تنش زدایی فولاد

علل ایجاد تنش پسماند داخلی

همانطور که اشاره شد، تنش های پسماند داخلی در اثر فاکتورهای حرارتی (گرادیان دمایی در قطعه کار)، فاکتورهای مکانیکی (کار سرد) و فاکتورهای متالورژیکی (تغییر فاز) به وجود می آیند. در ادامه به منابع اصلی ایجاد تنش های پسماند اشاره می شود.

تنش های پسماند ناشی از عملیات حرارتی

چنانچه سرمایش قطعه در کاهش دما از ناحیه آستنیت به طور ناهمگن انجام شود، احتمال دارد تنش های داخلی در آن به وجود بیاید. قطعاتی که حجم زیادی دارند بیشتر در معرض چنین پدیده ای هستند. این پدیده به دلیل اختلاف زمانی تغییر فاز بین عمق و پوسته قطعه روی می دهد. به این صورت که پوسته زودتر در معرض سرمای هوا قرار گرفته و به ترکیبات فریتی-سمنتیتی یا پرلیتی تبدیل می شود. اختلاف فاز و دمای بین این دو ترکیب موجب انبساط و انقباض و ایجاد تنش بین پوسته و عمق می شود. در صورتی که این تنش پایین تر از تنش تسلیم قطعه باشد، تنش های پسماند داخلی تولید می شوند. در صورت بالاتر بودن تنش ناشی از اختلاف دما از تنش تسلیم، قطعه دچار تغییر شکل پلاستیک و شکست می شود. تنش زدایی فولاد مانع از بروز این خرابی ها می شود.

در رابطه با قطعاتی که کوئنچ می شوند، این پدیده به طور شدید تری مشاهده می شود. این اختلاف ضریب انبساط در خصوص مارتنزیت شدت بیشتری دارد و تاثیر بیشتری روی ایجاد تنش های داخلی یا تخریب قطعه مشاهده می شود. به منظور جلوگیری از این پدیده در تولید فولادهایی که قرار است کوئنچ شوند، از عناصر آلیاژی خاصی استفاده می شود. این عناصر موجب افزایش دمای شروع تشکیل مارتنزیت می شوند تا سختی پذیری در عمق قطعه در سرعت سرد شدن پایینتری صورت گیرد. افزایش عناصر آلیاژی می تواند باعث بهبود و تقویت تنش زدایی فولاد بشود.

تنش های پسماند ناشی از کار سرد

یکی از منابع دیگر ایجاد تنش پسماند در فولادها انواع عملیات کار سرد از جمله نورد سرد و ماشینکاری است. افزایش عیوب میکروسکوپی از جمله نابجایی ها و توزیع غیریکنواخت کار سرد در نقاط مختلف قطعه می تواند موجب ایجاد تنش های داخلی شود. معمولا بعد از هر نوبت کار سرد، برای ادامه کار روی قطعه عملیات تنش زدایی فولاد انجام می شود.

تنش های پسماند ناشی از جوشکاری

یکی دیگر از منابع اصلی ایجاد تنش های کششی پسماند، عملیات جوشکاری است. حین جوشکاری منطقه ای که جوش داده می شود، با افزایش دما به حالت مذاب در می آید و سپس جامد می شود. انجماد حوضچه جوش و فرآیندهای ناشی از انجماد موجب انقباض این ناحیه می شود. از آنجایی که حوضچه جوش با فلز پایه سرد احاطه شده است، در برابر این انقباض مقاومت صورت می گیرد. مقاومت در برابر تغییر شکل موجب ایجاد تنش های پسماند کششی بین حوضچه جوش منجمد شده و فلز پایه می شود. به منظور برطرف کردن این مسئله اغلب پس از جوشکاری، عملیات حرارتی تنش زدایی فولاد انجام می شود.

فرآیند تنش زدایی فولاد

عملیات حرارتی تنش گیری فولاد که به منظور رفع عیوب یاد شده انجام می گیرد شامل گرم کردن قطعه تا دمای زیر دمای بحرانی AC1 و سپس نگه داشتن قطعه در آن دما است. این نگه داری زمان مشخصی دارد که بر اساس ابعاد قطعه مشخص می شود. از سوی دیگر اگر دمای تنش زدایی فولاد بالاتر انتخاب شود، زمان تنش زدایی نیز کاهش می یابد.

بعد از پایان زمان تنش زدایی فولاد سرد شدن قطعه با سرعت بسیار کمی انجام می شود. سرمایش با سرعت بسیار پایین به منظور جلوگیری از ایجاد تنشهای پسماند حرارتی حین سرمایش انجام می شود. سرعت سرد کردن نیز با توجه به ابعاد قطعه و دمای تنش گیری انتخاب می شود.

