با پیشرفت صنعت و ازدیاد ساخت‌وسازها، فولاد به یک عنصر جدایی‌ناپذیر در اغلب بناها تبدیل شده و کاربرد آن روزبه‌روز گسترش می‌یابد. در این میان، نرماله کردن یکی از شگردهای عملیات حرارتی است که برای بهبود ویژگی‌های شیمیایی، مکانیکی و ساختار میکروسکوپی فولاد به کار می‌رود. این مطلب به تفصیل به بررسی این فرآیند، کاربردهای آن، اهمیت، نقاط قوت و همچنین تمایز آن با آنیل کردن خواهد پرداخت.

اهمیت نرماله کردن فولاد

نرماله کردن فولاد، فرآیندی است بنیادی که نه تنها باعث می شود تا کارهای حرارتی در مراحل بعدی آسان تر انجام شود بلکه باعث کاهش نقص و مشکلات فولاد که در مراحل قبل ایجاد شده است هم می گردد. این توانایی ویژه در بهبود ساختار و خواص فولاد، جایگاه ویژه‌ای به آن در صنعت می‌بخشد.

فرآیند نرمالیزه کردن فولاد

در عملیات نرماله کردن فولاد، خنک‌سازی قطعه اهمیت ویژه‌ای دارد؛ به جای استفاده از کوره، قطعه را در هوای آزاد رها می‌کنند تا به تدریج سرد شود. نکته قابل توجه این است که هر چه ابعاد و ضخامت قطعه بزرگ‌تر باشد، باید سرعت سرد شدن را افزایش داد. لازم به ذکر است که بین دمای تبدیل آستنیت و سرعت سرد شدن، یک رابطه معکوس وجود دارد؛ به این معنی که با افزایش سرعت سرد شدن، دمای تبدیل آستنیت کاهش یافته و ساختار پرلیت ریزتری به دست می‌آید.

به طور کلی این فرآیند شامل سه مرحله زیر می شود:

• مرحله بازیابی: در این مرحله برای کاهش تنش های داخلی از یک نوع دستگاه گرمایشی استفاده می کنند تا دمای ماده افزایش یابد.
• تبلور مجدد: در مرحله بعد ماده باید در دمای پایین حرارت داده شود.
• مرحله رشد دانه‌ها:‌ در این گام، بلورهای تازه به طور کامل توسعه می‌یابند. برای مدیریت اندازه نهایی این بلورها، ماده را با نرخی حساب‌شده خنک می‌کنند. برآیند تکمیل این مراحل سه‌گانه، دستیابی به ماده‌ای است که انعطاف‌پذیری بیشتری داشته و سختی آن کاهش یافته است.

مزایای نرماله کردن فلزات

مزایای نرماله کردن فولاد شامل موارد زیر می شوند:

• افزایش دوام

عملیات نرماله کردن فولاد، به فولاد خاصیت مقاومت و سختی بیشتری می‌بخشد. این توانایی ویژه، آن را برای استفاده در صنایع و ساخت قطعاتی که در معرض فشار و ضربه هستند، بسیار ایده‌آل می‌سازد.

• افزایش چقرمگی

با اجرای توانایی ویژه نرماله کردن فولاد، قطعه در برابر شکستن، دوام بیشتری از خود نشان می دهد. این مزیت (چقرمگی) در موقعیت‌های پرفشار، بسیار با اهمیت است.

• یکنواخت کردن ساختار بلوری

در این فرآیند، کوچک شدن بلورها و هم اندازه شدن آن ها سبب می شود تا ویژگی های مکانیکی ماده افزایش یابد.

• بالا رفتن پایداری حرارتی

فولادی که تحت فرایند نرماله کردن قرار گرفته باشد، در برابر حرارت پایداری بیشتری از خود نشان می‌دهد و ویژگی‌هایش کمتر دستخوش دگرگونی می‌شوند.

• سهولت در عملیات ماشین کاری

توانایی ویژه نرماله کردن، به فولاد سطحی یکنواخت‌تر و نرم‌تر می‌بخشد. این تغییر، قابلیت پردازش ماشینی آن را به شکل چشمگیری ارتقا می‌دهد.

کاربردهای نرمالیزه کردن فولاد

در دنیای صنعت، گاهی با قطعاتی روبرو می‌شویم که شکل هندسی یکنواختی ندارند. این تفاوت در ابعاد باعث می‌شود بخش‌های مختلف قطعه با سرعت‌های متفاوتی سرد شوند و در نتیجه، ساختار نهایی آن‌ها یکدست نباشد. در چنین شرایطی، عملیات نرماله کردن یک راهکار مؤثر برای دستیابی به یک ساختار داخلی همگن‌تر و منسجم‌تر در سراسر قطعه است.

فولادهای ریخته‌گری شده معمولا دارای بلورهای درشت و فریت سوزنی‌شکل هستند. در چنین مواردی، عملیات حرارتی نرماله کردن می‌تواند به ایجاد یک ساختار ریزدانه و مطلوب کمک شایانی کند.

تفاوت های نرماله کردن فولاد و آنیل کردن

نرماله کردن فولاد و آنیل کردن آن شامل تفاوت های مخصوصی می شود که در ادامه به آن ها اشاره خواهیم داشت:

• در عملیات نرماله کردن، دمای حرارت‌دهی از آنیل کردن بیشتر است که نتیجه آن انحلال‌پذیری بالاتر و همگن‌سازی بهتر ساختار خواهد بود.
• تفاوت اصلی بین آنیل کردن و نرماله کردن فولاد در روش خنک‌سازی است: در آنیل کردن، قطعه درون کوره به آرامی سرد می‌شود، در حالی که در نرماله کردن، فولاد در فضای باز و بیرون از کوره، در معرض هوای محیط قرار گرفته و به تدریج دما از دست می‌دهد.
• فولادی که با توانایی ویژه نرماله کردن فرآوری شده باشد، در مقایسه با نمونه آنیل‌شده، ساختار بلوری ظریف‌تری پیدا می‌کند.
• ساختار ریزدانه فولاد نرماله شده، به افزایش مقاومت آن در مقایسه با فولاد آنیل‌شده منجر می‌شود.
• توانایی شکل‌پذیری فولاد نرماله شده، در قیاس با نمونه آنیل‌شده، کمتر است.
• توانایی ویژه نرماله کردن فولاد برای بهبود ساختار قطعاتی کاربرد دارد که فرآیندهای نورد گرم و کشش را پشت سر گذاشته‌اند. در مقابل، آنیل کردن برای رهایی از تنش‌های ناشی از نورد سرد به کار می‌رود.

