خواص مکانیکی متنوع فولادها باعث شده است که این آلیاژها جایگاه ویژه ای را در صنایع مختلف به خود اختصاص داده و به عنوان یک محصول استراتژیک در نظر گرفته شوند . در میان فولادها ، فولادهای مافوق مستحکم جایگاه ویژه ای در مصارف صنعتی دارند . از این دسته ، فولادهای کم آلیاژ با کربن متوسط را می توان نام برد . کاربرد این فولادها غالباً در پمپ ها ، اتصال ها ، محورها و چرخ دنده ها بوده و همچنین به علت قابلیت سختی پذیری زیاد و چقرمگی و شکل پذیری مناسب ، در اجزای با مقاطع بزرگ و نیز صنایع هوا و فضا که از آن جمله می توان به مخازن تحت فشار و مخازن CNG اشاره کرد]3-1[ .
در تمامی استانداردهای مربوط به طراحی و ساخت مخازن CNG ، ترکیب های پیشنهادی از انواع تمام فلزی (نوع اول) ، فلزی – کامپوزیتی (نوع دوم و سوم) و تمام کامپوزیتی (نوع چهارم) طبقه بندی شده است . امروزه آنچه به چالشی مهم در به کارگیری مخازن CNG در صنایع مختلفی چون صنایع خودروسازی و هوافضا تبدیل شده است بحث کاهش وزن مخازن تمام فلزی است.
گزارشات رسیده از موسسه گاز آمریکا به دفتر انرژی موسسه AAT در سال 2000 حاکی از این مهم بوده که هزینه صرف شده برای مجهز کردن خودروهای سواری به سیستم گاز سوز با مخازن سبک (نوع سوم و چهارم) حدود 70 درصد قیمت تمام شده خودرو بوده است که از این 70 درصد ، 50 درصد صرف تامین مواد خام اولیه می گردد . از اینرو تحقیقات گسترده ای برای سبک کردن مخازن نوع اول و دوم که به لحاظ قیمت ارزان ترین هستند در حال انجام است ]9-4 [.
تا کنون آنچه برای کاهش قیمت مخازن اول و دوم صورت گرفته ، بیشتر در قالب اصلاح فرآیندهای ساخت ، انتخاب مواد مناسب و انتخاب روش های مناسب عملیات حرارتی بوده است . در تمامی این موارد ، ایجاد خواص مکانیکی مناسب و بهبود خواص شکست ، هدف اصلی در بهبود یا کاهش وزن بوده است . در مخازن CNG همچون سایر مخازن تحت فشار ، کمپرسورها و نیروگاه های اتمی ، تخمین پارامترهای مکانیکی از جمله چقرمگی شکست و بهبود آن ، امری ضروری و اجتناب ناپذیر است . عمر مفید مخازن تحت فشار بر نحوه بارگذاری ، تنش های باقیمانده و بارگذاری سیکلی متاثر از جنس مواد و ریزساختار آنهاست . تغییرات خواص مکانیکی در حین سرویس دهی ، از موارد مهمی است که ریزساختاری که بتواند خواص بهینه و همزمان استحکام و چقرمگی شکست را تامین کند ، مارتنزیت تمپر شده معرفی شده است .
امروزه معلوم شده است که این ریزساختار برای آن دسته از مخازن تحت فشار که تحت بارگذاری های چرخه ای قرار دارند ساختار مناسبی نمی باشد .
فولادهای AISI 4130 و AISI 4140 از جمله فولادهای فوق مستحکم کربن متوسط هستند که در ساخت مخازن CNG از آنها استفاده می شود ]12-10[ .
تا به امروز در فولادهای کم آلیاژی پراستحکام سه روش آلیاژسازی ، کنترل پارامترهای عملیات ترمومکانیکی در فولادهایی که فرآیند ساخت آنها شامل فرآیند شکل دهی گرم می باشد و عملیات حرارتی برای بهبود چقرمگی شکست و خواص مکانیکی شناخته شده است . از عملیات حرارتی به علت آسانی و کم هزینه بودن بیش از سایر روش ها استفاده شده است . بر اساس مطالعات انجام گرفته ، بهبود چقرمگی شکست فولادهای فوق مستحکم کربن متوسط ، با فرآیند عملیات حرارتی را می توان از دو جنبه مورد ارزیابی قرار داد . نخست آنچه برای بهبود خواص مکانیکی مورد توجه قرار گرفته است مربوط به پارامترهای فرآیند بوده است .
ترکیب های سیکلی مختلفی از دمای آستنیته کردن ، زمان آستنیته کردن ، محیط سرد کردن و غیره از جمله فاکتورهای موثر بر خواص مکانیکی بوده اند که به چند روش مهم اشاره می شود.
از روش های مورد استفاده برای بهبود چقرمگی شکست فولادهای پراستحکام ، عملیات آستنیته کردن در دمای بالاست (HTA) ، محققان با مقایسه خواص مکانیکی و چقرمگی شکست فولادهای ریختگی و فورج شده پر استحکام ، اثر ریزساختار ناشی از عملیات HTA بر خواص شکست فولاد را مورد ارزیابی قرار داده اند.
