فولادهای مقاوم در دماهای برگشت

[XMEHRDADX 7514]

به‌طور کلي دماي برگشت (Inverse Temperatures) به دماهايي اطلاق مي‌شود که در آن دما در ماده مورد نظر يک استحاله فازي رخ مي‌دهد و منجر به بروز تغييراتي در ترکيب شيميايي يا ساختمان بلوري و يا هر دو مي‌شود.

 

در اين مقاله به بررسي يافته‌ها و پيشرفت‌هاي جديد در زمينه کاهش دماي برگشت فولادها در دماهاي بسيار پايين مي‌پردازيم.

 

محققين در انجمن بين‌المللي علوم مواد در Tsukuba كشور ژاپن مدعي شدند که پيشرفت‌هايي را در زمينه ساخت يک فولاد ارزان قيمت فوق مستحکم کم آلياژ با خاصيت مقاوم در مقابل ضربه و در مقابل انرژي ناشي از ضربه پاندولي با نوک V شکل (VE)، 6 برابر بزرگتر از فولادهاي مارجينگ آلياژ بالا که داراي يک نقطه تسليم 8/1 گيگاپاسکال در دماي اتاق است، کسب کرده‌اند. آنان مي‌گويند که موارد کاربرد اين فلز مي‌تواند در پيچ‌ها و محورهايي که در دماهاي پايين مورد استفاده قرار مي‌گيرند، باشد يعني در جايي که در فلز حالت گذار از نرمي به تردي اتفاق مي‌افتد.

 

اين دانشمندان عقيده دارند که ترکيب دو عامل يعني ريزدانه کردن (Ultragrain) فولادهاي کم‌آلياژ (4/0 درصد کربن، 2 درصد سيليسيم، يك درصد کرم، يك درصد موليبدن و آهن معادل) پراکندگي ذرات نانو کاربيد و کنترل شرايط جديد پردازش زمينه و شکل دانه مي‌تواند منجر به استحکام فوق‌العاده بالا به همراه بهبود در سختي‌پذيري و توانايي چکش‌خواري در فولادهايي با شبکه مکعبي مرکزدار (BCC) در دماهايي پايين‌تر تا 100- درجه سانتيگراد شود.

 

به‌طور معمول فولادهاي کم‌آلياژ با نقطه تسليم بسيار بالاي متجاوز از 4/1 گيگاپاسکال، در دماي اتاق يک انرژي مقاومت به ضربه (vE) پاييني را در حدود 10 تا 40 ژول را از خود نشان مي‌دهند. فولادهاي ماراجينگ مستحکم‌تر و سخت‌تر شامل مقادير زيادي از عناصر نيکل، کبالت و ذرات معلق در اندازه‌هاي نانومتري هستند که اغلب اين عناصر از بروز مشکلات ذکر شده در بالا جلوگيري مي‌کنند. به هر حال اين عناصر گران هستند و در حال حاضر تنها داراي يک انرژي مقاومت به ضربه 40 ژول در دماي اتاق و با نقطه تسليم بسيار بالاي بيش از 8/1 گيگا پاسکال هستند.

 

دکتر Yuuji Kimura سرپرست تحقيقات در اين پروژه مي‌گويد: سختي پايين اغلب موجب محدوديت در استفاده فولادهاي پر آلياژ در کاربردهاي سازه‌اي خاصي مي‌شود، از اين رو سختي بالا در دماهاي پايين مشتاقانه دنبال مي‌شود.

 

 

شکل‌دهي حرارتي (Tempforming)

 

برخلاف فولادهاي کوئنچ شده و تمپر شده سنتي که داراي يک جهت کريستالوگرافي تصادفي هستند، نمونه جديد داراي يک ساختار فريتي با دانه‌هاي فوق‌العاده ريز کشيده با يک بافت با تغيير شکل شديد است. اين خاصيت با پخش شدن کاربيدهايي در اندازه‌هاي نانو موجب توقف حرکت سريع دانه در طي فرآيند شکل‌دهي مي‌شود و در نتيجه استحکام فولاد را افزايش مي‌دهد.

