خط ویژه
خــط ویــژه
021-63511

آهنگ سرد شدن در سختی‌پذیری فولاد

یک فولاد تحت تأثیر دو پارامتر مهم تغییر می‌ کند: یکی انتقال حرارت از داخل به سطح نمونه فولادی و دیگری انتقال حرارت از سطح قطعه توسط محیط سرد کننده. توانایی انتقال حرارت یک فولاد توسط پارامتر نفوذ حرارتی یا نسبت هدایت حرارتی به گرمای ویژه حجمی آن مشخص می‌‌شود. نفوذ حرارتی محصولات دگرگونی آستنیت با کاهش دما افزایش می‌یابد. برای یک محیط سرد کننده سریع، نفوذ حرارتی مشخص کننده توزیع دما در ناحیه سریع سرد شونده در هر لحظه است. آهنگ‌های سرد شدن آهسته‌‌تر در نقاط دور از سطح و نزدیک مرکز، زمان بیشتری را برای انجام دگرگونی نفوذی فراهم می‌کند. درحقیقت، همین شرایط است که منجر به سختی کم مراکز میله‌‌ها می‌شود؛ این پدیده، مخصوصا در میله‌هایی با قطر زیاد مشهودتر است. از آنجایی که عملا امکان کنترل خواص حرارتی در فولادها بسیار کم است، مهم‌ترین روش، کنترل آهنگ سرد شدن یک قطعه با انتخاب صحیح محیط سرد کننده مناسب انجام می‌شود. 
انتقال حرارت در فصل مشترک قطعه فولادی با محیط سرد کننده آن مسئله نسبتا پیچیده‌ای است. این پدیده بستگی به شدت تشعشع حرارت از سطح فولاد و جریان‌های همرفت در داخل محیط سردکننده دارد. این امر باعث دور کردن حرارت از فصل مشترک فلز - محیط می‌‌شود. بهترین راه برای بررسی این مسئله مطالعه نمودار سرد شدن یک نمونه فولادی در محیط مورد نظر است. برای رسم این نمودار ترموکوپل‌هایی در نقاط مختلف نمونه نصب کرده و با استفاده از یک ثبت کننده با حساسیت زیاد افت دما برحسب زمان را ثبت می‌کنند. برای مثال، نمونه‌ ای از این نمودارها برای سطح و مرکز یک استوانه فولادی کوچک موقعی که از دمای بالا در تماس با یک مایع سرد قرار گیرد را در نظر بگیرید.
چهار مرحله سرد شدن عبارت‌اند از:

  • مرحله‌ی اول: تماس با مایع (Initial liquid contact stage)

این مرحله اولین اثر غوطه‌ور شدن نمونه داغ در یک مایع سرد را نشان می‌دهد و شامل تشکیل حباب‌‌های بخار روی سطح نمونه است که منجر به تشکیل لایه بخار (مرحله‌ی دوم) می‌‌شود. این مرحله فقط در حدود 0.1 ثانیه طول می‌کشد و در ارزیابی مکانیزم کاهش دما از اهمیت بسیار کمی برخوردار است. فقط در صورتی می‌توان به آن پی برد که برای رسم منحنی کاهش دما برحسب زمان از وسایل و تجهیزات بسیار دقیق و حساس استفاده شود. به علاوه، در صورتی که مایع سرد کننده دارای گرانروی بالایی بوده، حاوی گاز باشد و یا در دمایی نزدیک دمای جوش استفاده شود، مرحله فوق از بین می‌ رود.

  • مرحله‌ی دوم: سرد شدن توسط لایه بخار (Vapor blanket cooling stage)

این مرحله شامل تشکیل یک لایه بخار پایدار در اطراف قطعه و در نتیجه جدا کردن آن از محیط سرد اطراف است. این مرحله را هنگامی خواهیم داشت که حرارت حاصل از سطح نمونه از مقدار گرمای لازم برای به صورت بخار در آوردن مایع در واحد سطح قطعه بیشتر باشد. از آنجایی که در این مرحله سرد شدن قطعه توسط تشعشع حرارت از میان لایه بخار پایدار انجام می‌‌شود و به علاوه لایه بخار نیز به عنوان یک عایق عمل می‌کند، این مرحله یکی از مراحل سرد شدن آهسته است. این مرحله در محلول‌های غیرفرار نظیر پتاسیم کلرید، لیتیم کلرید، سدیم هیدروکسید و اسیدسولفوریک (در غلظت‌های حدود 5 درصد) دیده نمی‌شود. نمودارهای سرد شدن در محیط‌های فوق بلافاصله از این مرحله شروع می‌شود. اگر از مواد زیر استفاده شود،
محلول‌‌های اشباع باریم‌ هیدروکسید، کلسیم‌ هیدروکسید (و یا مواد مشابه دیگر که به میزان کم در آب محلول‌‌اند)
محلول‌های حاوی ذرات جامد بسیار ریز و معلق
محلول‌‌های کلوئیدی در آب
لایه‌ای از مواد فوق بر روی سطح قطعه رسوب کرده و باعث طولانی شدن مراحل دوم و چهارم می‌‌شود. شرایط فوق معمولا منجر به تشدید عملکرد مرحله سوم خواهد شد. محلول‌هایی که حاوی مواد ژلاتینی باشند، نظیر پلی وینیل الکل، ژلاتین، صابون و نشاسته در اطراف لایه بخار تشکیل شده در مرحله‌ی دوم، یک لایه ژلاتینی تشکیل داده و بنابراین مراحل مختلف سرد شدن را طولانی‌‌تر می‌‌کنند.

