همه فولادها، ترکیب های ساده یا پیچیده ای از آلیاژ های آهن و کربن هستند. همه فولادهای کربنی ساده ، دارای درصدهای خاصی از منگنز، و سلیکون بعلاوه مقادیر بسیار کمی از فسفر و سولفور می باشند.
برای مثال، ترکیب اسمی فولاد 1045 استاندارد AISI یا SAE ممکن است شامل 45/0کربن؛ 75/0 منگنز، 040/0 فسفر، 050/0 سولفور و 22/0 گوگرد باشد. فولادهای آلیاژی دسته دیگری از فولادها هستند که در ترکیب شیمیایی خودشان عناصر دیگری هم دارند.
بیشترین عناصری که در ترکیب فولاد های آلیاژی بکار رفته اند، عبارتند از: نیکل، کرم، مولیبدن، وانادیوم و تنگستن.
وقتی که درصد منگنز بیشتر از یک درصد باشد این عنصرهم جزء عناصر آلیاژی بحساب می آید. برای رسیدن به خواص مطلوب فولاد در کاربرد های مهندسی، یک یا چند عنصر از عناصر فوق را به فولاد اضافه می کنند.
عنصر کربن، اصلی ترین عنصر در تمام فولادها است؛ بطوریکه میزان کربن موجود در فولاد های کربنی ساده تأثیر زیادی بر خواص فولاد و انتخاب عملیات حرارتی مناسب فولاد دارد. این عملیات بمنظور بدست آوردن خواص مطلوب برروی فولاد انجام می شود.
به دلیل اهمیت میزان کربن در فولادها، یکی از تقسیم بندی های فولادهای کربنی ساده، براساس مقدار کربن آنها می باشد. وقتی که فقط مقدار کمی کربن در فولاد موجود باشد، آن فولاد را کم کربن یا فولاد نرم می نامند. اگر مقدار کربن کمتر از 30/0درصد وزنی فولاد باشد، آن را فولاد کم کربن گویند. اگر میزان کربن فولاد تقریباً 30/0 درصد الی 60/0 درصد وزنی باشد،در گروه فولادهای متوسط کربن دارد قرار می گیرد و فولادهایی که بیشتر از 60/0 درصد وزنی کربن داشته باشند، فولاد پرکربن نامیده می شوند اگر مقدار کربن فولاد بیشتر از 77/0 درصد وزنی باشد، فولادهای ابزار مینامند. میزان کربن فولاد بندرت بین 3/1الی 2 درصد قرار می گیرد.
بیشترین حد کربن در فولاد، تقریباً 2 درصد می باشد و زمانی که مقدار کربن آن بیش از این باشد، آن را آلیاژ چدن می نامند. مقدار کربن در چدن ها، معمولاً بین 3/2 الی 4 درصد می باشد. چدن ها گروه مهمی از آلیاژهای ریخته گری هستند.
دلایل عملیات حرارتی
درعملیات حرارتی فولاد معمولاً یکی از اهداف زیر دنبال می شود:
تنش گیری حاصل از اکر یا تنش گیری حاصل از سردکردن ناهمگن
بهینه سازی ساختار دانه در فولادهایی که برروی آنها کار گرم انجام شده است وممکن است دانه های درشت داشته باشند.
بهینه سازی ساختار دانه
کاهش سختی فولاد و افزایش قابلیت شکل پذیری
افزایش سختی فولاد بمنظور زیادشدن مقاومت سایشی و یا سخت کردن فولاد برای مقاومت بیشتر در شرایط کاری
افزایش چقرمگی فولاد بمنظور تولید فولادی که استحکام بالا و انعطاف پذیری خوبی دارد و افزایش مقاومت فولاد در برابر ضربه
بهبود قابلیت ماشین کاری
بهبود خواص برش در فولادهای ابزار
بهینه کردن خواص مغناطیسی فولاد
بهبود خواص الکتریکی فولاد
بازپخت (TEMPERING)
شکل پذیری عبارت است از تغییر شکل فولاد قبل از شکست مارتنزیت تندسرمایی شده ، سخت و غیر قابل شکل پذیری می باشد.
برای بهبود قابلیت شکل پذیری مارتنزیت، باید آنرا بازپخت کرد البته در این حالت استحکام آن مقداری کاهش می یابد. از طرفی بازپخت مقاومت مارتنزیت را در برابر ضربه ناگهانی افزایش می دهد. به عنوان مثال، اگر چکشی تندسرمایی شود ساختار آن کاملاً مارتنزیتی می شود که احتمالاً بعد از اولین ضربات ترک خواهد خورد. اما با استفاده از عملیات بازپخت ضربه پذیری چکش افزایش می یابد (شکنندگی کم می شود) و در عوض سختی و ستحکام قطعه سخت شده تا حدودی کاهش خواهد یافت، عملیات بازپخت به این ترتیب است که قطعه تندسرمایی شده را تا دمایی زیر دمای انتقال حرارت می دهند و سپس با توجه به اندازه قطعه به مدت یک ساعت یا بیشتر در این دما نگه می دارند. بیشتر فولادها در دمای 400 تا 1100( 205 تا 959) بازپخت می شوند.
هر چه دمای بازپخت بیشتر شود چقرمگی و ضربه پذیری فولاد بیشتر می شود. در عوض سختی واستحکام آن کم می شود. از بین رفتن مارتنزیت سوزنی شکل و رسوب ذرات بسیار ریز کاربید از جلمه تغییرات ساختمانی در ضمن بازپخت می باشد. ساختمان میکروس کوپی فولادهای تندسرمایی و بازپخت شده به عنوان مارتنزیت بازپخت شده معرفی شده اند.
