فهرست مطالبفهرست مطالب هشتچکیده1فصل اول: مقدمهفصل دوم: مروری بر مطالب2-1- معرفی و تاریخچه52-2- آستنیت باقیمانده52-2-1- پایداری آستنیت82-3- مشخصههای سطوح کربورهشده14الف) ریزساختار142-3-1- رفتار سایشی فولادهای کربورهشده182-4- عملیات سردسازی و زیر صفر فولاد192-4-1- تأثیر دما و زمان آستنیته کردن222-4-2- انواع فولادها که میتوانند تحت عملیات زیر صفر قرار گیرند:23الف) فولاد ابزار23ب) فولادهای زنگ نزن27ج) فولاد AISI 434028د) فولادهای سطح سخت شونده282-5- بازگشت و تاثیر آن بر نمونههای عملیات زیر صفر شده282-6- انواع سایش312-6-2- سایش چسبان332-6-3- سایش خوردگی34فصل سوم: مواد و روشهای آزمایش3-1- آلیاژ مورداستفاده363-2- عملیات حرارتی نمونهها363-3- آزمونها373-3-1- سختیسنجی373-3-2- سایش383-3-3- متالوگرافی نمونهها383-3-4- فازیابی با استفاده از پراش پرتوی ایکس39فصل چهارم: نتایج و بحث4-1- بررسی ریزساختاری404-1-1- متالوگرافی404-1-2- بررسی ریزساختار با اشعهی ایکس464-2- سختی سنجی474-3- سایش49 4-3-1- ضریب اصطکاک494-3-2- بررسی سطوح سایش با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی524-3-3- تغییرات نرخ سایش59فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهاداتمراجع66 فهرست جداولجدول2-1. تأثیر 1% از عناصر آلیاژی بر دمای شروع استحاله مارتنزیت در فولادهایی با 9/0 - 1% کربن7جدول 2-2. تأثیر 1% کروم بر دمای شروع استحاله مارتنزیتی در فولادهایی با درصد کربن مختلف7جدول2-3. نقطهی جوش عادی سیالات زیر صفر رایج19جدول2-4. مقایسهی دریلهای عملیات حرارتی معمولی شده و زیر صفر شده24جدول 3-1. ترکیب شیمیایی فولاد 7147/1. %36جدول3-2. عمليات حرارتي نمونهها.37جدول4-1. سختی بر اساس نوع عملیات انجامشده (DCT).47فهرست اشکال شکل2-1. دماي شروع و پایان استحاله مارتنزیت (f Mو Ms) با توجه به درصد کربن در فولاد6شکل2-2. منحنی استحاله مارتنزیت7شکل 2-3. سختی راکول C بهعنوان تابعی از درصد کربن8شکل 2-4. درصد آستنیت باقیمانده بهعنوان تابعی از درصد کربن.9شکل 2-5. تغییر دمای Ms وانداده دانهی آستنیت با دمای آستنیته کردن.11شکل 2-6. تغییرات دمای Ms با زمان حرارت دهی آستنیته کردن.11شکل 2-7. تغییرات Mb با الف) اندازه دانهی آستنیت ب) دمای آستنیته کردن و ج) میزان مارتنزیت انفجاری.12شکل 2-8. اثر پیرسازی درC° 250 بر Ms (Fe-1. 06% C-1. 63% Cr).13شکل 2-9. تغییر در میزان آستنیت باقیمانده با دمای کوئنچ (در فولادهای کربنی)14شکل 2-10. کاربیدهای درشت اولیهی تشکیلشده در فولاد SAE 413016شکل 2-11. شبکههای کاربیدی در مرز دانههای آستنیت اولیه17شکل 2-12. کاربیدهای ریز اولیه در مارتنزیت تیغهای که بهوسیلهی کربندهی17شکل 2-13. تجهیزات فرایند زیر صفر20شکل 2-14. يک سيکل عمليات حرارتي شامل عمليات زير صفر21شکل 2-15. اثر سرمایش تا فرایند زیر صفر بر تعداد کاربیدهای فولاد D222شکل 2-16. انواع تماس در طول سایش