عملیات حرارتی (به انگلیسی: Heat Treatment) گرمایش و خنک‌کاری کنترل‌شده مواد برای تغییر ساختار و ویژگی آن‌ها است. از آنجایی که توسط عملیات حرارتی می‌توان هم خواص فیزیکی و هم خواص مکانیکی مواد را تغییر داد (برای مثال: استحکام، سفتی، قابلیت ماشینکاری، مقاومت به سایش، و مقاومت به خوردگی) و از آنجایی که این تغییر در خواص باعث تغییر خاصی در شکل قطعات نمی‌شود، عملیات حرارتی یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین فرایندهای صنعتی است.عملیات حرارتی حرارت و گرما دهی قطعات فلزی برای ایجاد سختی در قطعات فلزی است. در عملیات حرارتی در کنار ایجاد سختی در قطعه فلزی ساختار داخلی قطعه فلزی نیز تغییر می کند. از عملیات حرارتی برای ساخت مواد غیرفلزی مانند شیشه ها و شیشه-سرامیکها نیز استفاده می‌شود.
در عملیات حرارتی معمولاً از گرمایش یا سرمایش تا دماهای ویژه‌ای، برای رسیدن به خواص موردنظر برای مثال سخت کاری یا نرم کردن ماده استفاده می‌شود. با اینکه از عبارت «عملیات حرارتی» به صورت خاص برای گرمایش و سرمایش‌های هدفمند استفاده می‌شود، فرایندهایی مانند شکل دهی فلزات و جوشکاری نیز باعث گرمایش و سرمایش مواد و در نتیجه تغییر خواص آن‌ها می‌شود. دمای تریت: دمایی که در آن فلز عملیات حرارتی می شود تا سخت شود را دمای تریت گویند. (C°) برخی از تکنیک‌های عملیات حرارتی عبارتند از: بازپخت، سختکاری پوسته (Case Hardening)، پیرسختکاری، برگشت دادن، کربن دهی (Carburizing)، نرمال سازی و کوئنچ کردن.
فرایندهای فیزیکی
مواد فلزی از ساختارهای بسیار ریزی به نام «دانه» (grain) یا «کریستالیت» ساخته شده‌اند. طبیعت این دانه‌ها (یعنی اندازه و ترکیب آن‌ها) مهم‌ترین عاملی است که خواص مکانیکی یک فلز را تعیین می‌کند. عملیات حرارتی کمک می‌کند که خواص فلز را با کنترل کردن نرخ واپخش (Diffiusion) و نرخ سرمایش در میکروساختار تغییر داد. عملیات حرارتی در فلزات معمولاً کمک می‌کند که خواص مکانیکی از قبیل سختی، استحکام، چقرمگی، شکل‌پذیری و الاستیسته را تغییر داد.
آلوتروپ‌های آهن، که تفاوت در ساختار شبکه ای را بین Alpha-Iron و Gamma-Iron را نشان می‌دهد. Alpha-Iron فضایی برای حرکت اتم‌های کربن ندارد در حالیکه Gamma-Iron فضای کافی برای حرارت آزاد اتم‌های کربن دارد.
دو مکانیزم در عملیات حرارتی آلیاژها باعث تغییر خواص مکانیکی می‌شود: شکل‌گیری مارتنزیت باعث می‌شود که کریستال‌ها به صورت ذاتی تغییر شکل دهند، و مکانیزم واپخش (یا دیفیوژن) باعث تغییر در همگن بودن ماده می‌شود.
ساختار بلوری متشکل از اتم‌هایی است که در یک ترتیب بسیار خاص دسته‌بندی شده‌اند، که یک شبکه نامیده می‌شود. در بیشتر عناصر، این چینش بسته به شرایطی مانند درجه حرارت و فشار به خودی خود تغییر خواهد کرد. این تغییر چینش، که آلوتروپی یا پلی مورفیسم نامیده می‌شود، برای یک فلز خاص ممکن است در دماهای مختلف چندین بار رخ دهد. در آلیاژها، این تغییر چینش ممکن است باعث شود یک عنصر که در حالت عادی قابل حل در فلز پایه نیست به‌طور ناگهانی در فلز انحلال پذیر شود، در حالیکه معکوس شدن آلوتروپی باعث خواهد شد این عناصر به صورت جزئی یا کامل غیرقابل انحلال شوند.
