تأثير دماي تمپر بر سختي و خواص كششي فولاد API 5CT T95

محمد عل ي سلطاني*1، كامران اميني1، عل ي نقيان2 و كرامت رفيعي2
مربي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد شهر مجلسي
كارشناس ارشد، مجتمع فولاد آلياژي اصفهان
*ma.soltani47@iaumajlesi.ac.ir
(تاريخ دريافت: 12/10/1388، تاريخ پذيرش: 28/01/1389)

چكيده
فولاد API 5CT T95 محدوده وسيعي از كاربرد را در صنايع نفت دارد. ساخت تجهيزاتي كه قبلاً در شركتهاي فولادساز ي خارجي انجام ميگرفت، اخي راً در شركتها ي فولادسازي داخل كشور شروع شده است و با توجه به كاربرد بسيار حساس و بحراني اين فولاد، مطالعه و تحقيق در زمينه موضوع مورد بحث از اهميت فوقالعادهاي برخوردار است. اين فولاد پس از ذوب، شمشريزي و شكلدهي جهت حصول خواص مكانيكي عالي تحت عمليات حرارتي سختكاري و بازپخت قرار ميگيرد. رسم نمودار بازپخت فولاد مذكور (تأثير دماي بازپخت بر سختي، استحكام كششي، استحكام تسليم، درصد ازدياد طول نسبي ودرصد كاهش سطح مقطع نسبي) كه در منابع مختلف موجود نيست، هدف اين تحقيق است. بدينمنظور تعدادي نمونه كشش از جنس فولاد فوقالذكر تهيه گرديد. تمام نمونهها در دماي 890 درجه سانتيگراد آستنيته و پس از كوئنچ در آب، هر نمونه در يك دماي ثابت (شامل 570، 600، 620، 635، 650، 660، 670، 680 و 700 درجه سانتيگراد) بازپخت شد. آنگاه نمونههاي مذكور تحت تست كشش قرار گرفتند و سختي آنها مورد بررس ي قرار گرفت. نتايج منجر به رسم نمودار تمپر فولاد كه راهنما ي اصل ي عمليات حرارت ي است، گرديد.

واژههاي كليدي:
فولادAPI 5CT T95 ، خواص مكانيكي، دماي بازپخت.

1- مقدمه
فولاد API 5CT T95 يكي از فولادهاي API (انجمن نفت امريكا) است كه معادل AISI ياDIN ندارد. اين فولاد جزء فولادهاي كم آلياژ با كربن متوسط و از خانواده فولادهاي با استحكام بالا است. همچنين با توجه به خواص استحكامي بالا، محدوده وسيعي از كاربرد را پس از سختكاري و تمپر در صنايع نفت دارد كه ميتوان به كاربرد آن در قطعات سر چاهي نفت شامل اسپول، والو و … اشاره كرد. اين فولاد حاوي مقادير كمي از عناصر آلياژي شامل منگنز، موليبدن، كروم، نيكل و سيليسيم است. بازپخت كردن معمولاً منجر به كاهش سختي نهائي فولاد ميشود ليكن حضور عناصر آلياژي در به تعويق انداختن افت سختي و استحكام بسيار مؤثر است [1 و 2].
عناصرMo و Mn كه دو عنصر اصلي فولاد API 5CT T95 را تشكيل مي دهند، چنين نقشي ايفا مي كنند. منگنز و سيليسيم به مقدار زياد در كاربيد حل نميشود بلكه عمدتاً در فريت حل شده و استحكام و سختي فولاد را بالا مي برد [2]. با افزايش مقدار عنصر Ni، سختي فولادها پس از بازپخت افزايش مييابد.
با توجه به اينكه اين عنصر در فاز كاربيد قرار نميگيرد، باعث استحكام فريت (حاوي ذرات درشت و پخش شده كاربيد) ميشود [1 و 3]. عنصر Mn نيز كه در فريت بيشتر از كاربيد محلول است، مشابه Si عمل ميكند با اين تفاوت كه قدرت آن در به تعويقاندازي نرم شدن در ضمن بازپخت، كمتر از Si ميباشد [1 و 2]. عنصر Cr نيز مي تواند مقاومت فولاد را در برابر نرم شدن در هنگام بازپخت افزايش دهد [2]. اين عنصر كه كاربيدزاي قوي مي باشد به دليل تشكيل كاربيد، حتي مي تواند باعث افزايش سختي در حين بازپخت (سختي ثانويه) نيز گردد [1]. براي مقاومت در برابر نرم شدن مخصوصاً در دماهاي بازپخت بالاتر، حتي Cr5/0% نيز كافي است. بنابراين فولاد API 5CT T95 كه داراي حدود Cr1% به همراه عناصر Ni و Mn مي باشد قاعدتاً بايد افت سختي ناچيزي را در حين عمليات بازپخت از خود نشان دهد. چنانچه مشاهده ميشود عناصر كاربيدزا در دماهاي بازپخت پايين نقش زيادي ندارند. عنصر Si چنانكه قبلاً هم اشاره شد به طور مؤثر و قابل ملاحظهاي، مقاومت به نرم شدن در حين بازپخت را افزايش مي دهد.
مطالعات ريزساختاري نشان داده كه علت اين امر، جلوگيري از استحاله كاربيد انتقالي به سمانتيت است [1 و 2]. عنصر Mn در دماهاي پايين بازپخت، اثر ناچيزي بر مقاومت به نرم شدن دارد، اما در دماهاي بالاتر، اثر آن تشديد مي شود. دليل اين موضوع، مشاركت Mn درتشكيل كاربيدها در دماهاي بالاي بازپخت ميباشد. اين عنصر داراي ضريب نفوذ كم بوده و بنابراين درشت شدن كاربيد را به تعويق مي اندازد [1 و 2]. وجود Cr در اين فولاد باعث تمايل به تردي آن در حين بازپخت مي گردد.
حضور توأم عناصرMn و Cr در فولاد نيز (در حد 2/1- 9/0% موجود در آن)، قابليت تردي بازپخت را افزايش مي دهد [4].
144780197328

