استنتیزاسیون فولاد

اصل آستنیته کردن

• اصل تبدیل فاز: هنگامی که فولاد حرارت داده می شود، ساختارهای داخلی مانند فریت و پرلیت به تدریج از طریق توزیع مجدد اتم های کربن در شبکه کریستالی آهن به آستنیت تبدیل می شوند.
• تأثیر دما: دمای آستنیته کردن معمولاً بین ac₁ (نقطه بحرانی پایین تر) و ac₃ (نقطه بحرانی بالاتر) است. با این حال، دمای نقطه بحرانی با ترکیب فولاد متفاوت است. به عنوان مثال، مقدار کربن، انواع و مقادیر عناصر آلیاژی همگی بر نقطه بحرانی تأثیر می گذارند.

فرآیند آستنیته کردن (با مثال فولاد یوتکتوئیدی)

• تشکیل هسته های آستنیت: هسته های آستنیت معمولاً ترجیحاً در رابط فاز بین فریت و سمانتیت تشکیل می شوند، زیرا غلظت اتم های کربن در رابط فاز ناهموار است و انرژی بالایی دارد و آرایش اتمی نامنظم است، که به راحتی شرایط نوسان غلظت، نوسان انرژی و نوسان ساختار مورد نیاز برای هسته زایی را برآورده می کند. علاوه بر این، مرزهای دامنه های پرلیت و بلوک های موزاییکی فریت نیز می توانند محل های هسته زایی باشند.
• رشد هسته های آستنیت: پس از حرارت دادن به ناحیه فاز آستنیت، سرعت انتشار اتم های کربن در دمای بالا افزایش می یابد و اتم های آهن و اتم های آلیاژی نیز می توانند به طور کامل منتشر شوند. هسته های آستنیت به رشد خود به سمت فریت و سمانتیت از طریق انتشار اتم های کربن ادامه می دهند.
• انحلال سمانتیت باقیمانده: از آنجایی که ترکیب و ساختار فریت به آستنیت نزدیکتر است، فریت ابتدا در طول رشد هسته های آستنیت ناپدید می شود، در حالی که سمانتیت باقیمانده با افزایش زمان نگهداری به انحلال خود ادامه می دهد تا زمانی که همه آن ناپدید شوند.
• همگن سازی ترکیب آستنیت: پس از انحلال تمام سمانتیت، غلظت کربن در آستنیت یکنواخت نیست و مقدار کربن در ناحیه سمانتیت اصلی بیشتر است. در این زمان، لازم است که نگهداری طولانی مدت انجام شود یا به حرارت دادن ادامه داده شود تا اتم های کربن به طور کامل منتشر شوند، تا آستنیت با ترکیب یکنواخت به دست آید.

آستنیته کردن فولاد هیپویوتکتوئیدی و فولاد هیپریوتکتوئیدی

• فولاد هیپویوتکتوئیدی: علاوه بر فرآیند اساسی تشکیل آستنیت فولاد یوتکتوئیدی که در بالا ذکر شد، هنگامی که بالاتر از دمای ac₁ حرارت داده می شود، فریت پروئوتکتوئید باید به تدریج حل شود تا زمانی که بالاتر از دمای ac₃ حرارت داده شود تا به طور کامل به آستنیت تبدیل شود.
• فولاد هیپریوتکتوئیدی: هنگامی که بالاتر از دمای ac₁ حرارت داده می شود، سمانتیت پروئوتکتوئید (سمانتیت ثانویه) باید به تدریج حل شود و تنها زمانی که بالاتر از Accm (نقطه بحرانی بالاتر فولاد هیپریوتکتوئیدی) حرارت داده شود، می توان تمام سمانتیت را حل کرد و یک ساختار آستنیت منفرد به دست آورد.

عوامل موثر بر آستنیته کردن

• دمای حرارت و زمان: هرچه دمای حرارت بیشتر باشد، سرعت انتشار اتمی بیشتر، سرعت آستنیته کردن بیشتر و زمان مورد نیاز برای تشکیل کوتاه تر است. در یک دمای معین، هرچه زمان نگهداری بیشتر باشد، ترکیب آستنیت یکنواخت تر می شود، اما زمان نگهداری بیش از حد طولانی منجر به رشد دانه می شود.
• سرعت حرارت: هرچه سرعت حرارت بیشتر باشد، دوره نهفتگی کوتاه تر، دمایی که آستنیت شروع به تبدیل می کند و پایان می یابد، بالاتر است و زمان مورد نیاز برای تبدیل کوتاه تر است. در طول حرارت سریع، افزایش سرعت هسته زایی آستنیت بیشتر از سرعت رشد است و می توان دانه های آستنیت ریز را به دست آورد.
• عناصر آلیاژی: عناصری مانند کبالت و نیکل فرآیند آستنیته کردن را تسریع می کنند. عناصری مانند کروم، مولیبدن و وانادیوم فرآیند آستنیته کردن را کند می کنند. عناصری مانند سیلیکون، آلومینیوم و منگنز اساساً هیچ تاثیری بر فرآیند آستنیته کردن ندارند. از آنجایی که سرعت انتشار عناصر آلیاژی بسیار کندتر از کربن است، دمای حرارت عملیات حرارتی فولاد آلیاژی عموماً بالاتر و زمان نگهداری طولانی تر است.
• ساختار اصلی: هنگامی که سمانتیت در ساختار اصلی ورقه ای باشد، سرعت تشکیل آستنیت سریعتر از سمانتیت دانه ای است. هرچه فاصله بین ورقه ای سمانتیت کوچکتر باشد، رابط های فاز بیشتر، سرعت هسته زایی بیشتر و سرعت تبدیل سریعتر است. پرلیت دانه ای در حالت بازپخت کروی دارای رابط های فاز کمی است، بنابراین سرعت آستنیته کردن کندترین است.

کاربرد عملی آستنیته کردن

• عملیات حرارتی: آستنیته کردن یک گام کلیدی در عملیات حرارتی فولاد است. روش های خنک کننده بعدی مختلف (مانند کوئنچینگ، نرمالیزه کردن، بازپخت، تمپر کردن و غیره) باعث می شود آستنیت به ساختارهای مختلفی تبدیل شود تا خواص مکانیکی مورد نیاز به دست آید. به عنوان مثال، کوئنچینگ فولاد پس از آستنیته کردن می تواند ساختار مارتنزیت را به دست آورد و سختی و استحکام فولاد را بهبود بخشد. عملیات نرمالیزه کردن می تواند دانه ها را ریز کرده و ماشین کاری فولاد را بهبود بخشد و غیره.
• پردازش فشار: شمش های فولادی، بیلت های فولادی و محصولات فولادی عموماً برای آستنیته کردن تا دمای بالای 1100 درجه سانتیگراد حرارت داده می شوند. در این زمان، آستنیت دارای شکل پذیری خوب و استحکام تسلیم کم است که برای پردازش پلاستیکی مانند آهنگری و نورد برای ساخت قطعات یا محصولات نهایی با اشکال مختلف مناسب است.