خراشان32شکل 2-17. پنج مکانیزم سایش خراشان.32شکل 2-18. تصویر سادهشدهی سایش چسبان.33شکل 2-21. مدل سايش اکسيدي34شکل 3-1. تصوير دستگاه سايش.38شکل 4-1. اندازهگیری عمق نفوذ کربن با استفاده از نرمافزار TS View..40ادامهی شکل 4-1، ه) 48DCT.41شکل 4-2. تصاویر میکروساختار توسط میکروسکوپ نوری.42شکل4-3. تصاویر میکروسکوپ الکترونی تهیهشده از کاربیدها، سمت راست BSE و سمت چپ SE...43ادامهی شکل 4-3، ط و ظ)48DCT در بزرگنمایی x 2000.44شکل4-4. تصاویر میکروسکوپ الکترونی تهیهشده از کاربیدها44شکل 4-5. تصویر تهیهشده از تصاویر میکروسکوپی جهت محاسبات نرمافزاری.45شکل 4-6. توزیع اندازهی کاربیدها در نمونههای مختلف.45شکل 4-7. الگوی پراش نمونهی CHT.46شکل 4-8. الگوی پراش پرتوی ایکس از نمونههای مختلف.46شکل 4-9.سختی بر اساس نوع عملیات انجامشده (DCT).47شکل 4-10. پروفیل میکرو سختی نمونه.48شکل 4-11. درصد افزایش سختی در نمونههای مختلف.48شکل 4-12. ضریب اصطکاک برحسب مسافت، الف) CHT، ب) 1DCT...50ادامهی شکل 4-12. ج)24DCT، د)30DCT و ه)48DCT در بار اعمالی N80.51 شکل 4-13. سطح سایش دیسک در بار اعمالی N80.52شکل 4-14. سطح سایش دیسک در بار اعمالی N110.53شکل 4-15. تصاویر میکروسکوپ نیروی اتمی سطوح سایش54شکل 4-16. تصویر تهیهشده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی از ذرات سایش.55شکل 4-17. نتایج آنالیز EDS نمونهی CHT، 1) محصولات سایش، 2) ذرات چسبیده به سطح سایش.56شکل 4-18. نتایج آنالیز EDS محصولات سایش نمونهی 1DCT57شکل 4-19. نتایج آنالیز EDS نمونهی 24DCT57ادامهی شکل 4-19. 1) محصولات سایش، 2) ذرات چسبیده به سطح سایش58شکل 4-20. نتایج آنالیز EDS محصولات سایش نمونهی 30DCT.59شکل 4-21. نتایج آنالیز EDS محصولات سایش نمونهی 48DCT.60شکل 4-22. نمودار کاهش جرم برحسب مسافت برای نمونههای مختلف، الف)N 80 و ب) N 11060شکل 4-23. نرخ سایش برحسب مسافت برای نمونههای مختلف، الف)N 80 و ب)N 110.61شکل 4-24. درصد افزایش مقاومت سایشی بر اساس نوع عملیات حرارتی.62 چکیدهدر این پژوهش تأثیر زمان عملیات زیر صفر بر رفتار سایشی فولاد 7147/1 (5120) 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 1:1:50 قرار گرفت و به مدت 6 ساعت، در دمای C◦ 920 کربوره شد؛ سپس در داخل این جعبه در هوا تا دمای محیط خنک شدند. عملیات آستنیته کردن در دمایC◦ 930 به مدت 1 ساعت بر روی نمونهها اعمال و در روغن کوئنچ شد. بهمنظور بررسی تأثیر زمان فرایند زیر صفر عمیق، نمونهها به مدتزمان 1، 24، 30 و 48 ساعت در نیتروژن مایع در دمایC◦ 196- 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 2 ساعت در دمای C◦ 200 در کوره نگهداری شدند. نمونهها پس از آماده سازی سطحی، تحت آزمونهای مختلف قرار گرفتند. برای تعيين فازها از روش پراش پرتوایکساستفاده شد؛ بدين منظور نمونهها در ابعاد مناسب تهيه و با استفاده از نرمافزار Xpertفازهاي موجود با استفاده