مهندسی مواد و متالورژی – مروری کامل بر انواع عملیات حرارتی، عناصر آلیاژی و طبقه‌بندی آلیاژهای آلومینیوم

آلیاژهای آلومینیوم با تنوع گسترده در ترکیب شیمیایی و قابلیت انجام عملیات حرارتی، یکی از حیاتی‌ترین خانواده‌های مواد مهندسی در صنعت مدرن محسوب می‌شوند.

درک صحیح از تأثیر عناصر آلیاژی، انتخاب نوع عملیات حرارتی مناسب و آگاهی از علائم اختصاری وضعیت نهایی، برای مهندسان مواد، طراحان قطعات و تولیدکنندگان از اهمیت بالایی برخوردار است.

آلیاژهای غیرقابل عملیات حرارتی (سری‌های ۳xxx و ۵xxx) با تکیه بر کارسرد و استحکام‌دهی محلول جامد، در کاربردهایی که نیاز به شکل‌پذیری بالا و مقاومت خوردگی عالی دارند، غالب هستند.

در مقابل، آلیاژهای قابل عملیات حرارتی (سری‌های ۲xxx، ۶xxx و ۷xxx) با بهره‌گیری از مکانیزم پیچیده و کارآمد پیرسختی، استحکام‌های بسیار بالایی (تا بیش از ۵۰۰ مگاپاسکال در برخی گریدها) ارائه می‌دهند

که آنها را به گزینه‌های اولیه در صنایع هوافضا، خودروسازی و نظامی تبدیل کرده است.

انتخاب آلیاژ و عملیات حرارتی مناسب، همواره باید بر اساس شرایط کاری (دمای سرویس، نوع بارگذاری، محیط خورنده، نیاز به جوشکاری، ماشین‌کاری و هزینه) انجام شود.

همچنین، رعایت دقیق دماها، زمان‌ها و نرخ‌های سرد شدن در عملیات حرارتی برای دستیابی به خواص مطلوب و جلوگیری از بروز عیوبی نظیر خوردگی بین‌دانه‌ای یا کاهش ناگهانی چقرمگی، ضروری است.

با توجه به پیشرفت‌های اخیر در توسعه آلیاژهای جدید (مانند سری ۷xxx با عناصر کمیاب و آلیاژهای نانوساختار) و بهینه‌سازی فرآیندهای عملیات حرارتی (مانند حرارت‌دهی القایی و کوئنچ در محیط‌های پیشرفته)، چشم‌انداز کاربرد آلومینیوم در صنایع سنگین و زیرساخت‌های حیاتی بیش از پیش روشن به نظر می‌رسد.

فولاد ck60-میلگرد 1221-تسمه ck60-میلگرد ck60-فولاد فنر ck60-فولاد فنر 1221 جزو فولاد های کربنی می باشد.

از خصوصیات این فولاد کربنی می توان استحکام و سختی پذیری بیشتر نسبت به فولاد ck45 را برشمرد.

که برای مقاطع با بارگذاری های بالا مناسب می باشند.

همچنین این فولاد دارای مقاومت بسیار عالی در برابر اصطکاک می باشد.فولاد فنر ck از انواع فولادهای قابل عملیات حرارتی می باشند.

که انواع مختلفی دارند. که از جمله ی آنها می توان به ck70,ck75,ck60,ck45,ck35 اشاره کرد.

که دارای ویژگی و ساختار متفاوتی نسبت به یکدیگر می باشند.

این فولاها در صنعت بسیار پُرکاربرد و پُر مصرف می باشند.

روش جوشکاری سر به سر میلگرد با گاز استیل و فشار، یک فناوری کارآمد و اقتصادی برای اتصال آرماتورها در سازه‌های بتن‌آرمه است.

با این حال، حساسیت بالای این روش به عوامل انسانی، تجهیزات و شرایط محیطی، لزوم رعایت دقیق دستورالعمل‌های فنی. و استانداردهای ملی و بین‌المللی را دوچندان می‌کند.

اجرای صحیح این روش، با بهره‌گیری از پرسنل آموزش‌دیده و مجرب، و نظارت مستمر بازرسان جوش.

می‌تواند نقش مؤثری در افزایش کیفیت، سرعت اجرا و کاهش هزینه‌های پروژه‌های عمرانی ایفا نماید.

