آستنیت

دانلود پایان نامه

آهسته با رسوب کاربیدهای ثانویه بیشتر در دماهای پایینتر بدست میآید ]۲،۵[.

شکل (۲-۲۹) نمودار ایزوترمال چدن Ni-hard 4 ]2[
قطعه ریختگی چدن نایهارد۴ معمولاً شامل ۵۰ درصد آستنیت باقیمانده بوده که مقدار سختی در این حالت بیشتر از ۵۵۰ تا ۶۰۰ ویکرز نخواهد بود. تغییراتی که از استحاله آستنیت به مارتنزیت با ناپایدارسازی در دماهای بالای c°۷۵۰ صورت میگیرد، باعث افزایش سختی شده و پایداری آستنیت در این حالت با رسوب کاربیدهای ثانویه کاهش مییابد. شکل فوق دیاگرام تغییر حالت ایزوترمال چدن نایهارد۴ بوده که محدوده تغییر حالتهای مختلف را نشان میدهد. سختی نمونههایی که بصورت ایزوترمال در دماهای مختلف نگه داشته شدند، در سمت راست نمودار مشخص شده است ]۲،۵[.
چدنهای نایهارد که در حالت ریختهگری ساختمان آستنیتی دارند، با قرار گرفتن در درجه حرارت مورد نظر در عملیات ناپایدارسازی، از نظر کربن در حالت فوق اشباع هستند. در نتیجه رسوب کاربید از آستنیت آغاز شده و تا هنگامی که تعادل حاصل شود این مساله ادامه پیدا میکند. بنابراین هر قدر زمان نگهداری کمتر باشد میزان کربن و آستنیت باقیمانده بعد از عملیات حرارتی بیشتر خواهد بود ]۳،۷،۱۸[.
بهترین دمای ناپایدارسازی آستنیت برای رسیدن به بیشترین مقدار سختی، برای هر ترکیب شیمیایی متغیر میباشد. دمای ناپایدارسازی مقدار کربنی را که باید در محلول زمینه آستنیتی باقی بماند تعیین میکند. دماهای بیشتر از بC (850-750)، پایداری آستنیت را افزایش داده و لذا مقادیر آستنیت باقیماندهی بیشتر سبب کاهش سختی میشود. دمای پایین در مارتنزیت کم کربن، باعث کاهش سختی و مقاومت به سایش می‌شود. لذا عملیات حرارتی صحیح، ناپایداری آستنیت را با رسوب کاربیدهای ثانویه در داخل زمینه‌ی آستنیتی فراهم میکند ]۲،۱۰،۱۵،۱۷[.
۲-۱۰-۲- تبدیل مارتنزیتی در حین عملیات حرارتی ناپایدارسازی
مارتنزیتی که در چدن نایهارد نوع ۴ تشکیل میشود، از نوع سوزنی پرکربن میباشد. درچدنهای پرکربن، کربن بیشترین تاثیر را در تبدیل مارتنزیتی دارد و تبدیل آستنیت به سختی انجام می‌شود. مقدار کربن آستنیت از طریق اثر آن بر مقدار مارتنزیت، بر سختی آلیاژ تاثیر زیادی میگذارد ]۳،۲۶،۳۸[.
تنوع درجه حرارت ناپایدار کردن آستنیت، در ارتباط با میزان حلالیت کربن در آستنیت و سرعت سرد کردن از مهمترین عواملی هستند که تحول مارتنزیتی را تحت تاثیر قرار میدهند. سختی مارتنزیت بستگی به میزان کربن محلول در آن دارد، اما با توجه به آستنیت باقیمانده و عواملی نظیر ناهمگن بودن ساختمان آستنیت به دلیل رسوب کاربیدهای ثانویه و توزیع آنها و … سختی نیز یکسان نمی‌باشد. چدن قطعات آلیاژی کروم بالا که در هوا سخت میشوند، در انتهای مرحله سرد شدن به دلیل کاهش سرعت خروج حرارت از قطعات ضخیم، تمپر کردن خود به خود صورت میگیرد و چنانچه مقدار مارتنزیت از ۵۰ درصد تجاوز نماید، سختی مجموعه از ۲۵ تا ۷۵ ویکرز کاهش مییابد ]۱۰،۱۵،۲۶[.
۲-۱۱- عملیات حراتی تمپر
چدنهای نایهارد به دلیل ساختار مارتنزیتی در حالت ریختگی، تحت عملیات تمپر قرار می‌گیرند. تمپر بین گC260-205 برای حداقل ۴ ساعت، مقداری از تنش‌های ایجاد شده را کاهش و استحکام و چقرمگی ضربه را تا حدود % (۸۰-۵۰) افزایش می‌دهد. در عملیات حرارتی چدنهای نایهارد باید مراقب بود تا شوکهای حرارتی منجر به ترک نشوند، در واقع باید از گرم و یا سرد شدن سریع در این قطعات جلوگیری شود ]۲،۵،۱۰،۱۵[.
باانجام عملیات بازگشت، کاربیدهای ثانویه میتوانند در داخل زمینه مارتنزیتی رسوب کنند. کاهش سختی زمینه پس از بازگشت به دلیل تمپر شدن مارتنزیت بوده و مقدار آستنیت هم این حالت کاهش مییابد. لذا در برخی موارد اگر مقدار آستنیت باقیمانده زیاد باشد، تمپر تا دمای ۴۰۰ الی ۵۰۰ درجه سانتیگراد صورت میگیرد تا کربن موجود در آستنیت به شکل کاربید ثانویه کاهش پیدا کرده و ناپایدار شده و سبب تشکیل مارتنزیت از آستنیت گردد ]۵،۱۰،۱۵[.
۲-۱۲- پارامترهای عملیات حرارتی
پارامترهای مختلفی از جمله دما و زمان ناپایدارسازی آستنیت بر ریزساختار و خواص سایشی چدن نایهارد۴ تاثیر میگذارد. محیط سرد شدن و سرعت سرد شدن نیز از جمله عوامل دیگر موثر بر خواص چدن میباشند. همانطور که اشاره شد، دمای ناپایدارسازی آستنیت مقدار کربن محلول باقیمانده در زمینه آستنیتی را مشخص میکند. دماهای خیلی بالا پایداری آستنیت را افزایش داده و سبب کاهش سختی میشود. دماهای پایین منجر به تشکیل مارتنزیت کمکربن شده که در نهایت هم سختی و هم مقاومت سایشی را کاهش میدهد. بنابراین حساسیت دمایی خیلی مهم بوده و کوره مورد استفاده باید دمای صحیح و یکنواختی را ایجاد کند ]۵،۱۷[.
برای رسیدن به خواص بهینه بررسی این پارامترها مهم میباشد. سختی و مقاومت سایشی وقتی ماکزیمم خواهد بود که با عملیات حرارتی تمام آستنیت به مارتنزیت تبدیل گردد و مقدار آستنیت باقیمانده کم باشد. رابطه درصد آستنیت باقیمانده قبل و بعد از عملیات حرارتی در شکل (۲-۳۰) نشان داده شده است ]۵،۳۸،۳۹[.
دمای ناپایدارسازی آستنیت بر روی خواص چدن نایهارد موثر میباشد. افزایش دمای آستنیته باعث افزایش سختی میشود زیرا رسوب کاربیدهای ثانویه در این حالت بیشتر شده که منجر به افزایش درصدهای کربن و کروم در زمینه و نیز مارتنزیت میشود. تاثیر دمای ناپایدارسازی بر سختی چدن نایهارد را میتوان در شکل (۲-۳۱) مشاهده کرد. همانطور که بیان شد علاوه بر دمای ناپایدارسا
زی، پارامترهای دیگری از جمله دمای تمپر و محیط سرد شدن در عملیات حرارتی بر خواص چدن نایهارد موثر خواهند بود. ساختارهای قطعات نایهارد که با شرایط یکسان ولی در محیطهای مختلف سرد می‌شوند، با هم متفاوت خواهد بود ]۳۸،۳۹[.
شکل‌های (۲-۳۲) و (۲-۳۳) شرایط مختلف سرد شدن چدن نایهارد۴ را نشان میدهد که در آن کاربیدهای ثانویه رسوب کرده در شکل (۲-۳۳) بیشتر خواهد بود ]۳۸،۳۹[.

