تمپر

تمپر کردن – برگشت دادن- Tempering– autotempering

تمپر یا برگشت دهی ( Tempering) یک عملیات حرارتی است که در آن فولاد سختکاری یا که نرماله است. معمولاً تا دمایی کمتر از دمای بحرانی پایین (AC1) گرم می‌شود و با نرخ مناسبی خنک می شود. این کار عمدتاً برای افزایش شکل پذیری و چقرمگی انجام می شود. اما می تواند با هدف افزایش اندازه دانه های ماتریس نیز انجام شود. فولادها پس از سختکاری به این دلیل توسط گرمایش مجدد تمپر می شوند. که ترکیب خاصی از خواص مکانیکی ایجاد گردد. و همچنین تنش های ایجادی از عملیات کوئچینگ آزاد شده و پایداری ابعادی ایجاد گردد. معمولاً اگر قطعه ای از دمای بالاتر از دمای بحرانی بالا کوئنچ شود آن را تمپر می کنند. با این حال ممکن است از این عملیات برای تنش زدایی قطعات مورد جوشکاری یا آزاد سازی تنش های القایی توسط فرایندهایی. مانند شکل دهی و ماشینکاری نیز انجام شود.

در یک فولاد که توسط کوئنچ کردن ریزساختاری عمدتاً مارتنزیتی در آن ایجاد شده است. شبکه کریستالی آهن ساختاری مکعب مستطیلی مرکز-بدنی به شدت دارای کشیدگی است (مارتنزیت) و دارای اتم های کربن بینابینی است. و همین موضوع باعث بالا رفتگی سختی فولادهای کوئنچی، می شود. در هنگام گرم شدگی، اتم های کربن به راحتی پخش می‌شود و در مراحل مختلفی واکنش می دهند. تا در نهایت کاربید آهن (Fe3C) یا سایر کاربیدهای آلیاژی در یک ماتریس فریتی شکل بگیرد. که با گذشت زمان تنش آن کاهش می یابد. خواص فولاد تمپرینگ در درجه اول از روی اندازه، شکل، ترکیب و توزیع کاربیدهای متشکل، تعیین می شود. البته سختکاری محلول – جامد فریت نیز سهم نسبتاً کمی در خواص فولاد تمپرینگ دارد. این تغییرات در میکروساختار باعث کاهش سختی، استحکام تسلیم، و استحکام نهایی گردید. اما چقرمگی و شکل پذیری را افزایش می دهد.

در شرایط خاصی، سختی ممکن است تحت تأثیر تمپرینگ قرار نگیرد یا حتی ممکن است در اثر آن افزایش یابد. بعنوان مثال: تمپر کردن یک فولاد سخت شده در دمای تمپرینگ بسیار پایین ممکن است. تغییری در سختی ایجاد نکند اما باعث افزایش مطلوب مقاومت تسلیم شود.

همچنین آن دسته از فولادهای آلیاژی که حاوی یک یا چند عنصر تشکیل دهنده کاربید هستند. (کروم، مولیبدن، وانادیم و تنگستن) قادر به سخت شدن ثانویه هستند. یعنی ممکن است در اثر تمپرینگ تا حدی سخت شوند.

تاریخچه برگشت دادن

برگشت دهی یک عملیات حرارتی باستانی است. قدیمی ترین نمونۀ مارتنزیت تمپرینگ یک تبر است که در جلیل یافت می‌گردد. که مربوط به 1100 تا 1200 سال قبل از میلاد است. این فرآیند در سراسر جهان، از آسیا تا آفریقا استفاده می‌شد. در مدت زمان روش های بسیاری برای خنک کردگی قطعه برای ایجاد کوئنچ کردگی آن امتحان شدند. مانند کوئنچ کردن با پیشاب، خون یا فلزاتی مانند. جیوه یا سرب، اما فرآیند برگشت دهی نسبتاً در طول زمان تغییری نکرد. این فرآیند اغلب با کوئنچ کردن اشتباه گرفته می شده. و یک اصطلاح برای توصیف هر دو فرایند مورد استفاده بوده است. در سال 1889 میلادی، سر ویلیام چندلر رابرتز آستین نوشته است. هنوز لغات (آب دیدن، برگشت دادن، سخت کردن) حتی در نوشته های منابع برجسته، گیج کنندهه هستند. من برگشت دهی را بعنوان نرم کردگی معرفی می کنم.