  • مرحله‌ی سوم: سرد شدن توسط انتقال بخار (Vapor transport cooling stage)

این مرحله بیشترین آهنگ انتقال حرارت را در بین مراحل مختلف دارد و هنگامی شروع می‌‌شود که دمای سطح فلز آنقدر کاهش یابد که سبب ناپایداری لایه بخار شده و در نتیجه آن را به قطرات مایع تبدیل کند. این قطرات پس از تماس مجدد با فلز بلافاصله بخار شده و در اثر جذب گرمای نهان از قطعه، باعث سرد شدن سریع آن می‌شود. مدت زمان و آهنگ سرد شدن در این مرحله توسط پارامترهای مختلفی نظیر نقطه جوش مایع، اندازه و شکل حباب‌های بخار کنترل می‌گردند.

  • مرحله‌ی چهارم: سرد شدن توسط مایع (Liquid cooling stage)

آهنگ سرد شدن در این مرحله از مراحل دوم و سوم کمتر است و هنگامی شروع می‌‌شود که دمای سطح فلز تا زیر دمای نقطه جوش مایع سردکننده کاهش یابد. در زیر این دما، جوشیدن مایع متوقف شده و بنابراین اطراف قطعه را مایع اشغال می‌‌کند. از این‌رو، دفع حرارت از این لحظه به بعد توسط هدایت و همرفت انجام می‌شود. از جمله پارامترهای مؤثر بر روی آهنگ سرد شدن در این مرحله گرانروی مایع و اختلاف دما بین دمای محیط و نقطه جوش آن است.
به کمک منحنی‌های سرد شدن می‌‌توان اثرات پارامترهای مختلف را بر روی آهنگ سرد شدن یک قطعه در یک محیط مشخص بررسی کرد. به عنوان مثال، ایجاد تلاطم در محیط سردکننده و یا حرکت دادن نمونه در آن باعث کاهش پایداری لایه بخار در مرحله‌ی دوم و تشکیل حباب‌‌های کوچک‌تر و مجزا از یکدیگر در مرحله‌ی سوم خواهد شد. اثر تلاطم محیط در این بخش بدین صورت است که لایه‌های جامد و ژلاتینی که بر روی سطح قطعه و یا در فصل مشترک لایه بخار و محیط تشکیل شده‌است را به طور مکانیکی از بین برده و در نتیجه آهنگ سرد شدن در این مرحله نیز افزایش می‌یابد. به علاوه، ایجاد تلاطم در محیط باعث می‌شود که مایع سرد، سریع جانشین مایع گرم شده و در تماس مستقیم با قطعه قرار گیرد.
گرچه منحنی‌‌های سرد شدن سطح و مرکز در شکل فوق منحصرا مربوط به یک نمونه آزمایشی مشخص است ولی لازم به اشاره است که مکانیزم سرد شدن دقیقاً مشابه با مکانیزم سرد شدن یک نمونه واقعی در ضمن عملیات حرارتی است. همچنین، گرچه منحنی سرد شدن به دست آمده بستگی به اندازه و جنس نمونه مورد آزمایش، موقعیت ترموکوپل‌ها و شرایط مایع سرد کننده دارد، با این حال با استفاده از فرمول‌های انتقال حرارت که تحت شرایط مشخص از منحنی‌های سرد شدن به دست آمده‌است، می‌توان منحنی‌‌های سرد شدن تحت شرایط دیگر را استنتاج کرد. همچنین با استفاده از اطلاعات فوق می‌توان شدت یا قدرت سرد کنندگی محیط‌های مختلف را مشخص کرد.

امتیاز به این مطلب:
امتیاز: 5 از 5 - 3 رای

نظرات کاربران

بازگشت