شکل (۲-۳۰) رابطه درصد آستنیت باقیمانده، قبل و بعد از عملیات حرارتی با درجه حرارت ]۳۹[

شکل (۲-۳۱) تاثیر دمای عملیات حرارتی بر سختی چدن نایهارد ]۳۹[

شکل (۲-۳۲) تصویر میکروسکوپ نوری مربوط به نمونهای که در هوای آرام سرد شده است ]۳۸[

شکل (۲-۳۳) تصویر میکروسکوپ نوری مربوط به نمونه شکل (۲-۳۲) که در روغن سرد شده است ]۳۸[
دمای تمپر هم یکی دیگر از متغیرهای مورد بحث در عملیات حرارتی میباشد. با افزایش دمای تمپر مقدار سختی نمونهها تغییر میکند. روند تغییر سختی را میتوان با توجه به شکل (۲-۳۴) به سه منطقه تقسیم کرد. در این میان، افت سختی در منطقه اول به دلیل تمپر شدن مارتنزیت است. افزایش سختی با افزایش دما در منطقه دوم به دلیل رسوب کاربیدهای ثانویه و تا حدی استحاله آستنیت باقیمانده میباشد و افت مجدد سختی در دمای بالا به دلیل درشت شدن رسوبات در زمینه نرم بوده که سختی به دست آمده درنتیجه تمپر شدن کاهش مییابد ]۳،۳۸،۳۹[.