از عناصر اوليه تعيين شد. آزمون سایش به روش گلوله روی دیسک با استفاده از گلولهای از جنس کاربید تنگستن بر نمونههای دیسکی با دو بار 80 و110 نیوتون به مسافت 1000 متر در رطوبت هوای 5±30% و درجه حرارت C◦5±25 انجام شد. سختي نمونهها بهصورت ماکرو در مقياس راکول سي اندازهگیری شد. اندازهگیری سختی نمونهها قبل و بعد از بازگشت، با بار اعمالی 30 کیلوگرم انجام گردید. همچنين ریز سختی نمونهها با استفاده از دستگاه ریز سختی سنجی و با نيروي g100 انجام گرديد؛ 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 4 تا 33% و تا 24 ساعت ، افزایش مقاومت سایشی تا %39/191 میگردد. با افزایش بیشتر زمان عملیات زیر صفر، مقاومت سایشی نمونهها کاهش یافته است؛ بهگونهای که در نمونهی 48 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 24 ساعت، رشد کاربیدها و توزیع غیریکنواخت آن در ساختار و در نتیجه ضعیف شدن زمینه بوده است؛ بنابراین مدت زمان 24 ساعت عملیات زیر صفر عمیق بر فولاد 7147/1 زمانی بهینه است.کلمات کلیدی: عملیات زیر صفر عمیق، آستنیت باقیمانده، کاربید، مقاومت سایشی، سختیمقدمه 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 گروهیاتمها حاصل میشود، گرچه ممکن است فاز یادشده، ترکیب شیمیایی، ساختار بلوری و خواص کاملاً متفاوتی از مارتنزیت در فولادها داشته باشد. دمایی را که دریک آلیاژ دگرگونی آستنیت به مارتنزیتشروع میشود، دمای شروع تشکیل مارتنزیت نامیده و آن را با Ms نشان میدهند. در حقیقت، Ms نشان دهندهی مقدار نیروی محرکهی ترمودینامیکی لازم برای شروع دگرگونی برشی آستنیت به مارتنزیت است. با افزایش درصد کربن، دمای Ms بهطور قابل توجهی کاهش مییابد. در حقیقت کربن موجود بهصورت محلول جامد، استحکام یا مقاومت برشی آستنیت را افزایش میدهد و بنابراین با افزایش کربن نیرومحرکهی بیشتری جهت شروع لغزش برای تشکیل مارتنزیت لازم است. این نیروی محرکهی بیشتر، با سرد کردن فولاد تا دمایی پایینتر و یا بهعبارتدیگر تحت تبرید بیشتر(Ms کمتر) به دست میآید. دمای پایان تشکیل مارتنزیت (Mf)یا دمایی که دگرگونی آستنیت به مارتنزیت دریک آلیاژ دادهشده خاتمه مییابد نیز تابعی از درصد کربن آلیاژ است.آستنیت باقیمانده فازی نرم بوده و در دمای پایین ناپایدار است؛ بهگونهای که در دمای پایین و در حین کار به مارتنزیت ترد تبدیل میشود. تبدیل آستنیت به مارتنزیت تقریباً 4% انبساط حجمی ایجاد میکند که منجر به اعوجاج قطعات میشود. بنابراین از عملیات زیر صفر یا بازگشت چندتایی در دمایی نسبتاً بالا و یا مدتزمان طولانی برای کمینه کردن میزان آستنیت باقیمانده در فولادها استفاده میشود.دو نوع عملیات زیر صفر وجود دارد: 1) زیر صفر سطحی که در محدوده دمایی 100- تا C°60- انجام میشود. این عملیات منجر به کاهش آستنیت باقیمانده و افزایش مقاومت سایشی میشود. 2) زیر صفر عمیق که در دماهای زیر C°125- انجام میشود.