریز ساختار سخت ولی شکننده است. سختی پذیری فولاد دانه ریز کمتر از فولاد دانه درشت است. اما افزایش سختی با درشت شدن دانه‌ها مشکلات ناخواسته نظیر تردی و کاهش انعطاف پذیری را در پی دارد.
تفاوت سختی Hardness و سختی‌پذیریHardenability
سختی و سختی پذیری دو ویژگی مهم فلزات محسوب می‌شوند. سختی پذیری با حداکثر سختی که بعد از کوئنچ کردن به دست می‌آید، متفاوت است. در واقع حداکثر سختی فقط به درصد کربن و مارتنزیت بستگی دارد. اما سختی پذیری یعنی فولاد تا چه عمقی سخت می‌شود. در صنعت فولادهایی با سختی پذیری بالا به فولادی گفته می‌شود که به طور عمیق سخت می‌شود و اگر به طور عمیق سخت نشود فولاد با سختی پذیری کم نامیده می‌شود. در واقع مفهوم سختی مربوط به سطح قطعه و سختی پذیری مربوط به عمق و حتی هسته آن است. در نتیجه هرچه کربن موجود در فولاد بیشتر باشد سختی آن نیز بیشتر است. سختی‌پذیری شاخصی است که نشان می‌دهد تا چه حد می‌توان سختی را افزایش داد.
عوامل موثر بر سختی‌پذیری
این عوامل شامل ابعاد ذرات، مقدار کربن و عناصر آلیاژی بوده که موثر در سختی پذیری و سرعت تبدیل آستنیتی است. مفهوم سختی‌پذیری بعد از عملیات حرارتی مطرح می‌شود. در فولاد زمانی که شمش فولاد سریع در هوای آزاد خنک شود، هرچه به سمت داخل برویم سرعت خنک شدن کاهش می‌یابد و بخش مرکزی که آهسته‌تر خنک شده ساختار قوی و منظمی نخواهد داشت و آرایش مولکولی کریستالی و منظم شکل نمی‌گیرد.
تبدیل آستنیتی
بر اساس عناصر، اندازه قطعه و ساختار آن عملیات حرارتی باید در زمان و دمای مشخص انجام شود، تا ساختار آستنیتی همگن به وجود آید. برای عملیات حرارتی فولاد باید در محدوده فاز آستنیت گرم شود. در واقع در این محدوده فولاد به طور کامل گرم شده و سپس همین بخش به طور کنترل شده خنک می‌شود. در این مرحله اگر آهسته خنک شود ریز ساختار پیرلیت و فریت ساخته می‌شود، اگر با سرعت خنک شود مارتنزیت ساخته شده و اگر با سرعت متوسط خنک شود، باینیت یا ساختار ترکیبی به وجود می‌آید.
این سرعت خنک شدن با کربن و آلیاژ‌های دیگر قابل کنترل است. در بین ساختارهای گفته شده برای اکثر محصولات ساختار مارتنزیت مناسب‌تر است. ساختار مارتنزیت یک ساختار سخت است و برای فولاد تحت سایش و کاربردهایی که استحکام بالا مورد نیاز است، مناسب است. البته این ساختار خاصیت شکنندگی دارد و باید تمپر شود. ساختارهایی مانند پرلیت و بنییت موجب کاهش سختی می‌شود و طی عملیات تولید از ساخت آن جلوگیری می‌شود.
تاثیر اندازه دانه آستنیت بر سختی مارتنزیت
در طی فرایند خنک شدن ساختار مولکولی به مرور دانه بندی شده و شکل می‌گیرد. هرچه اندازه دانه‌ها بزرگتر باشد، سختی‌پذیری بیشتر است. اندازه دانه و عناصر آلیاژی اثر مشابه دارد. با افزایش ابعاد دانه‌ها انتشار کربن کاهش یافته و فاصله برای حرکت بیشتر می‌شود که سبب شکل‌گیری مارتنزیت می‌شود.
