بررسی پدیده تردی تمپر در فولادها

عملیات حرارتی زمانی موفق است که قطعه، علاوه بر دستیابی به سختی مورد انتظار، بتواند بارهای مکانیکی و حرارتی حین کار را نیز بدون شکست تحمل کند. با این حال، به دلیل ساده، سریع و غیرمخرب بودن آزمون سختی‌سنجی، هنوز هم در بسیاری از کارگاه‌ها و حتی در برخی کنترل‌های کیفی صنعتی، نخستین و گاه تنها معیار ارزیابی کیفیت عملیات حرارتی، عدد سختی است. بر این اساس اگر سختی مطابق نقشه باشد، فرآیند موفق تلقی می‌شود؛ در حالی که سختی به‌تنهایی شاخص کاملی برای پیش‌بینی عمر، چقرمگی و قابلیت اطمینان قطعه نیست. [1–3]

دو قطعه ممکن است هر دو سختی 50 HRC داشته باشند، اما یکی سال‌ها بدون مشکل کار کند و دیگری در نخستین ضربه، نخستین سیکل حرارتی یا پس از راندمانی محدود دچار شکست ناگهانی شود. این تفاوت معمولاً از جایی می‌آید که آزمون سختی آن را نشان نمی‌دهد: ریزساختار، نوع شکست، تنش‌های پسماند، وضعیت مرزدانه‌ها و انرژی ضربه.

در مطالعات علمی بارها نشان داده شده است که افت چقرمگی می‌تواند در شرایطی رخ دهد که سختی تغییر آشکاری نکرده یا همچنان در محدوده قابل قبول باقی مانده است. [4–9]

یکی از عواملی که چنین وضعیتی ایجاد می‌کند، تردی تمپر (Temper Embrittlement) است؛ پدیده‌ای که بر اثر تمپر در محدوده نامناسب، نگهداری طولانی‌مدت در دمای حساس، یا عبور آهسته از محدوده دمایی تردکننده پدید می‌آید. خطر اصلی این پدیده آن است که معمولاً از ظاهر قطعه و حتی از عدد سختی به‌سادگی تشخیص داده نمی‌شود و تا زمان شکست، نشانه آشکاری از خود نشان نمی‌دهد. از همین‌رو تردی تمپر را باید یکی از ریسک‌های پنهان عملیات حرارتی دانست. [5–9]

عملیات تمپر یا بازگشت، آخرین مرحله از فرآیند سختکاری فولادها است. این عملیات با هدف کاهش تنش‌های داخلی، افزایش چقرمگی و رساندن قطعه به تعادل مناسب میان سختی، استحکام و پایداری انجام می‌شود. در حقیقت در فرآیند سخت کردن فولاد، ابتدا در اثر سریع سرد کردن فولاد از دمای بالا، فاز مارتنزیت از فاز آستنیت تشکیل می‌شود. اما فاز مارتنزیت ترد بوده و چقرمگی پایینی دارد. برای حل این مشکل با حرارت دادن به قطعه تا دمایی مشخص و نگهداری در این دما که به آن تمپر کردن یا بازگشت دادن می‌گویند، فاز مارتنزیت به مارتنزیت تمپر شده تبدیل می‌شود و چقرمگی فولاد افزایش می‌یابد.

به همین دلیل، تمپر معمولاً به‌عنوان فرآیندی اصلاحی شناخته می‌شود. اما همین مرحله، اگر در محدوده نامناسب یا با کنترل ناکافی انجام شود، می‌تواند زمینه‌ساز شکست زودهنگام باشد؛ یعنی بازگشت دادن، به‌جای آنکه به بازیابی چقرمگی و افزایش عمر قطعه منجر شود، بازگشت به نابودی است.

دو پدیده با یک نام

اصطلاح «تردی تمپر» در متون فنی همیشه به یک پدیده واحد اشاره نمی‌کند. در عمل، دو خانواده اصلی باید از هم جدا شوند: تردی مارتنزیت تمپر شده (Tempered Martensite Embrittlement یا TME) و تردی تمپر مرسوم یا بازگشت‌پذیر (Reversible Temper Embrittlement/ Temper Embrittlement یا TE/RTE) هر دو باعث افت چقرمگی می‌شوند، اما محدوده دمایی، سازوکار، نوع شکست و روش کنترل آن‌ها یکسان نیست. [5–7]

تردی مارتنزیت تمپر شده (TME)