متغیر های اصلی

متغیرهای مرتبط با تمپرینگ که بر ریزساختار و خصوصیات مکانیکی یک فولاد تمپر می‌شود تأثیر می گذارند عبارتند از:

• دمای تمپرینگ
• زمان نگهداری قطعه در دما
• نرخ خنک کاری از دمای تمپرینگ
• ترکیب شیمیایی فولاد، شامل درصد کربن، درصد عناصر آلیاژی و سایر عناصر

فرآیند تمپرینگ وابستگی زیادی به رابطه دما و زمان دارد. انتخاب نامناسب این متغیرهای فرآیند می تواند باعث تردی ناشی از تمپرینگ. تنش زدایی ناکارآمد، خواص مکانیکی نامطلوب، و تبدیل آستنیت باقی مانده شود. دما و زمان همچنین متغیرهای وابسته به هم هستند. در داخل محدوده، کاهش دما و افزایش زمان می تواند نتایج مشابهی با افزایش دما و کاهش زمان داشته باشد. با این حال باید توجه داشت که تغییرات جزئی در دما می تواند. تأثیر زیادی بر روی فرآیند تمپرینگ داشته باشد. در حالیکه تغییرات جزئی در زمان تأثیر چندانی بر روی فرآیند ندارد.

مانند بسیاری از فرآیندهای عملیات حرارتی دیگر «درجه حرارت تمپرینگ» بسیار مهم تراز «تمپرینگ» است. توزیع و اندازه کاربیدها به شرایط تمپرینگ بستگی دارد. به عنوان مثال: در دماهای تمپرینگ پایین، ریزساختار هنوز مارتنزیتی است. و ساختار سوزنی (Acicular needle) آن، با شروع کاربیدها، از نوک آن شروع به گرد شدن می کند. در مقابل، یک ماتریس فریتی با پراکندگی خوب کاربیدها نتیجه نهایی تمپرینگ دما – بالا است. از ریزساختار حاصل اغلب به عنوان «مارتنزیت تمپرینگ» یاد می شود. با اینکه ریزساختار فولادهایی که تمپر می‎‌شود معمولاً حاوی مارتنزیت نیست.

افزایش دمای تمپرینگ باعث کاهش سختی هم در فولادهای کربنی و هم در فولادهای آلیاژی می شود. بر خلاف مارتنزیت (که در آن فقط درصد کربن بر روی سختی مارتنزیت تأثیر می گذارد). سختی فولاد آلیاژی کوئنچ و تمپر شده. بیشتر از سختی فولاد کربنی کوئنچ و تمپرینگ با همان درصد کربن است. تمپر کردن فولادهای آلیاژی خود می تواند باعث تولید کاربیدهای آلیاژی شود. که حتی از کاربید آهن (Fe3C) موجود در فولادهای کربنی نیز سخت تر هستند. چقرمگی در دمای تمپرینگ بالاتر نیز بهبود می یابد. اگرچه در درجه حرارت متوسط یک افت در چقرمگی برای فولادهای کربنی و آلیاژی کاملاً معروف است و وجود دارد.

