چه چیز باعث میشود بتوان فولاد را عملیات حرارتی کرد؟
حتما در فیلمها و سریالهای قدیمی دیده اید که آهنگر شمشیر آهنی را سرخ میکند، با پتک فرم میدهد و در انتها هنوز که شمشیر داغ است، آنرا در مایعی فرو میکند. هدف او از مرحله آخر این نیست که شمشیر سرد شود، بلکه او میخواهد شمشیر سخت و برنده باشد. اما چه چیزی باعث میشود فولادی که ابتدا نرم بوده است، در اثر سریع شدن سخت و مستحکم شود؟ پاسخ در ساختار کریستالی است.
ساختار کریستالی چیست؟
ساختار کریستالی نحوه چینش اتمهای مواد در کنار هم است، نحوه قرار گرفتن اتمهای مواد و به ویژه فلزات در فاز جامد تصادفی نیست و اتمها هنگامی که از حالت مایع به جامد تبدیل میشوند، در یک ساختار کریستالی عموما مکعب یا مکعب مستطیل شکل در کنار هم قرار میگیرند.
ساختار کریستالی تعادلی
فولادها در حالت تعادلی دو ساختار کریستالی اصلی دارند.
BCC (Body Center Cubic)
FCC (Face Center Cubic)
ساختار BCC ساختاری است که در آن اتمهای آهن در رئوس یک مکعب قرار گرفته اند و یک اتم هم در مرکز مکعب قرار گرفته است، مانند شکل بالا.
ساختار FCC ساختاری است که در آن اتمهای آهن در رئوس یک مکعب قرار گرفته اند و در مرکز هر وجه این مکعب هم یک اتم آهن قرار گرفته است مانند شکل بالا.
کربن عنصر آلیاژی اصلی در آلیاژهای پایه آهن است و اگر کمتر از 2% باشد به آن فولاد و اگر بیشتر از 2% باشد به آن چدن میگویند. کربن در فولاد به صورت محلول در ساختار کریستالی است و در چدن به صورت ذرات گرافیت در ساختار کریستالی مشاهده میشود.
در واقع تقریباً تمام قابلیت عملیات حرارتی فولادها از حضور همین مقدار نسبتاً کم کربن ناشی میشود. اگر آهن خالص را سریع سرد کنیم، تغییرات حاصل بسیار محدود خواهد بود، اما حضور کربن امکان ایجاد ساختار کریستالیهایی با خواص کاملاً متفاوت را فراهم میکند.
به محصول انحلال کربن در ساختار BCC فریت (Ferrite) و به محصول انحلال کربن در ساختار FCC آستنیت (Austenite) میگویند که هر دوی این فازها نرم و شکل پذیر هستند. شاید در نگاه اول فریت و آستنیت تفاوت زیادی با یکدیگر نداشته باشند، اما میزان کربنی که میتوانند در خود حل کنند کاملاً متفاوت است. همین تفاوت به ظاهر ساده، پایه بسیاری از فرآیندهای عملیات حرارتی فولادها است.
هر چند فشردگی ساختار BCC کمتر از FCC است، اما فضاهای خالی موجود در این ساختار نا متقارن تر است و همین باعث میشود عنصر کربن بسیار کمی را بتواند در خود حل کند.
هنگام آهسته سرد شدن فولاد از فاز مایع از دمای بسیار بالا، ابتدا فاز آستنیت که میتواند کربن زیادی را در خود حل کند تشکیل میشود. در ادامه وقتی دما بیشتر کاهش مییابد و آستنیت میخواهد به فریت تبدیل شود (که اصطلاحا به آن استحاله یوتکتوئید میگویند)، چون فاز فریت کربن بسیار کمی را میتواند در خود حل کند، کربن مازاد پس زده شده و فاز جدیدی به نام سمانتیت یا Fe3C که ساختاری شبه سرامیکی است و ساختار کریستالی Orthorhombic دارد را تشکیل میدهد.
این فاز در صورتیکه به فولاد به آهستگی سرد شود به صورت لایه ای در کنار لایه های فریت تشکیل میشود با این ساختار لایه ای که یک لایه سمانتیت و یک لایه فریت دارد اصطلاحا به دلیل شکل صدفی آن پرلیت (Pearlite) میگویند.
نکته مهم این است که BCC و FCC ساختارهای تعادلی فولاد هستند. یعنی اگر فولاد فرصت کافی برای رسیدن به حالت پایدار خود را داشته باشد، در نهایت با توجه به دما یکی از این دو ساختار را خواهد داشت. اما همانطور که خواهیم دید، در عملیات حرارتی گاهی عمداً اجازه نمیدهیم فولاد به این حالت تعادلی برسد.
تشکیل پرلیت نیازمند جابهجایی و نفوذ اتمهای کربن در داخل فولاد است. به همین دلیل متالورژیستها این فرآیند را یک استحاله نفوذی مینامند که تابع دما و زمان است. هر عاملی که زمان این جابهجایی را محدود کند، میتواند مسیر تشکیل ساختار کریستالی را به کلی تغییر دهد.
ساختار کریستالی غیر تعادلی
عملیات حرارتی سختکاری دقیقاً بر همین اصل استوار است، در این فرآیند تلاش میشود فولاد آنقدر سریع سرد شود که فرصت تشکیل ساختار کریستالی تعادلی از آن گرفته شود. وقتی سرد شدن از دمای بالا به سرعت انجام شود، داستان به کلی عوض میشود و جادویی شکل میگیرد که با استفاده از آن میتوان ویژگی های فولاد را تغییر داد.
در این حالت به جای اینکه فاز تعادلی پرلیت تشکیل شود، ساختار کریستالی جدیدی تشکیل میشود که شبیه BCC است اما مکعبی نیست و کمی در راستای ارتفاع کشیده شده است و به آن BCT (Body Center Tetragonal) میگویند که خواص به کلی متفاوتی از BCC دارد، و کربن آستنیت که فرصت خروج از شبکه را پیدا نمی کند و به صورت اجباری در ساختار جدید به دام میافتد.
این ساختار کریستالی به شدت سخت است و فرم پذیری بسیار پایینی دارد و همین خاصیت فوق العاده، پایه و اساس سختکاری فولادها را تشکیل میدهد. این استحاله فقط تابع دما است و اصطلاحا به آن استحاله برشی میگویند. تشکیل این فاز، جادویی است که در دل فولاد نهفته شده است. برخلاف تشکیل پرلیت که به زمان برای نفوذ کربن نیاز دارد، تشکیل مارتنزیت بدون نفوذ کربن انجام میشود.
آنچه ارائه خدمات عملیات حرارتی فولاد را ممکن میکند، قابلیت تغییر ساختار آن در اثر دما و سرعت سرد شدن است. همین تغییر ساختار است که میتواند از یک آلیاژ واحد، قطعاتی با خواص کاملاً متفاوت ایجاد کند. درک این موضوع، نخستین گام برای شناخت دنیای عملیات حرارتی است؛ دنیایی که در آن مهندس متالورژی با کنترل دما و زمان، خواص فلز را مهندسی میکند.
آنچه گفته شد، مقدمه ای کوتاه و کاربردی بود برای فهم علت امکان عملیات حرارتی فولادها، اما در دل این موضوع جزئیات قراوانی است که نیاز به پیش زمینه های بسیار بیشتر دارد و فرصتی فراخ تر که در مجالی دیگر به آن خواهیم پرداخت.