مدیر سایت

inPages-logoOverlay.jpg

حرارت دادن و سرد کردن فلزات طبق شرایط دمایی و زمانی مشخص بمنظور افزایش برخی خواص فیزیکی و یا مکانیکی در فلز را عملیات حرارتی گویند.

عملیات حرارتی فولاد ها:

در فولاد ها از عملیات حرارتی معمولا برای ایجاد تغییرات زیر استفاده می شود:

  • بهبود انعطاف پذیری
  • افزایش سختی
  • افزایش چکش خواری
  • بهبود قابلیت ماشین کاری شدن
  • ریز کردن ساختار دانه ها
  • حذف باقی مانده تنش ها
  • افزایش مقاومت سایشی
  • فرآیند های مختلف عملیات حرارتی

1 – آنیل کردنAnnealing

آنیل کردن برای افزایش انعطاف پذیری و کاهش سختی انجام می شود. ساختار نهایی معمولا پرلیتِ خشن می باشد. سیکل عملیات حرارتی عبارت است از حرارت دادن در محدوده حرارتی آنیل کردن و سرد کردن به یکی از دو صورت زیر:

الف.قرار دادن قطعه در کوره و در دمای “آستنیته کردن” و سپس خاموش کردن کوره تا قطعه به آرامی سرد شود.

ب.سرد کردن از دمای “آستنیته کردن” تا دمای زیر 723 درجه سانتیگراد جهت تشکیل “پرلیت” و سپس سرد کردن تا دمای اتاق.

2 – نرماله کردن Normalizing

هدف افزایش سختی قطعه و یکنواخت کردن نسبی ترکیب شیمیایی و ساختار میکروسکوپی است. ساختار معمولا شامل “پرلیت ظریف” می باشد. سیکل عملیات حرارتی شامل حرارت دادن در محدوده حرارتیِ نرماله کردن و سپس سرد کردن در هوا می باشد.

3 – سخت کردن Hardening

هدف افزایش سختی و در نتیجه کاهش انعطاف پذیری است. در این روش بیشترین سختی و استحکام در مقایسه با روش های دیگر بدست می آید. سیکل عملیات حرارتی شامل حرارت دادن در محدوده سخت کردن (معمولا منطبق بر محدوده آنیل کردن) و سپس سرد کردن سریع در آب و یا روغن می باشد.

ساختار نهایی شامل “بِینیت” و یا “مارتنزیت” و یا مخلوطی از این دو است. هر چه کربن فولاد بیشتر باشد احتمال گرفتن مارتنزیت بیشتر است و با سرعت های سرد کردن کمتری می توان آن را بدست آورد. هر چه کربن فولاد بیشتر باشد مارتنزیت خشن تر و درشت تر خواهد بود که به آن مارتنزیتِ بشقابی نیز گفته می شود. هر چه درصد کربن کمتر باشد مارتنزیت ریزتر و ظریف تر می باشد که به مارتنزیتِ پَرشکل معروف است.

4 – تنش گیری Stress Relief

هدف حذف تنش های ایجاد شده در اثر کار سرد صورت گرفت روی فولاد می باشد. سیکل عملیات حرارتی شامل حرارت دادن در محدوده حرارتیِ 500+50 و 500-50 درجه سانتیگراد و سپس سرد کردن آهسته می باشد.


blog-2.jpg

عمليات حرارتي تنش زدايي

عمليات حرارتي تنش زدايي عبارت است از گرم كردن يكنواخت يك سازه تا دماي مناسب زير حد بحراني و سپس سرد كردن يكنواخت آن است . معمولا عمليات حرارتي در محدوده دماي بحراني ناگوار هستند و به همين علت تنش زدايي در بيشتر موارد زير حد بحراني انجام مي گيرد. تصميم تنش زدايي يك جوش بر اساس مقررات استاندارد (( ديگهاي بخار و ظروف تحت فشار )) كه توسط انجمن مهندسان آمريكا تنظيم مي شود اخذ مي گردد . مقررات اين استاندارد شرايط مواد ، تركيب شيميايي ، ضخامت و موارد لزوم تنش زدايي بعد از جوشكاري را تعريف مي كند.

دماي تنش زدايي براي فولادهاي معمولي و كم آلياژ كه جوشكاري مي شوند در محدوده 900 – 1250 f مي باشد كه پايين تر از حد بحراني است.

