عملیات حرارتی

باسلام خدمت دوستان و همراهان همیشگی پارس بوته. امروز با مطلب آموزشی عملیات حرارتی (Heat treatment) در خدمت شما هستیم. در دنیای شگفت‌انگیز مهندسی مواد، عملیات حرارتی نقشی کلیدی در تغییر خواص فیزیکی و مکانیکی فلزات ایفا می‌کند.

این فرآیند، با گرم کردن و سرد کردن کنترل‌شده فلزات، ساختار اتمی آنها را دستخوش دگرگونی می‌کند و به آنها ویژگی‌های جدیدی می‌بخشد. در این مقاله قصد داریم با عملیات حرارتی بیشتر آشنا شویم و انواع آن را به شما معرفی کنیم و درباره مناسب‌ترین راه آن مطالعه کنیم.

عملیات حرارتی چیست

عملیات حرارتی مجموعه‌ای از فرآیندها است که با گرم کردن و سرد کردن فلزات در دماها و زمان‌های مختلف، ساختار بلوری آنها را تغییر می‌دهد. این تغییرات ساختاری، به نوبه خود، خواص فیزیکی و مکانیکی فلزات مانند سختی، انعطاف‌پذیری، استحکام و مقاومت به خوردگی را تحت‌تاثیر قرار می‌دهد.

مراحل عملیات حرارتی

عملیات حرارتی به طور کلی شامل مراحل زیر است:

گرم کردن

اولین قدم، گرم کردن فلز تا دمای مشخصی است. این دما به نوع عملیات حرارتی و نوع فلز بستگی دارد. برای مثال، دمای گرم کردن در عملیات آنیل کردن از دمای گرم کردن در عملیات سخت‌کاری کمتر است.

نگهداری

پس از گرم شدن، فلز برای مدت زمان مشخصی در دمای مورد نظر نگه داشته می‌شود. این زمان نیز به نوع عملیات حرارتی و نوع فلز بستگی دارد. در این مرحله، ساختار بلوری فلز به طور کامل در دمای جدید تثبیت می‌شود.

سرد کردن

مرحله نهایی، سرد کردن فلز با سرعت معینی است. سرعت سرد کردن نیز بر خواص نهایی فلز تاثیرگذار است. برای مثال، سرد کردن سریع فلز در عملیات سخت‌کاری، سختی آن را افزایش می‌دهد، در حالی که سرد کردن آهسته در عملیات آنیل کردن، تنش‌های داخلی فلز را کاهش می‌دهد.

نکته:

• در هر یک از مراحل گرم کردن، نگهداری و سرد کردن، باید از دما و زمان دقیق استفاده شود. کوچکترین انحرافی از این مقادیر می‌تواند بر خواص نهایی فلز تاثیر منفی بگذارد.
• انتخاب نوع عملیات حرارتی مناسب به نوع فلز، کاربرد قطعه و خواص مورد نظر بستگی دارد. این انتخاب توسط متخصصان مهندسی مواد انجام می‌شود.

انواع عملیات حرارتی

عملیات حرارتی انواع مختلفی دارد که هر کدام برای دستیابی به خواص خاصی در فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از رایج‌ترین انواع عبارتند از:

• آنیل کردن: این فرآیند برای کاهش تنش‌های داخلی، افزایش چقرمگی و نرم کردن فلز استفاده می‌شود.
• تمپر کردن: این فرآیند برای کاهش سختی و افزایش چقرمگی فلز پس از عملیات سخت‌کاری استفاده می‌شود.
• سخت‌کاری: این فرآیند برای افزایش سختی و استحکام فلز استفاده می‌شود.
• سخت‌کاری سطحی: این فرآیند برای افزایش سختی و استحکام سطح فلز بدون تاثیر بر هسته آن استفاده می‌شود.
• کاربوراسیون: این فرآیند برای افزایش سختی و استحکام سطح فلز با افزودن کربن به آن استفاده می‌شود.
• نیتروراسیون: این فرآیند برای افزایش سختی و استحکام سطح فلز با افزودن نیتروژن به آن استفاده می‌شود.

دسته‌بندی عملیات حرارتی

عملیات حرارتی را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد:

• تعادلی: در این نوع عملیات، فلز به دمای تعادلی گرم می‌شود و به آرامی سرد می‌شود تا به ساختار بلوری پایدار برسد.
• غیرتعادلی: در این نوع عملیات، فلز به سرعت سرد می‌شود تا از رسیدن به ساختار بلوری پایدار جلوگیری شود.

کاربردهای عملیات حرارتی

تولید قطعات با خواص مکانیکی خاص

عملیات حرارتی برای تولید قطعاتی با سختی، چقرمگی، انعطاف‌پذیری، استحکام و مقاومت به خوردگی موردنظر در صنایع مختلف مانند خودروسازی، هوافضا، ابزارسازی، ساخت‌وساز و صنایع نفت و گاز استفاده می‌شود.