نرمالیزه کردن برای چه فولادهایی مناسب است؟

توانایی ویژه نرماله کردن عمدتا برای فولادهای کربنی و برخی فولادهای آلیاژی با کربن متوسط کاربرد دارد. این فرآیند به‌ویژه برای فولادهای ریخته‌گری شده که دارای ساختار درشت‌دانه و غیریکنواخت هستند، بسیار مفید است؛ چرا که به ریزتر شدن دانه‌ها و یکنواخت‌سازی ساختار کمک می‌کند.

این مقاله را حتما بخوانید: فولاد سبز چیست؟ هر آنچه باید بدانید!

همچنین، فولادهایی که تحت نورد گرم یا فورجینگ قرار گرفته‌اند و دچار کشیدگی دانه‌ها یا تفاوت در سرعت سرد شدن مقاطع مختلف شده‌اند، از نرماله کردن بهره می‌برند تا خواص مکانیکی آن‌ها در سراسر قطعه همگن شود. این عملیات در نهایت، به افزایش قابلیت ماشین‌کاری و کاهش تنش‌های داخلی در این نوع فولادها منجر می‌شود.

نتیجه گیری

نرماله کردن فولاد، یک توانایی ویژه حرارتی حیاتی است که برای بهینه‌سازی خواص مکانیکی و ساختار فولاد انجام می‌شود. این فرآیند، با خنک‌سازی در هوای آزاد، به ریزتر شدن و یکنواخت شدن دانه‌ها، افزایش استحکام و مقاومت در برابر ترک‌خوردگی و بهبود قابلیت ماشین‌کاری کمک می‌کند. نرماله کردن به‌ویژه برای فولادهای ریخته‌گری شده یا آن‌هایی که تحت نورد گرم قرار گرفته‌اند، ساختاری یکدست‌تر و خواصی مطلوب‌تر به ارمغان می‌آورد و آن را برای کاربردهای صنعتی گوناگون آماده می‌سازد.

دگرریختی فلزات با حرارت بالا یا نورد گرم، شیوه‌ای بنیادین در صنعت فلزکاری است که طی آن، فلز تا دمایی بالاتر از نقطه تبلور خود گرما دیده و سپس با گذر از میان غلتک‌های دوارِ دستگاه نورد، تحت فشار شکل می‌گیرد. این فرایند، امکان تولید قطعات حجیم، نیمرخ‌های چندوجهی و اجزای مستحکم را فراهم می‌آورد و نقشی حیاتی در صنایعی چون ساختمان‌سازی، خودروسازی، زیرساخت‌ها و تولیدات ایفا می‌کند. این تکنیک با بهره‌گیری از دستگاه‌های نوردِ ویژه، که مجهز به غلتک‌های گردان برای اعمال نیروی فشاری و تغییر شکل فلز هستند، امکان ایجاد اشکال گوناگون را میسر می‌سازد.

نورد گرم چیست؟

نورد گرم، فرآیند شکل‌دهی فلزات در دمای بالاتر از تبلور مجدد است. در این روش، قطعه فلزی گداخته از میان غلتک‌ها عبور کرده و ضمن کاهش ضخامت، طول آن افزایش می‌یابد. این عملیات، ساختار دانه‌ای فلز را بهبود بخشیده و خواص مکانیکی مطلوبی ایجاد می‌کند. نورد گرم، به‌ویژه برای تولید ورق گالوانیزه و دیگر ورق های فولادی و مقاطع سنگین کاربرد دارد.

مراحل نورد گرم

در فرآیند شکل‌دهی گرم فلزات، قطعات خام اولیه نظیر شمش و بیلت، تحت یک سری عملیات مشخص، به ورق‌ها و پروفیل‌های متنوع تبدیل می‌گردند. این دگرگونی، با اعمال توأمان حرارت و فشار، ساختار و فرم ماده اولیه را دستخوش تغییر نموده و محصولات نهایی متفاوتی را به ارمغان می‌آورد که در ادامه به تشریح چگونگی انجام این فرآیند خواهیم پرداخت.

• آماده کردن مواد

در گام نخست، عناصر فلزیِ مورد نظر، نظیر فولاد، آلومینیوم یا مس، گزینش می‌شوند. این مواد، غالباً به شکل قطعات اولیه بزرگ، مانند بیلت یا شمش، فراهم شده و برای ورود به مرحله حرارت‌دهی آماده می‌گردند.

• گرم کردن و آماده کردن

قطعات اولیه فلزی، اعم از بیلت یا شمش، به منظور افزایش نرمی و انعطاف‌پذیری، در کوره‌های پیش‌گرمایش تا دمایی فراتر از آستانه تبلورشان حرارت داده می‌شوند. این کوره‌های ذوب خودکار، با حرکت دادن پیوسته قطعات درون محفظه گرم، تا رسیدن به انتهای مسیر، دمای یکنواخت و مطلوبی را ایجاد می‌کنند و سپس قطعات توسط سیستم پرتابگر از کوره خارج می‌شوند.

• پوسته زدایی

در این گام، با استفاده از روش‌های متنوع، لایه‌های اکسیدی شکل‌گرفته بر سطح فلز زدوده می‌شوند. حذف مؤثر این پوسته‌ها، نقشی حیاتی در حصول کیفیت مطلوب فولاد تولیدی ایفا می‌کند و از اهمیت بسزایی برخوردار است.

• عمل نورد

پس از زدودن لایه‌های اکسیدی، قطعات فلزی گرم‌شده، اعم از شمش یا بیلت، وارد دستگاه نورد می‌شوند. در این مرحله، قطعه از میان غلتک‌هایی با فاصله تنظیم‌شده و کمتر از قطر اولیه عبور می‌کند. این گذر، با اعمال فشار و تغییر شکل پلاستیک، ضخامت قطعه را کاهش داده و آن را برای مراحل تکمیلی آماده می‌سازد.

• سنجش ضخامت، تاب گیری و خنک کردن

پس از اتمام فرایند نورد، قطعه فلزی تحت ارزیابی ضخامت و رفع احتمالی انحنا با دستگاه تاب‌گیر قرار می‌گیرد. سپس، با استفاده از شیوه‌های گوناگون، قطعه سرد شده و به منظور آماده‌سازی نهایی، به ابعاد مطلوب برش داده می‌شود و به صورت خودکار، رول می‌گردد. شایان ذکر است که محصولات حاصل از این مرحله، که به ورق‌های سیاه موسومند، برای تبدیل به ورق‌های نازک‌تر، نیازمند گذراندن فرایند تکمیلی نورد سرد هستند.

مزایای نورد گرم

این فرایند شامل ویژگی ها و مزایای مختلفی می شود که در ادامه به آن ها اشاره خواهیم کرد:

قابلیت شکل پذیری در نورد گرم:

در مراحل نورد گرم، با بهره‌گیری از دماهای بالا، زمینه را برای انعطاف‌پذیری و شکل‌دهی آسان‌تر فلزات مهیا می‌سازد. حرارت، موجب نرم شدن ساختار فلز شده و امکان تبدیل آن به اشکال متنوعی نظیر ورق، صفحه، میله و سایر مقاطع را فراهم می‌آورد.

بهتر شدن ویژگی های مکانیکی:

پروسه نورد گرم، با ایجاد دگرگونی در ساختار میکروسکوپی فلزات، به بهبود ویژگی‌های مکانیکی آن‌ها منجر می‌شود. دمای بالا در این فرایند، پدیده تبلور مجدد و توسعه دانه‌ها را تسهیل کرده و ساختاری ریزدانه و پالایش‌شده ایجاد می‌کند. این پالایش، موجب ارتقاء شاخص‌هایی نظیر مقاومت و چقرمگی شده و همچنین به کاهش تنش‌های داخلی و ایجاد یکنواختی بیشتر در ماده کمک می‌کند.

قیمت پایین تولید:

نورد گرم، به دلیل کاهش نیروی لازم برای تغییر شکل فلز در دماهای بالا و همچنین افزایش سرعت تولید، روشی اقتصادی‌تر نسبت به نورد سرد محسوب می‌شود. این فرایند، با ارائه مزایایی همچون بهبود انعطاف‌پذیری در حین عملیات، ارتقاء خواص مکانیکی و صرفه اقتصادی، به عنوان یک روش چندمنظوره و کارآمد در تولید شناخته می‌شود. این ویژگی‌ها، نورد گرم را به گزینه‌ای مطلوب برای شکل‌دهی فلزات در صنایع گوناگون، از جمله ساخت‌وساز و خودروسازی، بدل کرده است.

معایب نورد گرم

با اینکه این روش شامل مزایایی می شود، اما باید به معایب آن هم پیش از خرید توجه داشت که که در ادامه به بررسی آن ها خواهیم پرداخت:

خطای ابعادی:

در عملیات نورد گرم، به دلیل انجام فرآیند در دماهای بالا و اعمال تغییر شکل پلاستیک بر فلز، مستعد ایجاد اعوجاج و انحراف از ابعاد دقیق مورد نظر است. این پدیده ناشی از عواملی مانند انبساط و انقباض حرارتی غیریکنواخت، تغییر شکل غیریکنواخت در طول قطعه و تنش‌های پسماند است. در نتیجه، محصول نهایی نورد گرم معمولاً دقت ابعادی پایین‌تری نسبت به نورد سرد دارد.

نقص های ظاهری:

فرآیند نورد گرم، به دلیل ماهیت خود، موجب تشکیل رسوبات سطحی می‌گردد که زدودن آن‌ها ضروری است. همچنین، این فرآیند ممکن است منجر به ناهمواری و اعوجاج سطح قطعه شود که برای حصول سطح مطلوب، نیازمند انجام عملیات تکمیلی اصلاحی خواهد بود. این ناهمواری‌ها می‌توانند شامل زبری، پستی و بلندی، و انحناهای ناخواسته باشند که با روش‌هایی مانند سنگ‌زنی یا ماشین‌کاری دقیق، قابل رفع هستند.

مصرف انرژی نورد گرم:

فرآیند نورد گرم مستلزم اعمال حرارت شدید به فلز است که این امر، مصرف بالای انرژی را به دنبال داشته و به تبع آن، پیامدهای زیست‌محیطی ناگزیر را موجب می‌گردد.

محدودیت‌های زیست‌محیطی مواد:

تمام فلزات برای شکل‌دهی توسط نورد گرم مساعد نیستند. عناصری با نقطه ذوب پایین یا استعداد واکنش شیمیایی بالا، در مواجهه با حرارت بالای نورد گرم، احتمالاً دچار اکسایش شدید یا آسیب‌های ساختاری دیگر می‌شوند. در این شرایط، تکنیک‌های شکل‌دهی جایگزین، مانند نورد در دمای محیط، گزینه‌های مناسب‌تری به شمار می‌روند، زیرا از وقوع تغییرات نامطلوب در ساختار ماده جلوگیری می‌کنند. این محدودیت، دامنه کاربرد نورد گرم را به دسته‌ای خاص از مواد محدود می‌سازد.

تفاوت نورد گرم با نورد سرد

نورد سرد و نورد گرم دو فرآیند کلیدی در شکل‌دهی فلزات، به‌ویژه فولاد، هستند که در دماهای متفاوت انجام می‌شوند و خواص و کاربردهای متفاوتی را به محصول نهایی می‌بخشند. در نورد گرم، فلز در دمایی بالاتر از دمای تبلور مجدد خود (معمولاً بالای ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد برای فولاد) شکل داده می‌شود. این امر باعث کاهش مقاومت فلز در برابر تغییر شکل و افزایش انعطاف‌پذیری آن می‌شود. در نتیجه، می‌توان قطعات بزرگ‌تر و با اشکال پیچیده‌تر را با نیروی کمتری تولید کرد. با این حال، به دلیل اکسیداسیون سطح فلز در دماهای بالا، دقت ابعادی و کیفیت سطح محصول نهایی در نورد گرم پایین‌تر است.

در مقابل، نورد سرد در دمای اتاق یا دمای پایین‌تر از تبلور مجدد انجام می‌شود. این فرآیند باعث افزایش استحکام و سختی فلز می‌شود، اما از انعطاف‌پذیری آن می‌کاهد. محصولات نورد سرد دارای سطح صاف‌تر، دقت ابعادی بالاتر و خواص مکانیکی بهبود یافته‌ای هستند. به همین دلیل، برای کاربردهایی که دقت و کیفیت سطح اهمیت دارند، مانند قطعات خودرو، لوازم خانگی و ورق‌های نازک، مناسب‌تر هستند. با این حال، نورد سرد نیازمند نیروی بیشتری برای شکل‌دهی فلز است و محدودیت‌هایی در ابعاد و شکل قطعات تولیدی دارد. به طور خلاصه، نورد گرم برای تولید قطعات حجیم و با هزینه کم مناسب است، در حالی که نورد سرد برای تولید قطعات با دقت ابعادی بالا و سطح صاف کاربرد دارد.

کاربردهای نورد گرم در صنایع مختلف

نورد گرم به عنوان یک فرآیند شکل‌دهی فلزات در دماهای بالا، نقشی حیاتی در تولید طیف وسیعی از محصولات صنعتی ایفا می‌کند. این روش، به‌ویژه برای تولید قطعات سنگین و حجیم با اشکال پیچیده، مانند پروفیل‌های ساختمانی (تیرآهن، ناودانی، قوطی)، لوله‌های انتقال سیالات (نفت، گاز، آب)، ریل‌های راه‌آهن و قطعات خودرو (شاسی، بدنه) کاربرد گسترده‌ای دارد.

ساخت و ساز و زیرساخت

فولاد حاصل از نورد گرم، به عنوان رکن بنیادین در سازه‌های عمرانی، جهت تولید قطعات باربر، تیرها، ستون‌ها و صفحات ضخیم مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد. این فرآیند، منجر به شکل‌گیری عناصری مقاوم و مستحکم می‌گردد که پایداری و طول عمر بناها، پل‌ها و زیرساخت‌ها را تضمین می‌نماید.

صنعت خودروسازی

فولاد در صنعت خودروسازی محصولی از فرآیند نورد گرم است و به دلیل ویژگی‌های برجسته‌ای همچون مقاومت بالا و صرفه اقتصادی، جایگاه ویژه‌ای در ساخت اجزای گوناگون دارد. از این نوع فولاد، در تولید قطعاتی نظیر ساختار اصلی بدنه (شاسی)، بخش‌های مرتبط با سیستم تعلیق و حرکت (چرخ‌ها) و همچنین قطعات داخلی موتور بهره‌گیری می‌شود. این امر، به دلیل توانایی فولاد نورد گرم در تحمل تنش‌های بالا و همچنین هزینه تولید پایین‌تر نسبت به سایر روش‌ها، توجیه اقتصادی و فنی مناسبی دارد.

صنایع نیرو

صفحات و قطعات فولادی تولید شده به روش نورد گرم، نقشی تعیین‌کننده در صنایع انرژی و تأمین نیرو ایفا می‌کنند. این محصولات، در ساخت تأسیسات تولید برق، دکل‌های انتقال انرژی، شبکه‌های لوله‌کشی و سازه‌های دریایی مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا فولاد نورد گرم، پایداری و مقاومت قابل توجهی در برابر فرسایش از خود نشان داده و الزامات زیرساخت‌های حیاتی این بخش را برآورده می‌سازد.

ساخت و ساز ماشین آلات

تولیدات صنعتی و ماشین‌سازی به شدت به قطعات فلزی ورقه‌ای و میله‌ای که از طریق فرآیند نورد گرم تولید می‌شوند، وابسته هستند. این قطعات در ساخت بخش‌های گوناگون ماشین‌آلات، ساختارهای نگهدارنده تجهیزات، ابزارهای کشاورزی و طیف وسیعی از ابزارهای صنعتی کاربرد دارند. نورد گرم امکان تولید موادی با مقاومت و استحکام بالا را فراهم می‌کند که توانایی تحمل وزن‌های سنگین و دماهای بالا را دارا هستند.

کشتی سازی

صفحات فولادی حاصل از نورد گرم، نقشی بنیادین در صنعت کشتی‌سازی ایفا می‌کنند. این صفحات، در ساخت بخش‌های مختلف کشتی از جمله بدنه، عرشه و سایر اجزای سازه‌ای به کار گرفته می‌شوند، زیرا این فرآیند، تولید ورق‌های ضخیم با مقاومت و چکش‌خواری بالا را میسر می‌سازد.

جمع بندی

فرآیند نورد گرم، پروسه ای بنیادین در صنعت فولاد است که طی آن، فولاد در دماهایی بالاتر از دمای تبلور مجدد خود (معمولاً بالای ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد) تحت تغییر شکل پلاستیک قرار می‌گیرد. این دما، ساختار کریستالی فولاد را به گونه‌ای دگرگون می‌سازد که مقاومت آن در برابر تغییر شکل به شدت کاهش یافته و انعطاف‌پذیری آن افزایش می‌یابد.

همانطورکه می‌دانید کربن عنصری است که باعث افزایش مقاومت و استحکام در آهن می‌شود. زمانی که کربن با آهن ترکیب می‌شود ماده‌ی مستحکم‌تری ایجاد می‌کند به نام فولاد، کم شدن این عنصر باعث انعطاف پذیری بیشتر در ساختار‌های مکانیکی آلیاژها بخصوص فولاد می‌شود. در کارخانه‌ها گاها برای ایجاد آلیاژی جدید، فولاد را به دمای بالاتر از ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسانند که این امر باعث فرآیندی منفی به نام کربن زدایی در فولاد می‌شود. که در ادامه با ابعاد مختلفی از این فرآیند آشنا خواهیم شد:

کربن زدایی در فولاد چیست؟

همان‌طور که پیش‌تر گفته شد، برای تولید آلیاژ‌های فولادی، کارخانه‌ها مجبورند که فولاد را گاها تا بیشتر از دمای تبلور برسانند که این امر باعث از دست رفتن کربن روی سطح فولاد شده که به این فرآیند کربن زدایی گفته می‌شود. دلیل اصلی از دست رفتن کربن، واکنش آن با گاز‌های هیدروژن و اکسیژن موجود در اطراف آن است. باید توجه داشت که عنصر کربن در فولاد بسیار پر اهمیت است چرا که مقاومت کششی فولاد و استحکام آن بستگی به کربن موجود در آن دارد.

چگونه می‌توان مانع کربن زدایی شد؟

از آن جایی که کربن زدایی اجتناب ناپذیر است، روش‌هایی برای جلوگیری از آن وجود دارد که در ادامه به دو مورد از آن اشاره می‌کنیم:

• جلوگیری از رسیدن فولاد به دمای بیش از ۷۰۰ درجه‌ی سانتیگراد

گاها می‌توان برای رسیدن به آلیاژهایی از فولاد، آن را تا دمای بیش از تبلور بالا نبرد و این امر باید به صورت دقیق و کنترل شده انجام شود.

• بکارگیری گازهای آرگون و نیتروژن

همانطور که می‌دانید برای رسیدن به آلیاژ‌هایی از فولاد، تبلور مجدد آن و رساندن آن به دمای بالاتر از ۷۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد امری اجتناب ناپذیر است. برای جلوگیری از کربن زدایی فولاد، سطح فولادی را در محاصره‌ی نیتروژن و آرگون قرار می‌دهند تا از واکنش سطح آن با اکسیژن و هیدروژن جلوگیری نمایند.

چگونه می‌توان کربن زدایی را از بین برد؟

به علت گران بودن گاز‌های نیتروژن و آرگون، همچنین هزینه بر بودن فرآیند‌های جلوگیری از کربن زدایی این فرآیند امری است که در اکثر مواقع اتفاق می‌افتد. اما با بکارگیری دو روش معمول زیر می‌توان اثر منفی کربن‌زدایی محصول فولادی را از بین برد.

• روش ماشین‌کاری و سنگ ‌زنی

از آن جایی که کربن زدایی در سطح محصولات فولادی رخ می‌دهد، با برداشتن لایه‌ایی از محصول با روش‌های فرز‌کاری یا سنگ‌زنی می‌توان بخش کربن زدایی شده را حذف نمود.

• اضافه نمودن هیدروکربن‌ها به محصول فولادی

برای بازگرداندن کربن از دست‌رفته، آلیاژ فولادی را به مرحله‌ی تبلور مجدد رسانده سپس برای بازگرداندن کربن از دست رفته، آن را در معرض هیدرو کربن‌ها قرار می‌دهند.

با چه روش‌هایی کربن زدایی تشخیص داده می‌شود؟

• اندازه‌گیری میزان سختی فولاد و مقاومت آن قبل و بعداز تبلور مجدد، که با کاهش میزان مقاومت آن بعد از عملیات تبلور به این نتیجه می‌رسیم که کربن زدایی اتفاق افتاده است.
• جداسازی قسمتی از فولاد که تحت تأثیر تبلور مجدد قرار گرفته است و مشاهده‌ی میزان مولکول‌های کربن در فولاد بوسیله‌ی میکروسکوپ. در این روش میزان کربن زدایی به صورت دقیق‌تری بررسی و تشخیص داده می‌شود.

چرا کربن زدایی گاها تحت کنترل انجام می‌شود؟

در برخی موارد برای تولید محصولات فولادی و رسیدن به آلیاژی خاص نیاز به کاهش کربن از فولاد است. که این امر تحت کنترل و دقت انجام می‌پذیرد. برخی محصولات فولادی نیاز است که انعطاف پذیرتر، چکش خوارتر و جوش پذیرتر باشند. همچنین برای‌ اینکه بتوان خاصیت استحکام و مقاومت کششی فولاد را نیز حفظ کرد، به فولاد کربن‌زدایی شده منیزیم و نیکل اضافه می‌کنند.

معایب کربن زدایی کنترل نشده

اگر فرآیند کربن زدایی به صورت کنترل شده انجام نشود تأثیرمنفی بر خاصیت و ویژگی‌های مکانیکی فولاد می‌گذارد. از آن جایی که فولاد کربن زدایی شده، سطح کیفی پایینی دارد، چنانچه در پروژه‌‌های متفاوت از آن بهره‌گیری شود، می‌تواند همراه با خسارتی باشد. با توجه به اینکه با کربن زدایی میزان مقاومت فولاد کاهش می‌یابد در مصارفی که نیازمند به مقاومت و استحکام بالا است، نمی‌توان از فولاد کربن زدایی شده استفاده نمود.

یکی از مقاطع مهم فولادی در مصارف ساختمان‌سازی، بدون شک میلگرد است. اتصال میلگردها از آن دسته از موضوعاتی است که در اجرای پروژه های عمرانی اهمیت بسزایی دارند. برای متصل نمودن انواع میلگرد به یکدیگر، روش‌های مختلفی بکارگرفته می‌شود که می‌توان به روش های: اتصالات مکانیکی، کوپلینک، اتصال اورلپ میلگرد و جوش سر به سر میلگرد یا فورجینگ اشاره نمود. دراین مقاله به تحلیل و بررسی جوش فورجینگ، معایب این روش، ابزارهای مورد نیاز آن می‌پردازیم. برای اطلاع از قیمت روز میلگرد می توانید با کارشناسان ایران فرمینگ در ارتباط باشید.

معرفی جوش فورجینگ

از روش های مرسوم اتصال میلگردهای به یکدیگر به ویژه در ایران می‌توان به روش جوشکاری فورجینگ یا جوش سربه سر میلگرد اشاره نمود. درانجام این روش، ابتدا شعله‌ای با بهره‌گیری از گاز اکسیژن و یک گاز سوختنی ایجاد می‌شود و سپس با شعله‌ی ایجاد شده دو سر میلگرد را گرم کرده تا به شکل خمیری شکل درآیند. در انتها میلگردهای حرارت دیده و نرم شده با اعمال فشار به هم اتصال صورت می‌گیرد.

تجهیزات مورد نیاز در جوش فورجینگ

۱-نگه‌دارنده میلگرد

میله نگه دارنده یا همان کلمپ کمک می کند تا دو میلگرد در یک راستا قرار بگیرند. این میله شامل کلگی، فک ثابت، فک متحرک، پیچ‌های تنظیم و پیچ های نگه دارنده است.

۲-دستگاه برش

در جوش فورجینگ برای داشتن نتیجه مطلوب باید سطح مقطع میلگرد صاف و بدون خش باشد. در صورت وجود آسیب، رنگ زدگی، خوردگی در سطح مقطع میلگرد به نتیجه مطلوب نمی رسیم لذا با بکارگیری دستگاه برش سرد می توانیم قبل از جوش سر به سر میلگرد به سطحی صیقلی برسیم.

۳-مخازن و فشارسنج

برای رسیدن به نتیجه ی مطلوب در پروسه فورجینگ، از دو مخزن استفاده می‌شود. اولین مخزن محل نگه داری گاز استیلن و دومی محل گاز اکسیژن است. که هرکدام از آن ها دارای شیر عبور گاز و فشارسنج جداگانه می‌باشند. همچنین برای خارج شدن گاز از درون مخزن‌ها نیاز به لوله‌ای مخصوص است.

این نکته نیز قابل توجه است که فشار مخزن اکسیژن در جوش فورجینگ باید بین پنج تا هفت bar و فشار استیلن باید ۰/۵ bar باشد. هر دوی این مخازن که در عملیات فورجینگ مورد استفاده قرار می‌گیرند دارای یک مانومت ربا دو درجه اند. یک درجه به سمت مخزن که فشار گاز داخل مخزن را به نمایش می‌گذارد و دیگری نمایانگر فشار گاز خروجی است.

۴-دستگاه ایجاد فشار

برای داشتن یک فورجینگ عالی، نیازمند دستگاهی به عنوان دستگاه اعمال فشار هستیم. این وسیله با اعمال نیرویی که به کمک فشار روغن سیلندر ایجاد می‌شود سبب اتصال میلگردها به یکدیگر می‌گردد. همچنین این دستگاه توانایی تنظیم فشار را با توجه به قطر میلگردها دارا بوده و کنترل فشار به شکل دستی انجام می‌شود.

۵-مشعل جوش

در فرآیند جوشکاری سر به سر میلگردها، گاز استیلن و اکسیژن که بوسیله ی لوله ها به بیرون آمده‌اند به یک مشعل می‌رسند و در آنجا با هم ترکیب می‌شوند. با این ترکیب، مخلوط قابل اشتعالی بدست می‌آید که از آن برای گرم کردن، نرم و خمیری شدن سر میلگردها استفاده می‌شود.

این مشعل دربرگیرنده‌ی شیرهایی برای تنظیم و کنترل میزان خروجی گازهای اکسیژن و استیلن بوده و همچنین برای کم و زیاد کردن این ترکیب است که بر روی کیفیت شعله نهایی تأثیر می گذارد. شیر قرمز برای کنترل گاز استیلن و شیر آبی برای تنظیم خروجی گاز اکسیژن استفاده می گردد.

معایب جوش سر به سر میلگرد (فورجینگ) چیست؟

جوش فورجینگ در دهه‌ی شصت میلادی از مرسوم‌ترین روش‌ها در اتصال میلگردها بوده است. چرا که کاربران با توجه به جوش‌دادن میلگردها براین باور بودند که استقامت و دوام کار افزایش یافته و از طرفی به دلیل به کار نبردن اورلپ میلگرد در هزینه‌ها صرفه جویی می‌شود.

اما با گذشت زمان و تحلیل دقیق، معایب این شیوه شناسایی و میزان بهره‌گیری از روش جوش فورجینگ به طور چشم گیری کاهش یافت. این در حالی است که هنوز در ایران این روش به عنوان پرکاربردترین شیوه‌ برای اتصال میلگردها محسوب می‌شود. در برای شناخت بهتر این روش و بررسی معایب آن نکاتی قابل توجه است:

• یکی از اصلی‌ترین ایرادات وارده به این روش اتصال،  استفاده از گاز استیلن برای بوجود آمدن شعله و گرمای مورد نیاز در جوش سربه سر میلگرد است. چراکه کنترل میزان حرارت کار مشکلی است و عدم مدیریت حرارت می‌تواند بر روی میزان کیفیت کار نهایی اثرگذار باشد.
• آب و هوای منطقه‌ی اجرای پروژه نقش اساسی برکیفیت نهایی جوش سر به سر میلگردها دارد از همین رو، در مناطق سرد سیر جوش فورجینگ گزینه‌ی مناسبی نمی‌باشد چرا که میزان شکنندگی افزایش می‌یابد. دمای محلی که در آن جوشکاری به روش جوش فورجینگ انجام می شود بر کیفیت کار تأثیرگذار است.
• وقتی که دو میلگرد تحت گرما و حرارت قرار داده می‌شوند در واقع کاری کاملا تقریبی انجام می‌شود که دراین مرحله نیز، نیازمند به نیروی کارآمد و ماهر است چرا که عدم وجود روند ثابت و منظم حرارت دهی باعث تحت تأثیرقرار گرفتن نتیجه نهایی می‌شود.
• در روش جوش فورجینگ نیاز به نیروی کارآمد و متخصص است و در صورت عدم بهره‌گیری از این نیروی ماهر، کیفیت و رضایتمندی از این سازه کاهش می‌یابد.
• جوش فورجینگ زمانی که در آرماتوربندی استفاده می شود با ایجاد تغییرات ساختاری در مقطع، میزان مقاومت و استحکام تا حد زیادی کم می‌شود و در نتیجه میلگردهای متصل شده به هم با روش سر به سر در مقابل باد آسیب پذیر می‌باشند.

تست کیفیت جوش فورجینگ

باتوجه به اینکه کیفیت جوش فورجینگ ضروری است و استقامت یک بنا به استحکام میلگردها وابسته است بررسی کیفیت و بازدهی این نوع از اتصال بسیار پر اهمیت است از این رو تست هایی انجام می شود که به آن می‌پردازیم.

انواع تست جوش سر به سر میلگرد:

• تست مشاهده‌ای

برای جوش فورجینگ در مرحله‌ی اول از ظاهر آن می‌توان معایب آن را مشاهده نمود. در یک جوش صحیح و سالم، قطر قسمت جوشکاری شده، شیب کمی از قسمت جوش تا قطر میلگرد دارد. اگر به هر دلیلی اعم از حرارت بیش از حد، اختلال در فشار پمپ و … این شیب استاندارد ایجاد نشد، با فشار یا کشش بر میلگرد از ناحیه‌ی جوش شکسته شده و اتصال آن ها قطع می‌گردد.

• تست کششی

دراین روش با کشیدن دو سر میلگردهای جوش‌خورده اگر در محل جوش، شکستگی ایجاد شود، مشخص می‌شود که عملیات جوش فورجینگ با کیفیت نبوده و صحیح انجام نشده است .

• تست خمش

تست خمش از بهترین تستها برکنترل کیفیت جوشکاری است. در این روش با استفاده از وسیله‌ی خم کن هیدرولیکی، میلگردها از محل جوشکاری تا ۹۰ درجه خم می‌شوند. در صورت بروز ترک یا شکستگی معلوم می‌گردد که جوش سربه سر میلگرد بدرستی اجرا نشده است.

جمع بندی

با وجود اینکه جوش فورجینگ در دنیا متداول نیست اما در ایران کماکان از پرکاربردترین روش‌های جوش میلگرد به حساب می‌آید . از جمله عواملی که کاربران را در بکارگیری این روش مردد می‌کند نیازمندی به دقت، مهارت بالا و وابستگی این روش به آب و هوای محیط اجرای پروژه است .

هنگام خریدن محصولات فولادی باید به مقادیر و پارامترهای مختلفی دقت کرد. یکی از این مقدار استحکام کششی است که معمولا مهندسان دقت بالایی برای این شاخصه در زمان خرید دارند. این پارامتر می‌تواند یک شاخصه مهم برای تعیین نحوه عملکرد فلزات باشد.این استحکام به خصوص در زمان خرید میلگرد برای ساخت و ساز اهمیت بالاتری پیدا می‌کند. میلگردها ستون‌های نامرئی ساختمان‌ها هستند و مقاومت این مقاطع فولاد در برابر کشش در استحکام یک بنا بسیار مهم و حیاتی است.

استحکام کششی چیست؟

در یک تعریف ساده استحکام کششی به توانایی مقاومت یک فلز در برابر نیروهای وارده گفته می‌شود. در واقع این توانایی مقاومت که با شاخصه گفته شده سنجیده می‌شود، می‌تواند یکی از پارامترهای نشان دهنده استحکام فولاد نیز باشد.مقدار این مقاومت از فلزی به فلز دیگر متفاوت است و حتی در مورد فولاد نیز ممکن است شاهد استحکام متفاوت کششی یک محصول فولادی نسبت به دیگر محصول فولادی مشابه باشیم.

این شاخصه حتی می‌تواند کاربرد یک فلز را در یک پروژه مشخص کند.این استحکام یکی از شاخصه‌های اصلی برای سنجش فلزاتی مانند فولاد است. در میان مقاطع فلزی، این فولاد است که استحکام بالایی دارد و دلیل پرفروش شدن فولاد و استفاده گسترده آن در صنایع مختلف نیز استحکام نهایی است که این فلز دارد.در پروژه‌های ساختمانی که به وفور از مقاطع فولادی همچون میلگردها استفاده می‌شود از این شاخصه برای محاسبه مقاومت در مورد تغییر شکل و شکستن استغاده می‌شود.

در واقع این پارامتر مشخص می‌کند که برای تحمل وزن سازه به چه میزان میلگرد از چه نوعی نیاز است.محاسبه دقیق مقاومت کششی نهایی می‌تواند در بودجه شما نیز صرفه‌جویی کرده و باعث شود که دقیقا به میزان مورد نیاز میلگرد خریداری و استفاده کنید. محاسبه دقیق این شاخصه به خصوص در مورد سازه‌هایی مانند پل‌ها که وزن بالایی را تحمل می‌کنند، دارای اهمیت بیشتری است.

این شاخصه معمولا بر اساس واحد نیرو بر سطح محاسبه می‌شود. بیشترین واحد استفاده شده پاسکال بر اینچ مربع و یا پوند بر اینچ مربع است.

انواع استحکام کششی

استحکام کششی یک شاخصه کلی است و به همین دلیل برای محاسبه بهتر آن باید با  انواع این مقاومت آشنا بوده و هر کدام از آن‌ها را بر اساس نیاز به صورت مجزا محاسبه کرد. این استحکام در حالت کلی به 3 نوع مختلف تقسیم بندی می‌شود. این 3 نوع مقاومت کششی را به شکل زیر می‌توان طبقه بندی کرد:

1 – استحکام تسلیم:

این نوع از استحکام به نیرویی گفته می‌شود که فولاد بدون تغییر شکل دائمی قادر به تحمل کردن آن است. این استحکام مشخص می‌کند که حداکثر باری که امکان اعمال آن بر روی مقطع فولادی وجود دارد، به چه میزان است.

2 – استحکام شکست:

این نوع از استحکام نیز در واقع میزان استرس وارده بر مقطع فولادی است که موقع شکست منحنی تنش – کرنش وجود خواهد داشت.

3 – استحکام نهایی:

استحکام نهایی که به آن مقاومت نهایی نیز گفته می‌شود، حداکثر کششی است که مقطع فولادی می‌تواند در نهایت بار و وزن تحمل کند. شاید بتوان این مورد را اصلی‌ترین شاخصه‌ای دانست که در زمان محاسبه در پروژه‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد.

اهمیت مقاومت کششی نهایی در فولاد

در بین انواع استحکام کششی، مقاومت کششی نهایی دارای اهمیت بسیار بالاتری است. دلیل این اهمیت را باید در مهم بودن این شاخصه در ایمنی و استحکام سازه‌ها دنبال کرد. این مقاومت حداکثر فشار و وزنی است که یک مقطع فولادی می‌تواند بدون شکست یا تغییر شکل تحمل کند و مهندسان با محاسبه آن موفق به ساخت ساختمان‌هایی با حداکثر مقاومت می‌شوند.

در واقع با مقایسه این شاخص می‌توان پیش بینی درست و دقیقی بر رفتار یک مقطع فولادی و ترکیبی از مقاطع استفاده شده در یک سازه داشت. این کار می‌تواند ضریب اطمینان خاطر در یک پروژه را در حد زیادی بالاتر ببرد.

همچنین مقاومت کششی نهایی می‌تواند بر کاربرد یک مقطع فولادی نیز مهر تایید بزند. معمولا مهندسان با محاسبه مقاومت کششی نهایی، تعیین می‌کنند که آیا یک مقطع فولادی برای کاربردهای خاص مناسب است یا اینکه باید از مقاطع دیگری برای این کار استفاده کرد. این شاخصه یک پارامتر مهم برای انتخاب نوع فلز برای استفاده در سازه‌های مختلف، ماشین آلات و اجزایی است که قرار است در آینده تحت فشار بالایی قرار بگیرند.

چگونگی محاسبه استحکام کششی

محاسبه استحکام کششی معمولا در زمان ساخت و توسط کارخانه تولید کننده مقاطع فولادی و یا هر نوع فلز دیگری انجام می‌شود و این شاخصه به عنوان یکی از شاخصه‌های محصول به خریدار ارائه می‌شود. این کار معمولا توسط آزمایشی که به آزمایش کشش معروف است، انجام می‌گیرد.

در این آزمایش فشار و نیروی زیادی بر مقطع فولادی وارد می‌شود و این فشار و نیرو تا زمانی که مقطع مذکور شکسته شود، ادامه پیدا می‌کند. نقطه شکست در یک فرمول به عددی  تبدیل می‌شود که معمولا به عنوان مقاومت کششی نهایی به خریدار محصول فولادی ارائه می‌شود. این فرمول بر اساس میزبان فشار و وزن وارد شده در زمان شکستن و تقسیم آن بر سطح مقطع فولادی، عدد نهایی را تعیین می‌کند.

این مقاله را حتما بخوانید: چگالی ورق گالوانیزه + نحوه محاسبه آن

تست کشش معمولا با یک دستگاه استاندارد به نام UTM انجام می‌شود. این دستگاه استاندارد دارای دو گیره در دو طرف است که مقطع فولادی در بین دو گیره محکم می‌شود. فشار وارده بر مقطع فولادی توسط این دو گیره لحظه به لحظه افزایش پیدا می‌کند تا شکست انجام شود.

استحکام کششی نهایی معمولا با واحد SI نمایش داده می‌شود که اغلب به صورت مگاپاسکال از آن نام برده می‌شود. این فرمول ساده می‌تواند به صورت N/m2 نیز نوشته شود.

استحکام تسلیم چیست؟

استحکام تسلیم که از آن به عنوان تنش تسلیم نیز نام برده می‌شود، یکی دیگر از شاخصه‌های مقاومت فلزات است که در زمان انتخاب انواع فلز برای استفاده در کاربردهای مختلف توسط مهندسان مورد بررسی قرار می‌گیرد.هنگامی که یک فلز تحت تنش قرار می‌گیرد، تغییر شکلی را تجربه می‌کند که معمولا قابل بازگشت است.

در واقع این نوع از شاخصه نشان می‌دهد که یک فلز یا مقطع فولادی با وارد شدن چه میزان وزن یا فشار دیگر به شکل اولیه قابل بازگشت نمی‌شود.استحکام تسلیم یک ماده یا فلز نیز معمولا توسط آزمایش کشش تعیین می‌شود. برای این آزمایش از دستگاه UTM استفاده می‌شود و فرمول آن نیز مشابه فرمول محاسبه مقاومت کششی است. تنش تسلیم با N/m2 یا پاسکال نمایش داده می‌شود.

به بیان ساده‌تر، تنش تسلیم را می‌توان نقطه‌ای دانست که نمودار تنش – کرنش که با آزمایش کشش به دست می‌آید، از حالت خطی به حالت منحنی تغییر شکل داده باشد. در بیشتر مواقع به دست آوردن دقیق میزان تنش تسلیم کار ساده‌ای نباشد.

تفاوت تنش تسلیم با استحکام کششی

تنش تسلیم و مقاومت کششی از بسیاری از جهات شباهت‌های زیادی به هم دارند اما در نهایت دو مفهوم متفاوت از هم هستند. این تفاوت را می‌توان در نوع تعریف دو شاخصه نیز به صورت دقیقی مشاهده کرد.

هر دو شاخصه تنش تسلیم و مقاومت کششی از مشخصه‌های مکانیکی فلزات هستند که میزان مقاومت هر فلز را در برابر شکست نشان می‌دهند. این موضوع به خصوص در مورد فولادها و انواع مقاطع فولادی بسیار اهمیت دارد و معمولا در کنار محصولات فولادی این دو شاخصه نیز به صورت کامل دقیق محاسبه و به خریدار اعلام می‌گردد.

تفاوت اصلی بین این دو شاخصه را باید در نوع محاسبه آن‌ها دنبال کرد. استحکام کششی بر اساس بیشترین تنش کششی که در صورت وارد شدن بر یک فلز باعث شکست آن می‌شود، محاسبه می‌گردد. اما تنش تسلیم میزان مقاومتی است که فلزات از خود نشان می‌دهند تا تغییر شکل ندهند و این تنش در واقع میزان نیرویی است که با وارد کردن آن یک مقطع فلزی یا فولادی به طور بازگشت ناپذیری تغییر شکل داده و دیگر به شکل اولیه خود برنمی‌گردد.

بر همین اساس اگرچه فرمول محاسبه یکسانی برای این دو شاخصه وجود دارد اما عدد به دست آمده و کاربرد آن‌ها کاملا متفاوت است.