68 فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مواد مجلسي / سال چهارم / شماره اول / بهار 1389
نتايج نشان داده است كه اگر مقدار Mn در فولاد كمتر از 5/0% باشد فولاد نسبت به تردي حرارتي حساس نخواهد بود [2]. با توجه به اثرات فوق، فولاد API 5CT T95 از قابليت ترد شدن در حين عمليات بازپخت برخوردار ميباشد كه براي حذف يا كاهش آن خصوصاً در قطعات بزرگ كه در آنها سرد كردن سريع پس از بازپخت كردن، اثر كمتري دارد، مي توان از Mo استفاده كرد. بنابراين به نظر ميرسد علت اصلي وجود مقادير جزئي Mo (كمتر از 3/0%) در تركيب شيميائي فولاد API 5CT T95، همين مطلب باشد [5]. تردي حرارتي در محدوده دمايي 575 – 375 درجه سانتيگراد رخ مي دهد. علاوه بر عناصر آلياژي، ناخالصيها نيز در بروز اين نوع تردي نقش مؤثري دارند. در فولاد API 5CT T95 حضور عناصر آلياژي Cr ،Mn ،Ni و Si، تجمع ناخالصي ها در مرزدانه هاي آستنيت را تقويت ميكند. اين تجمع به صورت نوار باريك و پيوسته در امتداد مرز دانه خواهد بود كه باعث افت تافنس مي گردد [6].
براي فولاد API 5CT T95، با توجه به كاربرد آن خواص مكانيكي مطلوب (استحكام، انعطافپذيري) زماني حاصل ميشود كه سختي فولاد پس از كوئنچ و بازپخت حدود 40-30 راكولسي باشد. محدوده دماي بازپخت توصيه شده براي فولاد API 5CT T95، 700-600 درجه سانتيگراد و دماي بازپخت متداول 650 درجه سانتي گراد مي باشد [7 و 8].