اثرات زیر صفر عمیق عبارتاند از:1. تبدیل آستنیت باقیمانده به مارتنزیت2. کاهش تنشهای پسماند3. تشکیل کاربیدهای بسیار ریز که در بین کاربیدهای درشت قرار میگیرند4. تشکیل ابرهای نابجایی در فصل مشترک زمینهی مارتنزیتی و کاربیدها در طول فرایند همدما سازی و تشکیل کاربید5. توزیع یکنواخت کاربیدها ،کوچک شدن اندازهی کاربیدهای ثانویه، افزایش میزان و چگالی آنها6. افزایش مقاومت سایش خراشان و سایش خستگی7. افزایش استحکام کششی و پایداری8. افزایش سختی9. پایداری ابعادی ماده10. تولید ساختار مولکولی چگال تر11. افزایش هدایت الکتریکی فلزات12. افزایش مقاومت به خوردگیپارامترهای زیر صفر عبارتاند از: نرخ سرمایش، دمای همدما سازی، زمان همدما سازی، نرخ گرمایش، دما و زمان بازگشت و دمای آستنیته کردن.تحقیقات بسیاری بر روی فولادهایی که درصد عناصر آلیاژی و یا کربن آنها بالاست، صورت گرفته است. در این پژوهشها با حصول ترکیب مناسبی از توزیع کاربیدها و کاهش یا حذف آستنیت باقیمانده خواص فولادهای مورد مطالعه را بهبود دادهاند.فولاد 7147/1، فولادی کربوره شونده (سمانته) بوده که در ساخت قطعاتی که ترکیبی از استحکام متوسط، چقرمگی و مقاومت سایشی بالا نیاز است، مورداستفاده قرار گرفته است و گاه برای تهیهی قطعات مورد مصرف صنایع خودروسازی همچون چرخدنده و میللنگ کاربرد دارد. در فولادهایی که به منظور سختی کاری سطحی تحت عملیات کربورهکردن قرار میگیرند، با افزایش درصد کربن سطح، Ms کاهش و میزان آستنیت باقیمانده در اثر سریع سرد کردن در سطح افزایش خواهد یافت.در این پژوهش عملیات زیر صفر عمیق به منظور بهبود خواص سایشی فولاد 7147/1 در زمانهای مختلف انجام شده است؛ در فصل دوم تحقیقات صورت گرفته بر فولادهای مختلف، فصل سوم مواد و روش تحقیق، فصل چهارم نتایج و بحث و در نهایت در فصل پنجم، نتایج حاصل و پیشنهاداتی در راستای بررسیهای بیشتر و کارآمد گردآوری شده است. فصل دوممروری بر مطالب 2-1- معرفی و تاریخچهفولاد آستنیتی آلیاژی از آهن و کربن همراه با عناصر دیگر در حالت محلول است که با عملیات نفوذی در محلول آستنیتی تجزیه و همگنسازی میشود. زمانی که فولاد حرارت داده میشود ساختار کریستالی آهن به مکعبی مرکزدار تغییر مییابد. استحالهی آستنیت به مارتنزیت از دمایی که دمای آغاز مارتنزیت یا Ms نامیده میشود، آغاز میشود. برای اغلب فولادهای خاص، استحاله همدما بوده و همانطور که دما به دمای پایان مارتنزیت میرسد (Mf)، توسعه مییابد. مقداری آستنیت، آستنیت باقیمانده، همیشه پس از سخت سازی حضور دارد. مارتنزیت بیشتر و درصد کربن بیشتر، سختی فولاد را افزایش میدهد. میزان کربن، دمای آغاز و پایان استحالهی مارتنزیت را تحت تأثیر قرار میدهد. Ms و Mf میتواند پایینتر از دمای اتاق باشد؛ فولاد بهصورت جزئی به مارتنزیت تبدیل شده و بقیهی ساختار را آستنیت باقیمانده تشکیل میدهد. این دو دما همچنین با افزایش اندازه دانه کاهش مییابد [1].