هسته زایی پیرلیت در مرز دانه‌های اولیه رخ می‌دهد. هر چقدر دانه درشت‌تر شود سطح کمتری برای هسته زایی وجود دارد. همچنین با افزایش اندازه دانه، سختی‌پذیری افزایش می‌یابد. توجه شود که اثر اندازه دانه مستقل از ترکیب آلیاژی است. همچنین افزایش اندازه دانه موجب کاهش چغرمگی می‌شود. در واقع با وجود اینکه با افزایش اندازه دانه‌ها می‌توان سختی فولاد را حتی زمانی که کم آلیاژ است افزایش داد اما به علت کاهش چقرمگی از این کار اجتناب می‌شود.
ترکیب
کربن: افزایش کربن موجب تاخیر در دگرگونی آستنیت می‌شود. این کار با حفظ سختی فولاد باعث کوئنچ آهسته‌تر آن شده و در نتیجه انحراف آن کاهش می‌یابد. این سختی که ناشی از کوچ کردن است فقط به مقدار کربن بستگی دارد. عناصر آلیاژی که برای تشکیل پرلیت لازم است، باعث کاهش انتشار کربن می‌شود. در نتیجه آنچه گفته شد عناصر آلیاژی تشکیل مارتنزیت را راحت‌تر کرده و سرعت کوئنچ را پایین آورده که سبب سختی عمیق می‌شود. در واقع میزان کربن مهم‌ترین عامل تعیین کننده سختی است. این افزایش کربن تا ۰.۷۷ باعث افزایش سختی پذیری می‌شود اما اگر از این مقدار بیشتر شود اثر برعکس داشته و سختی پذیری را کاهش می‌دهد.
سایر عناصر آلیاژی: تعداد زیادی از عناصر آلیاژی به ثابت ماندن ساختار آستنیتی کمک می‌کند. وجود این عناصر سبب افزایش سختی پذیری می‌شود.
کروم: قابلیت سخت شدن فولاد را افزایش داده و با کاهش سرعت سرد شدن بحرانی مارتنزیت، سختی‌پذیری را افزایش می‌دهد. کروم کاربیدزای قوی است.
مولیبدن: بعد از کربن مولیبدن فعال‌ترین عنصر برای سختی‌پذیری است که با کاهش سرعت سرد شدن بحرانی سبب بهبود سختی‌پذیری می‌شود.
کبالت: کبالت سختی پذیری را افزایش نمی‌دهد و کاربید تشکیل نمی‌شود اما از رشد دانه‌ها در حرارت بالا جلوگیری کرده و پایداری سختی و استحکام در درجه‌های بالا را بهبود می‌دهد.
تنگستن: کاربیدزای قوی بوده و استحکام کششی و پایداری سختی در درجه حرارت‌های بالا را افزایش می‌دهد. تنگستن همچنین مقاومت سایش در دماهای خیلی بالا و راندمان برش را افزایش می‌دهد.
وانادیوم: این عنصر پایداری سختی‌پذیری را افزایش می‌دهد.
نحوه اندازه‌گیری سختی پذیری
اندازه‌گیری سختی‌پذیری توسط آزمایش جومینی انجام می‌شود که در این آزمایش می‌توان تغییر سختی از سطح تا مرکز را اندازه گرفت. در این آزمایش از قطعه استوانه‌ای آلیاژ استفاده می‌شود که تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرد. بعد از آزمایش جومینی چند آزمایش سختی راکول در استوانه انجام می‌شود و نموداری از سختی نقاط مختلف به دست می‌آید که با توجه به آن می‌توان سختی‌پذیری را تعیین کرد.
نتیجه گیری
با توجه به آنچه گفته شد، سختی پذیری و سختی دو موضوع متفاوت هستند که سختی مربوط به سطح قطعه و سختی پذیری در تمام بخش های فولاد مطرح است. همچنین عوامل مختلفی نظیر فرایند های حرارتی، ترکیب و عناصر آلیاژی و اندازه ذرات بر سختی پذیری فولاد موثر است و سختی پذیری توسط ازمایش جومینی محاسبه می‌شود.