شکل (۲-۳۴) تاثیر دمای تمپر بر روی سختی چدن نایهارد ]۳۸[
۲-۱۳- مقاومت به سایش چدن‌های نایهارد
مقاومت سایشی یک خاصیت مستقیم از مواد مثل سختی یا استحکام کششی نیست اما به ریزساختار مواد و محیط سایشی بستگی دارد که نسبتاً پیچیده است. تغییر فرم الاستیک و پلاستیک، پدیده کارسختی و چقرمگی و مقاومت خستگی مواد نقش مهمی را ایفا میکنند. چدنهای سفید مقاوم به سایش به دلیل مقاومت به سایش بهتر خود مورد استفاده قرار می‌گیرند. این خاصیت ناشی از ریزساختار آنهاست که شامل % (۴۰-۲۰) از کاربیدهای خیلی سخت در زمینه‌ای که شامل مارتنزیت، بینیت، آستنیت و کاربیدهای ثانویه می‌باشد. در مجموع ساختار زمینه هم روی سایش و هم روی مقاومت به ضربه تاثیر میگذارد. مقاومت سایشی با عملیات حرارتی، به بیشترین مقدار خود میرسد ]۲،۳،۵،۱۲،۱۹،۴۰،۴۱،۴۲[.
همانطور که اشاره شد ریزساختار یک نقش اساسی را در رفتار سایشی ایفا میکند. مقدار حجمی کاربیدها و اندازه آنها و ساختار زمینه میتواند بر مقاومت سایشی چدن نایهارد تاثیرگذار باشد. در حین سایش تغییرات مهمی در ریزساختار منطقه تماسی و ناحیه نزدیک تماسی، بصورت تغیر فرم پلاستیک مشاهده میشود. چنین تغییر فرمی در حین سایش منجر به کارسختی شده و سختی سطح را افزایش میدهد ]۴۲،۴۳[.
۲-۱۳-۱- رابطه بین سختی و مقاومت به سایش
سختی معمولاً به عنوان پارامتری برای مقاومت سایش یک ماده در نظر گرفته میشود. این مطلب بطور تقریبی برای رنج وسیعی از فلزات و آلیاژها، در صورتیکه ساینده نرم در نظر گرفته شود، صحیح میباشد. اما برای مثال الاستومرها رفتار متفاوتی دارند که میتواند بدلیل رفتار سایشی آنها باشد ]۲،۱۹[.
شکل (۲-۳۵) نشان میدهد که چگونه مقاومت سایشی چدن سفید با نسبت سختی ماده به سختی ساینده تغییر میکند. در نسبتهای بالاتر مقاومت سایشی بالا بوده ولی هنگامی که این نسبت به کمتر از ۶/۰ کاهش مییابد، پراکندگی زیادی ایجاد شده و شیب منحنی کاهش موثری را روی سختی ماده نشان میدهد ]۲،۳،۲۷[.

شکل (۲-۳۵) تغییرات مقاومت سایش با نسبت سختی ماده به سختی ساینده در چدن سفید ]۲،۴۰[
۲-۱۳-۲- درصد کربن و ریزساختار
مقاومت سایشی آلیاژهای فولادی و نیز چدنهای مقاوم به سایش بطور قابل قبولی به مقدار کربن و ریزساختار آنها مرتبط میباشد. اگر کربن بصورت گرافیت آزاد نباشد، با افزایش آن مقاومت سایشی نیز افزایش مییابد ]۲،۵،۱۲،۴۰[.

