عملیات حرارتی فلزات و آلیاژهای فلزی را می توان به دو گروه تقسیم بندی نمود:

حرارت دادن (گرم کردن) فلزات و آلیاژهای فلزی تا دماهای بالاتر از دمای 723 درجه سانتی گراد و این نوع عملیات حرارتی که بیشتر در مورد فولادها و چدن ها به کار می رود شامل :

سخت کردن، آنیل کامل ، نرماله کردن آستمپر کردن و مارتمپر کردن می باشد.

حرارت دادن(گرم کردن) فلزات و آلیاژهای فلزی تا دمای کمتر از دمای 723 درجه سانتی گراد:

این نوع عملیات حرارتی بیشتر در مورد فولادها به کار می رود و شامل عملیات حرارتی های کروی کردن تنش زدایی و آنیل ضمن عملیات می باشد.

کوئنچ کردن فولادها

کوئنچ عبارت است از سرد کردن سریع فلز یا آلیاژ از دمای آستنیته. این عمل عموماً با فرو بردن در آب،روغن،هوا،محلول پلیمری و یا اسپری کردن این محلول ها روی آلیاژ انجام میگیرد.به عبارت دیگر برای کوئنچ کردن(آب دهی)،لازم است قطعه تا بالای دمای دگرگونی گرم شود.فلز در این دما به حالت پایدار رسیده و کربورها در آن حل شده و به طور همگن در تمام حجم قطعه توزیع می شوند.سپس قطعه را در آب،روغن،محلول پلیمر و یا نمک و نیز با هوای فشرده یا هوای مرطوب،سرد می کنند.

هدف از انجام عملیات کوئنچ و بازگشت (تمپر کردن) بر روی یک فولاد ابزاری، بالا بردن سختی،افزایش مقاومت مکانیکی و تحمل در برابر فرسایش آن است.در مورد فولادهای ساختمانی منظور از کوئنچ و بازگشت برقرار ساختن رابطه مناسبی بین استحکام،حد الاستیک،سختی و مقاومت به ضربه می باشد.

تمپر کردن(برگشت دادن)

به علت تنش های داخلی ایجاد شده در ضمن سریع سردشدن (کوئنچ کردن در آب) تقریبا تمامی قطعات سخت شده نسبتا ترد و شکننده می باشند. از این رو به ندرت فولادها پس از سریع سرد شدن در شرایط سخت شده مورد استفاده قرار می گیرند. چرا که فاز مارتنزیت تشکیل شده در اثر سریع سرد کردن فولاد فازی نیمه پایدار بسیار سخت و ترد است، بنابراین برای کاهش سختی و تردی بیش از حد فاز مارتنزیت برای اغلب کاربردهای صنعتی لازم است فولاد مارتنزیتی شده در دماهایی بین حدود 200-600 درجه سانتی گراد حرارت داده شود.در نتیجه بخشی از اتم های کربن حل شده با تشکیل کاربید ها از محلول جامد جدا می شود، بدین صورت با شکل گیری ذرات کاربید که سختی پایین تری دارند از سختی بالای مارتنزیت کاسته می شود.لذا فولادها را پس از سرد شدن و قبل از استفاده تمپر می کنند.

دما و زمان حرارت دادن به ترکیب شیمیایی فولاد، ابعاد قطعه(تاثیر بیشتر بر روی زمان) و خواص مکانیکی مورد نظر بستگی دارد. در اثر تمپر کردن تنش های داخلی کاهش یافته و یا حذف می شوند، بنابراین استحکام ضربه ای افزایش می یابد ولی در عوض استحکام،حد تسلیم و سختی قطعه کاهش می یابد.

آستمپرینگ و مارتمپرینگ

به طور کلی سه روش برای سخت کردن فولادها وجود دارد که عبارتند از: کوئنچ کردن مستقیم، آستمپرینگ و مارتمپرینگ .

در روش کوئنچ کردن مستقیم که مستلزم سریع سرد کردن فولاد از دمای آستنیته شدن تا زیر دمای Ms می باشد، سطح و مرکز قطعه با سرعت های متفاوتی سرد شده و لذا استحاله تشکیل مارنتزیت به طور غیر همزمان در نواحی فوق انجام می گیرد. این پدیده منجر به ایجاد تنش های داخلی در قطعه شده و نهایتاً ممکن است قطعه شکسته و یا تغییر شکل دهد.تحت شرایط خاص می توان از روش های دیگر جهت از بین بردن اثرات زیان آور تنش های داخلی استفاده نمود.

عملیات حرارتی آستمپرینگ

آستمپرینگ ازجمله روش های عملیات حرارتی است که به منظور کاهش تنش های حاصل در ضمن سخت کردن فولادهای ساده کربنی و پرکربن,جانشین کوئنچ کردن مستقیم می شود.

عملیات حرارتی آستمپرینگ شامل مراحل زیر می باشد:

آستنیته کردن فولاد(درجه حرارت آستنیته کردن بستگی به نوع فولاد دارد و معمولا 790-950 درجه سانتی گراد انتخاب می شود.)

سریع سرد کردن قطعه در حمام نمک مذاب تا دمایی بلافاصله قبل از دمای شروع استحاله مارتنزیتی (Ms). (غالبا دما در حمام نمک 260-400 می باشد)

نگه داشتن در این دما به نحوی که دگرگونی آستنیت به بینیت به طور کامل صورت گیرد.