حین انجام عملیات تنش زدایی فولاد تغییر قابل توجهی در خواص مکانیکی قطعه ایجاد نمی شود. انتخاب صحیح دما و زمان تنش گیری فولاد بایستی به گونه ای انجام شود که تاثیر منفی تنش های پسماند از میان برود بدون اینکه تغییر خاصی در استحکام و سختی قطعه به وجود بیاید.

دمای تنش زدایی فولاد

به منظور تنش زدایی فولاد ساده کربنی و فولادهای کم آلیاژ این دما بین 450 و 650 درجه سانتیگراد انتخاب می شود. برای تنش گیری فولاد ابزار و فولادهای تندبر دمای تنش گیری بین 600 و 750 درجه سانتیگراد انتخاب می شود. به منظور تنش زدایی فولاد سخت شده یا تمپر شده، دمای عملیات بایستی 25 درجه سانتیگراد پایین تر از دمای تمپرینگ باشد. انتخاب این دما با این هدف انجام می شود که تاثیر عملیات حرارتی قبلی از بین نرود. تنش زدایی قطعاتی از جنس آهن خاکستری به دلیل احتمال کاهش استحکام حین عملیات تنش زدایی باید در دمای پایین 550 درجه سانتیگراد انجام شود.

 تنش زدایی در این دماها توسط فرآیند بازیابی صورت می گیرد. در فرآیند بازیابی ریزساختار و خواص مکانیکی قطعه تغییری نمی کند. اما ممکن است تبلور مجدد اندکی نیز طی این فرآیند رخ بدهد که موجب ایجاد تغییرات کوچکی در خواص مکانیکی می شود.

تاثیر عناصر آلیاژی روی تنش های پسماند و تنش زدایی فولاد

به منظور جلوگیری از ایجاد تغییر شکل پلاستیک، حد تسلیم قطعه باید تا حدی بالا باشد که تنش های پسماند زیر حد تسلیم قرار گیرند. فولادهای با تنش تسلیم بالاتر در دمای بالا مقاومت بیشتری در برابر اعوجاج یا شکست بر اثر تنش پسماند دارند. حد تسلیم در دمای بالا بستگی به عناصر آلیاژی موجود در فولاد دارد.

تصویر بالا تاثیر اضافه شدن نیم درصد از عناصر آلیاژی مختلف را روی تنش تسلیم در دماهای 300 تا 550 درجه سانتیگراد نشان می دهد. بر اساس نمودار عناصر آلیاژی مولیبدن و تنگستن موثرترین عناصر روی افزایش تنش تسلیم در دماهای بالا هستند.

انتخاب زمان و دما برای تنش زدایی فولاد

انتخاب دما و زمان عملیات حرارتی تنش زدایی فولاد به طور تجربی یا بر اساس برخی مدل سازی ها صورت می گیرد. فرمول لارسون-میلر یکی از فرمول های طراحی شده به منظور انجام فرآیند تنش زدایی فولاد است.

Thermal effect= T(logt+20) × 10-3

این فرمول نشان می دهد که برای مثال گرمایش قطعه ای در دمای 595 درجه سانتیگراد به مدت 6 ساعت تاثیری برابر با گرمایش همان قطعه در 650 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت دارد.

از سوی دیگر نمودار هایی نیز با هدف مشخص کردن تاثیر زمان و دمای تنش زدایی فولاد روی آلیاژ های مختلف طراحی شده اند. برای مثال نمودار بالا میزان تنش پسماند قطعه ای از جنس فولاد HY-100 را در دماها و زمان های نگه داری متفاوت نشان می دهد.

انواع عملیات حرارتی

عملیات حرارتی تنش زدایی فولاد می تواند به دو صورت کلی یا موضعی انجام شود. تنش زدایی موضعی بیشتر در فرآیند عملیات حرارتی بعد از جوشکاری انجام می شود و روی موضع جوش تاثیر می گذارد. این نوع تنش زدایی در لوله ها به وسیله المنت های سرامیکی انجام می شود.

در عملیات حرارتی تنش زدایی کلی، فرآیند گرمایش و سرمایش قطعه تماما در کوره های صنعتی انجام می شود. در این کوره از قطعات کوچک گرفته تا قطعات با ابعاد بزرگ و سنگین قابل عملیات هستند.

هزینه تنش زدایی فولاد

تنش زدایی فولاد از آن جایی که به طور کلی نسبت به برخی دیگر از عملیات حرارتی فولاد در دمای پایین تری انجام می شود، نسبت به باقی فرآیندهای عملیات حرارتی مثل آنیل فولاد هزینه کمتری دارد. اما بایستی پارامتر زمان طولانی لازم برای انجام عملیات تنش زدایی فولاد را هم در نظر گرفت. به طور کل همانطور که گفته زمان و دمای تنش زدایی فولاد دو متغیری هستند که رابطه معکوس دارند و روی هزینه تنش زدایی فولاد نیز تاثیر مستقیمی می گذارند.