علم مواد حوزه‌ای میان‌رشته‌ای از مهندسی و طراحی است که نقش محوری در تحولات نوین حوزه متالورژی ایفا می‌کند. متالورژی، با بهره‌گیری از دانش عمیق در خصوص آلیاژها و ویژگی‌های ذاتی آن‌ها، به شناخت جامع‌تری از این دسته از مواد دست می‌یابد. هدف غایی متالورژی، ارتقای خواص فیزیکی و مکانیکی فلزات همچون استحکام، مقاومت در برابر خوردگی، سختی و عملکرد در شرایط دمایی شدید است.
عملیات حرارتی از روش‌های پرکاربرد در متالورژی است که به منظور تغییر خواص فیزیکی و مکانیکی فلزات بدون تغییر شکل آن‌ها به کار می‌رود. این فرایند مبتنی بر گرم و سرد کردن کنترل‌شده فلزات انجام می‌شود و هدف آن بهبود قابلیت ماشینکاری و سایر خواص مطلوب در قطعات فلزی است.
فولادها و آلیاژها به منظور ارتقاء خواص مکانیکی، تحت فرآیند عملیات حرارتی قرار می‌گیرند. این عملیات با ایجاد تغییرات در ساختار میکروسکوپی آلیاژ، منجر به بهبود خواصی همچون سختی، چکش‌خواری، استحکام، کشسانی، شکل‌پذیری و مقاومت در برابر دما می‌شود.
آرایش اتم‌ها در فولاد، ساختار بلوری آن را شکل می‌دهد. آهن خالص عموماً دو شبکه بلوری مکعبی مرکزپر (BCC) و مکعبی وجه‌پر (FCC) را از خود نشان می‌دهد. در فرایند آلیاژسازی، عناصر آلیاژی مختلف به شبکه بلوری نظم بخشیده و استحکام فولاد را افزایش می‌دهند. تغییرات ایجاد شده در ساختار بلوری، امکان انجام عملیات حرارتی مؤثر بر روی فولاد را فراهم می‌آورد.
برای رسیدن به نتیجه مطلوب در عملیات حرارتی فلزات، سه عامل زیر ضروری هستند:
- دمای بحرانی
- مدت زمانی که فلز در مرحله تبلور مجدد قرار دارد.
- نوع محیط خنک‌کننده
امروزه روش‌های مختلفی برای عملیات حرارتی وجود دارد که از میان آن‌ها، آنیل کردن و تمپر کردن از محبوبیت بیشتری برخوردارند.
آنیل کردن (Annealing)
آنیلینگ (یا بازپخت) فرایندی در عملیات حرارتی فلزات است که طی آن، فلز تا دمایی بالاتر از دمای بحرانی خود گرم شده و سپس به آرامی سرد می‌شود. هدف از این عملیات، اصلاح ساختار میکروسکوپی فلز و بهبود خواص فیزیکی آن است. با انجام آنیلینگ، فلز نرم‌تر شده و قابلیت انعطاف‌پذیری، ماشینکاری و هدایت الکتریکی آن افزایش می‌یابد. از آنجایی که سرعت سرد شدن در این فرآیند نسبت به سایر روش‌های خنک‌سازی کمتر است، ساختار دانه‌ای فلز فرصت کافی برای رشد و یکنواخت شدن پیدا می‌کند.
در فرایند آنیلینگ، اتم‌های تشکیل‌دهنده ساختار بلوری فلز، قابلیت تحرک بیشتری پیدا کرده و به سمت آرایش پایدارتری میل می‌کنند. این جابه‌جایی اتمی منجر به کاهش عیوب بلوری و در نتیجه افزایش همگنی ساختاری می‌شود. در پی این تغییر، فلز از نظر سختی و شکل‌پذیری بهبود یافته و خواص مکانیکی آن مطلوب‌تر می‌گردد. با سرد کردن تدریجی فلز پس از آنیلینگ، ساختار میکروسکوپی آن به حالت تعادل رسیده و ویژگی‌های دلخواه در آن تثبیت می‌گردد.