تاثیر عملیات سرد کردن زیر صفر بر ساختار میکروسکوپی و رفتار تریبولوژیکی فولاد 7147/1 word
فهرست مطالبفهرست مطالب هشتچکیده1فصل اول: مقدمهفصل دوم: مروری بر مطالب2-1- معرفی و تاریخچه52-2- آستنیت باقیمانده52-2-1- پایداری آستنیت82-3- مشخصههای سطوح کربورهشده14الف) ریزساختار142-3-1- رفتار سایشی فولادهای کربورهشده182-4- عملیات سردسازی و زیر صفر فولاد192-4-1- تأثیر دما و زمان آستنیته کردن222-4-2- انواع فولادها که میتوانند تحت عملیات زیر صفر قرار گیرند:23الف) فولاد ابزار23ب) فولادهای زنگ نزن27ج) فولاد AISI 434028د) فولادهای سطح سخت شونده282-5- بازگشت و تاثیر آن بر نمونههای عملیات زیر صفر شده282-6- انواع سایش312-6-2- سایش چسبان332-6-3- سایش خوردگی34فصل سوم: مواد و روشهای آزمایش3-1- آلیاژ مورداستفاده363-2- عملیات حرارتی نمونهها363-3- آزمونها373-3-1- سختیسنجی373-3-2- سایش383-3-3- متالوگرافی نمونهها383-3-4- فازیابی با استفاده از پراش پرتوی ایکس39فصل چهارم: نتایج و بحث4-1- بررسی ریزساختاری404-1-1- متالوگرافی404-1-2- بررسی ریزساختار با اشعهی ایکس464-2- سختی سنجی474-3- سایش49 4-3-1- ضریب اصطکاک494-3-2- بررسی سطوح سایش با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی524-3-3- تغییرات نرخ سایش59فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهاداتمراجع66 فهرست جداولجدول2-1. تأثیر 1% از عناصر آلیاژی بر دمای شروع استحاله مارتنزیت در فولادهایی با 9/0 - 1% کربن7جدول 2-2. تأثیر 1% کروم بر دمای شروع استحاله مارتنزیتی در فولادهایی با درصد کربن مختلف7جدول2-3. نقطهی جوش عادی سیالات زیر صفر رایج19جدول2-4. مقایسهی دریلهای عملیات حرارتی معمولی شده و زیر صفر شده24جدول 3-1. ترکیب شیمیایی فولاد 7147/1. %36جدول3-2. عمليات حرارتي نمونهها.37جدول4-1. سختی بر اساس نوع عملیات انجامشده (DCT).47فهرست اشکال شکل2-1. دماي شروع و پایان استحاله مارتنزیت (f Mو Ms) با توجه به درصد کربن در فولاد6شکل2-2. منحنی استحاله مارتنزیت7شکل 2-3. سختی راکول C بهعنوان تابعی از درصد کربن8شکل 2-4. درصد آستنیت باقیمانده بهعنوان تابعی از درصد کربن.9شکل 2-5. تغییر دمای Ms وانداده دانهی آستنیت با دمای آستنیته کردن.11شکل 2-6. تغییرات دمای Ms با زمان حرارت دهی آستنیته کردن.11شکل 2-7. تغییرات Mb با الف) اندازه دانهی آستنیت ب) دمای آستنیته کردن و ج) میزان مارتنزیت انفجاری.12شکل 2-8. اثر پیرسازی درC° 250 بر Ms (Fe-1. 06% C-1. 63% Cr).13شکل 2-9. تغییر در میزان آستنیت باقیمانده با دمای کوئنچ (در فولادهای کربنی)14شکل 2-10. کاربیدهای درشت اولیهی تشکیلشده در فولاد SAE 413016شکل 2-11. شبکههای کاربیدی در مرز دانههای آستنیت اولیه17شکل 2-12. کاربیدهای ریز اولیه در مارتنزیت تیغهای که بهوسیلهی کربندهی17شکل 2-13. تجهیزات فرایند زیر صفر20شکل 2-14. يک سيکل عمليات حرارتي شامل عمليات زير صفر21شکل 2-15. اثر سرمایش تا فرایند زیر صفر بر تعداد کاربیدهای