نرخ خنک کاری

عامل دیگری که می تواند بر روی خواص فولاد مورد تمپر تأثیر بگذارد، نرخ خنک سازی از دمای تمپرینگ است. با اینکه خصوصیات کششی با نرخ خنک سازی ارتباطی ندارد. در صورتی که فولاد به آهستگی از محدوده دمای 450 – 600 درجه سلسیوس خنک کاری شود. چقرمگی (که با آزمون ضربه میله شیاردار اندازه گرفته می شود). مخصوصاً در فولادهای حاوی عناصر تشکیل دهنده کاربید، ممکن است کاهش یابد. تغییر طول و کاهش در سطح مقطع نیز ممکن است تحت تأثیر قرار بگیرد. به این فرآیند “تردی ناشی از تمپرینگ” بیان می شود.

دمای تمپرینگ و مراحل آن

همانطور که سالها شناخته شده است، دمای فاکتور اصلی در فرآیند تمپرینگ است. زیرا تغییرات در ریزساختار با افزایش دما تسریع می شوند. برای فولادهای کربنی یا کم آلیاژ، پنج محدوده دمایی عملی زیر که توسط Grossmann و Bain پیشنهاد شدند. هنوز هم در بحث در مورد فرآیند تمپرینگ مناسب هستند.

• تبرید، که کم و بیش و معمولاً مقدار زیادی از آستنیت مورد حفظ را به مارتنزیت تبدیل می کند.
• گرم کردگی در محدوده 95 تا 205 درجه سلسیوس، که در آن، بستگی به درجه دما. مارتنزیت به طور مداوم شکل مکعب مستطیلی خود را از دست می‌دهد و تبدیل به مکعب مربعی می شود. و اولین رسوب کاربید انتقالی رخ می دهد. (غیر از کاربید آهن)
• گرم کردگی در محدوده 230 تا 370 درجه سلسیوس، که در این محدوده آستنیت حفظ می‌شود، تجزیه می‌شود. و عمدتاً به صورت دما ثابت (ایزوترمال) به باینایت تبدیل می شود (مگر اینکه این آستنیت از قبل توسط تبرید به مارتنزیت مبدل باشد).
• تمپرینگ در محدوده 370 تا 540 درجه سلسیوس. که باعث تولید کاربید از نوع کاربید آهن یا سمنتیت (Fe3C) می شود.

• تمپرینگ در محدوده 540 الی 705 درجه سلسیوس. در فولادهای کربنی ساده، در این محدوده دما، فقط تجمع بیشتر سمنتیت وجود دارد. اما در فولادهای آلیاژی که حاوی عناصر تشکیل دهنده کاربید هستند. تمپر کردن تا این محدوده دمایی باعث شکل گیری اولین پراکندگی های بسیار ریز. از کاربیدهای غنی از آلیاژ می شود. اعتقاد بر این است که این پدیده به دلیل انحلال مجدد سمنتیت. و رسوب همزمان کربن به عنوان کاربید خاص حاوی آلیاژ اتفاق می افتد. این واکنش اغلب منجر به تأثیر قابل توجه در روند نرم شدن می شود. گاهی حتی باعث افزایش سختی می شود. و معمولاً به آن «سخت شدن ثانویه» می گویند.

به محدوده های دمایی مورد بیان در بالا، گاهی “مرحله” نیز می‌گویند. که در اصل محدوده های نسبتاً متمایز تغییر در ریزساختارها است. این محدوده های دمایی تا حدودی فرضی است. چرا که امکان همپوشانی گسترده ای در آنها وجود دارد. این همپوشانی به این دلیل است که واکنش ها با گرمایش قطعه تا دماهای بالا. و بالاتر به صورت مداوم رخ می دهند. با این حال مراحل توسط مقاله ها و تحقیقات مختلفی به صورت زیر از هم تفکیک شدند.

• مرحله 1: تشکیل کاربیدهای انتقالی و کاهش درصد کربن مارتنزیت به 0.25 درصد. (بطور معمول از حدود 100 تا 250 درجه سلسیوس).
• مرحله 2: تبدیل آستنیت مورد حفظ به فریت و سمنتیت (200 تا 300 درجه سلسیوس).
• مرحله 3: جایگزینی کاربیدهای انتقالی و مارتنزیت دما – پایین با سمنتیت و فریت (250 تا 350 درجه سلسیوس).
• مرحله 4: رسوب کاربیدهای آلیاژی ریز پراکنده در فولادهای آلیاژ – بالا یا سخت شدن ثانویه.

کشفیات همچنین نشان می دهد که قبل از مرحله اول تمپرینگ. در هنگام کوئنچ کردن یا نگهداری در دمای محیط ، بازآرایی و توزیع دوباره اتم های کربن اتفاق می افتد. که به آن “خود تمپر شدن” (autotempering) یا “کوئنچ تمپرینگ” می گویند. سایر تغییرات ساختاری به دلیل بازآرایی اتم های کربن قبل از مرحله 1 تمپرینگ کلاسیک رخ می دهند.

دما و زمان تمپرینگ

زمان و دما هر دو بر پخش شدن کربن و عناصر آلیاژی. و در نتیجه میزان تشکیل و خواص کاربید و تمپرینگ تأثیر می گذارند. برای ثبات و وابستگی به تغییرات زمان، قطعات به طور کلی برای 1 تا 2 ساعت. در کوره های گازی یا برقی تمپر می شوند. یک قانون کلی که توسط Thelning پیشنهاد گردید. و استاندارد AMS 2759 نیز آن را برای فولادهای کربنی و کم آلیاژ سفارش شد. 1 ساعت به ازای هر 25 میلیمتر (1 اینچ) ضخامت مقطع است. پس از اینکه بار کوره به یک دمای از پیش تعیین شده برسد. اگر تمپرینگ با گرمایش القایی انجام شود. چرخه تمپرینگ هم به دما و هم به زمان ماندن در آن دما کاملاً حساس خواهد بود.

بطور کلی، سختی مورد نظر مشخص است. و دمای مورد نیاز از روی منحنی ها برای زمان تمپرینگ خاص تعیین می شود. با این حال، در نظر گیری «تمپرینگ معادل» در طیف وسیعی از ترکیبات دما و زمان مفید است. غالباً، تمپرینگ را می توان با تمپرینگ کوتاه مدت در دمای بالاتر نیز انجام داد.

تغییرات ابعادی در حین تمپرینگ

شبکه کریستالی مکعب مستطیلی مرکز – بدنی مارتنزیت چگالی کمتری از ساختارهای مکعب مربعی مرکز – بدنی فریت دارد. در نتیجه، در حین عملیات تمپرینگ، با تجزیه مارتنزیت چگالی – کمتر به مخلوطی از سمنتیت و فریت. کاهشی در حجم اتفاق می افتد. با این حال از آنجایی که پس از کوئنچ کردن قطعه همیشه یک ساختار 100 درصد مارتنزیتی ایجاد نمی شود. با افزایش مداوم دمای تمپرینگ، ممکن است. به دلیل تبدیل آستنیت که حفظ می‌شود به فازهای با چگالی کمتر، یک کاهش پیوسته در حجم اتفاق نیفتد.

در فولادهای کربنی ساده و فولادهای کم آلیاژ. آستنیت مورد حفظ در تمپرینگ مرحله 2 به باینیت یا فریت تبدیل می شود. این امر منجر به افزایش حجم می شود. زیرا آستنیت تراکم بیشتری نسبت به فریت و باینیت دارد. در هنگام تمپرینگ برخی از فولادهای آلیاژی خاص. مقداری از آستنیت مورد حفظ در هنگام خنک سازی از دمای تمپرینگ ممکن است تبدیل به مارتنزیت شود. زمانیکه کاربیدهای آلیاژی در هنگام تمپرینگ رسوب می کنند. دمای شروع تبدیل آستنیت مورد حفظ به مارتنزیت بالاتر می‌رود. و مقداری از آستنیت مورد حفظ ممکن است تبدیل به مارتنزیت شود.