مطالعه بازگشت (Tempering) فولاد های آبدیده و بررسی دما و زمان بازگشت بر سختی و ریزساختار آن ها .به علت تنش های داخلی ایجاد شده در ضمن سریع سرد شدن ، تقریبا تمامی قطعات سخت شده نسبتا ترد و شکننده اند . از این رو به ندرت فولاد ها پس از سریع سرد شدن و در شرایط سخت (مارتنزیت ) شده استفاده می شوند ، مگر در موارد استثنایی نظیر هنگامی که به سختی فوق العاده زیادی نیاز با شد و یا در رابطه با فولاد های کم کربن . معمولا فولاد پس از سرد شدن و قبل از استفاده باید بازگشت شود. بازگشت عبارت است از حرارت دادن فولاد سخت شده تا دمایی زیر دمای Ae1 ، نگه داشتن برای مدت زمان مشخص و سپس سرد کردن آهسته تا دمای اتاق . دما و زمان حرارت دادن به ترکیب شیمیایی فولاد ، ابعاد قطعه و خواص مکانیکی مورد نظر بستگی دارد . در اثر باز پخت تنش های داخلی کاهش یافته و یا حذف می شوند و بنابراین استحکام ضربه ای افزایش می یابد (شکنندگی کم می شود) . در عوض سختی و استحکام قطعه سخت شده تا حدودی کاهش خواهد یافت .
تغییرات میکرو ساختار ساختار یک فولاد سریع سرد (مارتنزیت) شده ، ناپایدار است . دلایل ناپایداری عبارتند از :
وجود کربن به صورت فوق اشباع در شبکه بلوری مارتنزیت ، انرژی تنشی ناشی از وجود نابجایی ها و دوقلو های بسیار زیاد در ساختار بلوری صفحات مارتنزیتی ، انرژی سطحی ناشی از فصل مشترک های بسیار زیاد بین صفحات مارتنزیتی و بالاخره وجود آستنیت باقیمانده که حتی در فولاد های کم کربن نیز اجتناب ناپذیر است . هنگامی که یک فولاد مارتنزیت شده به منظور بازگشت دادن حرارت داده می شود ، هر کدام از پارامتر های فوق نقش نیروی محرکه ای را برای تغییر ساختار در مراحل مختلف بازی می کند ، که عبارتند از : کربن فوق اشباع در شبکه مارتنزیت نیروی محرکه جهت تشکیل کاربید .
انرژی تنشی نیروی محرکه برای بازیابی .انرژی فصل مشترک نیروی محرکه برای رشد دانه ها و یا افزایش پیوستگی و وسعت زمینه فریتی و بالاخره آستنیت باقیمانده نیروی محرکه برای تشکیل مخلوط فریت و سمنتیت در ضمن بازگشت .
بررسیهای سیستماتیک که به کمک پراش پرتو ایکس برروی میکروساختار فولاد های سریع سرد و بازگشت شده انجام شده است ، سه مرحله کاملا مشخص و مجزا از یکدیگر را در رابطه با تغییر میکروساختار مارتنزیت در ضمن بازگشت نشان می دهد . این سه مرحله عبارتند از :
مرحله اول : تشکیل کاربید های انتقالی نظیر کاربید اپسیلن و یا کاربید اتا و در نتیجه کاهش درصد کربن زمینه مارتنزیتی تا حدود 25/0 درصد .
مرحله دوم : تبدیل آستنیت باقیمانده به فریت و سمنتیت .
مرحله سوم : جایگزین شدن کاربید های انتقالی ومارتنزیت کم کربن توسط فریت و سمنتیت .