مدت دماي تنش زدايي فولاد معمولا براي هر اينچ ضخامت يك ساعت است ، اگر چه مدت لازم براي 1000f طولاني تر از زمان مورد نياز براي 1100f است . براي قطعات پيشگرم شده اغلب تنش زدايي لازم مي شود . قطعات پيچيده يا فولادهايي كه ميل زيادي به ترك خوردن دارند بايد بلافاصله پس از جوشكاري و قبل از سرد شدن تا دماي پيشگرمي ، در كوره هاي تنش زدايي قرار بگيرند . اگر چه عمليات تنش زدايي فقط بخاطر از بين بردن تنش ها بكار مي روند و تغييرات ساختاري فولاد از آن انتظار نمي رود ولي با اين حال تأثيرات عمومي، عمليات حرارتي تنش زدايي بصورت هاي زير مي باشند :
1 –  بازيابي Recovery
2 – توقف Relaxation
3 – تمپره كردن ( از بين بردن نواحي سخت) Tempering
4 –  تبلور مجدد Recrystallization
5 – كروي كردن Spheroidizing

اثر اول عمومي است ؛ اثر دوم هنگامي ايجاد مي شود كه تنش زدايي در دماي بالا و بمدت كافي انجام بگيرد ؛ اثر سوم فقط موقعي بدست مي آيد كه در اثر جوشكاري نواحي سخت بوجود آمده باشند و دو اثر آخر در جوشكاري كم اهميت هستند. سازه هاي جوش شده چه هنگام جوشكاري مهار شده و چه آزاد بوده باشند در آستانه تنش تسليم داراي تنشهاي باقيمانده هستند ، اين تنشها قادر مي باشند اشكالاتي در جوش بوجود بياورند . البته احتمال پديد آمدن اين اشكالات به تركيب شيميايي فولاد ، روش جوشكاري ، طرح جوش و شرايط بهره برداري و غيره بستگي دارد . با اين وصف از بين بردن اين تنشها فوايد زير را در پي خواهد داشت.

  • – به حداقل رسانيدن احتمال گسترش خرابي ، مخصوصا در مواردي كه چقرمگي بالايي مورد نياز باشد.
  • – پايداري بيشتر ابعاد
  • – مقاومت فراوان در مقابل خوردگي ، مخصوصا ترك خوردگي تنشي( SCC )

از بين بردن اين تنشهاي باقيمانده و تنشهاي واكنش در جوش چقدر اهميت دارد ؟ لازم است اين تنشها به صفر برسند، و آياممكن است كه يك جوش كاملا از تنش آزاد شود ؟

جوشها در اثر انقباض ناشي از جوشكاري داراي تنش هاي چند محوره مي باشند ، در بررسي و تحليل احتمال شكست ترد اين تنشها اهميت زيادي دارند . عوامل ديگري نظير چقرمگي فولاد ، احتمال ايجاد شيار در طراحي جوش ، ماهيت تنشهايي كه در اثر بارهاي مختلف در حين بهره برداري ايجاد مي شوند ، و دماهايي كه اين بارها در آن وارد مي آيند در اين بررسي نقش دارند . لازم است يك فرمول عملي و تجربي براي محاسبه و برآورد ميزان اهميت اين عوامل در پديده شكست ترد بدست آيد. تصميم آزاد سازي تنشها در جوش عموما بر اساس تجربه بوده و از اطلاعات بدست آمده از آزمايشات چقرمگي ، تيزي و مقدار شيار و ميزان تنشهاي باقيمانده حاصل مي گردد.

پايداري بعدي در يك جوش مستقيما از تنشهايي كه در قطعه محبوس مانده باشد متأثر مي شود. هنگامي كه يك جوش در عين حال كه در زير تنشهاي باقيمانده قرار دارد تراشيده شود پخش مجدد تنشها و انقباض جوش رخ مي دهد . تراشكار نمي تواند مطمئن باشد كه در جهت درستي تراشكاري مي كند يا نه ، چون جوش همزمان با تراش قطعه به انقباض خود ادامه مي دهد . تنش زدايي جوش قبل از ماشينكاري باعث مي شود كه قطعه از نظر شكل پايدار بماند و ابعاد آن هنگام ماشينكاري تغيير نكند.

