عملیات حرارتی بین بحرانی
عملیات حرارتی بین بحرانی یکی از روش های عملیات حرارتی خاص به منظور دستیابی به ترکیب مناسب استحکام و انعطاف پذیری در فولادهایی با ساختار اولیه فریت – پرلیت می باشد . این عملیات حرارتی شبیه عملیات حرارتی مرسوم نرماله کردن یا کوئنچ تمپر می باشد ]20[.
در اثر عملیات حرارتی بین بحرانی به یک ریزساختار دوفازی فریتی – مارتنزیتی به جای ریزساختار فریتی – پرلیتی مرسوم می رسیم .
اصطلاح دوفازی به حضور فازهای فریت – مارتنزیت اشاره می کند هرچند مقادیر اندکی بینیت ، پرلیت و آستنیت باقی مانده ممکن است وجود داشته باشد ]29-25[ .
در ادامه عملیات حرارتی بین بحرانی از دیدگاه نمودار آهن – کربن و سپس ترمودینامیک و استحاله فازی آن بررسی می گردد .
عملیات حرارتی بین بحرانی از دیدگاه نمودار آهن – کربن
تغییرات ریزساختاری فولاد در طی عملیات حرارتی بین بحرانی ، توسط دیاگرام آهن – کربن نشان داده شده است . اکثر عملیات حرارتی های مرسوم بالای دمای 3 AC ، در منطقه تکفازی آستنیت به منظور دستیابی به 100 % آستنیت با همان درصد کربن اولیه آلیاژ انجام می شود . در طی سرمایش ممکن است مارتنزیت ، بینیت ، فریت ، پرلیت با توجه به نرخ سرد کردن و سختی پذیری آلیاژ بدست آید ]30[ .
عملیات حرارتی بین بحرانی بین دماهای 1AC و 3AC در دیاگرام فازی در منطقه دو فازی فریت و آستنیت یا منطقه بین بحرانی انجام می شود. مقدار و میزان کربن آستنیت شکل گرفته در منطقه دو فازی بستگی به ترکیب آلیاژ و دمای بین بحرانی دارد . با بالا رفتن دمای بین بحرانی درصد آستنیت افزایش اما میزان کربن کاهش پیدا می کند(‏شکل (2-2) .
در طی سرمایش از دمای بین بحرانی منطقه ی فریت در ساختار دوتایی باقی مانده ، در حالی که مناطق آستنیت به مارتنزیت ، بینیت و یا فریت – پرلیت استحاله پیدا می کند . اما دمای بین بحرانی ترکیب و سختی پذیری حجم آستنیت تشکیل شده را کنترل می کند . درشت و ریزدانه بودن ریزساختار بستگی به ساختار اولیه دارد که جوانه زنی آستنیت را در دمای بین بحرانی کنترل می کند ]29 ،30و32 [.
عملیات حرارتی بین بحرانی از دیدگاه نمودار آهن – کربن ]31[.
عملیات حرارتی بین بحرانی از دیدگاه ترمودینامیک و استحاله فازی
تمامی استحاله های خود به خودی در فولادها با کاهش در انرژی آزاد گیبس همراه می باشد . ایجاد ساختار دو فازی ها در فولادها شامل دو مرحله اساسی است :
1- تشکیل آستنیت جزئی در منطقه دو فازی فریت و آستنیت () که دو عامل دمای بین بحرانی و زمان نگهداری در آن دما تاثیرگذار بوده به عبارتی این مرحله از عملیات حرارتی بین بحرانی توسط نفوذ کنترل می شود (استحاله های Reconstructive).
2- سرمایش سریع از ناحیه دو فازی فولاد در یک محیط کوئنچ قوی به نحوی که ساختارهایی که از سرمایش آهسته بدست می آید نظیر پرلیت در فولاد تشکیل نگردد . این مرحله استحاله آستنیت به مارتنزیت را خواهیم داشت که جزء استحاله های بدون نفوذ می باشد (استحاله های نظامی یا Displacive) ]1و35-33[.
2-6-1-تشکیل آستنیت جزیی
نفوذ عنصر حل شونده در این استحاله ها ممکن است در تضاد با یافتن اتم هایی در جهتی که غلظت پایین تر دارند و مهاجرت می کنند باشد در عوض ، جهت نفوذ تمایل دارد در جهتی باشد که انرژی آزاد پایین تری داشته باشد .
در استحاله های Reconstructive ، آستنیت با غلظت کربن در دمای T به جلوی فصل مشترک نفوذ می کند . مهاجرت کربن در امتداد فصل مشترک یک فرآیند نسبتاً سریع است . بنابراین فریت و آستنیت در تعادل نزدیک فصل مشترک هستند و از روش شیب مشترک استفاده می شود (‏شکل (2-3) ).
نیروی محرکه استحاله روی ‏شکل (2-3) نشان داده شده است .
نقاط شیب روی منحنی های انرژی آزاد ، غلظت کربن فریت () و آستنیت غنی شده () را نشان می دهند که تابع ای از دما هستند . این ترکیب ها را از مرزهای روی دیاگرام فازی می توان رسم نمود ]34[.
تغییر انرژی آزاد در استحاله Reconstructive . آستنیت با کربن در دمای T به فریت با ترکیب و آستنیت با ترکیب تجزیه می شود ]34[ .
2-6-2- سینتیک تشکیل آستنیت در فولادهای دو فازی
در طول آنیل بین بحرانی استحاله فریت به آستنیت کامل نبوده و مقداری فریت در مجاور آستنیت تازه تشکیل یافته باقی می ماند . رسوب فاز فریت در حین سرمایش فولاد های هیپویوتکتوئیدی و در گستره دماهای بین بحرانی معمولاً بصورت تعادلی در نظر گرفته می شود . مقدار فاز فریت تشکیل یافته از عملیات حرارتی بین بحرانی از دیاگرام تعادلی آهن – کربن و به وسیله قانون اهرم تعیین می گردد. سینتیک تشکیل آستنیت در طول آنیل بین بحرانی نشان می دهد که تشکیل آستنیت در فولادهای دوفازی با یک رشد نفوذی کنترل می شود و در برخی تحقیقات از رابطه تجربی جانسون- مهل- آورامی با اصلاحات kolmogorov (JMAK) می تواند در طول استحاله آستنیت در طول آنیل بین بحرانی استفاده شود ]20 و 33[ .
2-6-4- معادله دیفرانسیلی سینتیک تعمیم یافته آورامی در تجزیه چند فازی
با مفهوم حجم توسعه یافته تعمیم چند فازی مدل استحاله ای آورامی بصورت زیر تعریف می شود:
برای N و . . . و 2 و 1 = i