دیر عامل شرکت فولاد خوزستان در گفت و گویی به بررسی قدمت. محصولات، ظرفیت ها و زمینه اشتغالزایی در این مجتمع بزرگ صنعتی پرداخت.

امین ابراهیمی درباره قدمت این واحد فولادسازی عنوان کرد. فولاد خوزستان قدمتی نزدیک به 50 سال دارد. البته این فولادسازی فعالیت اصلی خود را به صورت جدی پس از انقلاب آغاز کرده. که عمده تولیدات آن در حوزه شمش و اسلب است.

ولی در ادامه توضیح داد: دلیل ظرفیت فولاد خوزستان 3 میلیون و 800 هزار تن در سال است. که طی سال های گذشته حدود 60 درصد تولیدات این واحد به تولید شمش اختصاص یافت. که مورد نیاز مقاطع طویل مانند بیلت و بلوم است.

و 40 درصد ظرفیت باقی مانده آن نیز به تولید اسلب مورد نیاز. برای مقاطع تخت و ورق اختصاص یافته است.

وی با اشاره به میزان اشتغال زایی در فولاد خوزستان عنوان کرد.

در حال حاضر حدود 12 هزار نفر در فولاد خوزستان مشغول به کارند. که با احتساب 5 هزار نفر بازنشسته مجموعه، این میزان به حدود 17 هزار نفر می رسند.

همچنین اگر اشتغال زایی غیر مستقیم را با ضریب 4 در نظر بگیریم. حدود 90 هزار نفر نیز غیر مستقیم در این مجموعه مشغول به کار هستند.

بررسی تجربی خواص مکانیکی ورق های آلومینیومی تقویت شده با نانو لوله کبرنی ساخته شده به روش نورد تجمعی

در این تحقیق، ورق‌های کامپوزیتی آلومینیوم-نانولوله کربنی با استفاده از فرآیند نورد تجمعی (ARB) با موفقیت تولید شد. و خواص مکانیکی آنها مورد بررسی تجربی قرار گرفت. نتایج حاصل از این پژوهش را می‌توان به شرح زیر خلاصه نمود:

فرآیند نورد تجمعی به عنوان یک روش مؤثر تغییر شکل پلاستیک شدید، قابلیت تولید ورق‌های کامپوزیتی با ریزساختار فوق‌ریز دانه. و خواص مکانیکی برجسته را دارد. با افزایش تعداد چرخه‌های ARB تا ۷ سیکل، استحکام نهایی و سختی ورق‌های آلومینیومی. به طور قابل‌توجهی افزایش یافت که این امر ناشی از ریز شدن دانه‌ها، افزایش چگالی نابجایی‌ها و بهبود اتصال بین لایه‌ها می‌باشد.

افزودن نانولوله‌های کربنی تا ۰.۱۵ درصد وزنی به عنوان ماده تقویت‌کننده، استحکام نهایی و سختی کامپوزیت را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد. در شرایط بهینه (۰.۱۵ wt% CNT و ۷ سیکل ARB)، استحکام نهایی کامپوزیت در مقایسه با ورق آلومینیوم نورد تجمعی می‌باشد. بدون نانولوله تا ۲۲۰ درصد و در مقایسه با ورق آلومینیوم اولیه تا ۱۶ درصد افزایش یافت.

افزایش درصد وزنی نانولوله‌ها به بیش از ۰.۱۵ درصد، به دلیل تجمع نانولوله‌ها و ایجاد نواحی ترد در ساختار. منجر به کاهش استحکام نهایی می‌گردد. بنابراین، درصد وزنی بهینه نانولوله‌های کربنی در این فرآیند حدود ۰.۱۵ درصد تعیین می‌شود.

بررسی‌های ریزساختاری نشان می‌دهد که با افزایش تعداد چرخه‌های نورد، توزیع نانولوله‌ها در زمینه آلومینیومی بهبود یافت. و اتصال interfacial قوی‌تری بین نانولوله‌ها و زمینه برقرار می‌شود. پس از ۷ سیکل نورد، توزیع کاملاً همگن و بدون تخلخل از نانولوله‌ها در ساختار کامپوزیت حاصل می‌گردد.

