دانشکده مهندسی مواد و متالورژی

بررسی تاثیر عملیات حرارتی بین بحرانی و پارامترهای آن بر ریزساختار و خواص مکانیکی فولاد کم آلیاژ کرم – مولیبدن دار

پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

در رشته مهندسی مواد گرایش شناسایی و انتخاب مواد

 

چکیده

فولادهای کربن متوسط کرم- مولیبدن دار که عمدتاً در مخازن تحت فشار مورد استفاده قرار     می گیرند به ترکیب همزمان استحکام و انعطاف پذیری نیازمند هستند و ریزساختار مرسومی که برای این فولادها پیشنهاد می شود مارتنزیت تمپر شده است اما معلوم شده است که این ریزساختار برای این کاربردها مناسب نیست .

از این رو برای دستیابی به خواص مکانیکی بهینه از عملیات حرارتی بین بحرانی به عنوان یکی از روش های عملیات حرارتی خاص برای فولادهایی با ساختار اولیه فریت – پرلیت استفاده می شود . در اثر این عملیات به ریزساختار دوفازی فریت – مارتنزیت می رسیم .

در این پروژه ، تاثیر عملیات حرارتی بین بحرانی بر روی فولاد AISI 4135 انجام گرفته است . برای انجام عملیات حرارتی از ریزساختارهای اولیه مختلف و دماهای بین بحرانی  به همراه عملیات حرارتی بین بحرانی مستقیم(بدون عملیات حرارتی اولیه) استفاده شده است. پارامترهای عملیات حرارتی متغیر دیگر به جز دمای بین بحرانی در این بررسی زمان نگه داری در دمای ثابت در ناحیه دو فازی می باشد که برای تعدادی از سیکل ها انجام شده است و نیز روی تمامی سیکل های انجام گرفته عملیات حرارتی تمپر کردن انجام گرفت و با ساختار مارتنزیت تمپر شده مرسوم مورد مقایسه قرار گرفت .

نتایج تحقیق از ترکیب مناسب استحکام ، انعطاف پذیری و انرژی ضربه با استفاده از عملیات حرارتی بین بحرانی که تمپر شده است را نشان می دهد. نتایج مطلوبی از فرآیندهای نرماله  و بین بحرانی و تمپر شده بدست آمده است که انعطاف پذیری بالاتری نسبت به فرآیند مارتنزیت تمپر شده داشته است . در فرآیند بین بحرانی آستنیته شده و تمپر شده در دمای بین بحرانی در دو محیط کوئنچ روغن و پلیمری ترکیب مناسب از خواص مکانیکی حاصل شده است .

نتایج بررسی سطوح شکست حاصل از آزمایش ضربه که در دمای C°۵۰ – انجام گرفته است وجود دیمپل های عمیق و بزرگ در سیکل های بهینه با شکست نرم نسبت به شکست شبه کلیواژ در مارتنزیت تمپر شده را نشان می دهند.

 

واژه‌های کلیدی:عملیات حرارتی بین بحرانی، محیط کوئنچ، تمپر، شکست شناسی.

 

 