در عملیات مذکور با آستنیته کردن یک نوع فولاد فوق مستحکم کربن متوسط در دماهای بالاتر(C°1200) از دمای مرسوم آستنیته کردن ( 870) ، چقرمگی شکست فولاد افزایش چشمگیری پیدا کرد ، در حالی که انعطاف پذیری و نرمی فولاد کاهش یافت ]15-13[.
با درشت شدن دانه های آستنیت اولیه به واسطه افزایش دمای آستنیته کردن ، جدایش عناصر ناخالصی اتفاق افتاده که باعث تردی فولاد می گردد.
به منظور مرتفع شدن عیوب حاصل از روش HTA به ویژه ترک هایی ناشی از کوئنچ ، روش DA برای بهبود خواص پیشنهاد شد]16[ .
این عملیات شامل دو مرحله آستنیته کردن بود که ابتدا فولاد در دمای بالا و سپس در دمای مرسوم تحت عملیات آستنیته کردن قرار می گرفت . روش دیگری که مورد توجه قرار گرفت روش آستنیته کردن چرخه ای سریع بود . در این روش هدف ایجاد آستنیت ریزدانه بود که باعث افزایش همزمان استحکام و چقرمگی شکست در فولاد می شد . این روش با اینکه خواص مکانیکی فولاد را بهبود بخشید ولی مورد استقبال قرار نگرفت چرا که این روش به علت تکرار گرمایش و سرمایش از دمای آستنیته به دمای پایین می توانست تغییراتی را در شکل هندسی و نیز افزایش ترکهای موئی در قطعات فولادی باعث گردد ]16[ .
در تمامی این روش ها انجام عملیات حرارتی منجر به ایجاد ریزساختار مارتنزیت تمپر شده می شد .
بررسی اثر ریزساختار ناشی از فرآیند عملیات حرارتی بر استحکام فولادهای پراستحکام کم آلیاژی امروزه به روش دیگری دنبال می شود . ایجاد ساختار چند فازی به جای مارتنزیت تمپرشده در فولادهای پراستحکام به چالشی مهم در بهبود چقرمگی شکست بدل شده است .
شاید بتوان اولین کار انجام یافته در خصوص تاثیر ساختارهای چند فازی بر خواص مکانیکی فولادهای پر استحکام کم آلیاژی را به Tomita نسبت داد]18-17[ . وی تاثیر ساختار مرکب بینیت – مارتنزتیت بر خواص مکانیکی فولادهای AISI 4140 و AISI 4340 را مورد بررسی و مطالعه قرار داد .
انبوه کارهای انجام شده در زمینه ایجاد ریزساختار چندفازی و نتایج حاصل از آن ، مبین بهبود خواص مکانیکی فولاد با ایجاد این نوع از ریزساختار بوده است .
در این پروژه تاثیر عملیات حرارتی بین بحرانی و پارامترهای آن بر ریزساختار و خواص مکانیکی فولاد AISI 4135 بررسی شده است . در فصل دوم مروری بر خانواده فولادهای فوق مستحکم کربن متوسط ، تحلیل عملیات حرارتی بین بحرانی و سینتیک مربوط به آن ، تاثیر تمپر کردن بر ریزساختار فریت – مارتنزیت و همچنین تاثیر محیط های کوئنچ و به ویژه محیط های پلیمری بررسی شده است . در فصل سوم روش انجام تحقیق شامل عملیات حرارتی بین بحرانی ، آزمایش- های مختلف مکانیکی و شکست شناسی استفاده شده بررسی شده است .
در فصل چهارم تحلیل سیکل های مختلف عملیات حرارتی بین بحرانی و مشاهدات ریزساختاری و آزمایش های مکانیکی با بررسی سطوح شکست ضربه برخی از سیکل ها با نتایج ساختار مرسوم مارتنزیت تمپر شده برای این فولاد انجام گرفته است .
در فصل آخر نتایج و پیشنهادات ارائه شده است .
مروری بر منابع
فولادهای آلیاژی
فولادهای آلیاژی فولادهایی هستند که خواص مطلوب شان به دلیل وجود عناصر آلیاژی همچون منگنز و سیلیسیم که به فولادهای کربنی اضافه شده اند نسبت داده می شوند .
این فولادها شامل منگنز ، سیلیسیم یا مس به مقدار بیشتر از حد ماکزیمم یعنی شامل 65/1 درصد منگنز ، 6/0 درصد سیلیسیم و 6/0 درصد مس هستند که به فولادهای کربنی اضافه شده اند . این عناصر آلیاژی باعث بهبود خواص مکانیکی و تولید این فولادها می گردد . به طور کلی فولادهای آلیاژی بر اساس درصد عناصر آلیاژی آنها به سه دسته طبقه بندی می شوند :
1-فولادهای کم آلیاژی شامل کمتر از 5 درصد وزنی عناصر آلیاژی (غیر از کربن) ،

مطلب مرتبط :   مقاله با موضوع ایالات متحده و درجه حرارت