فولاد D222شکل 2-16. انواع تماس در طول سایش خراشان32شکل 2-17. پنج مکانیزم سایش خراشان.32شکل 2-18. تصویر سادهشدهی سایش چسبان.33شکل 2-21. مدل سايش اکسيدي34شکل 3-1. تصوير دستگاه سايش.38شکل 4-1. اندازهگیری عمق نفوذ کربن با استفاده از نرمافزار TS View..40ادامهی شکل 4-1، ه) 48DCT.41شکل 4-2. تصاویر میکروساختار توسط میکروسکوپ نوری.42شکل4-3. تصاویر میکروسکوپ الکترونی تهیهشده از کاربیدها، سمت راست BSE و سمت چپ SE...43ادامهی شکل 4-3، ط و ظ)48DCT در بزرگنمایی x 2000.44شکل4-4. تصاویر میکروسکوپ الکترونی تهیهشده از کاربیدها44شکل 4-5. تصویر تهیهشده از تصاویر میکروسکوپی جهت محاسبات نرمافزاری.45شکل 4-6. توزیع اندازهی کاربیدها در نمونههای مختلف.45شکل 4-7. الگوی پراش نمونهی CHT.46شکل 4-8. الگوی پراش پرتوی ایکس از نمونههای مختلف.46شکل 4-9.سختی بر اساس نوع عملیات انجامشده (DCT).47شکل 4-10. پروفیل میکرو سختی نمونه.48شکل 4-11. درصد افزایش سختی در نمونههای مختلف.48شکل 4-12. ضریب اصطکاک برحسب مسافت، الف) CHT، ب) 1DCT...50ادامهی شکل 4-12. ج)24DCT، د)30DCT و ه)48DCT در بار اعمالی N80.51 شکل 4-13. سطح سایش دیسک در بار اعمالی N80.52شکل 4-14. سطح سایش دیسک در بار اعمالی N110.53شکل 4-15. تصاویر میکروسکوپ نیروی اتمی سطوح سایش54شکل 4-16. تصویر تهیهشده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی از ذرات سایش.55شکل 4-17. نتایج آنالیز EDS نمونهی CHT، 1) محصولات سایش، 2) ذرات چسبیده به سطح سایش.56شکل 4-18. نتایج آنالیز EDS محصولات سایش نمونهی 1DCT57شکل 4-19. نتایج آنالیز EDS نمونهی 24DCT57ادامهی شکل 4-19. 1) محصولات سایش، 2) ذرات چسبیده به سطح سایش58شکل 4-20. نتایج آنالیز EDS محصولات سایش نمونهی 30DCT.59شکل 4-21. نتایج آنالیز EDS محصولات سایش نمونهی 48DCT.60شکل 4-22. نمودار کاهش جرم برحسب مسافت برای نمونههای مختلف، الف)N 80 و ب) N 11060شکل 4-23. نرخ سایش برحسب مسافت برای نمونههای مختلف، الف)N 80 و ب)N 110.61شکل 4-24. درصد افزایش مقاومت سایشی بر اساس نوع عملیات حرارتی.62 چکیدهدر این پژوهش تأثیر زمان عملیات زیر صفر بر رفتار سایشی فولاد 7147/1 (5120) 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 1:1:50 قرار گرفت و به مدت 6 ساعت، در دمای C◦ 920 کربوره شد؛ سپس در داخل این جعبه در هوا تا دمای محیط خنک شدند. عملیات آستنیته کردن در دمایC◦ 930 به مدت 1 ساعت بر روی نمونهها اعمال و در روغن کوئنچ شد. بهمنظور بررسی تأثیر زمان فرایند زیر صفر عمیق، نمونهها به مدتزمان 1، 24، 30 و 48 ساعت در نیتروژن مایع در دمایC◦ 196- 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 2 ساعت در دمای C◦ 200 در کوره نگهداری شدند. نمونهها پس از آماده سازی سطحی، تحت آزمونهای مختلف قرار گرفتند. برای تعيين فازها از روش پراش پرتوایکساستفاده شد؛ بدين منظور نمونهها در ابعاد مناسب تهيه و با استفاده