تأثیر ترکیب شیمیایی
نمودار فازی سیستم آلیاژی آهن-کربن. تغییر فاز در دماهای مختلف (محور عمودی) برای درصدترکیب مختلف (محور افقی) اتفاق می‌افتد. خطوط نقطه چین یوتکتوید (A) و یوتکتیک (B) را نشان می‌دهد.
ترکیب شیمیایی دقیق یک آلیاژ در نتیجه عملیات حرارتی بسیار تأثیر گذار است. اگر درصد اجزای تشکیل دهنده دقیقاً به اندازه باشد، آلیاژ در هنگام خنک شدن یک ریزساختار کاملاً پیوسته و یکسان تشکیل خواهد داد. به چنین مخلوطی اصطلاحاً یوتکتوید (eutectoid) گفته می‌شود. اما اگر درصد حل شونده‌ها با مخلوط یوتکتوید تفاوت داشته باشد، معمولاً دو یا تعداد بیشتری ریزساختار به صورت همزمان شکل خواهند گرفت. اگر میزان حل شونده‌ها کمتر از مخلوط یوتکتوید باشد به آن “هیپویوتکتوید” و اگر میزان حل شونده‌ها بیشتر از مخلوط یوتکتوید باشد به آن “هایپریوتکتوید” گفته می‌شود.
در نمودار فازی استاندارد فولاد، خط یوتکتوید با نماد A1 و مرز بین آستنیت و فریت+آستنیت با A3 نشان داده می‌شود. گذار از آستنیت به آستنیت+سمنتیت با نماد Acm نشان داده می‌شود.
آلیاژهای یوتکتوید
رفتار یک آلیاژ یوتکتوید (یوتکتوید یعنی شبیه-به-یوتکتیک) مشابه رفتار آلیاژ یوتکتیک است. آلیاژ یوتکتیک آلیاژی است که نقطه ذوب یگانه دارد. این دمای ذوب کمتر از دمای ذوب هر کدام از مواد تشکیل دهنده است، و هیچ تغییری در درصد مواد تشکیل دهنده نمی‌تواند آن را بیشتر از این کاهش دهد. زمانی که یک سیستم یوتکتیک مذاب خنک شود، همه مواد تشکیل دهنده در دمایی یکسان به فاز مرتبط با خود کریستالیزه خواهند شد.
آلیاژهای هیپویوتکتوید
یک آلیاژ هیپویوتکتوید دارای «دو نقطه ذوب جداگانه» است. هر دو بالاتر از نقطه ذوب یوتکتیک برای سیستم هستند، اما در زیر نقاط ذوب هر جزء تشکیل دهنده سیستم هستند. بین این دو نقطه ذوب، آلیاژ به صورت بخشی مایع و بخشی جامد وجود خواهد داشت. ابتدا ماده سازنده با نقطه ذوب پایین‌تر جامد می‌شود. معمولاً یک آلیاژ هیپویوتکیتیک زمانی که کاملاً جامد شد در حالت محلول جامد خواهد بود.
آلیاژ هیپویوتکتوید همچنین دارای “دو دمای بحرانی” است، که اصطلاحاً به آن “Arrest” یا “بازداشت” می‌گویند. بین این دو دما، آلیاژ به صورت جزئی مایع و جزئی به صورت یک فاز کریستالی جداگانه به نام “فاز پرویوتکتوید” وجود خواهد داشت. این دو دما به ترتیب دمای تبدیل بالا (A3) و دمای تبدیل پایین (A1) نامیده می‌شوند. با خنک شدن محلول از دمای تبدیل بالا به سمت یک حالت غیرقابل انحلال، فلز پایه اضافی مجبور به تبلور و تبدیل به پرویوتکتوید می‌شود. این روند تا زمانی که غلظت باقیمانده املاح به سطح یوتکتوید برسد ادامه خواهد داشت، که بعداً به عنوان یک ریزساختار جداگانه متبلور می‌شود.
ریزساختار یک فولاد هیپویوتکتوید (۰٫۷ درصد کربن)، پرلیتی در کنار درصد کمی فریت.
یک فولاد هیپویوتکتوید کمتر از ۰٫۷۷٪ کربن دارد. پس از خنک کردن یک فولاد هیپویوتکتوید از دمای تبدیل آستنیت، جزایر کوچک از پرویوتکتوید-فریت تشکیل می‌شوند. تا زمانی که غلظت یوتکتوید در بقیه فولاد حاصل شود این جزایر به رشد خود ادامه خواهند داد و کربن عقب‌نشینی خواهد کرد. سپس این مخلوط یوتکتوید به صورت ریزساختار پرلیت، “pearlite” متبلور خواهد شد. از آنجایی که فریت از پرلیت نرم‌تر است، این دو ریزساختار برای افزایش قابلیت شکل‌پذیری ماده ترکیب خواهند شد. در نتیجه سختی ماده کاهش خواهد یافت.