تنشها بايد تا چه حد پاييني آزاد شوند تا پايداري اندازه ها تأمين شود ؟ ميزان مجاز تنش باقيمانده در مرحله اول به مقدار فلزي كه بايد تراشيده شود ، محل آن نسبت به ناحيه تنش دار و اختلاف مجاز در اندازه هاي نهايي بستگي دارد.
بسياري از فلزات و آلياژها در معرض ترك خوردگي تنشي قرار دارند . فولاد از اين امر مستثني نمي باشد . اين نوع خرابي خوردگي در فولاد را شكنندگي سوز آور مي نامند . تغيير ماهيت محيط خورنده يا كاهش تنش مي تواند احتمال ترك خوردگي تنشي را از بين ببرد .

اغلب تنش باقيمانده خيلي زياد در نزديكي جوش باعث افزايش حد شرايط ايجاد ترك مي گردد و كاهش اين تنش ها بوسيله عمليات حرارتي تنش زدايي براي از بين بردن احتمال ايجاد ترك كافي مي باشد. در روي جوشها اكثرا كار سرد انجام مي شود و مهندس جوش يا ناظر از آن بي اطلاع مي ماند . اين نوع كار سرد معمولا در اثر خمش سرد يا چكش كاري اتصال در هنگام جفت كردن و ترتز بوجود مي آيد.

اولين تأثيري كه بايد هنگام افزايش دما در عمليات حرارتي تنش زدايي حاصل شود بازيافت است . دما بطور يكنواخت افزايش داده مي شود تا كليه قسمتهاي سازه در تمام مدت تا حد امكان هم دما باشند تا از ايجاد تنشهاي حرارتي جلوگيري گردد .هر چه دما از اولين 400Fمي گذرد تغيير قابل ملاحظه اي در ساختار دانه بندي رخ نمي دهد و لذا تنشهاي انقباضي كمي كاهش مي يابند . اين كاهش به علت پديده اي بنام (( بازيافت )) اتفاق مي افتد . اين يك قانون كلي است كه هنگام افزايش دماي يك ماده ، تنشهاي داخلي آن كاهش پيدا مي كند.
چون مقاومت تسليم فولاد در 400F از مقدار آن در دماي محيط بيشتر مي باشد لذا علت كاهش تنشهاي داخلي بخاطر كاهش مقاومت تسليم فولاد نيست . بازيافت همچنين باعث تغييراتي در خواص مغناطيسي و الكتريكي مي شود و به نظر مي رسد با افزايش دماي فولاد ، حركات ويژه اي بين اتمها و الكترونهاي آن ايجاد مي شود كه باعث كم شدن تنشهاي داخلي مي گردد.

با افزايش دماي جوش تا 1200F يا بالاتر توقف اتفاق مي افتد و در آن تنشها به آرامي و به طور كامل آزاد مي شوند . يك ميله فولادي درز هنگام جوشكاري در داخل يك چهار چوب در دماي محيط تا تنش تسليم كشيده مي شود. اتم ها به موازات بار و عمود بر جهت تنش به همديگر نزديك مي گردند . مقاومت تسليم فولاد در دماي 1200F نسبت به مقدار آن در دماي محيط خيلي كم است و اين به آن معني است كه اتمها ديگر قادر به تحمل تنش نبوده و اجبارا به همديگر نزديك مي شوند و با فاصله هاي مساوي همانند كريستالي كه از تنش آزاد باشد آرايش مي گيرند . در اين حالت مقاومت تسليم فولاد از تنشي كه به آن وارد مي گردد كمتر است و تا زمانيكه مقدار تنش ( فشاري يا كششي ) با مقاومت تسليم فلز در دماي 1200F برابر نشده باشد بطور پلاستيك كرنش خواهد كرد.

عمليات حرارتي تنش زدايي اتمها را قادر مي سازد تا به حالت با فاصله هاي مساوي برگشته و تنشها را آزاد كند.