سرد کردن در هوا تا دمای اتاق

اهداف عملیات حرارتی آستمپرینگ

هدف از به کارگیری روش آستمپرینگ به جای روش کوئنچ و تمپر عبارت است از:

افزایش استحکام به ضربه و انعطاف پذیری در یک سختی یکسان

حذف و یا کاهش امکان ایجاد ترک،تغییرشکل و تاب برداشتن و یا ایجاد تنش های داخلی در ضمن عملیات حرارتی.

عملیات حرارتی مارتمپرینگ

عملیات مارتمپرینگ یا سریع سرد کردن غیر پیوسته که آن را مار کوئنچینگ نیز می نامند شامل مراحل زیر است:

آستنیته کردن فولاد

سریع سرد کردن فولاد در روغن داغ ( 175 درجه سانتی گراد) تا دمایی درست بالاتر ( یا درست پایین تر) از دمای Ms. (معمولا 175-250 درجه سانتی گراد)

نگه داشتن در محیط یاد شده تا این که دمای تمامی قطعه یکنواخت شود.این زمان 2 تا 4 دقیقه برای هر 1 cm ضخامت قطعه است.

سرد کردن با سرعت متوسط (معمولا در هوای فشرده) به گونه ای که سطح و مرکز قطعه تقریباً همزمان سرد شود و به مارتنزیت تبدیل شود

تمپر کردن قطعه به منظور افزایش چقرمگی.

آنیل کردن (بازپخت) فولادها

تعریف آنیل

به هر نوع عملیات حرارتی که منجر به تشکیل ساختاری غیر از مارتنزیت، با سختی کم و انعطاف پذیری بالا شود آنیل گوییم.

گرم کردن فولاد تا درجه حرارتی بالای درجه حرارت دگرگونی فازها، نگهداری به مدت زمان کافی در این درجه حرارت و آن گاه سرد کردن آرام.

اهداف آنیل

کاهش سختی فولاد کوئنچ شده.

بدست آوردن حداکثر نرمی برای آسان کردن عملیات شکل دهی و ماشینکاری.

تغییر در خواص الکتریکی

بازسازی قطعه (فولاد) به حالت قبل از عملیات کار سرد

آزاد کردن تنش های داخلی به وجود آمده به وسیله عملیات نورد، فورج و سرد کردن غیر یکنواخت.

آنیل کامل

گرم کردن فولاد (آستنیته کردن فولاد) تا دمای مشخص بر حسب هپیو و هایپر و نگهداری در این دما به مدت کافی (گرم شدن کامل قطعه و یکنواخت شدن فولاد) و سپس سرد کردن آهسته (معمولا در کوره) تا اینکه آستنیت کاملا تجزیه گردد. درجه حرارت آستنیته کردن برای یک فولاد بستگی به ترکیب شیمیایی ( به ویژه درصد کربن) و ابعاد قطعه دارد.

به طور کلی هدف از آنیل کامل، کاهش سختی و استحکام، افزایش نرمی( انعطاف پذیری)، قابلیت ماشین کاری و مقاومت به ضربه فولاد می باشد.

آنیل ایزوترم

در این نوع آنیل (بازپخت) فولاد را همانند آنیل کامل در محدوده دماهای مورد نظر گرم می کنند.

به عبارت دیگر این عملیات،شامل حرارت دادن فولاد در دو دمای مختلف است.ابتدا عملیات آستنیته کردن که در همان گستره دمایی مربوط به آنیل کامل صورت می گیرد و سپس سرد کردن.

از جمله موارد عمده کاربرد آنیل هم دما در رابطه با فولادهای آلیاژی است که دارای سختی پذیری بالا هستند در صورتی که بر روی این فولادها عملیات حرارتی آنیل کامل انجام شود به علت سختی پذیری زیاد، ساختار نهایی حاصل به جای پرلیت خشن،ممکن است پرلیت ظریف و یا حتی مخلوطی از پرلیت ظریف و بینیت بالایی باشد.آنیل ایزوترم مخصوصا برای قطعات نوردشده، آهنگری شده و نیز قطعاتی که دارای ابعاد کوچک هستند، مناسب است.

نرماله کردن

نرماله کردن یکی دیگر از انواع روش های عملیات حرارتی است که میکرو ساختار حاصل همانند آنیل کردن شامل پرلیت، مخلوطی از پرلیت و فریت و یا مخلوطی از پرلیت و سمنتست ( بستگی به ترکیب شیمیایی فولاد) است. لیکن، تفاوت های مهمی بین نرماله کردن و آنیل وجود دارد. در نرماله کردن، دمای آستنیته کردن برای فولاد های هیپویوتکتویید کمی بالاتر ( 50 درجه سانتی گراد) از گستره دمایی مربوط به آنیل.

برخلاف آنیل کامل که فولاد در کوره سرد می شود در عملیات نرماله کردن قطعات پس از آستنیته شدن در هوا سرد می شوند.

هدف از نرماله کردن، ریز نمودن دانه های درشتی که اغلب در هنگام کار گرم در دمای بالا یا ضمن ریخته گری و انجماد به وجود می آیند و همچنین افزایش سختی و استحکام بیشتر خواهد بود.