 

Kimura مي‌گويد: ترميم ساختار کريستالي اندازه دانه، يک موضوع کليدي براي پايين آوردن دماي گذار از نرمي به تردي در فولادهاي استحکام بالا است اما تاکنون، کاهش اندازه دانه تا کمتر از يک ميکرون منجر به سختي پايين و نرمي در دماي اتاق شده است.

 

وي افزود: به‌طور معمول فولادهاي استحکام بالا بعد از نرم شدن در طي عمليات آنيلينگ، در دماي اتاق کار شده و شکل مي‌گيرند. اگرچه همواره بين نرمي و سختي مواد يک تعادل وجود دارد، در نتيجه اعمال فرآيند کارسرد به دليل افزايش استحکام مواد مشکل مي‌شود.

 

اين تکنولوژي در کشور ژاپن اين مشکل را حل کرده و نياز به عمليات آنيلينگ را برطرف مي‌کند. محققين يک قطعه فولادي با ضخامت 4 سانتيمتر را در دماي 1200 درجه سانتيگراد به‌مدت يك ساعت، قبل از نورد گرم آن به يک مقطع مربعي، حرارت مي‌دهند و در نهايت آن را تا 500 درجه سانتيگراد سرد مي‌کنند. سپس اين قطعه با يک غلتک کاليبره چند گذري به يک ميله نهايي به حالت دانه‌هاي رشته‌اي تغيير شکل مي‌دهد که به‌طور کلي به اين فرآيند شکل‌دهي حرارتي (Tempforming) مي‌گويند.

 

اگرچه يک نماينده صنعتي انگلستان به نشريه Materials World گفت که براي نتايج اين تحقيقات بسيار خوشبين نيست.

 

وي افزود: در اصل چنين به نظر مي‌رسد که فرآيند تغيير شکل حرارتي (Tempforming) نام جديدي براي عمليات کارگرم (warm forging) است که شناخته شده بوده و مي‌توان انتظار داشت که منجر به جهت‌گيري و کشيدگي دانه‌هاي فريت شود.

 

وي افزود: به همين صورت اين نانو ذرات به شکل رسوبات ريزي از کربن وارد عمل مي‌شوند، اما اين رسوبات معمولا دلالت بر سختي ثانويه دارند که اين خاصيت از سال1950 تا اندازه‌اي شناخته شده بوده است.

 

وي اضافه مي‌کند که به تاثيرات عمليات ترمومکانيکي فولادهاي کم‌آلياژ و خواص ساختارهاي دانه‌هاي فوق‌العاده ريز، توجه مي‌شود اما امروزه مطالعات آزمايشگاهي با محدوديت‌هايي دست و پنجه نرم مي‌کنند و من مي‌توانم ميزان کار در اين زمينه را ببينم. اگرچه سرمايه‌گذاري‌هاي عظيم نيازمند اين است که کسي اين تکنولوژي را به‌مرحله صنعتي برساند و به نظر نمي‌رسد که جذابيت کافي انقلابي داشته باشد.

 

Kimura مي‌گويد: تکامل ساختارهاي دانه‌اي اليافي فوق‌العاده ريز در گذشته به سيم‌هاي نازک از قبيل تارهاي پيانو محدود مي‌شده و اين به دليل تغييرشکل شديد پلاستيک است که معمولا نيازمند گذراندن عمليات‌هايي از قبيل کشش سرد و حديده کردن است. تصور ما براي توليد ساختارهاي دانه‌اي اليافي فوق‌العاده ريز، ساختارهاي تغيير شکل يافته و آبداده مارتنزيت در دماي 500 درجه سانتيگراد است.

 

وي تصديق کرد که فرآيند Tempforming به نسبت عمليات‌هاي رايج کوئنچ و تمپر فولاد‌هاي کم‌آلياژ بسيار پرهزينه است اما تيم او درصدد اصلاح اين روش براي مقياس‌هاي بزرگ توليد صنعتي است.

 

گروه در حال حاضر بر روي پروژه ساخت يک پيچ فوق مستحکم و استقرار يک سيستم چفت و بست مکانيکي براي مواد استحکام بالا کار مي‌کند به طوري که بتواند اين سيستم را جايگزين فرآيندهاي جوشکاري کند.

 

 

مترجم: کمال‌الدين غفوري

منبع:Price Materials Gray

معدن و توسعه276