دانشگاه صنعتی اصفهان

دانشکده مهندسی مواد

تاثیر عملیات سرد کردن زیر صفر بر ساختار میکروسکوپی و رفتار تریبولوژیکی فولاد ۷۱۴۷/۱

فهرست مطالب

 

عنوان                                                                                                                                                                               صفحه

فهرست مطالب                                                                                                                                                            هشت

چکیده ۱

فصل اول: مقدمه

فصل دوم: مروری بر مطالب

۲-۱- معرفی و تاریخچه ۵

۲-۲- آستنیت باقیمانده ۵

۲-۲-۱- پایداری آستنیت ۸

۲-۳- مشخصه‌‌‌‌های سطوح کربوره‫شده ۱۴

الف) ریز‌‌ساختار ۱۴

۲-۳-۱- رفتار سایشی فولاد‌‌‌‌های کربوره‫شده ۱۸

۲-۴- عملیات سردسازی و زیر صفر فولاد ۱۹

۲-۴-۱- تأثیر دما و زمان آستنیته کردن ۲۲

۲-۴-۲- انواع فولادها که میتوانند تحت عملیات زیر صفر قرار گیرند: ۲۳

الف) فولاد ابزار ۲۳

ب) فولاد‌‌‌‌های زنگ نزن ۲۷

ج) فولاد AISI 4340 28

د) فولاد‌‌‌‌های سطح سخت شونده ۲۸

۲-۵- بازگشت و تاثیر آن بر نمونه‫های عملیات زیر صفر شده ۲۸

۲-۶- انواع سایش ۳۱

۲-۶-۲- سایش چسبان ۳۳

۲-۶-۳- سایش خوردگی ۳۴

فصل سوم: مواد و روشهای آزمایش

۳-۱- آلیاژ مورداستفاده ۳۶

۳-۲- عملیات حرارتی نمونه‫ها ۳۶

۳-۳- آزمون­ها ۳۷

۳-۳-۱- سختی­سنجی ۳۷

۳-۳-۲- سایش ۳۸

۳-۳-۳- متالوگرافی نمونه‫ها ۳۸

۳-۳-۴- فازیابی با استفاده از پراش پرتوی ایکس ۳۹

فصل چهارم: نتایج و بحث

۴-۱- بررسی ریزساختاری ۴۰

۴-۱-۱- متالوگرافی ۴۰

۴-۱-۲- بررسی ریزساختار با اشعه‌ی ایکس ۴۶

۴-۲- سختی سنجی ۴۷

هشت

۴-۳- سایش ۴۹

 

4-3-1- ضریب اصطکاک ۴۹

۴-۳-۲- بررسی سطوح سایش با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی ۵۲

۴-۳-۳- تغییرات نرخ سایش ۵۹

فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهادات

مراجع ۶۶

نه

 

فهرست جداول

 

عنوان                                                                                                                                                                             صفحه

جدول۲-۱٫ تأثیر ۱% از عناصر آلیاژی بر دمای شروع استحاله مارتنزیت در فولادهایی با ۹/۰ – ۱% کربن ۷

جدول ۲-۲٫ تأثیر ۱% کروم بر دمای شروع استحاله مارتنزیتی در فولادهایی با درصد کربن مختلف ۷

جدول۲-۳٫ نقطه‌ی جوش عادی سیالات زیر صفر رایج ۱۹

جدول۲-۴٫ مقایسه‌ی دریل‌‌‌‌های عملیات حرارتی معمولی شده و زیر صفر شده ۲۴

جدول ۳-۱٫ ترکیب شیمیایی فولاد ۷۱۴۷/۱٫ % ۳۶

جدول۳-۲٫ عملیات حرارتی نمونه‌ها. ۳۷

جدول۴-۱٫ سختی بر اساس نوع عملیات انجام‌شده (DCT). 47

ده

 

 

فهرست اشکال

 

عنوان                                                                                                                                                                             صفحه

شکل۲-۱٫ دمای شروع و پایان استحاله مارتنزیت (f  Mو Ms) با توجه به درصد کربن در فولاد ۶

شکل۲-۲٫ منحنی استحاله مارتنزیت ۷

شکل ۲-۳٫ سختی راکول C به‌عنوان تابعی از درصد کربن ۸

شکل ۲-۴٫ درصد آستنیت باقیمانده به‌عنوان تابعی از درصد کربن. ۹

شکل ۲-۵٫ تغییر دمای Ms وانداده دانه‌ی آستنیت با دمای آستنیته کردن. ۱۱

شکل ۲-۶٫ تغییرات دمای Ms با زمان حرارت دهی آستنیته کردن. ۱۱

شکل ۲-۷٫ تغییرات Mb با الف) ‌اندازه دانه‌ی آستنیت ب) دمای آستنیته کردن و ج) میزان مارتنزیت انفجاری. ۱۲

شکل ۲-۸٫ اثر پیرسازی درC° ۲۵۰ بر Ms (Fe-1. 06% C-1. 63% Cr). 13

شکل ۲-۹٫ تغییر در میزان آستنیت باقیمانده با دمای کوئنچ (در فولاد‌‌‌‌های کربنی) ۱۴

شکل ۲-۱۰٫ کاربید‌‌‌‌های درشت اولیه‌ی تشکیل‌شده در فولاد SAE 4130 16

شکل ۲-۱۱٫ شبکه‌‌‌‌های کاربیدی در مرز دانه‌های آستنیت اولیه ۱۷

شکل ۲-۱۲٫ کاربید‌‌‌‌های ریز اولیه در مارتنزیت تیغه‌ای که به‌وسیله‌ی کربن‌دهی ۱۷

شکل ۲-۱۳٫ تجهیزات فرایند زیر صفر ۲۰

شکل ۲-۱۴٫ یک سیکل عملیات حرارتی شامل عملیات زیر صفر ۲۱

شکل ۲-۱۵٫ اثر سرمایش تا فرایند زیر صفر بر تعداد کاربید‌‌‌‌های فولاد D2 22

شکل ۲-۱۶٫ انواع تماس در طول سایش خراشان ۳۲

شکل ۲-۱۷٫ پنج مکانیزم سایش خراشان. ۳۲

شکل ۲-۱۸٫ تصویر ساده‌شده‌ی سایش چسبان. ۳۳

شکل ۲-۲۱٫ مدل سایش اکسیدی ۳۴

شکل ۳-۱٫ تصویر دستگاه سایش. ۳۸

شکل ۴-۱٫ اندازه‌گیری عمق نفوذ کربن با استفاده از نرم‌افزار TS View.. 40

ادامه­ی شکل ۴-۱، ه) ۴۸DCT. 41

شکل ۴-۲٫ تصاویر میکروساختار توسط میکروسکوپ نوری. ۴۲

شکل۴-۳٫ تصاویر میکروسکوپ الکترونی تهیه‌شده از کاربیدها، سمت راست BSE و سمت چپ SE… 43

ادامه‌ی شکل ۴-۳، ط و ظ)۴۸DCT در بزرگنمایی x 2000. 44

شکل۴-۴٫ تصاویر میکروسکوپ الکترونی تهیه‌شده از کاربید­ها ۴۴

شکل ۴-۵٫ تصویر تهیه­شده از تصاویر میکروسکوپی جهت محاسبات نرم­افزاری. ۴۵

شکل ۴-۶٫ توزیع اندازه­ی کاربیدها در نمونه­های مختلف. ۴۵

شکل ۴-۷٫ الگوی پراش نمونه­ی CHT. 46

شکل ۴-۸٫ الگوی پراش پرتوی ایکس از نمونه­های مختلف. ۴۶

شکل ۴-۹٫سختی بر اساس نوع عملیات انجام‌شده (DCT). 47

شکل ۴-۱۰٫ پروفیل میکرو سختی نمونه. ۴۸

شکل ۴-۱۱٫ درصد افزایش سختی در نمونه­های مختلف. ۴۸

شکل ۴-۱۲٫ ضریب اصطکاک برحسب مسافت، الف) CHT، ب) ۱DCT… 50

یازده

ادامه­ی شکل ۴-۱۲٫ ج)۲۴DCT، د)۳۰DCT و ه)۴۸DCT در بار اعمالی N80. 51

 

شکل ۴-۱۳٫ سطح سایش دیسک در بار اعمالی N80. 52

شکل ۴-۱۴٫ سطح سایش دیسک در بار اعمالی N110. 53

شکل ۴-۱۵٫ تصاویر میکروسکوپ نیروی اتمی سطوح سایش ۵۴

شکل ۴-۱۶٫ تصویر تهیه‌شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی از ذرات سایش. ۵۵

شکل ۴-۱۷٫ نتایج آنالیز EDS نمونه­ی CHT، ۱) محصولات سایش، ۲) ذرات چسبیده به سطح سایش. ۵۶

شکل ۴-۱۸٫ نتایج آنالیز EDS محصولات سایش نمونه­ی ۱DCT 57

شکل ۴-۱۹٫ نتایج آنالیز EDS نمونه­ی ۲۴DCT 57

ادامه­ی شکل ۴-۱۹٫ ۱) محصولات سایش، ۲) ذرات چسبیده به سطح سایش ۵۸

شکل ۴-۲۰٫ نتایج آنالیز EDS محصولات سایش نمونه­ی ۳۰DCT. 59

شکل ۴-۲۱٫ نتایج آنالیز EDS محصولات سایش نمونه­ی ۴۸DCT. 60

شکل ۴-۲۲٫ نمودار کاهش جرم برحسب مسافت برای نمونه‌های مختلف، الف)N  ۸۰ و ب) N  ۱۱۰ ۶۰

شکل ۴-۲۳٫ نرخ سایش برحسب مسافت برای نمونه‌های مختلف، الف)N  ۸۰ و ب)N  ۱۱۰٫ ۶۱

شکل ۴-۲۴٫ درصد افزایش مقاومت سایشی بر اساس نوع عملیات حرارتی. ۶۲

 

 

چکیده

در این پژوهش تأثیر زمان عملیات زیر صفر بر رفتار سایشی فولاد ۷۱۴۷/۱ (۵۱۲۰) موردمطالعه قرار گرفته است. جهت انجام عملیات کربوره کردن، نمونه­ها درون جعبه­هایی از فولاد نسوز با ترکیبی از پودر زغال، باریم کربنات و سدیم هیدروکسید به نسبت ۱:۱:۵۰ قرار گرفت و به مدت ۶ ساعت، در دمای C◦ ۹۲۰ کربوره شد؛ سپس در داخل این جعبه در هوا تا دمای محیط خنک شدند. عملیات آستنیته کردن در دمایC◦ ۹۳۰ به مدت ۱ ساعت بر روی نمونه‌ها اعمال و در روغن کوئنچ شد. به‌منظور بررسی تأثیر زمان فرایند زیر صفر عمیق، نمونه‌ها به مدت‌زمان ۱، ۲۴، ۳۰ و ۴۸ ساعت در نیتروژن مایع در دمایC◦ ۱۹۶- نگهداری شدند و سپس در دمای محیط در اتاق نگهداری شد. به‌منظور بهبود خواص فولاد و آزاد­سازی تنش­های داخلی ناشی از کوئنچ، نمونه­ها به مدت ۲ ساعت در دمای C ◦ ۲۰۰ در کوره‌ نگهداری شدند. نمونه­ها پس از آماده سازی سطحی، تحت آزمون­های مختلف قرار گرفتند. برای تعیین فازها از روش پراش پرتو ایکس استفاده شد؛ بدین منظور نمونه‌ها در ابعاد مناسب تهیه و با استفاده از نرم‌افزار Xpert فازهای موجود با استفاده از عناصر اولیه تعیین شد. آزمون سایش به روش گلوله روی دیسک با استفاده از گلوله­ای از جنس کاربید تنگستن بر نمونه‌های دیسکی با دو بار ۸۰ و ۱۱۰ نیوتون به مسافت ۱۰۰۰ متر در رطوبت هوای ۵±۳۰% و درجه حرارت C◦ ۵±۲۵ انجام شد. سختی نمونه‌ها به‌صورت ماکرو در مقیاس راکول سی اندازه‌گیری شد. اندازه‌گیری سختی نمونه‌ها قبل و بعد از بازگشت، با بار اعمالی ۳۰ کیلوگرم انجام گردید. همچنین ریز سختی نمونه‌ها با استفاده از دستگاه ریز سختی سنجی و با نیروی g100 انجام گردید؛ سطوح سایش ابتدا توسط استون تمیز شده و با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) موردمطالعه قرار گرفت. محصولات سایش نیز توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف­سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDS) مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات پراش پرتو ایکس حاکی از کاهش در مقدار آستنیت باقیمانده در اثر اعمال عملیات زیر صفر بوده بگونه­ای که در زمان های بیش ازیک ساعت، پیک آستنیت باقیمانده مشاهده نشده­است. بررسی‌های میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی توزیع بهتر کاربیدها، ریز شدن و افزایش کسر حجمی کاربیدها را در عملیات زیرصفرعمیق نشان داد. بدین ترتیب عملیات زیر صفر عمیق منجر به افزایش در سختی در حد ۴ تا ۳۳% و تا ۲۴ ساعت ، افزایش مقاومت سایشی تا %۳۹/۱۹۱ می­گردد. با افزایش بیش­تر زمان عملیات زیر صفر، مقاومت سایشی نمونه­ها کاهش یافته است؛ به­گونه­ای که در نمونه­ی ۴۸ ساعت عملیات زیر صفر شده مقاومت سایشی کاهش یافته است. علت افزایش سختی نمونه­ها کاهش میزان آستنیت باقیمانده در اثر عملیات زیر صفر عمیق و دلیل کاهش مقاومت سایشی نمونه­ها پس از ۲۴ ساعت، رشد کاربید­ها و توزیع غیریکنواخت آن در ساختار و در نتیجه ضعیف شدن زمینه بوده است؛ بنابراین مدت زمان ۲۴ ساعت عملیات زیر صفر عمیق بر فولاد ۷۱۴۷/۱ زمانی بهینه است.