تردی مارتنزیت تمپر شده معمولاً در محدوده تقریبی 250 تا 400 درجه سانتی‌گراد مطرح می‌شود. در این حالت، افت چقرمگی بیشتر به تحولات درون مارتنزیت تمپرشده مربوط است؛ از جمله تجزیه آستنیت باقی‌مانده، رسوب کاربیدها و درشت‌شدن آنها و تغییرات در مرز لایه‌های مارتنزیتی و بینیتی. در بسیاری از گزارش‌ها، شکست در این حالت عمدتاً درون‌دانه‌ای یا شبه‌کلیواژ است، هرچند بسته به ترکیب فولاد و میزان ناخالصی‌ها، رفتار می‌تواند پیچیده‌تر شود. [6،10]

مطالعه Peters و همکاران روی فولادهای مارتنزیتی پایه Fe-0.25C-10Cr نشان داد که افت چقرمگی در محدوده TME الزاماً با تجزیه آستنیت باقی‌مانده همبستگی مستقیم ندارد و درشت‌شدن کاربیدهای بین دانه ای یا درون دانه ای می‌تواند عامل مؤثرتری باشد. این نکته برای صنعت مهم است، چون نشان می‌دهد مشکل همیشه با یک توضیح ساده و تک‌عاملی حل نمی‌شود. [6]

در مطالعه‌ای صنعتی‌تر روی فولادهای میکروآلیاژی چرخ ریلی نیز، ناحیه افت انرژی ضربه در فولادهای دارای ساختار مارتنزیتی/بینیتی مشخص شد. در آن پژوهش، محدوده حساس برای برخی نمونه‌ها حدود 280 تا 380 درجه سانتی‌گراد گزارش شد و کمترین انرژی ضربه در حدود 320 درجه سانتی‌گراد مشاهده شد؛ یعنی دقیقاً همان جایی که قطعه می‌تواند از نظر سختی ظاهراً قابل قبول باشد، اما از نظر ضربه و شکست، خطرناک شود. [10]

تردی تمپر مرسوم و بازگشت‌پذیر (TE/RTE)

تردی تمپر کلاسیک معمولاً در فولادهای کم‌آلیاژ و متوسط‌آلیاژ و در محدوده تقریبی 375 تا 575 درجه سانتی‌گراد مطرح می‌شود؛ هرچند در برخی منابع برای پدیده تردی تمپر بازگشت‌پذیر، بازه وسیع‌تر 300 تا 600 درجه سانتی‌گراد نیز ذکر شده است. در این پدیده، مسئله اصلی خود مارتنزیت نیست، بلکه جدایش عناصر ناخالصی مانند فسفر، قلع، آنتیموان و آرسنیک به مرزدانه‌های آستنیت اولیه است. نتیجه این جدایش، تضعیف مرزدانه و افزایش تمایل به شکست بین‌دانه‌ای است. [5،7]

 

در ادبیات فنی، به همین دلیل از تعبیر Reversible Temper Embrittlement نیز استفاده می‌شود: در برخی فولادهای مستعد به تردی تمپر، اگر قطعه تردشده برای مدتی بالاتر از محدوده وقوع تردی تمپر حرارت ببینند و نگهداری شوند، و سپس سریع از محدوده وقوع تردی تمپر عبور کنند، بخشی از افت چقرمگی می‌تواند بازیابی شود. البته باید تا جای امکان از وقوع تردی تمپر جلوگیری کرد و به این فرآیند به چشم اصلاح برای همه قطعات نگاه نکرد. چون ترکیب شیمیایی، سابقه حرارتی، اندازه دانه، زمان سرویس و وضعیت ریزساختار، همگی در میزان این برگشت پذیری تعیین‌کننده‌اند. [5،7،11]

مطالعات روی فولادهای Cr-Mo و Cr-Mo-V نشان می‌دهد که تردی تمپر می‌تواند در طول سرویس و در زمان‌های بسیار طولانی نیز ایجاد یا تشدید شود. Qu و McMahon توضیح داده‌اند که مولیبدن می‌تواند با به‌دام‌انداختن فسفر و برخی ناخالصی‌ها، تردی تمپر را به تأخیر بیندازد؛ اما در دماها و زمان‌های طولانی، با تشکیل کاربیدهای غنی از مولیبدن، این اثر محافظتی ممکن است کاهش یابد و فسفر فرصت بیشتری برای جدایش به مرزدانه‌ها پیدا کند. [7]

بنابراین تردی تمپر مرسوم فقط خطای ناشی از یک تمپر کوتاه‌مدت در کارگاه نیست. گاهی قطعه پس از یک سیکل تمپر درست، در طول سال‌ها کار در محدوده دمایی وقوع تردی تمپر، به‌تدریج به سمت افت چقرمگی می‌رود. این نکته برای قطعات نیروگاهی، پیچ‌های توربین، مخازن تحت فشار، قطعات جوشکاری‌شده و اجزای درگیر با دمای سرویس اهمیت ویژه دارد. [5،7،11]