برای مثال، در خودروسازی از عملیات حرارتی برای تولید قطعاتی مانند میل‌لنگ، دنده‌ها، یاتاقان‌ها و فنرها استفاده می‌شود که باید بسیار سخت و مقاوم باشند. در هوافضا نیز برای تولید قطعاتی مانند موتورها، بدنه و بال‌های هواپیما استفاده می‌شود که باید بسیار سبک و در عین حال محکم باشند.

اصلاح خواص قطعات

عملیات حرارتی برای اصلاح خواص قطعاتی که در اثر فرآیندهای مختلف مانند نورد، آهنگری و جوشکاری تغییر کرده‌اند، استفاده می‌شود. برای مثال، پس از جوشکاری دو قطعه فلز، تنش‌های داخلی در محل جوش ایجاد می‌شود. که این عمل می‌تواند این تنش‌ها را کاهش دهد و استحکام و چقرمگی جوش را افزایش دهد.

کاربردهای عملیات حرارتی در صنایع

• خودروسازی: میل‌لنگ، دنده‌ها، یاتاقان‌ها، فنرها، میل سوپاپ، چرخ‌دنده‌ها، سرسیلندر، بلوک موتور
• هوافضا: موتورها، بدنه، بال‌ها، پروانه‌ها، شاسی، چرخ‌ها
• ابزارسازی: مته‌ها، فرزها، چکش‌ها، انبردست‌ها، آچارها، چاقوها
• ساخت‌وساز: تیرآهن، میلگرد، ورق‌های فولادی، پروفیل‌ها، اتصالات
• صنایع نفت و گاز: لوله‌ها، شیرها، اتصالات، پمپ‌ها، کمپرسورها، مبدل‌های حرارتی

انتخاب عملیات حرارتی مناسب

انتخاب عملیات حرارتی مناسب برای هر قطعه به نوع فلز، کاربرد نهایی قطعه و خواص مکانیکی موردنظر بستگی دارد. این انتخاب باید توسط متخصصان مهندسی مواد انجام شود.

نوع فلز

هر فلزی، زبانی خاص در دنیای عملیات حرارتی دارد. شناخت دقیق نوع فلز، اولین قدم برای انتخاب فرآیند مناسب است. برای مثال، فولاد و آلومینیوم، هر کدام به دلیل ساختار اتمی و خواص منحصربه‌فرد خود، به فرآیندهای متفاوتی نیاز دارند.

کاربرد نهایی قطعه

سرنوشت نهایی هر قطعه، نقشی اساسی در انتخاب نوع عملیات حرارتی ایفا می‌کند. قطعاتی که در معرض سایش و ضربه هستند، به سختی و استحکام بیشتری نیاز دارند، در حالی که قطعاتی که انعطاف‌پذیری در آنها اهمیت دارد، باید با ظرافت بیشتری انجام شوند.

برای مثال، میل‌لنگ خودرو به دلیل تحمل بارهای سنگین و ضربات متعدد، به فرآیندی نیاز دارد که سختی و استحکام آن افزایش یابد، در حالی که بدنه هواپیما به دلیل نیاز به انعطاف‌پذیری و وزن کم، به فرآیندی متفاوت نیاز دارد.

خواص مکانیکی موردنظر

سختی، چقرمگی، انعطاف‌پذیری، استحکام و مقاومت به خوردگی، هر کدام نقشی کلیدی در عملکرد نهایی قطعه ایفا می‌کنند. مهندسان مواد با درک دقیق نیازهای هر قطعه، خواص مکانیکی مورد نظر را تعیین می‌کنند.

برای مثال، ابزارهایی مانند مته و چکش به سختی بالایی نیاز دارند، در حالی که فنرها به انعطاف‌پذیری بالا و قطعاتی که در معرض خوردگی هستند به مقاومت بالایی در برابر خوردگی نیاز دارند.

نتیجه‌گیری

عملیات حرارتی نقش مهم و اساسی در تغییر و بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی فلزات دارد که شامل مراحل گرمایش، نگه‌داری و سرمایش فلزات در دما و زمان‌های مشخص است که این امر منجر به تغییرات ساختاری در ساختار بلوری فلز می‌شود.

تغییرات ساختاری بلوری نیز باعث تحول در خواص فیزیکی و مکانیکی فلز مانند سختی، چقرمگی، استحکام و مقاومت در برابر خوردگی می‌شود. ای فرآیند دارای انواع مختلفی است که بر اساس نیازهای خاص، هر کدام به ‌دست‌ آوردن خواص خاصی منجر می‌شوند.

انتخاب عملیات حرارتی مناسب، از عوامل حیاتی تولید قطعات با خواص ایده‌آل مکانیکی و عملکرد مطلوب است؛ بنابراین می‌توان گفت این فعالیت نقش بسیار مهمی در تغییر خواص فلزات و تولید قطعات با خواص مطلوب در صنایع مختلف دارد و انتخاب درست برای هر قطعه از اهمیت بالایی برخوردار است.