سختی ورق‌های کامپوزیتی با افزایش تعداد چرخه‌های ARB به طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد که این امر ناشی از افزایش چگالی نابجایی‌ها. ریز شدن دانه‌ها و نقش ممانعت‌کنندگی نانولوله‌ها در برابر حرکت نابجایی‌ها است. در نمونه با ۰.۱۵ wt% CNT پس از ۷ سیکل ARB، سختی به حدود ۱۳۵ HV رسید. که نشان‌دهنده افزایش حدود ۳۵۰ درصدی نسبت به آلومینیوم اولیه است.

بررسی سطوح شکست نشان می‌دهد که در نمونه‌های با توزیع همگن نانولوله‌ها، مکانیزم شکست از نوع شکل‌پذیر. با حضور دیمپل‌های برشی و بیرون‌زدگی نانولوله‌ها از سطح شکست است که حاکی از انتقال مؤثر بار و اتصال interfacial قوی می‌باشد.

می‌توان نتیجه گرفت که فرآیند نورد تجمعی همراه با افزودن درصد بهینه نانولوله‌های کربنی (۰.۱۵ wt%). روشی کارآمد و مقیاس‌پذیر برای تولید کامپوزیت‌های آلومینیومی با استحکام و سختی به طور قابل‌توجهی بهبودیافته است. این کامپوزیت‌های پیشرفته پتانسیل بالایی برای کاربرد در صنایع هوافضا، خودروسازی و سازه‌های سبک که نیازمند نسبت استحکام به وزن بالا هستند، دارند.

فولاد CK15 (1.1141) و میلگرد 1141 (SAE 1141) هر دو از خانواده فولادهای کربنی هستند، اما از نظر ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی و کاربردها تفاوت‌های اساسی دارند که انتخاب صحیح آنها را برای مهندسان و فعالان صنعت حیاتی می‌سازد.

نخست، فولاد CK15 با حدود ۰.۱۵ درصد کربن، یک فولاد کم‌کربن با چقرمگی و شکل‌پذیری عالی، جوش‌پذیری خوب و قابلیت کربوره شدن است که آن را برای قطعاتی مانند شفت‌ها، پین‌ها، بوش‌ها و میل‌لنگ‌ها که نیاز به سطح سخت و مغز نرم دارند، ایده‌آل می‌سازد.

دوم، میلگرد 1141 با حدود ۰.۴۰ درصد کربن و ۰.۰۸ تا ۰.۱۳ درصد گوگرد، یک فولاد رزولفوریزه با ماشین‌کاری عالی است. که برای تولید انبوه قطعات دقیق با ماشین‌کاری با سرعت بالا طراحی شده است.

سوم، تفاوت در میزان کربن باعث می‌شود که استحکام تسلیم و کششی میلگرد 1141 (به ترتیب ~۴۱۵ و ۶۲۰-۷۶۰ مگاپاسکال) به طور قابل‌توجهی از CK15 (≤۳۶۰ و ≥۶۰۰ مگاپاسکال) بالاتر باشد.

چهارم، افزودن گوگرد به میلگرد 1141 اگرچه ماشین‌کاری آن را به سطح عالی می‌رساند. اما جوش‌پذیری آن را به شدت کاهش می‌دهد و برای عملیات جوشکاری توصیه نمی‌شود، در حالی که CK15 دارای جوش‌پذیری بسیار خوبی است.

پنجم، در بازار ایران، نام “میلگرد 1141” و اغلب به عنوان نام تجاری برای فولاد CK15 استفاده می‌شود، در حالی که SAE 1141 واقعی یک فولاد کاملاً متفاوت با کاربردهای خاص خود است.

ششم، انتخاب صحیح بین این دو گرید باید بر اساس نیاز به ماشین‌کاری بالا (انتخاب 1141) یا نیاز به جوش‌پذیری، چقرمگی و قابلیت کربوره شدن (انتخاب CK15) انجام شود.

هفتم، درک دقیق تفاوت‌های این دو فولاد، از انتخاب اشتباه ماده و هزینه‌های ناشی از آن در فرآیند تولید جلوگیری می‌کند.

در نهایت، شناخت دقیق مشخصات فنی، خواص مکانیکی و کاربردهای هر یک از این گریدها، برای مهندسان مواد، متخصصان کنترل کیفیت و طراحان صنعتی امری ضروری و اجتناب‌ناپذیر است.