وقتی سختی کافی نیست

سختی‌سنجی برای کنترل عملیات حرارتی لازم است، اما کافی نیست. نمونه 9 درصد نیکل بررسی‌شده توسط Tavares و همکاران، مثال روشنی از این موضوع است: تمپر در 400 درجه سانتی‌گراد باعث افت شدید چقرمگی شد، در حالی که سختی کاهش یافته بود. سطح شکست نمونه‌های تردشده دارای ترک‌های بین‌دانه‌ای و وجوه شبه‌کلیواژ بود و بررسی SEM وجود ذرات بین‌دانه‌ای، با شواهدی به نفع کاربید آهن، را نشان داد. [8]

در فولاد HY-80 نیز بررسی‌های جدید نشان داده است که با افزایش زمان نگهداری در 525 درجه سانتی‌گراد، ذرات کاربیدی تغییر اندازه، کروی‌شدن و مهاجرت به مرزدانه را تجربه می‌کنند؛ این تغییرات نشان می‌دهد سختی یا ریزسختی به‌تنهایی برای ارزیابی کامل وضعیت تردی تمپر کافی نیست و باید در کنار آن شواهد ریزساختاری و چقرمگی هم تفسیر شود. [9]

پس اگر قطعه فقط با عدد سختی کنترل شود، ممکن است قطعه‌ای پذیرفته شود که درون آن مسیر شکست آماده شده است. نتیجه آزمون سختی‌سنجی شاخصی از مقاومت ماده در برابر فرورفتگی و تغییر شکل پلاستیک موضعی است و در بسیاری از موارد با مقاومت سایشی قطعه همبستگی دارد؛ اما این شاخص به‌تنهایی نمی‌تواند سلامت مرزدانه‌ها، انرژی ضربه یا مسیر شکست را نشان دهد، مشخص کند نوع شکست درون‌دانه‌ای است یا بین‌دانه‌ای، و آیا قطعه در سرویس دچار شکست ناگهانی خواهد شد یا نه.

نقش فرآیند؛ وقتی سرعت به اندازه دما مهم است

آنچه در صنعت اهمیت دارد، این است که تردی تمپر تنها با انتخاب اشتباه دمای تمپر رخ نمی دهد، بلکه سرعت سرد شدن قطعه پس از تمپر هم می‌تواند در وقوع این پدیده موثر باشد. سرعت عبور از محدوده دمایی وقوع تردی تمپر، ترکیب شیمیایی فولاد، میزان ناخالصی‌هایی که می‌توانند در مرزدانه رسوب کنند، اندازه دانه آستنیت اولیه، ریزساختار حاصل از کوئنچ و حتی سابقه سرویس قطعه، همگی می‌توانند در بروز یا تشدید این پدیده نقش داشته باشند. [5–10]

در تردی تمپر مرسوم، سرد شدن آهسته از دمای تمپر در محدوده وقوع تردی تمپر می‌تواند فرصت کافی برای جدایش ناخالصی‌ها و مهاجرت آنها به مرزدانه‌ها را فراهم کند. برای حل این مشکل بایستی پس از پایان زمان تمپر، قطعه از این محدوده دمایی به صورت سریع و کنترل‌شده عبور کند تا ریسک این خطر کاهش یابد. این موضوع در منابع مربوط به RTE به‌صراحت آمده است و با بررسی شواهدی مانند جابه‌جایی دمای گذار شکست و تغییر سهم شکست بین‌دانه‌ای تایید می‌شود. [5،11]

در تردی مارتنزیت تمپر شده، مسئله بیشتر به تحولات ریزساختاری داخل مارتنزیت یا بینیت مربوط است. بنابراین راه‌حل آن صرفاً «سریع سرد کردن پس از تمپر» نیست؛ باید محدوده دمای تمپر، تعداد مراحل تمپر، زمان نگهداری و ریزساختار اولیه متناسب با جنس و کاربرد قطعه انتخاب شود. [6،10]

بازگشت به نابودی

تمپر در ظاهر مرحله‌ای برای اصلاح است: تنش را کم می‌کند، مارتنزیت را پایدارتر می‌کند و قطعه را از شکنندگی اولیه دور می‌سازد. اما همین فرآیند، اگر در محدوده نامناسب انجام شود یا اگر قطعه زمان زیادی را حین سرد شدن در محدوده حساس سپری نماید، می‌تواند چقرمگی را کاهش دهد و مسیر شکست را در مرزدانه‌ها یا درون ساختار مارتنزیتی آماده کند.

بازگشت به نابودی یعنی همین: قطعه‌ای که با سختکاری و تمپر، ظاهراً به سختی مطلوب رسیده، در واقع بخشی از قابلیت اعتماد خود را از دست داده است. چنین قطعه‌ای ممکن است در گزارش سختی قبول شود، اما در ضربه، شوک حرارتی، بارگذاری تناوبی، ترک‌های ریز یا سرویس طولانی‌مدت، زودتر از انتظار شکست بخورد.

آزمونهایی که این پدیده را نشان می‌دهند هم مخربند و هم بسیار پر هزینه، در نتیجه مهم‌ترین و عملی‌ترین راه برای کاهش ریسک این پدیده، اطمینان از طی شدن صحیح روند عملیات حرارتی است و از همین روی انتخاب مجری عملیات حرارتی نباید فقط بر اساس تعرفه خدمات یا نوع کوره انجام شود. مجری عملیات حرارتی باید رفتار متالورژیکی فولاد، محدوده‌های دمایی حساس، تفاوت TME و TE/RTE، نقش سرعت سرد شدن، و محدودیت آزمون سختی را بشناسد و سیکل را متناسب با جنس، ابعاد و کاربرد قطعه طراحی کند. در بسیاری از موارد، تفاوت میان یک قطعه قابل اعتماد و یک قطعه مستعد شکست، نه در عدد سختی، بلکه در همین جزئیات پنهان فرآیند نهفته است.

حرف آخر

اگر عملکرد و عمر قطعه برای شما اهمیت دارد، تنها به گزارش سختی اکتفا نکنید. کیفیت واقعی خدمات عملیات حرارتی زمانی مشخص می‌شود که علاوه بر سختی، ریزساختار، چقرمگی، مسیر شکست و قابلیت اطمینان قطعه نیز کنترل شده باشد.

در عملیات حرارتی حامیران، طراحی سیکل عملیات حرارتی تنها بر پایه رسیدن به سختی مورد نظر انجام نمی‌شود. کنترل دقیق مراحل فرآیند، انتخاب سیکل مناسب برای هر گرید فولادی، مدیریت سرعت سرد شدن پس از تمپر و توجه به پدیده‌هایی مانند تردی تمپر، بخشی از رویکرد مهندسی ما برای افزایش عمر و قابلیت اطمینان قطعات صنعتی است.

اگر در انتخاب فرآیند عملیات حرارتی یا بررسی علت شکست قطعات خود به مشاوره تخصصی نیاز دارید، کارشناسان عملیات حرارتی حامیران آماده‌اند مناسب‌ترین راهکار را بر اساس جنس فولاد، شرایط کاری و الزامات فنی قطعه به شما پیشنهاد دهند.

منابع

• [1] ASM International, ASM Handbook, Volume 4: Heat Treating, ASM International, Materials Park, OH, 1991.
• [2] G. E. Totten (Ed.), Steel Heat Treatment Handbook: Metallurgy and Technologies, 2nd ed., CRC Press, 2006.
• [3] ASM International, Heat Treater’s Guide: Practices and Procedures for Irons and Steels, 2nd ed., ASM International, 1995.
• [4] G. R. Speich and W. C. Leslie, “Tempering of Steel,” Metallurgical Transactions, vol. 3, pp. 1043–1054, 1972.
• [5] J. J. Hickey and J. H. Bulloch, “The Role of Reverse Temper Embrittlement on Some Low and High Temperature Crack Extension Processes in Low Carbon, Low Alloy Steels: A Review,” International Journal of Pressure Vessels and Piping, 1992.
• [6] J. A. Peters, J. V. Bee, B. Kolk and G. G. Garrett, “On the Mechanisms of Tempered Martensite Embrittlement,” Acta Metallurgica, 1989.
• [7] Z. Qu and C. J. McMahon Jr., “The Effects of Tempering Reactions on Temper Embrittlement of Alloy Steels,” Metallurgical Transactions A, 1983.
• [8] S. S. M. Tavares, R. P. C. da Cunha, C. Barbosa and J. L. M. Andia, “Temper Embrittlement of 9%Ni Low Carbon Steel,” Engineering Failure Analysis, 2019.
• [9] J. Schibler et al., “Temper Embrittlement in HY-80 Steel: Microstructure, Magnetic and Microhardness Properties,” NDT & E International, 2022.
• [10] D. J. Minicucci et al., “Tempered Bainite and Martensite Embrittlement in Microalloyed Steel for Forged Railroad Wheel to Heavy Haul Application,” Materials Research, 2021.
• [11] J. H. Bulloch, “An Appraisal of Certain Factors Which Influence Toughness Restoration/De-Embrittlement in Some Temper Embrittled Low Alloy Steels,” International Journal of Pressure Vessels and Piping, 1994.
• [12] Surendra Sujakhu, “Influence of tempering heat treatment on mechanical properties of welded mild steel” Journal of Science, Engineering and Technology, Vol. 17, No. 1, June 2023.