فهرست مطالب

فصل ۱: مقدمه ۱۰

۱۰

۱-۱- مقدمه ۱۱

فصل ۲: مروری بر منابع ۱۴

۲-۱- فولادهای آلیاژی ۱۵

۲-۲- فرآیندهای عملیات حرارتی مرسوم فولاد AISI 4135 17

2-3- تعیین دماهای بحرانی با استفاده از ترکیب شیمیایی فولاد ۱۹

۲-۴- عملیات حرارتی بین بحرانی ۲۰

۲-۵- عملیات حرارتی بین بحرانی از دیدگاه نمودار آهن کربن ۲۰

۲-۶- عملیات حرارتی بین بحرانی از دیدگاه ترمودینامیک و استحاله فازی ۲۱

۲-۶-۱-تشکیل آستنیت جزیی ۲۲

۲-۶-۲- سینتیک تشکیل آستنیت در فولادهای دو فازی ۲۳

۲-۶-۴- معادله دیفرانسیلی سینتیک تعمیم یافته آورامی در تجزیه چند فازی ۲۳

۲-۶-۴-۱-تخمین پارامترهای مدل چند فازی ۲۵

۲-۶-۴-۲- اثر پارامترهای ریزساختاری روی سرعت تجزیه فرآیند ۲۶

۲-۶-۵- استحاله آستنیت به مارتنزیت ۲۷

۲-۷- محیط های کوئنچ ۲۹

۲-۷-۱- اندازه گیری منحنی های سرمایش دما زمان کوئنچ کردن ۲۹

۲-۷-۲- مقایسه منحنی سرمایش آب-روغن ۳۱

۲-۸- محیط پلیمری ۳۱

۲-۸-۱- اندازه پلیمر ۳۷

۲-۸-۲- اثرات ویسکوزیته محلول های پلیمری ۳۸

۲-۸-۳- تعیین شدت کوئنچ محلول های پلیمری ۴۰

۲-۸-۴- فاکتورهای موثر بر پایداری پلیمر ۴۳

۲-۸-۵- مقایسه منحنی های سرمایش آب- محلول پلیمری ۴۵

۲-۹- مطالعه فرآیند تمپر کردن در فولادهای با ساختاردو فازی ۴۶

۲-۱۰- تردی مارتنزیت تمپر شده ۴۹

۲-۱۰-۱- تاثیر عملیات حرارتی بین بحرانی بر تردی ناشی از تمپر کردن ۵۲

۲-۱۱- بررسی های دیلاتومتری و پراش اشعه ایکس مراحل تمپر کردن ۵۳

۲-۱۲- بررسی های ریزساختاری فرآیند تمپر کردن در فولاد های دو فازی ۵۸

۲-۱۳- شکست ۶۱

۲-۱۴- درصد شکست ترد یا نرم از طریق بررسی سطح شکست ۶۵

۲-۱۵- اندازه گیری چقرمگی شکست کرنش صفحه ای (IC K) 67

2-15-1- اثر متغیرهای متالورژیکی بر KIC 72

فصل ۳: روش تحقیق ۷۶

۳-۱- تهیه نمونه ۷۷

۳-۲- تعیین دماهای بحرانی ۷۷

۳-۳- عملیات حرارتی های بین بحرانی ۷۷

۳-۵-۱- نرماله بین بحرانی ۷۸

۳-۵-۲- بین بحرانی آستنیته شده ۷۸

۳-۵-۳- مارتنزیت بین بحرانی ۷۹

۳-۵-۴- بین بحرانی مستقیم ۷۹

۳-۴- متالوگرافی نمونه ها ۷۹

۳-۵- آزمایش های مکانیکی ۸۰

۳-۷-۱- سختی ۸۰

۳-۷-۲-کشش ۸۰

۳-۷-۳- ضربه ۸۱

۳-۶- بررسی سطوح شکست ۸۲

مراجع ۸۳

پیوست ها ۸۷

 

  • مقدمه

خواص مکانیکی متنوع فولادها باعث شده است که این آلیاژها جایگاه ویژه ای را در صنایع مختلف به خود اختصاص داده و به عنوان یک محصول استراتژیک در نظر گرفته  شوند . در میان فولادها ، فولادهای مافوق مستحکم جایگاه ویژه ای در مصارف صنعتی دارند . از این دسته ، فولادهای کم آلیاژ با کربن متوسط را می توان نام برد . کاربرد این فولادها غالباً در پمپ ها ، اتصال ها ، محورها و چرخ دنده ها بوده و همچنین به علت قابلیت سختی پذیری زیاد و چقرمگی و شکل پذیری مناسب ، در اجزای با مقاطع بزرگ و نیز صنایع هوا و فضا که از آن جمله می توان به مخازن تحت فشار و مخازن CNG اشاره کرد]۳-۱[ .

در تمامی استانداردهای مربوط به طراحی و ساخت مخازن CNG ، ترکیب های پیشنهادی از انواع تمام فلزی (نوع اول) ، فلزی – کامپوزیتی (نوع دوم و سوم) و تمام کامپوزیتی (نوع چهارم) طبقه بندی شده است . امروزه آنچه به چالشی مهم در به کارگیری مخازن CNG در صنایع مختلفی چون صنایع خودروسازی و هوافضا تبدیل شده است بحث کاهش وزن مخازن تمام فلزی است.

گزارشات رسیده از موسسه گاز آمریکا به دفتر انرژی موسسه AAT در سال ۲۰۰۰ حاکی از این مهم بوده که هزینه صرف شده برای مجهز کردن خودروهای سواری به سیستم گاز سوز با مخازن سبک (نوع سوم و چهارم) حدود ۷۰ درصد قیمت تمام شده خودرو بوده است که از این ۷۰   درصد ، ۵۰ درصد صرف تامین مواد خام اولیه می گردد . از اینرو تحقیقات گسترده ای برای سبک کردن مخازن نوع اول و دوم که به لحاظ قیمت ارزان ترین هستند در حال انجام است ]۹-۴ [.

تا کنون آنچه برای کاهش قیمت مخازن اول و دوم صورت گرفته ، بیشتر در قالب اصلاح فرآیندهای ساخت ، انتخاب مواد مناسب و انتخاب روش های مناسب عملیات حرارتی بوده است . در تمامی این موارد ، ایجاد خواص مکانیکی مناسب و بهبود خواص شکست ، هدف اصلی در بهبود یا کاهش وزن بوده است . در مخازن CNG همچون سایر مخازن تحت فشار ، کمپرسورها و نیروگاه های اتمی ، تخمین پارامترهای مکانیکی از جمله چقرمگی شکست و بهبود آن ، امری ضروری و اجتناب ناپذیر است . عمر مفید مخازن تحت فشار بر نحوه بارگذاری ، تنش های باقیمانده و بارگذاری سیکلی متاثر از جنس مواد و ریزساختار آنهاست . تغییرات خواص مکانیکی در حین سرویس دهی ، از موارد مهمی است که ریزساختاری که بتواند خواص بهینه و همزمان استحکام و چقرمگی شکست را تامین کند ، مارتنزیت تمپر شده معرفی شده است .

امروزه معلوم شده است که این ریزساختار برای آن دسته از مخازن تحت فشار که تحت     بارگذاری های چرخه ای قرار دارند ساختار مناسبی نمی باشد .

فولادهای AISI 4130 و AISI 4140 از جمله فولادهای فوق مستحکم کربن متوسط[۱] هستند که در ساخت مخازن CNG از آنها استفاده می شود ]۱۲-۱۰[ .

 

12000 تومان – خرید