از نرمافزار Xpertفازهاي موجود با استفاده از عناصر اوليه تعيين شد. آزمون سایش به روش گلوله روی دیسک با استفاده از گلولهای از جنس کاربید تنگستن بر نمونههای دیسکی با دو بار 80 و110 نیوتون به مسافت 1000 متر در رطوبت هوای 5±30% و درجه حرارت C◦5±25 انجام شد. سختي نمونهها بهصورت ماکرو در مقياس راکول سي اندازهگیری شد. اندازهگیری سختی نمونهها قبل و بعد از بازگشت، با بار اعمالی 30 کیلوگرم انجام گردید. همچنين ریز سختی نمونهها با استفاده از دستگاه ریز سختی سنجی و با نيروي g100 انجام گرديد؛ 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 4 تا 33% و تا 24 ساعت ، افزایش مقاومت سایشی تا %39/191 میگردد. با افزایش بیشتر زمان عملیات زیر صفر، مقاومت سایشی نمونهها کاهش یافته است؛ بهگونهای که در نمونهی 48 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 24 ساعت، رشد کاربیدها و توزیع غیریکنواخت آن در ساختار و در نتیجه ضعیف شدن زمینه بوده است؛ بنابراین مدت زمان 24 ساعت عملیات زیر صفر عمیق بر فولاد 7147/1 زمانی بهینه است.کلمات کلیدی: عملیات زیر صفر عمیق، آستنیت باقیمانده، کاربید، مقاومت سایشی، سختیمقدمه 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 گروهیاتمها حاصل میشود، گرچه ممکن است فاز یادشده، ترکیب شیمیایی، ساختار بلوری و خواص کاملاً متفاوتی از مارتنزیت در فولادها داشته باشد. دمایی را که دریک آلیاژ دگرگونی آستنیت به مارتنزیتشروع میشود، دمای شروع تشکیل مارتنزیت نامیده و آن را با Ms نشان میدهند. در حقیقت، Ms نشان دهندهی مقدار نیروی محرکهی ترمودینامیکی لازم برای شروع دگرگونی برشی آستنیت به مارتنزیت است. با افزایش درصد کربن، دمای Ms بهطور قابل توجهی کاهش مییابد. در حقیقت کربن موجود بهصورت محلول جامد، استحکام یا مقاومت برشی آستنیت را افزایش میدهد و بنابراین با افزایش کربن نیرومحرکهی بیشتری جهت شروع لغزش برای تشکیل مارتنزیت لازم است. این نیروی محرکهی بیشتر، با سرد کردن فولاد تا دمایی پایینتر و یا بهعبارتدیگر تحت تبرید بیشتر(Ms کمتر) به دست میآید. دمای پایان تشکیل مارتنزیت (Mf)یا دمایی که دگرگونی آستنیت به مارتنزیت دریک آلیاژ دادهشده خاتمه مییابد نیز تابعی از درصد کربن آلیاژ است.آستنیت باقیمانده فازی نرم بوده و در دمای پایین ناپایدار است؛ بهگونهای که در دمای پایین و در حین کار به مارتنزیت ترد تبدیل میشود. تبدیل آستنیت به مارتنزیت تقریباً 4% انبساط حجمی ایجاد میکند که منجر به اعوجاج قطعات میشود. بنابراین از عملیات زیر صفر یا بازگشت چندتایی در دمایی نسبتاً بالا و یا مدتزمان طولانی برای کمینه کردن میزان آستنیت باقیمانده در فولادها استفاده میشود.دو نوع عملیات زیر صفر وجود دارد: 1) زیر صفر سطحی که در محدوده دمایی 100- تا C°60- انجام میشود. این عملیات منجر به کاهش آستنیت باقیمانده و افزایش مقاومت سایشی میشود. 2) زیر صفر عمیق که در دماهای زیر C°125- انجام میشود.