شکل (۲-۳۶) مقاومت سایشی بر حسب مقدار کربن و ریزساختار فولادها و چدنهای سفید ]۲[
افزایش مقاومت سایش با مقدار کربن از فولادهای کم کربن تا چدن سفید در شکل (۲-۳۶) آمده است. با هر مقداری از کربن، بالاترین مقاومت به سایش توسط موادی با ساختار زمینه مارتنزیتی ایجاد میشود. پراکندگیهای مشاهده شده مربوط به وضعیت عملیات حرارتی میباشد. مارتنزیت تمپر نشده بالاترین مقاومت سایشی را دارد و تمپر کردن مارتنزیت باعث کاهش مقاومت سایشی شده تا جایی که منجر به افت مقدار سختی هم میشود ]۲،۵،۱۲،۲۷،۴۰،۴۳[.
در حالیکه سختی هر یک از انواع چدنها و یا فولادها با افزایش درصد کربن و ایجاد زمینه مارتنزیتی افزایش یافته، مقاومت سایشی نیز متناسب با سختی افزایش مییابد. اگر چه باید در نظر گرفت که سختی، مقاومت سایشی را به تنهایی بهبود نمیبخشد، اما به این معناست که میتواند به عنوان تنها معیاری از ریزساختار آلیاژهای خاص در نظر گرفته شود. برای مثال مقاومت سایشی چدن نایهارد از فولادهای کم آلیاژ کوئنچ و تمپر شده با سختی برابر، بدلیل بالاتر بودن درصد کربن زمینه و در نتیجه وجود کاربیدهای سخت، بیشتر میباشد. بنابراین در عمل، سختی معمولاً بهترین و تنها معیار واقعی کنترل کیفیت چدن سفید میباشد. درصد کربن چدن سفید با تشکیل کاربیدهای اولیه خشن محدود میشود. چنانچه کاربیدها توسط زمینه فلزی احاطه شوند تا از پارگی و شکست آنها ممانعت به عمل آید، مفید خواهد بود در غیر این صورت درصد کربن نباید از ترکیب یوتکتیک بیشتر شود. حضور گرافیت به شدت برای مقاومت به سایش زیان
آور خواهد بود ]۳،۱۹،۲۷،۴۰،۴۱،۴۲،۴۳[.
۲-۱۳-۳- مورفولوژی، مقدار حجمی و اندازه کاربید یوتکتیک
همانطور که پیش‌تر اشاره شد دو مورفولوژی جداگانه از کاربیدها در چدنهای نایهارد ۴ بصورت M3C و M7C3 وجود دارد. نتایج آزمایشگاهی نشان میدهند که کاربیدهای M7C3 به دلیل مورفولوژی میلهای و تیغهای مانند آن و نیز سختی بالاتر، مقاومت سایشی بهتری را فراهم میکند ]۵،۴۳،۴۴[.
افزایش بیشتر مقدار حجمی این کاربیدها، مقاومت سایشی را به دلیل تردتر شدن چدن، کاهش می‌دهد. اندازه‌ی کاربیدها هم روی مقاومت به سایش چدن نایهارد موثر می‌باشد. در برخی تحقیقات مشخص شد که در چدن‌های نایهارد با ساختارهای کاربید ریزتر، نرخ سایش کاهش یافته است ]۴۳[.
۲-۱۳-۴- دمای تمپر
مقاومت سایش چدن نایهارد ۴ با افزایش دمای تمپر کاهش مییابد. ساختار سخت شده بیشترین مقاومت سایشی را دارد در حالیکه ساختار تمپر شده کمترین مقاومت سایشی را نشان میدهد ]۴۳،۴۴[. با افزایش دمای تمپر، زمینهی نرمتری در ساختار ایجاد شده که این زمینه حمایت مکانیکی کمتری از کاربیدهای سخت را فراهم میکند و در نتیجه مقاومت سایشی کاهش مییابد ]۴۳[.
۲-۱۳-۵- اثر آستنیت باقیمانده
چدنهای نایهارد مقاومت عالی در مقابل آسیابهای ساینده تنش بالا و سایندههای خراشان تنش پایین از خود نشان میدهند. این چدنها به دلیل داشتن مقادیر بالای ۱۰ درصد از عناصر نیکل و کروم، مقاومت سایشی خود را در مقابل محیطهای شیمیایی خورنده حفظ میکنند. بدیهی است که مقدار آستنیت باقیمانده بر روی مقاومت به سایش چدن های نایهارد۴ موثر میباشد ]۴۳،۴۴[.
البته پیچیدگی‌ها و نیز مغایرت‌هایی در مورد اثر آستنیت بر روی مقاومت به سایش وجود دارد. برخی معتقدند زمینه‌ای که شامل مارتنزیت خالص باشد، بیشترین مقاومت سایشی را فراهم میکند، اما برخی بیان کرده‌اند که مقاومت سایشی بهینه می‌تواند توسط یک ریزساختار عمومی متشکل از آستنیت و مارتنزیت فراهم شود. لذا شرایط آزمون‌های بکار گرفته می‌تواند این تناقض‌ها را توجیه نماید ]۵،۴۱،۴۲،۴۳،۴۴[.
۲-۱۳-۶- روش‌های آزمون سایش
پدیده سایش یکی از مهمترین عوامل تخریب قطعات صنعتی است. برای کاهش این پدیده، انتخاب جنس قطعات درگیر با یکدیگر و نیز انتخاب پوشش سطحی مناسب بسیار حائز اهمیت میباشد. برای دستیابی به اهداف فوق، انجام آزمایشهای سایش ضروری میباشد. روشهای سایشی را میتوان به سایش ساینده Two body و Three body و نیز تنش آرام و تنش بالا تقسیم بندی کرد. آنچه که مهم به نظر میرسد، تعیین فرایند سایش غالب از جمله سایش ضربه، شکست، خوردگی یا سایش /

Author: mitra4--javid

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *