عملیات حرارتی چیست و چه تاثیری بر خواص فلزات دارد؟
دسترسی سریع به محتوای این مطلب
انجام فرآیند عملیات حرارتی موجب تغییر خواص الکتریکی، مغناطیسی و ساختاری فلزات میشود. همان‌طور که کاربرد فلزات متفاوت است، محیط‌های متفاوت هم ویژگی‌های متفاوتی را می‌طلبند. برای مثال، در کارهای مهندسی، سختی و استحکام فلز مد نظر است، در حالی که در کارهای الکتریکی، مقاومت ویژه پایین اهمیت بیشتری دارد. چندین روش برای انجام عملیات حرارتی بر روی فلزات وجود دارد که به‌منظور تغییر خواص فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرند. به‌منظور دستیابی به نتیجهٔ مطلوب، دمای گرمایش فلز و نرخ خنک سازی آن به‌طور دقیق کنترل می‌شوند. در این مطلب می‌خواهیم در مورد عملیات حرارتی و تاثیر آن بر خواص فلزات صحبت کنیم. با ما همراه باشید.
عملیات حرارتی
عملیات حرارتی فرآیندی است که به منظور تغییر خواص فلزات طراحی شده است و هدف آن، تطبیق بهتر فلزات با موارد استفادهٔ آن‌هاست. انواع اصلی عملیات حرارتی به شکل‌های زیر می‌باشند:
- آنیل کردن
- نرمالیزاسیون (نرماله)
- سخت کاری
- برگشت دادن (تِمپِر کردن)
- کوئنچ کردن
در ادامه هر کدام را به صورت جداگانه شرح می‌دهیم:
آنیل کردن
فرایند آنیل، اغلب به منظور نرم کردن فلزهایی چون آهن، فولاد، مس، برنج و نقره استفاده میشود. طی این فرآیند، ابتدا فلز را تا یک دمای خاص حرارت می‌دهند و سپس می‌گذارند تا به صورت کنترل شده و به‌آرامی در دمای محیط سرد شود. آنیل کردن، خواص فیزیکی و شیمیایی محصول را تغییر می‌دهد، به‌طوری که خاصیت تورق پذیری محصول افزایش یافته و سختی آن کاهش می‌یابد.
این امر، شکل دهی، قالب گیری و فرایندهای شکل گیری و برش فلز را آسان‌تر می‌کند. همچنین، آنیل کردن موجب افزایش رسانایی الکتریکی فلز میشود.
مشاهده کنید: کدام فلز بهترین رسانای الکتریکی است
نرمالیزاسیون (نرماله)
از فرایند نرمالیزاسیون به‌منظور یکنواخت سازی ترکیب و اندازه دانه استفاده میشود. فلز تا دمای از پیش تعیین شده حرارت داده میشود و سپس به‌وسیلهٔ هوا خنک میشود. فلز نهایی، عاری از هرگونه ناخالصی نامطلوب است و استحکام و سختی بیشتری را نیز از خود نشان می‌دهد. فرایند نرمالیزاسیون اغلب به‌منظور تولید یک فولاد سخت‌تر و مستحکم‌تر بکار گرفته میشود. معمولاً فرایند نرماله کردن بر روی موادی استفاده میشود که در معرض ماشین کاری هستند، چرا که این فرآیند موجب بهبود این ویژگی میشود.
سخت کاری
از فرآیند سخت کاری برای فولاد و سایر آلیاژها استفاده میشود تا خواص مکانیکی آن‌ها را بهبود دهند. طی فرایند سخت کاری، فلز در دمایی بالا حرارت داده میشود و تا زمانی که نسبتی از کربن حل نشود، این دما حفظ میشود. سپس فلز آبدیده میشود، به‌طوری که به‌سرعت درون آب یا نفت سرد میشود. فرایند سخت کاری موجب تولید آلیاژی میشود که استحکام بالایی دارد و در برابر سایش، مقاوم است.
با همهٔ این‌ها، سخت کاری موجب افزایش شکنندگی فلز نیز میشود که برای کاربردهای مهندسی مناسب نیست. زمانی که به سطحی محکم برای مقاومت در برابر سایش و فرسایش نیاز باشد و بخواهیم نرمی و سختی فلز را حفظ کنیم تا در برابر اصابت‌های شدید و افزایش ناگهانی بار مقاومت کند، از سخت کاری سطحی استفاده می‌کنیم.
برگشت دادن (تِمپِر کردن)
زمانی از فرایند تِمپِر کردن استفاده می‌کنیم که نرمی و تورق پذیری فولاد و به‌طور کلی چقرمگی برای ما حائز اهمیت باشند. فولاد تِمپِر نشده بسیار سخت و محکم ولی شکننده است و برای استفاده در کارهای عملی مناسب نیست. تِمپِر کردن یک فرایند عملیات حرارتی با دمای پایین است که معمولاً پس از فرایند سخت کاری (سخت کاری خنثی، سخت کاری مضاعف، کربنیزاسیون جوی، کربونیزه سازی، یا سخت کاری سطحی) انجام میشود تا فولاد را به میزان سختی مطلوب برساند.
طی این فرآیند، فولاد در دماهای پایین‌تر قرار می‌گیرد تا سختی اضافی آن از بین برود. سپس فلز در هوای بدون باد قرار می‌گیرد تا خنک شود. نتیجهٔ این فرآیند، فولادی سخت‌تر با میزان شکنندگی پایین‌تر است.
کوئنچ کردن
در متالورژی کوئنچ کردن (Quenching) به فرآیندی گفته میشود که در آن قطعه‌کار پس از گرم شدن در یک دمای معین و در یک زمان حساب شده، به سرعت سرد میشود که با توجه به خواص مکانیکی مد نظر این سرد شدن در آب یا روغن و یا در هوا صورت می‌پذیرد. کوئنچ کردن یک عملیات حرارتی است که از فرآیندها و تغییرات نامطلوبی که در فلزات در دماهای پایین رخ می‌دهد (مانند تغییر فاز) جلوگیری می‌کند.
این امر از طریق کاهش زمان سرد کردن فلزات و یا افزایش نرخ سرد شدن صورت می‌گیرد.
تاثیر عملیات حرارتی بر خواص فلزات:
مهم‌ترین بخش هایی که عملیات حرارتی خواص فلزات را تغییر می‌دهند، عبارت اند از:
- مقاومت الکتریکی
- انبساط حرارتی
- ساختار
- مغناطیس
مقاومت الکتریکی
مقاومت الکتریکی معیاری است که قدرت بازدارندگی فلز در برابر معبر جریان الکتریکی را نشان می‌دهد. هنگام عبور الکترون‌ها از فلز، آن‌ها با ساختار فلزی برخورد می‌کنند و از این رو پخش می‌شوند. زمانی که فلز در عملیات حرارتی گرما داده میشود، الکترون‌ها انرژی بیشتری را جذب می‌کنند و با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند. این امر موجب افزایش پراکندگی الکترون‌ها میشود و از این رو، میزان مقاومت فلز افزایش پیدا می‌کند. گرماسنج‌ها از تغییر در مقاومت الکتریکی یک تکه سیم برای اندازه گیری دما استفاده می‌کنند.
انبساط حرارتی
فلزات هنگام گرمایش منبسط می‌شوند. همراه با افزایش دما، طول، ناحیه سطحی و حجم فلز افزایش پیدا می‌کند. میزان انبساط حرارتی در فلزات مختلف، تفاوت دارد. افزایش دما موجب افزایش جنبش اتم‌های فلزات میشود و این امر موجب انبساط حرارتی میشود. هنگام طراحی ساختارهای فلزی، توضیح و توجیه انبساط حرارتی ضروری است. یک مثال در این زمینه می‌تواند طراحی لوله‌های خانگی باشد که با تغییر فصل، منبسط و منقبض می‌شوند.
ساختار
فلزات از اتم‌هایی با ساختار متقارن تشکیل شده‌اند که به این ساختار، «آلوتروپ یا دگرشکل» می‌گویند. گرمایش فلزات باعث جابجایی اتم‌ها از جایگاه اولیه‌شان میشود. با جابه جایی اتم‌ها، ساختار جدیدی تشکیل میشود که اصطلاحا به آن فاز آلوتروپی گفته میشود. این فرایند، سختی، استحکام و نرمی (تورق پذیری) فلز را تغییر می‌دهد. مهم‌ترین تبدیل فاز آلوتروپی توسط آهن صورت می‌گیرد.
زمانی که آهن در معرض دمایی بالاتر از 912 درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد، می‌تواند کربن بیشتری را جذب کند و کربن هم باعث افزایش سختی محصولات فولادی میشود. این تأثیر مطلوب در بسیاری از انواع فولادهای پُر کربن (کربن بالاتر از 0.5)، مثل فولاد ابزاری، استفاده میشود.
مغناطیس
سه فلز آهن، نیکل و کبالت خواص مغناطیسی دارند که به آن‌ها «فلزات فرو مغناطیسی» گفته میشود. گرمایش این فلزات، خاصیت مغناطیسی آن‌ها را تغییر می‌دهد، تا زمانی که کلا این خاصیت مغناطیسی از بین برود. دمایی که خاصیت مغناطیسی در آن به‌کلی از بین می‌رود به “دمای کوری” معروف است. این دما برای نیکل، 330 درجه سانتی‌گراد، برای کبالت 1100 درجه سانتی‌گراد، و برای آهن، 770 درجه سانتی‌گراد است.
اعداد و ارقام این مطلب موثقه؟ برای کار دانشگاه نیاز دارم.
سلام دوست عزیز
تمام مطالبی که در اصفهان آهن منتشر میشه به دقت از نظر علمی بررسی میشه
مقاله کامل و جامعی بود ممنون
سلام وقت بخیر من تولید کننده میلگرد ساده سایز هشت هستم چند وقتی هست تولید ما به رنگ قرمز تولید میشود اگه راهنمایی کنید ممنون میشم
سلام و احترام
کیفیت میلگرد به عوامل متعددی بستگی داره که مهم ترین اون ها کیفیت مواد اولیه و نسبت اون هاست. برخی محصول ها مثل میلگرد ذوب آهن از مواد با کیفیت تری استفاده می کنند. ما درباره مواد اولیه و نسبت های مورد استفاده شما اطلاعاتی نداریم. همین موضوع باعث شده نتونیم اونطور که باید به شما خدمات ارائه کنیم.
ممنون ازمعلومات