اثرات زیر صفر عمیق عبارتاند از:1. تبدیل آستنیت باقیمانده به مارتنزیت2. کاهش تنشهای پسماند3. تشکیل کاربیدهای بسیار ریز که در بین کاربیدهای درشت قرار میگیرند4. تشکیل ابرهای نابجایی در فصل مشترک زمینهی مارتنزیتی و کاربیدها در طول فرایند همدما سازی و تشکیل کاربید5. توزیع یکنواخت کاربیدها ،کوچک شدن اندازهی کاربیدهای ثانویه، افزایش میزان و چگالی آنها6. افزایش مقاومت سایش خراشان و سایش خستگی7. افزایش استحکام کششی و پایداری8. افزایش سختی9. پایداری ابعادی ماده10. تولید ساختار مولکولی چگال تر11. افزایش هدایت الکتریکی فلزات12. افزایش مقاومت به خوردگیپارامترهای زیر صفر عبارتاند از: نرخ سرمایش، دمای همدما سازی، زمان همدما سازی، نرخ گرمایش، دما و زمان بازگشت و دمای آستنیته کردن.تحقیقات بسیاری بر روی فولادهایی که درصد عناصر آلیاژی و یا کربن آنها بالاست، صورت گرفته است. در این پژوهشها با حصول ترکیب مناسبی از توزیع کاربیدها و کاهش یا حذف آستنیت باقیمانده خواص فولادهای مورد مطالعه را بهبود دادهاند.فولاد 7147/1، فولادی کربوره شونده (سمانته) بوده که در ساخت قطعاتی که ترکیبی از استحکام متوسط، چقرمگی و مقاومت سایشی بالا نیاز است، مورداستفاده قرار گرفته است و گاه برای تهیهی قطعات مورد مصرف صنایع خودروسازی همچون چرخدنده و میللنگ کاربرد دارد. در فولادهایی که به منظور سختی کاری سطحی تحت عملیات کربورهکردن قرار میگیرند، با افزایش درصد کربن سطح، Ms کاهش و میزان آستنیت باقیمانده در اثر سریع سرد کردن در سطح افزایش خواهد یافت.در این پژوهش عملیات زیر صفر عمیق به منظور بهبود خواص سایشی فولاد 7147/1 در زمانهای مختلف انجام شده است؛ در فصل دوم تحقیقات صورت گرفته بر فولادهای مختلف، فصل سوم مواد و روش تحقیق، فصل چهارم نتایج و بحث و در نهایت در فصل پنجم، نتایج حاصل و پیشنهاداتی در راستای بررسیهای بیشتر و کارآمد گردآوری شده است. فصل دوممروری بر مطالب 2-1- معرفی و تاریخچهفولاد آستنیتی آلیاژی از آهن و کربن همراه با عناصر دیگر در حالت محلول است که با عملیات نفوذی در محلول آستنیتی تجزیه و همگنسازی میشود. زمانی که فولاد حرارت داده میشود ساختار کریستالی آهن به مکعبی مرکزدار تغییر مییابد. استحالهی آستنیت به مارتنزیت از دمایی که دمای آغاز مارتنزیت یا Ms نامیده میشود، آغاز میشود. برای اغلب فولادهای خاص، استحاله همدما بوده و همانطور که دما به دمای پایان مارتنزیت میرسد (Mf)، توسعه مییابد. مقداری آستنیت، آستنیت باقیمانده، همیشه پس از سخت سازی حضور دارد. مارتنزیت بیشتر و درصد کربن بیشتر، سختی فولاد را افزایش میدهد. میزان کربن، دمای آغاز و پایان استحالهی مارتنزیت را تحت تأثیر قرار میدهد. Ms و Mf میتواند پایینتر از دمای اتاق باشد؛ فولاد بهصورت جزئی به مارتنزیت تبدیل شده و بقیهی ساختار را آستنیت باقیمانده تشکیل میدهد. این دو دما همچنین با افزایش اندازه دانه کاهش مییابد [1].