کلمات کلیدی: عملیات زیر صفر عمیق، آستنیت باقیمانده، کاربید، مقاومت سایشی، سختی

فصل اول

مقدمه

 

در بسیاری از کاربرد‌‌‌‌های صنعتی نیاز به قطعاتی است که دارای سطحی سخت بوده و درعین‌حال از چقرمگی یا مقاومت به ضربه‌ی خوبی نیز برخوردار باشند. ازجمله مواردی که می‌‌توان در این رابطه به‌عنوان مثال به آن‌ها اشاره کرد عبارت‫اند از:میل‌لنگ، میل بادامک، چرخ‌دنده و قطعات مشابه. این قطعات باید سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش داشته و همچنین بسیار چقرمه و مقاوم در برابر ضربه‌‌‌‌های وارده در حین کار باشند.

بسیاری از قطعات فولادی را می‌‌توان به نحوی عملیات حرارتی کرد که در پایان دارای مجموعه‌ای از خواص بالا باشند،‌یعنی درحالی‌که از مقاومت به سایش خوبی برخوردارند، دارای استحکام دینامیکی خوبی نیز باشند. این نوع عملیات حرارتی که اصطلاحا به سخت کردن سطحی موسوم‌اند، آخرین عملیاتی هستند که باید در مرحله­ی پایانی ساخت قطعه و پس‌ازانجام تمام مراحل مربوط به شکل‌دهی نظیر ماشین‌کاری انجام شود.

روش‌‌‌‌های مختلف عملیات حرارتی که به کمک آن‌ها می‌توان سطح قطعات را سخت کرد، عمدتاً به دو دسته تقسیم می‌شوند. دسته‌ی اول عملیاتی که منجر به تغییر در ترکیب شیمیایی سطح فولاد می‌‌شوند و به عملیات حرارتی­شیمیایی یا ترمو­شیمی موسوم‌اند، نظیر کربن‌دهی، نیتروژن­دهی و کربن نیتروژن­دهی. دسته‌ی دوم روش‌‌‌‌هایی که بدون تغییر ترکیب شیمیایی سطح و فقط به کمک عملیات حرارتی که در لایه‌ی سطحی متمرکز شده، انجام می­شوند و باعث سخت شدن سطح می‌گردند و به عملیات حرارتی موضعی موسوم‌اند، مانند سخت کردن شعله‌ای و سخت­کردن القایی. در آلیاژ‌‌‌‌های آهن–کربن و فولاد‌ها، مارتنزیت از سردکردن سریع آستنیت به وجود می‌آید. واژه­ی مارتنزیت که برای مدت‌‌‌‌ها فقط به ساختار سخت حاصل از سریع سرد کردن فولاد‌‌‌‌های کربنی اطلاق می­شود برای قدردانی از دانشمند معروف آلمانی به نام مارتنز است. در به­کار بردن واژه‌ی مارتنزیت، اخیراً به‌جای محصولات حاصل، تأکید بیش‌تر بر روی طبیعت دگرگونی گذاشته‌شده است. مارتنزیت فازی است که توسط یک دگرگونی مارتنزیتی ‌یا جابجایی گروهی

 

12000 تومان – خرید