تنش تا زمانيكه اتم ها ديگر كرنش نكنند كاهش مي يابد . اتم هاي فولاد در دماي محيط تنش هايي به بزرگي تنش تسليم را مي توانند تحمل كنند . در دماي 1200F اتمها فقط در صورتي قادر خواهند بود كه مقدار تنش قابل توجهي را بدون كرنش تحمل نمايند كه مدت اعمال تنش كوتاه باشد . به عبارت روشن تر ، اتم ها بطور مداوم و تحت هر تنشي جابجا مي شوند . حركت در دماي محيط بقدري كند است كه با گذشت صدها سال نيز قابل تشخيص نيست ، ولي در دماي 1200F حركت اتم ها ضرورتا از آن نوعي نيست كه بررسي كرده ايم ولي ممكن است بصورت حركت در مرز دانه بندي ها باشد . هر دو نوع حركت به پديده خزش يا كرنش منتهي مي شوند . بنابراين توقف يك شكلي از خزش است.
محاسبه انقباض ناشي از توقف يا تنش زدايي يك جوش دشوار است ولي عموما مقدار آن از انقباض حاصل از ماشينكاري قطعاتي كه تنش زدايي نشده اند خيلي كمتر است چون در ماشينكاري ، معمولا قسمتي از قطعه را كه تنش زيادتري دارد از آن جدا مي كنيم ( مي تراشيم.

افزايش زمان يا مدت نيز، فرآيند تنش زدايي را بهبود مي بخشد . قاعده كلي آن است كه اندازه درشتي دانه بندي در دماي بالاتر از 800F مقاومت در برابر خزش را زياد مي كند ولي اين افزايش تأثير قابل ملاحظه اي بر روي تنش زدايي در 1100 – 1200F ندارد . هر چه تنش باقيمانده اوليه بيشتر باشد تنش بعد از تنش گيري با مدت معيني به همان اندازه زيادتر خواهد شد ( به علت آزاد ساختن زياد تنش بوسيله كرنش ). اين كرنش همانند كار سرد ضمن تنش زدايي كه معمولا كريستالها را تقويت مي كند ، مي باشد. چون تنشهاي باقيمانده تمام انواع جوش در يك فولاد معين ، تقريبا با مقاومت تسليم آن برابر است ، لذا نمي توان مدت تنش زدايي را فقط به علت غيبت ظاهري مهار در حين جوشكاري كاهش داد.

سازه هاي فولادي ويژه اي كه در دماهاي زياد ، مقاومت فوق العاده اي در برابر خزش دارند ، كندتر از فولاد معمولي به نقطه توقف مي رسند. فولادهاي مقاوم در برابر خزش ، مثلا فولاد با تركيب 2% كربن ، 5% موليبدن ، براي يك تنش زدايي يا درجه خاص ، نسبت به فولادهاي غير آلياژي به دماي بيشتر و زمان طولاني احتياج دارد. ملاحظه خواهد شد كه فولادهاي با آلياژ بيشتر با افزايش دما استحكام بالايي دارند . فولاد ضد زنگ آستنيتي 316 حتي در دماي بالاي 1200F مقاومت تسليم خوبي دارد.

لايه دوم جوش تنش هاي باقيمانده لايه اول را آزاد مي كند ولي تنش هاي جديدي بوجود مي آورد. بنابراين تنش هاي باقيمانده جوشهاي چند لايه اي كمتراز جوش هاي تك لايه اي نبوده و به همان اندازه احتياج به تنش زدايي دارد . بعلاوه با ضخيم شدن جوش، تنش هاي باقيمانده پيچيده تر مي شود . قسمتهاي ضخيم تر نسبت به قسمت هاي نازكتر براي از بين بردن تنشها به زمان طولاني تري نياز دارند چون سطح قطعه اولين جايي است كه به دماي كوره مي رسد و مدت زيادي سپري مي شود تا وسط قطعه هاي ضخيم به دماي كوره برسد.

تمپره كردن ( نرم كردن )

افزايش دماي فولاد كوئينچ شده را تا هر دمايي زير محدوده بحراني تمپره كردن مي گويند . نواحي گرما ديده مجاور جوشهايي كه بدون پيشگرمي يا پسگرمي ناقص و ناكافي بوجود آمده اند در فولادهاي با كربن متوسط و بسياري از فولادهاي با استحكام زياد آنچنان سريع سرد مي شوند كه به سخت كردن يا كوئينچ شباهت دارند . در موقع جوشكاري كه ناحيه كوئينچ شده در دماي بحراني است ساختار داراي آستنيتي خواهد بود كه ده برابر كربني كه در دماي محيط قابل حل است در محلول جامد دارد . ضمن كوئينچ بيشتر آستنيت به مارتنزيت تبديل مي شود . شكل كريستالي BCT سختي فوق العاده مارتنزيت نسبت به شكلهاي ديگري بخاطر وجود كربن در آن است كه معمولا يا بصورت اتمهاي كربن است و يا بصورت كريستالهاي نازك كربور آهن.