فرایند آنیلینگ (بازپخت) در سه مرحله اصلی رخ می‌دهد:
- مرحله بازیابی
- مرحله تبلور مجدد
- مرحله رشد دانه
مرحله بازیابی (Recovering)
در این مرحله، فلز به منظور کاهش تنش‌های داخلی ایجاد شده در اثر کار سرد قبلی، به تدریج تا دمایی مشخص حرارت داده می‌شود. این فرایند موجب بهبود شکل‌پذیری و کاهش سختی فلز می‌گردد.
مرحله تبلور مجدد (Recrystallization)
فلز در دمایی بالاتر از دمای بازپخت اما پایین‌تر از نقطه ذوب حرارت داده می‌شود تا دانه‌های جدید و بدون تنش تشکیل شوند. این فرایند منجر به بهبود خواص مکانیکی همچون چقرمگی و شکل‌پذیری فلز می‌گردد.
مرحله رشد دانه (Grain Growth)
در این مرحله، دانه‌های جدید تشکیل شده در فرایند تبلور مجدد، رشد می‌کنند. کنترل دقیق سرعت سرد شدن در این مرحله، ساختار دانه‌ای نهایی و در نتیجه خواص مکانیکی فلز را تعیین می‌نماید.
فلزات آنیل شده در موارد زیر کاربرد دارند:
- مواد سخت شده با سردکاری یا میله های کشیده سرد
- مواد جوشکاری شده نیاز به آنیل دارند، زیرا جوشکاری باعث ایجاد تنش در فلزات می شود
- موادی که تحت عملیات ماشینکاری قرار گرفته اند
تمپرینگ
تمپرینگ فرآیندی در عملیات حرارتی است که عمدتاً به منظور تعدیل چکش‌خواری و سختی فلزات به کار می‌رود. علاوه بر این، این فرآیند سبب کاهش تنش‌های داخلی فلز می‌شود که اغلب در طی عملیات سخت‌کاری ایجاد می‌گردند.
در این فرایند، قطعه فلزی تا دمایی پایین‌تر از نقطه بحرانی خود گرم شده و به مدت معینی در این دما نگاه داشته می‌شود. پس از آن، قطعه در معرض هوای آزاد به آرامی سرد می‌شود. دمای دقیق و زمان نگهداری، بسته به نوع آلیاژ فولادی مورد استفاده، متغیر است. هدف اصلی از این عملیات، افزایش چقرمگی و کاهش سختی فلز است. به عبارت دیگر، این فرایند با تغییر ساختار درونی فلز، آن را برای کاربردهای مختلف مناسب‌تر می‌سازد.
سخت‌کاری فولاد، اگرچه موجب افزایش سختی و مقاومت آن می‌شود، لیکن می‌تواند منجر به شکنندگی بیش از حد و ترک‌خوردگی در حین عملیات ماشینکاری گردد. از سوی دیگر، فولاد نرم شده نیز مقاومت کافی برای کاربردهای صنعتی نخواهد داشت.
عملیات تمپر کردن، به عنوان مرحله‌ای پس از سخت‌کاری، با پخش یکنواخت کربن در ساختار کریستالی و کاهش تنش‌های داخلی، به اصلاح ریزساختار فولاد می‌پردازد. این فرآیند منجر به بهبود قابل توجه خواص مکانیکی همچون چکش‌خواری، استحکام، شکل‌پذیری، قابلیت ماشینکاری، جوش‌پذیری و مقاومت به سایش می‌شود.
فرآیند تمپر کردن در موارد زیر کاربرد دارد:
- بیشتر اوقات، تمپر کردن پس از عملیات کوئنچینگ انجام می‌شود.
- مواد سخت‌شده نیاز به تمپر کردن دارند.
- در حین جوشکاری، به دلیل حرارت، ماده سخت می‌شود. تمپر کردن می‌تواند برای کاهش تنش‌های ایجادشده در ماده استفاده شود.