در این جا تذکر این نکته ضروری است که به جز موارد اشاره شده در مراحل سه گانه فوق تغییرات ساختاری دیگری نیز در ضمن بازگشت فولاد های سریع سرد شده گزارش شده است .از آن جمله تشکیل کاربید های آلیاژی و ایجاد سختی ثانویه است ، که می توان آن را مرحله چهارم بازگشت نامید .مطالعات و گزارشات دیگری در همین رابطه نشان است که در ضمن سریع سرد شده یا نگه داشتن فولاد سریع سرد شده در دمای اتاق احتمال رسوب اتمهای کربن بر روی نابجاییها و محل های پر انرژی دیگر نظیر فصل مشترک های بین صفحات مارتنزیتی وجود دارد . تحت شرایط فوق رسوب و تجمع اتمهای کربن می تواند تشکیل کاربید را به دنبال داشته باشد . در حقیقت در چنین شرایطی مرحله اول بازگشت در ضمن سریع سرد شدن یا نگه داشتن در دمای اتاق انجام می شود . به این ترتیب ملاحظه می شود که تغییرات ساختار یک فولاد سریع سرد شده را در ضمن بازگشت به بیشتر از سه مرحله می توان تقسیم کرد . با این حال نظر به اهمیت موضوع و سهولت مطالعه رفتار فولاد های بازگشت شده ، اثرات باز گشت بر روی تغییرات میکرو ساختار در چهارچوب مراحل اول ، دوم و سوم بررسی می شود .
تغییرات خواص مکانیکیمارتنزیت که میکرو ساختار مورد نظر در عملیات سریع سرد کردن سریع فولاد هاست ، کاملا سخت ودر عین حال بسیار ترد و شکننده است . برخی پارامتر ها که منجر به ترد و شکننده شدن مارتنزیت می شوند عبارت اند از :
- خارج شدن شبکه بلوری فولاد از شکل طبیعی خود در اثر محبوس شدن کربن اضافی در فضای هشت وجهی .
- رسوب اتم های ناخالصی در مرز دانه آستنیت اولیه .
- تشکیل کاربید در ضمن سرد شدن .
- تنش های حاصل از سریع سرد شدن .
هدف اصلی از عملیات حرارتی بازگشت کاهش تردی و شکنندگی و یا به بیان دیگر افزایش چقرمگی و مقاومت فولاد در برابر ضربه است . از آن جایی که در عملیات باز گشت هر دمایی در گستره دمای اتاق تا دمای Ae1 را می توان استفاده کرد ، بنا براین میکرو ساختار و در نتیجه خواص مکانیکی کاملا متنوعی از مارتنزیت تا سمنتیت کروی در زمینه فریت را می توان بدست آورد . عملا دما و زمان بازگشت با توجه به خواص مکانیکی یعنی میزان سختی ، استحکام و چقرمگی که در عمل لارم است انتخاب می شود .
دمای مناسب برای بازگشت فولاد های کربنی ساده و کم آلیاژ را می توان با توجه به ترکیب شیمیایی آن ها و سختی نهایی مورد نظر به طور تقریب مشخص کرد . این روش بر اساس فرمول ارائه شده توسط گرون وجف است که فرض می کند فولاد پس از سریع سرد شدن عمدتاًساخاتر مارتنزیتی داشته باشد . فرمول ارائه شده به صورت زیر است :
(T = 30 ( Hc – Ha در این فرمول :
T : دمای بازگشت بر حسب فارنهایت ،Hc : سختی محاسبه شده از ترکیب شیمیایی ،Ha : سختی مورد نظر پس از بازگشت است .
اگر دمای باز گشت به سانتیگراد تبدیل شود فرمول فوق به صورت زیر در می آید :
T = 16.67 ( Hc – Ha ) – 17.8ارتباط دما وزمان بازگشت در عملیات بازگشت هنگامی که به زمان باز گشت اشاره ای نشود منظور زمان یک ساعت است . برای حصول سختی مورد نظر می توان زمان بازگشت را تغییر داد . به شرط اینکه دمای بازگشت تغییر داده شود . رابطه دما وزمان بازگشت توسط پارامتر بازگشت مشخص می شود { T(C+log t ) }در این رابطه Tدمای بازگشت بر حسب درجه کلوین و tزمان بازگشت بر حسب ساعت و Cثابت بازپخت است . لازم به اشاره است که C تابع درصد کربن فولاد بوده و عناصر آلیاژی بر روی آن اثر قابل ملاحظه ای ندارند . مقدار C را تقریباً برابر با 18پیشنهاد داده اند .