یکی از خصوصیات مکانیکی محصولات فولادی که بر اساس عناصر و آلیاژهای به کار رفته در آن ها تعیین می شود، سختی پذیری است. در اغلب موارد سختی پذیری با درصد سختی اشتباه گرفته می شود؛ در صورتی که این دو مورد کاملاً با یک دیگر متفاوت می باشند. شیت های فولادی پس از تولید درصد سختی و سختی پذیری آن ها کاملاً تست می شود که این موارد را در مطلب روش های بررسی کیفیت ورق های تخت فولادی کاملاً توضیح داده ایم. البته برخی از محصولات مانند ورق گالوانیزه تست های چشمی نیز برای آن ها قابل قبول است. در ادامه بیشتر با این خواص و تأثیر آن ها بر فلزات آشنا می شوید.
معرفی ویژگی سختی پذیری (Hardenability)
هنگامی که مبحث سختی پذیری مطرح می شود، افکار به سمت ورق آهن و آلیاژهای فولادی می رود؛ زیرا فولاد یک آلیاژ فلزی می باشد که از دو جزء اصلی آهن و کربن تشکیل شده است و مقاومت بالایی دارد. تنوع آلیاژهای فولاد به علت ایجاد برخی از خواص به وسیله دیگر عناصر اضافی خواسته یا ناخواسته در آن ها می باشد.
یکی از عناصری که سبب ایجاد سختی بیشتر در ساختار فولاد می گردد، کربن است؛ در نتیجه هر چه درصد کربن موجود در آن بیشتر باشد، سختی بالاتری دارد. لازم به ذکر است این میزان سختی در فلزات فولادی مربوط به سطح آن ها می شود. در مباحث مشخصات فنی فلزات، میزان این خاصیت در عمق متریال فلزی اهمیت بیشتری نسبت به سطح آن دارد.
سختی پذیری یک اصطلاح برای توصیف کردن یک آلیاژ فلزی است که پس از انجام عملیات حرارتی بر روی آن به وجود می آید. بنابراین می توان نتیجه گرفت که مفهوم سختی مربوط به سطح فلز می شود و سختی پذیری یا Hardenability با عمق قطعه تا هسته آن ارتباط دارد. در آزمایشات کنترل کیفی محصولات فولادی این مفهوم را تحت عنوان یک شاخص در نظر گرفته که نشان دهنده میزان افزایش سختی در آن ها خواهد بود.
لازم به ذکر است مفهوم سختی پذیری اغلب برای آلیاژهای فلزی به ویژه فولاد به کار برده می شود. نکته جالب تر این که اصطلاح سختی پذیری با داشتن قابلیت جوشکاری سرد یا معمولی در فلزات ارتباط معکوس دارد؛ به این صورت که هر چه میزان Hardenability یک قطعه فلزی بیشتر باشد، قابلیت جوشکاری در آن ها کاهش پیدا می کند. در ادامه با عوامل مؤثر بر این مفاهیم اطلاعاتی در اختیار خریداران عزیز قرار داده شده است.
عوامل مؤثر بر سختی پذیری
همان طور که اشاره کردیم، مفهوم سختی پذیری به سبب انجام عملیات حرارتی بر روی فلزات به وجود می آید. این موضوع را به گونه ای در نظر بگیرید که در زمان تولید شمش فولاد، سطح مواد مذاب به سرعت در معرض هوای آزاد خنک می شود. این اتفاق در حالی است که هر چه به سوی هسته مرکزی شمش پیش رویم، سرعت خنک شدن فولاد کاهش می یابد. از این موضوع می توان نتیجه گرفت که هر چه سطوح مرکزی یک قطعه آهسته تر خنک شود، ساختار مولکولی چندان قوی و منظمی نخواهد داشت؛ در صورتی که با افزایش سرعت خنک شدن بخش های داخلی و رو به مرکز، امکان تشکیل ساختار ماتنزیتی (martensite) بیشتر فراهم می شود.
به تعریف دیگر، آرایش مولکولی درون آلیاژ به صورت منظم و شکلی کریستالی در می آید؛ در نتیجه ساختار درونی قوی تری برای آن فراهم می شود. با وجود این توضیحات بهتر است به بررسی عوامل مؤثر به سختی پذیری محصولات فولادی بپردازیم تا در هنگام خرید ورق سیاه و آلیاژهای آن از وجود این خاصیت درک بهتری داشته باشید. این موارد به صورت زیر می باشند که هر کدام را به طور جداگانه توضیح خواهیم داد:
همچنین شما مخاطبین عزیز در صورت هرگونه سوال و یا تحقیق بیشتر درباره ورق سیاه می توانید به مقاله ورق سیاه چیست مراجعه کنید.
اندازه دانه (Grain Size)
در هنگام سرد شدن قطعات آلیاژی، ساختار درونی آن ها با فاصله نسبت به سطح خنک می شود. طی مدت زمان خنک شدن، در ساختار مولکولی آن ها به تدریج دانه بندی ذرات انجام می شود. طی تحقیقات و آزمایشات فراوان می توان ثابت کرد که هر چه اندازه دانه های شکل گرفته درشت تر باشد، قطعه نهایی سختی پذیری بالاتری خواهد داشت، اما با این وجود برای افزایش این خاصیت از امکان افزایش اندازه دانه ها در سطح مولکولی نمی توان استفاده کرد؛ زیرا این امکان در نهایت منجر به بیشتر شدن احتمال شکنندگی و همچنین ایجاد ترک در قطعات نهایی خواهد شد.
دما و زمان آستنیتی شدن (Austenitizing Temperature and Time)
هر عنصر آلیاژی بر اساس اندازه و ساختار مولکولی خود، زمان مشخصی برای انجام عملیات حرارتی دارد که این فرایند مجدد یک دمای معین دارد و در این صورت است که می توان بهترین نتیجه را برای به وجود آمدن ساختار آستنیتی همگن در ماده به دست آورد. به طور کلی منظور از مفهوم آستنیت، محلول جامد کربن در آهن گاما می باشد که به وسیله انجام عملیات حرارتی بر روی آلیاژ آهن تشکیل می شود.
با این حال انجام این عملیات بسیار دشوار می باشد، اما تجربه ثابت کرده است که در نهایت می توان دما و مدت زمان مناسب جهت انجام عملیات حرارتی و خنک شدن را برای قطعات پیدا کرد. به طور معمول این فرایندها در دماها و مدت زمان های مختلف تکرار می شود و در نهایت نتیجه ای که به دست می آید، بر روی نمودار ثبت خواهد شد؛ در نتیجه قابلیت مقایسه و انتخاب بهترین شرایط به وجود می آید.
میزان کربن موجود در فولاد (Carbon Content of the Steel)
همان طور که در ابتدای مطلب اشاره کردیم، میزان کربن یکی از مهم ترین عوامل مشخص کننده درصد سختی پذیری در فلزات به شمار می رود. افزایش درصد کربن تا سطح 0.77 درصد در آلیاژهای فولاد سبب افزایش میزان Hardenability در آن ها خواهد شد و این مسئله در صورتی اتفاق می افتد که اگر این میزان از درصد گفته شده بالاتر رود، تأثیر آن کاملاً معکوس خواهد شد و سبب کاهش سختی پذیری خواهد شد. با این حال در چنین شرایطی با اضافه کردن دیگر عناصر آلیاژی نظیر منگنز، می توان درصد سختی پذیری را در همان محدوده لازم حفظ کرد.
سایر عناصر آلیاژی در فولاد (Alloying Elements in Steel)
از دیگر عوامل مؤثر بر میزان سختی پذیری آلیاژهای فولادی می توان به سایر عناصر آلیاژی اشاره کرد که سبب تثبیت ساختار آستنیتی در فولاد خواهند شد؛ به همین علت وجود آن ها منجر به اضافه شدن میزان Hardenability در فولاد می شود. با این حال در برخی موارد استثناهایی به وجود می آید. یکی از این موارد کبالت می باشد که هر چه میزان آن در ساختار مولکولی فولاد بیشتر باشد، سختی پذیری آن کاهش پیدا می کند.
تفاوت سختی و سختی پذیری
همان طور که پیش تر توضیح دادیم سختی (Hardness) و سختی پذیری (Hardenability) دو مفهوم کاملاً متفاوت می باشند که اغلب در خرید ورق روغنی یا دیگر آلیاژهای فولادی برای بررسی مشخصات فنی اشتباه گرفته می شوند. مفهوم سختی پذیری و عواملی که در افزایش و کاهش آن اثر دارند، کاملاً بررسی شد؛ در نتیجه این مفهوم عبارت است از توصیف یک ماده فلزی برای سخت شدن پس از انجام عملیات حرارتی که بر روی آن انجام می شود.
از سوی دیگر در مقابل آن سختی یک اصطلاح برای تست مقاومت فولاد در برابر ضربه و نفوذ اجسام خارجی می باشد. هر چه مقاومت یک قطعه در برابر نفوذ عوامل خارجی بیشتر باشد، سختی آن بالاتر می رود. مواد سخت در برابر تغییر شکل موضعی پلاستیک مقاومت بیشتری از خود نشان می دهند.
سختی پذیری چگونه اندازی گیری می شود؟
میزان سختی پذیری قطعات فولادی بر اساس یک آزمایش مخصوص اندازه گیری می شود که در اصطلاح به آن جومینی (Jominy) می گویند. به وسیله این تست می توان میزان سختی در یک قطعه را از سطح تا مرکز آن ارزیابی کرد. جهت انجام تست جومینی از یک قطعه استوانه ای شکل از آلیاژ فلزی حاضر می کنند و سپس این میله را تحت عملیات حرارتی قرار می دهند.
این میله از یک سمت وارد آب هم دما با فضای اتاق می شود تا عملیات سرد شدن آن انجام گیرد؛ به این صورت آن قسمت از میله که درون آب قرار دارد، بالاترین میزان خنک شدن را تجربه می کند و هر چه به سوی انتهای میله برویم، میزان سرد بودن آن کاهش می یابد. پس از تمام شدن فرایند سرد شدن قطعه تا دمای فضا، سطحی در امتداد آن آسیاب می شود؛ سپس چند آزمایش سختی راکول (Rockwell) در امتداد آن صورت می گیرد. بنابراین میزان سختی ماده در بخش های مختلف آن به شکل یک نمودار حاصل می شود و در نهایت از این نمودار می توان درصد سختی پذیری آلیاژ فولادی را تشخیص داد.
جمع بندی
در این مطلب با دو مفهوم سختی و سختی پذیری، تعاریف، تفاوت ها و عوامل مؤثر بر افزایش و کاهش درصد آن ها مطالبی را بیان کردیم. نرخ تمامی محصولات فولادی از جمله قیمت ورق شیروانی 6 متری بر اساس کیفیت کارخانه سازنده و مشخصات فنی آن ها از جمله Hardness و Hardenability تعیین می شود، اما همان طور که اشاره کردیم تعریف این دو مفهوم کاملاً از یک دیگر متفاوت بوده و اثرات مختلفی بر آلیاژهای فولادی دارند.
