مقدمه
اجرای فرآیندهای حرارتی باعث تغییر در ویژگی‌های الکتریکی، مغناطیسی، و ساختاری متریال‌ها می‌شود. همانطور که هر محیط و کاربرد متفاوتی دارد، نیازهای گوناگونی نیز از ویژگی‌های مختلف متریال‌ها مطالبه می‌کند. به عنوان مثال، در زمینه‌ی مهندسی، معیارهایی مانند سختی و استحکام فلز اهمیت دارند، در حالی که در کاربردهای الکتریکی، مقاومت ویژه به عنوان یک ویژگی حیاتی تلقی می‌شود. روش‌های متعددی برای اجرای فرآیندهای حرارتی بر روی متریال‌ها وجود دارد که جهت تغییر در ویژگی‌های آنها به کار می‌روند. برای دستیابی به نتایج مطلوب، کنترل دقیق بر دمای گرمایش متریال و نرخ خنک‌سازی آن لازم است. در این متن، نیاز است که درباره‌ی اثرات فرآیندهای حرارتی بر خواص متریال‌ها بحث کنیم. ما را همراهی کنید.
پردازش حرارتی
عملیات حرارتی یک روند مهندسی است که برای تغییر ویژگی‌های متریال‌ها طراحی شده و هدف آن، بهبود سازگاری فلزات با شرایط استفادهٔ آنهاست. انواع اصلی عملیات حرارتی به شکل‌های مختلفی تعریف می‌شوند:
1. آنیل کردن
2. نرمالیزاسیون (نرماله)
3. سخت‌کاری
4. برگشت دادن (تِمپِر کردن)
5. کوئنچ کردن
در ادامه، هرکدام از این عملیات‌ها را به صورت جداگانه شرح خواهیم داد.
تسخیر حرارتی: فرایند آنیل
فرایند آنیل، به طور متداول برای نرم کردن فلزاتی همچون آهن، فولاد، مس، برنج و نقره به کار می‌رود. در این روند، ابتدا فلز به دمای خاصی گرما داده می‌شود و سپس با کنترل دقیق، به‌آرامی به دمای محیط سرد کاهش می‌یابد. آنیل کردن تغییراتی در خصوص ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی محصول به وجود می‌آورد، به‌طوری که انعطاف‌پذیری محصول افزایش می‌یابد و سختی آن کاهش پیدا می‌کند.
این عملیات باعث می‌شود که فرآیندهای شکل‌دهی، قالب‌گیری و برش فلز به طریقی آسان‌تر اجرا شوند. همچنین، آنیل کردن منجر به افزایش رسانایی الکتریکی فلز می‌گردد.
تطبیق حرارتی: فرایند نرمالیزاسیون
در فرآیند نرمالیزاسیون، هدف یکنواخت سازی ترکیب و اندازه‌ی دانه‌ها است. در این روش، فلز به دمای از پیش تعیین شده گرما داده می‌شود و سپس با استفاده از هوا خنک می‌شود. فلز نهایی، خالی از هر گونه ناخالصی ناخواسته است و همچنین دارای استحکام و سختی بیشتری می‌باشد. این فرآیند اغلب به منظور تولید فولادهای با سختی و استحکام بیشتر به‌کار می‌رود. به طور معمول، از فرآیند نرمالیزاسیون بر روی موادی استفاده می‌شود که به فرآیند ماشین‌کاری ارجحیت دارند، زیرا این روش باعث بهبود این ویژگی‌ها می‌شود.
تقسیم حرارتی: فرآیند سخت‌کاری
در فرآیند سخت‌کاری، از این روش برای بهبود خواص مکانیکی فولاد و آلیاژهای دیگر استفاده می‌شود. در این روند، فلز به دمای بالا گرما داده می‌شود و تا زمانی که مقداری از کربن حل نشود، این دما حفظ می‌گردد. سپس فلز به سرعت درون آب یا نفت آبدیده می‌شود. این فرآیند به تولید آلیاژهایی منجر می‌شود که دارای استحکام بسیار بالا هستند و در مقابل سایش، مقاوم می‌باشند.
با این همه، سخت‌کاری موجب افزایش شکنندگی فلز نیز می‌شود که برای کاربردهای مهندسی ممکن است مناسب نباشد. زمانی که نیاز به سطحی مقاوم در برابر سایش و فرسایش داریم و همچنین می‌خواهیم نرمی و سختی فلز را حفظ کنیم تا در مقابل آثار سنگین و افزایش ناگهانی بار مقاومت کند، از سخت‌کاری سطحی بهره می‌بریم.