آنیل
عملیات حرارتی تندسرمایی و سپس بازپخت فولاد باعث میشود که استحکام و قابلیت شکل پذیری و مقاومت به ضربه آن بالا برود. علمیات ماشین کاری و خمکاری در ساخت اغلب محصولات فولادی بکار میرود بنابراین بمنظور بهبود خواص ماشین کاری و قابلیت تغییر فرم فولاد، آن را آنیل می کنند. حتی در برخی از موارد ماشین کاری و خم کاری قطعات بازپخت شده نیز مشکل است برای رفع این مشکل نیز قطعات را آنیل میکنند.
آنیل مرحله ای
فولاد را به مدت کوتاهی در زیر دمای حرارت میدهند، این کار باعث میشود که فولاد آسانتر شکل بگیرد، این نوع عملیات حرارتی را در تولید ورق و سیم استفاده می شود و دمای کاری آن بین 1020 تا 1200(550 تا 650) است.
آنیل کامل
آنیل کامل عبارت است از حرارت دادن فولاد تا بالای دمای آستنیت و سپس سردکردن آهسته آن، طوریکه آستنیت کاملاً تجزیه شود. فولادهای هیپریوتکتوئید را تا دماوی بین 50 تا 100( 90 تا 180) بالای دمای و فولادهای هیپرتکتوئید را تا بالای دمای حرارت می دهند و پس از آن آهسته سرد می کنند. این کار باعث می شود که فولاد آسان تر خم شده و یا بریده شود. در آنیل کامل فولاد باید خیلی آهسته سرد شود تا پرلیت درشت دانه تشکیل شود. در آنیل فولاد مرحله ای لازم نیست که آهسته سرد شود، برای این که هر نوع سرعت سرد کردن در دمای زیر منجر به تشکیل ساختار میکروسکوپی و سخیت یکسان فولاد می شود. در حین تغییر شکل سرد فولاد، تمایلی که به سخت شدن در قسمت های تغییر شکل یافته وجود دارد مانع از خم شدن و آمادگی قطعه را برای شکست بیشتر می کند. بنابراین در محصولات فولادی، تولید آنها در چند مرحله تغییر فرم انجام می شود پس از هر مرحله تغییر فرم قطعه را آنیل می کنند.
یکنواخت سازی( نرمال کردن)
فرآیند یکنواخت سازی عبارت است از حرارت دادن قطعه تا دمایی بالای و سپس سردکردن آن در هوای آزاد. درجه حرارت لازم یکنواخت سازی بستگی به ترکیب فولاد دارد که معمولاً حدود 1600( 870) می باشد. فرآیند یکنواخت سازی به عملیات همگن سازی یا جوانه زایی موسوم می باشد.در هر قطعه فولاد، ترکیب معمولاً در کلیه سطوح یکنواخت نیست. بدین معنی که میزان کربن در یک قسمت از فولاد ممکن است بیشتر از بخش های دیگر باشد. این تفاوت های ترکیباتی در عملیات حرارتی فولاد تأثیر می گذارد. اگر فولاد را در دمایی بالا حرارت دهند، کربن می تواند به آسانی در تمام سطح فولاد ترکیبی یکنواخت داشته باشد در این صورت فولاد همگن تر شده و آمادگی بهتر برای عملیات حرارتی دارد.
به دلیل خواصی که قطعات ریختگی دارند، معمولاً شمشها را قبل از استفاده یکنواخت سازی می کنند. به همین ترتیب فولادهای ریختگی و آهنگری شده را قبل از سخت گردانی همگن می کنند.
تنش زدایی
وقتی که فلز را در دمائی بالا حرارت می دهند، فلز منبسط می شود و برعکس هنگامی که فلز را از دمای بالا سرد می کنند، انقباض صورت می گیرد. در حین جوشکاری با آهنگری وقتی که یک قسمت از لوله یا ورق فولادی بیشتر از قسمت های دیگر گرم می شود تنش های داخلی زیادی در فولاد بوجود می آید. در حین گرم شدن فولاد، قسمت های منبسط شده جایی برای قرارگیری ندارد بنابراین قطعه تغییر فرم می دهد.
درهنگام سردشدن، انقباض قطعه مانع از ایجاد فلز سرد و سخت در اطراف منطقه حرارت دیده می شود نیروهایی که درحین انقباض در قطعه بوجود آمده اند، هنوز آزاد نشده اند و هنگامی که فلز مجدداً سرد می شود این نیروها به عنوان تنشهای داخلی باقی می مانند. تنشهای داخلی در اثر تغییرات حجمی و انتقال و رسوب فلز نیز به وجود می آیند.
اصطلاح تنش کاربرد وسیعی در رشته متالورژی دارد و عبارت است از بار یانیروی که بر سطح مقطع فولاد وارد می شود. نتنش های داخلی و تنشهای باقیمانده برای فولاد مضر هستند زیرا ممکن است درحالی که فولاد ماشین کاری می شود باعث ایجاد ترک در آن شوند. برای رهاسازی ازاین تنش ها، فولاد را دمای حدود1100(595) حرارت میدهند، تاوقتی که مطمئن شوند تمام قسمت های فولاد بطور یکنواخت حرارت دیده اند، سپس آن را تا دمای اتاق آهسته سرد می کنند این مراحل را آنیل تنش گیری یا فقط همان تنش زدایی می نامند.