هنگامي كه دما افزايش مي يابد ، در ناحيه اي كه داراي مارتنزيت است سه تغيير اتفاق مي افتد :

  • مارتنزيت به ضريب ( كريستالهاي BCC ) تبديل مي شود كه كريستالهاي ريز كربور از شبكه فوق اشباع كريستالهاي هشت ضلعي در آن رسوب مي كنند.
  • هر آستنيتي كه در طول كوئينچ به مارتنزيت تبديل نشده است به ضريب و كربور تبديل مي شود.
  • اندازه كريستالهاي كوچك كربور در مارتنزيت و كريستالهاي بزرگتر كربور در ساير ساختارها نظير پرليت ريز افزايش مي يابند.

دماهايي كه تغييرات 1 و 2 در آنها اتفاق مي افتد بدرستي معلوم نيستند . در فولادهاي كربني با 7% كربن تغيير 1 در 300F و تغيير 2 در 450F رخ مي دهد . در كوئينچ كردن فولادهاي كربني با حداقل 4% كربن و با كنترل دقيق فرآيند مي توان مقدار كمي از آستنيت را حفظ كرد . اگر عناصر آلياژي وجود داشته باشند با درصد كمتر كربن نيز مي توان آستنيت را از تبديل شدن به اشكال ديگر باز داشت . با افزايش دما ، رشد مداوم دانه هاي كربور ادامه خواهد يافت . به نظر مي رسد كه تغيير 3 در اثر كار سختي در طول تمپره كردن پيش مي آيد.

يعني سختي فولاد مارتنزيتي به انتشار دانه هاي ريز كربور در هر صفحه كريستال كه مانع لغزش گرديده و در ضمن كاهش نرمي ، سختي را افزايش مي دهد بستگي دارد . گرم كردن مجدد دانه هاي كربور را درشت كرده و تعداد آنها را كم و در نتيجه سختي را كاهش مي دهد.

 


after-welding-heating-2.jpg

پسگرم در جوشكاري فولادهاي A514/A514M

فولادهاي A514/A517 يك گروه از فولادهاي سازه كونچ و تمپر شده با تركيبي از خواص مكانيكي مناسب هستند. مهمترين اين خواص استحكام تسليم بالا (حداقل استحكام تسليم 90-100 ksi )، جوشپذيري و تافنس خوب در دماهاي پايين ميباشد. استفاده از اين فولادهاي پر استحكام باعث كاهش هزينه و افزايش راندمان ميگردد. هرچند جوشپذيري اين فولادها خوب است اما براي ايجاد يك اتصال موفق بايد به برخي نكات مهم توجه داشت. از جمله مهمترين اين نكات عمليات پسگرم ميباشد. منظور از عمليات پسگرم در اين نوشتار، عمليات حرارتي پس از جوشكاري در دماي بالاتر از 370ºC و كمتر از دمايي است كه سازنده براي تمپر كردن اين فولاد استفاده نموده است. بطور كلي اين فولادها نبايد تحت عمليات پسگرم قرار بگيرند چرا كه ممكن است در اثر اين عمليات، تافنس در ناحيه جوش و HAZ كاهش يافته و يا ترك در قطعه ايجاد شود.

عناصر آلياژي كه براي دستيابي به استحكام و تافنس بالا در اين فولادها بكار رفته در اثر عمليات پسگرم تاثير عكس بر خواص خواند داشت. عمليات پسگرم براي اين فولادها-مانند ساير فولادها- تنها زماني ميتواند انجام شود كه از مفيد بودن آن اطمينان حاصل شده و آثار مخرب احتمالي آن قابل كنترل باشد.بهرحال در برخي موارد لزوم اجراي عمليات پسگرم غير قابل انكار است. بخصوص در مواردي كه امكان ايجاد ترك يا ترك خوردگي تنشي (SCC) در اثر تنشهاي باقيمانده از جوش يا كار سرد روي قطعه وجود داشته و يا تافنس قطعه در اثر جوشكاري يا كار سرد كاهش يافته باشد. در اين گونه موارد بايد بررسي دقيقي صورت گيرد تا بتوان عمليات پسگرمي موفق و با كمترين احتمال آسيب اجرا كرد.

نتايج تستهاي ضربه انجام شده نشان ميدهد كه عمليات پسگرم در محدوده دمايي 510-650ºC ميتواند باعث آسيب به تافنس فلز جوش و ناحيه HAZ گردد. ميزان اين آسيب به تركيب شيميايي، دماي عمليات و مدت زمان قرار گرفتن قطعه در آن دما بستگي داشته و اثر مخرب آن با كاهش سرعت سرد كردن افزايش ميابد.

همچنين هنگامي كه جوش اين فولادها تحت عمليات پسگرم بالاتر از 510ºC قرار ميگيرد- مانند بسياري فولادهاي ديگر- ممكن است در ناحيه درشت دانه شده HAZ تركهاي بين دانه اي ايجاد شود. تركهاي بين دانه اي كه در اثر تنش بالا ايجاد ميشوند اغلب در مراحل اوليه عمليات پسگرم اتفاق مي افتند. امكان ايجاد اين تركها با افزايش ميزان مهار جوش (Weld Restraint) و شدت تمركز تنش بالا ميرود. عناصر كرم، موليبدن و واناديوم عوامل اصلي در ايجاد اين تركها هستند ولي عناصر كاربيدزاي ديگر نيز به اين قضيه كمك ميكنند. رسوب كاربيدها در دماي بالا در خلال اجراي عمليات پسگرم تعادل بين مقاومت به لغزش مرزدانه ها و مقاومت به تغيير فرم را در دانه هاي درشت ناحيه HAZ بر هم ميزند. اين پديده قبلا بطور كاملتر توضيح داده شده است (رجوع كنيد به مطلب مرتبط). اين تركها به نامهاي تركهاي بازگرمايشي (Reheat Crack)، تركهاي آزادكننده تنش (Stress Relife Crack) و تركهاي تنشي (Stress Rapture Crack) شناخته ميشوند. براي كاهش احتمال ايجاد اين تركها در مواردي كه انجام پسگرم الزامي باشد ميتوان از روشهاي زير استفاده كرد:

1- رعايت دقيق ميزان پيشگرم و كنترل حرارت ورودي حين جوشكاري با استفاده از تكنيكهاي مناسب.
2- انتخاب طرح اتصال، محل جوشكاري و ترتيب آن بگونه اي كه ميزان مهار بودن جوش به حداق برسد.
3- طراحي اتصال و شكل گرده نهايي بگونه اي كه حداقل تمركز تنش ايجاد شود.
4- استفاده از فلز جوشي كه استحكام آن در دماي عمليات پسگرم كمتر از استحكام ناحيه HAZ فلز پايه باشد.
5- پوشش دادن و يا لايه كشي ناحيه پنجه جوشهاي گوشه توسط يك يا چند لايه جوش بصورت حلقه زنجيري. براي اينكار بايد از فلز جوش با استحكام كم استفاده شود.
6- چكش زني ناحيه جوش به منظور كاهش تنشهاي پسماند در آن.

لازم به ذكر است كه اجراي هيچكدام از موارد فوق به تنهايي يا بصورت تركيبي متضمن حذف كامل احتمال ايجاد ترك در موارد عملي نميباشد، بلكه تنها كاهش دهنده اين احتمال است.

درصورت اجراي عمليات پسگرم، دماي آن نبايد از دماي تمپرينگ توليد كننده فلز بالاتر باشد. پسگرم در دمايي حدود 10ºC كمتر از دماي تمپرينگ توليد كننده از كاهش استحكام فولاد جلوگيري ميكند. همچنين توصيه ميشود كه قطعات جهت بررسي وجود ترك قبل و بعد از عمليات پسگرم تحت تستهاي غير مخرب قرار گيرند.



شرکت مهندسی آرتا

66703786 – 02109125172065

http://artaeng.ir/

seyedmohamadtaheri61@gmail.com

آدرس دفتر

خیابان انقلاب، چهارراه کالج،خیابان خارک، شماره 20 ، طبقه سوم ، واحد 303

همراه ما باشید

شبکه های اجتماعی