پیشنهاد سایت : شناخت پنج گرید ورق استیل فریتی
تعدیل گرمایی: فرایند تمپر کردن
هنگامی که نرمی و قابلیت انعطاف فولاد و به طور کلی چقرمگی برای ما اهمیت دارد، به فرآیند تمپر کردن مراجعه می‌کنیم. فولادی که تمپر نشده باشد، بسیار سفت و محکم، اما شکننده است و برای استفاده در کارهای عملی مناسب نمی‌باشد. تمپر کردن یک فرآیند حرارتی با دماهای پایین است که معمولاً پس از فرآیندهای سخت‌کاری (از جمله سخت‌کاری خنثی، سخت‌کاری مضاعف، کربنیزاسیون جوی، کربنیزه‌سازی، یا سخت‌کاری سطحی) اجرا می‌شود تا فولاد را به سطح سختی مطلوب برساند.
در این فرآیند، فولاد در دماهای پایین‌تر قرار می‌گیرد تا سختی اضافی آن کاهش یابد. سپس، فلز در هوای بدون باد قرار می‌گیرد تا خنک شود. نتیجه این فرآیند، حاصل یک فولاد سفت‌تر با سطح شکنندگی کمتر است.
تأثیر عملیات حرارتی بر خواص فلزات:
اهمیت عملیات حرارتی در تغییر خواص فلزات بیشترین‌ها در دسته‌های زیر قرار دارد:
1. مقاومت الکتریکی
2. انبساط حرارتی
3. ساختار
4. مغناطیسیت
این بخش‌ها از خواص فلزات، که تحت تأثیر عملیات حرارتی قرار می‌گیرند، اهمیت زیادی در حوزه تولید و استفاده از متریال‌ها دارند.
مقاومت الکتریکی
مقاومت الکتریکی، یک نمونه از ویژگی‌های مهم فلزات است که قدرت مهار کردن جریان الکتریکی را نمایان می‌کند. هنگامی که الکترون‌ها از یک فلز عبور می‌کنند، با ساختار فلزی برخورد می‌کنند و در نتیجه پراکنده می‌شوند. زمانی که فلز در دمایی بالا گرما داده می‌شود، الکترون‌ها انرژی بیشتری جذب می‌کنند و سرعت حرکت آنها افزایش می‌یابد. این امر به افزایش پراکندگی الکترون‌ها منجر می‌شود و در نتیجه، مقاومت فلز افزایش می‌یابد. گرماسنج‌ها از تغییرات در مقاومت الکتریکی یک تکه سیم برای اندازه‌گیری دما بهره می‌برند.
توسعه حرارتی
در هنگام گرمایش، فلزات توسعه می‌یابند و با افزایش دما، ابعاد فلز از جمله طول، ناحیه سطحی و حجم افزایش می‌یابند. میزان توسعه حرارتی در فلزات مختلف متفاوت است. افزایش دما باعث افزایش جنبش اتم‌های فلزی می‌شود، که در نتیجه به توسعه حرارتی منجر می‌شود. در طراحی ساختارهای فلزی، توضیح و توجیه دربارهٔ توسعه حرارتی ضروری است. یک مثال کاربردی در این زمینه ممکن است طراحی لوله‌های خانگی باشد که در تغییرات فصلی، توسعه یا انقباض می‌یابند.
ترکیبات و ساختار فلزات
فلزات از اتم‌هایی با ساختار متقارن تشکیل یافته‌اند که به این ساختار، “آلوتروپ یا دگرشکل” معروف هستند. گرمایش فلزات باعث حرکت اتم‌ها از مکان اولیه‌شان می‌شود. با این جابه‌جایی اتم‌ها، یک ساختار جدید به نام “فاز آلوتروپی” شکل می‌گیرد. این فرآیند، ویژگی‌هایی چون سختی، استحکام و نرمی (تورق پذیری) فلزات را تغییر می‌دهد. مهم‌ترین تبدیل فاز آلوتروپی معمولاً در فلز آهن اتفاق می‌افتد.
در شرایطی که آهن در معرض دمایی بالاتر از 912 درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد، قابلیت جذب کربن بیشتری دارد و این جذب کربن باعث افزایش سختی محصولات فولادی می‌شود. این تأثیر مطلوب در بسیاری از انواع فولادهای با محتوای کربن بالا (کربن بالاتر از 0.5)، به عنوان مثال فولاد ابزاری، به کار می‌رود.
ویژگی‌های مغناطیسی در فلزات
سه فلز، یعنی آهن، نیکل و کبالت به عنوان “فلزات فرومغناطیسی” شناخته می‌شوند، زیرا این فلزات دارای خواص مغناطیسی خاصی هستند. حرارت به این فلزات تأثیر می‌گذارد و خاصیت مغناطیسی آنها را تغییر می‌دهد، تا آن زمان که کلیاً این خاصیت مغناطیسی از بین برود. دمایی که در آن خاصیت مغناطیسی به طور کلی از بین می‌رود، به “دمای کوری” مشهور است. این دما برای نیکل، 330 درجه سانتی‌گراد، برای کبالت 1100 درجه سانتی‌گراد، و برای آهن، 770 درجه سانتی‌گراد است.
پیشنهاد سایت : پلیت چیست ؟ + کاربردها