آلیاژهای هایپریوتکتوید
آلیاژ هایپریوتکتیک (hypereutectic) نیز دارای نقاط ذوب مختلفی است. اما بین این نقاط، جز تشکیل دهنده ای که بالاترین دمای ذوب را دارد به صورت جامد وجود خواهد شد. به همین شکل، آلیاژ هایپریوتکتوید نیز دارای دو دمای بحرانی است. هنگام خنک کردن یک آلیاژ هایپریوتکتوید از دمای تبدیل بالا، معمولاً ابتدا اجزای حل شونده اضافی کریستاله خواهند شد، و پرویوتکتوید ایجاد خواهند کرد. این روند تا زمانی که غلظت در آلیاژ باقیمانده یوتکتوئید شود ادامه می‌یابد، که سپس در یک ساختار جداگانه متبلور می‌شود.
یک فولاد هایپریوتکتوید بیشتر از ۰٫۷۷٪ کربن دارد. هنگامی که به آرامی یک فولاد هایپریوتکتوید را خنک می‌کنید، ابتدا سمنتیت، “cementite” شروع به تبلور می‌کند. زمانی که باقی فولاد در ترکیب یوتکتوید می‌شود، به صورت پرلیت کریستاله می‌شود. از آنجایی که سمنتیت خیلی از پرلیت سخت‌تر است، آلیاژ در ازای از دست دادن قابلیت شکل دهی، سختی بالایی خواهد داشت.
روش‌های عملیات حرارتی
رنگ‌های آبدهی (Tempering colors)
زمانی که فولادی صیقل داده شده یا تازه ماشینکاری شده حرارت داده شود بر روی آن یک لایه اکسید شکل خواهد گرفت. در یک دمای خاص، لایه اکسید آهن به ضخامت خاصی خواهد رسید که باعث تداخل لایه-نازک می‌گردد. این امر باعث شکل گرفتن لایه‌های رنگی بر روی فولاد خواهد شد. هر چه دما افزایش یابد ضخامت این لایه اکسید افزایش خواهد یافت و در نتیجه رنگ لایه عوض خواهد شد.قرن هاست متالورژیست‌ها از این رنگ‌ها که به آن رنگ‌های آبدهی می‌گویند، برای تشخیص دمای فولاد استفاده می‌کنند.
رنگ‌های آبدهی فولاد
- زرد روشن: ۱۷۶ درجه سلسیوس
- کاهی روشن: ۲۰۴ درجه سلسیوس
- کاهی تیره: ۲۲۶ درجه سلسیوس
- قهوه ای: ۲۶۰ درجه سلسیوس
- صورتی: ۲۸۲ درجه سلسیوس
- آبی تیره: ۳۱۰ درجه سلسیوس
- آب روشن: ۳۳۷ درجه سلسیوس
عملیات حرارتی موضعی
بسیاری از روش‌های عملیات حرارتی فقط برای تغییر خواص قسمتی از یک قطعه ساخته شده‌اند. این کار با روش‌های مختلفی از قبیل خنک کاری قسمت‌های مختلف قطعه با نرخ‌های مختلف، گرمایش موضعی قطعه و کوئنچ کردن آن، واپخش ترموشیمیایی، یا برگشت دادن نواحی مختلف قطعه با دماهای مختلف (مانند برگشت دادن موضعی) قابل انجام است.
عملیات حرارتی فولادها
قطعات ریختگی فولاد پس از ۱۲ ساعت قرارگرفتن در دمای ۱۲۰۰ درجه سلسیوس سختی و دیگر خواص مکانیکی بسیاری از فولادها و برخی فلزات غیرآهنی را می‌توان توسط عملیات حرارتی تغییر داد. فولاد، آلیاژی ساخته شده از آهن و کربن است. درصد جرمی کربن تعیین‌کننده قابلیت انجام عملیات حرارتی بر روی فولادها است. فولادهای کم-کربن حاوی ۰٫۰۳ تا ۰٫۳ درصد کربن، فولادهای کربن-متوسط حاوی ۰٫۳۵ تا ۰٫۵۵ درصد کربن و فولادهای پر-کربن حاوی ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن هستند (چدن‌ها حاوی بیش از ۲٪ کربن هستند). هرچه کربن فولاد بیشتر باشد قابلیت سختکاری آن بیشتر می‌شود. فولادهای کم-کربن حاوی مقدار کافی برای سختکاری مؤثر نیستند و باید از روش‌های دیگری برای افزایش سختی سطح آن‌ها استفاده کرد. فولادهای کربن-متوسط و پر-کربن را می‌توان با روش‌های مناسب سختکاری کامل کرد. (“سختکاری کامل” یا Through hardening به معنای سختکاری قطعه تا عمق کامل آن می‌باشد و در مقابل “سختکاری پوسته” یا Case Hardenning قرار دارد.[۹]). عمق سختکاری به میزان عناصر آلیاژی آن بستگی دارد.
کوئنچ کردن
برای سخت کاری فولادهای کربن-متوسط یا پرکربن، ابتدا قطعه را تا بیشتر از یک دمای بحرانی (در حدود ۷۶۰ درجه سلسیوس) گرم کرده و اجازه می‌دهند برای رسیدن به تعادل مدتی در آن دما باقی بماند، و سپس به‌طور ناگهانی آن را به داخل حمامی از آب سرد یا روغن فرو می‌برند تا دمای قطعه به دمای محیط برسد. این سرد کردن ناگهانی باعث ایجاد محلولی فوق اشباع به نام «مارتنزیت» می‌گردد که بسیار سخت می‌باشد. متأسفانه این فاز بسیار ترد و شکننده است. در حقیقت با افزایش سختی قطعه، استحکام آن کاهش می‌یابد.
منحنی تنش-کرنش فولاد پس از عملیات حرارتی کوئنچینگ، بازپخت و برگشت دادن. (نمودار تقریبی است)
برگشت دادن (تمپر کردن)
پس از عملیات کوئنچینگ می‌توان قطعه را دوباره تا دمای کمتری گرم کرده (در حدود ۲۰۰ تا ۷۰۰ درجه سلسیوس)، آن را Heat-Soak کرده، و سپس آن را به آهستگی خنک کرد. این کار باعث می‌شود مقداری از مارتنزیت دوباره به فریت و سمنتیت تبدیل شود. اگرچه اینکار باعث کاهش سختی شده اما میزان داکتیلیته یا قابلیت شکل‌پذیری قطعه را تا حدودی بازگردانی می‌کند. با تغییر متغیرهای دما و زمان در این فرایند می‌توان انواع مختلفی از فولادها با خواص مختلف تولید کرد. یک مهندس مواد باتجربه می‌تواند از این طریق فولاد مورد نیاز کاربردهای مختلف را تولید کند.
بازپخت (آنیلینگ)
فرایندهای کوئنچ کردن و برگشت دادن را می‌توان توسط بازپخت بازگردانی کرد. قطعه تا دمای بحرانی گرم می‌شود (مانند فرایند کوئنچ) اما اینبار اجازه داده می‌شود تا قطعه به آهستگی خنک شود. اینکار باعث بازگردانی شرایط محلول و همچنین خواص مکانیکی قطعه قبل از عملیات سختکاری می‌شود. معمولاً حتی اگر قطعه سختکاری نشده باشد، برای حذف تنش‌های ایجاد شده در حین فرایند شکل دهی و ساخت قطعه آن را بازپخت می‌کنند. این کار باعث بازگشت قطعه به حالت «راحت» و بدون تنش می‌شود.
نرماله کردن (نرمالیزاسیون)
نرمالیزه کردن شبیه به فرایند بازپخت می‌باشد با این تفاوت که زمان کمتری به آن حرارت داده شده و سریع تر خنک کاری می‌شود. این کار باعث ایجاد فولادی نسبتاً مستحکم تر و سخت‌تر از فولاد بازپخت کامل شده می‌گردد اما شرایط آن به فولاد بازپخت شده نزدیکتر از فولاد برگشت داده شده می‌باشد.معمولاً اگر نیازی به ساختاری کاملاً یکپارچه در تمام نقاط قطعه نباشد به جای بازپخت کامل (که طولانی‌تر بوده و نیاز به انرژی و درنتیجه هزینه بیشتری دارد) از نرماله کردن استفاده می‌شود.
کربن‌دهی سطحی
در کربوریزه کردن یا کربن دهی فولاد کم-کربن در محیطی با گاز مونواکسید کربن یا در زیر زغال حرارت داده می‌شود، که باعث جذب کربن توسط سطح می‌گردد.
نیتریده کردن
در نیتریده کردن فولاد کم-کربن در محیطی با گاز نیتروژن حرارت داده می‌شود که باعث ایجاد نیتریدهای آهن سخت بر روی سطح می‌گردد.
تنش زدایی
اعمال نیرو یا تغییرات دمایی می‌توانند در قطعه تنشی ایجاد کنند که ممکن است بسیار زیان بار باشد. این تنش‌ها که «تنش‌های باقیمانده» نامیده می‌شوند، می‌توانند سبب تاب برداشتن، ترک برداشتن یا شکست زودهنگام در حین تولید یا در حین کار شوند. از عوامل تشکیل چنین تنش‌هایی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: الف- وجود شیب حرارتی یا در واقع عدم سرد شدن یکنواخت قطعه. ب- ماشینکاری و کارسرد هدف از عملیات تنش‌گیری آن نیست که تغییرات عمدهای در خواص مکانیکی قطعه اتفاق بیفتد. در این عملیات از سازوکار بازیابی استفاده می‌شود و و در واقع تبلور مجدد و تغییرات ریزساختاری در آن انجام نمی‌شود. به منظور تنش زدایی، قطعات را طی زمان مشخصی زیر دمای A1 گرما می‌دهند. زمان گرما دهی بستگی به دمای عملیات و ابعاد قطعه دارد. هر چقدر که دمای تنش‌گیری بالاتر انتخاب شود نیاز به زمان کمتری برای عملیات وجود دارد. در این عملیات نرخ گرم شدن و سرد شدن قطعه باید آهسته باشد تا تنش‌های حرارتی جدیدی به قطعه اعمال نشود. این عملیات حرارتی به منظور کاهش یا برطرف کردن تمامی تنش‌های ایجاد شده در اثر عملیات تغییر شکل سرد یا در عملیات جوشکاری انجام می‌گیرد. درجه حرارت معمولاً در زیر درجه حرارت A1 و در حدود ۴۰۰ درجه سلسیوس می‌باشد.
آستنیتی کردن فولاد
آستنیتی کردن فولاد اغلب اولین مرحله عملیات حرارتی است؛ که برای یکنواخت کردن غلظت کربن در کریستال‌های آستنیت ضروری می‌باشد؛ و به عنوان کلید کنترل سختی در سخت کردن (یا آب دادن) فولاد معروف است. عمل آستنیتی کردن تابع درجه حرارت و زمان می‌باشد. (عامل درجه حرارت مهم‌تر از زمان است) هنگامیکه فولاد به درجه حرارت لازم برای تبدیل شدن به آستنیت می‌رسد، آستنیت در طی مراحل جوانه زنی و رشد تشکیل می‌گردد. به منظور تبدیل کامل در فولادهای هیپوای تکتوئیدی وای تکتوئیدی اغلب ۳۰ تا ۵۰ درجه سلسیوس بالای درجه حرارت خط A3 حرارت داده خواهد شد. درجه حرارت‌های دقیق را می‌توان از نمودار آهن-کربن انتخاب نمود. عموماً درجه حرارت نباید بسیار بالا انتخاب شود. چرا که آستنیت دانه درشت به وجود می‌آید؛ که ممکن است باعث شکستگی یا ایجاد ترک در فولاد شود. (در هنگام سرد شدن سریع از این درجه حرارت)
اندازه دانه‌های آستنیت با بالا رفتن درجه حرارت، افزایش می‌یابد. این رشد در نتیجه تمایل به کم شدن انرژی آزاد سیستم در اثر کاهش سطح دانه‌است. وقتیکه فولادهای هیپوای تکتوئیدی تا درجه حرارت‌هایی در حد نسبتاً زیاد بالای خط A3 حرارت داده می‌شود، علاوه بر رشد دانه‌ای آستنیت کردن در سرد کردن بعدی ممکن است فریت اضافی هم رسوب کند؛ که به صورت صفحات یا میله‌های طولانی بوده و دانه‌های پرلیت را از این سو به آن سو قطع می‌کند. این نوع ساختار دانه‌ای را ساختار ویدمن اشتاتن می‌نامند. از طرفی اگر درجه حرارت بسیار پایین باشد، بعد از عمل سرد کردن سریع سختی کامل مورد نظر به‌دست نمی‌آید. تبدیل پرلیت به آستنیت از نوع نفوذ است.
منبع : https://fa.wikipedia.org