2- روش تحقيق
براي انجام آزمايشات ابتدا تعداد 20 عدد نمونه استوانهاي با قطـر18 ميلي متر و طول 120 ميلي متـر از جـنس فـولاد فـوقالـذكر بـاتركيب شيميائي مطابق جدول (1) تهيـه گرديـد و تحـت مراحـلذيل قرار گرفت. نمونه ها پس از آماده شدن ابتـدا در دمـاي 930 درج ه س انتيگ راد نرمال ه گردي د، آنگ اه در دم اي 890 درج ه سانتيگراد به مدت يـك سـاعت در كـوره الكتريكـي مجهـز بـهاتمسفر محافظت شونده با گاز آرگن آستنيته شده و بلافاصـله درمحيط آب با دماي حدود 30 درجه سانتيگـراد كـوئنچ گرديـد .
س پس نمون هه ا ب ه 8 گ روه 2 ت ايي تق سيم ش دند. گ روهه اي ه شتگان ه در دماه اي مختلـف ش امل 570، 600، 635، 650، 660، 680، 670 و 700 درج ه س انتيگ راد ب ه م دت 2 س اعت

بازپخ ت گرديدن د و آنگ اه در ه وا س رد ش دند . از ه ر نمون ه استوانهاي يك عدد نمونه كـشش طبـق اسـتاندارد(EN 10002) تهيه و تست كشش و سختي با روش راكولسي انجام گرديد.
به منظور تعيين ريزساختار نمونهها و بررسـيهـاي متـالوگرافي ازهر گروه يك عدد نمونه (جمعـاً 8 عـدد ) پـس از سـمبادهزنـي وپوليش با خمير آلومينا، توسط محلول اچ نايتال 2 درصد حكاكيگرديـــد و توســـط ميكروســـكوپ نـــوري مطالعـــه و نهايتـــاً تصويربرداري شد.

3- نتايج و مباحث
متوسط نتايج تست دو نمونه كشش شامل استحكام كششي، استحكام تسليم، درصد ازدياد طول نسب ي و درصد كاهش سطح مقطع نسبي در دماهاي مختلف بازپخت در جدول (2) آورده شده است. نمودار تغـييرات خواص كششي فولاد API 5CT T95 بر حسب دماي بازپخت كه در منابع مختلف موجود نيست و در

69 API 5CT T95 تأثير دماي تمپر بر سختي و خواص كششي فـولاد

جدول (1): تركيب شيميايي فولاد API 5CT T95 مورد آزمايش.
%C %Si %Mn %P %S %Cr %Mo %Ni %V %Al %Cu
0/32 0/29 0/97 0/018 0/007 1/11 0/29 0/35 0/02 0/021 0/11

جدول (2): خواص كششي فولاد API 5CT T95پس از سختكاري و بازپخت.
درصد كاهش
سطح مقطع (Z) درصد افزايش
(EL) طول استحكامYP تسليم
()
(N/mm²) استحكام نهايي (UTS)
(N/mm²) HBسختي
() دماي بازپخت °C))
67 17 800 898 265 570
65 18 759 861 255 600
69 22 705 818 240 635
71 23 660 780 230 650
72 24 637 761 225 660
73 25 628 753 220 670
73 25 610 739 220 680
72 24 566 695 210 700
حقيقت هدف اصلي پروژه حاضر است، در شكل (1) ترسيم شده است. متوسط نتايج تست سختي براي دماهاي مختلف بازپخت نيز در جدول (2) ارائه شده است. در اين جدول ديده ميشود سختي كاملاً وابسته به دماي بازپخت است. ريزساختار در تمام نمونهها مارتنزيت بازپخت شده است، اما با افزايش دماي بازپخت مورفولوژي مار تنزيت بازپخت شده خشنتر شده است. در شكل (2) ساختار ميكروسكوپي يكي از نمونهها (نمونهاي كه در درجه حرارت 650 درجه سانتيگراد بازپخت شده است)، براي نمونه آورده شده است.
در شكل (1) ملاحظه ميشود كه با افزايش درجه حرارت بازپخت استحكام كششي و استحكام تسليم به تدريج كاهش مييابد اما درصد ازدياد طول نسب ي و درصد كاهش سطح مقطع نسبي به تدريج افزايش مييابد. اين موضوع در اكثر منابع تحقيق شده و به اثبات رسيده است [2 و 3]. در شكل (3) ملاحظه ميشود كه با افزايش درجه حرارت بازپخت، سختي به تدريج

762197328

فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مواد مجلسي / سال چهارم / شماره اول / بهار 1389

1046226-258477

Z
UTS
YP
EL

شكل (1): نمودار تغييرات خواص مكانيكي فولاد API 5CT T95 بر حسب دماي بازپخت.

شكل (2): ريزساختار فولاد API 5CT T95براي نمونهاي كه بعد از آستنيته شدن در دماي 890 درجه سانتيگراد در آب كوئنچ گرديده و سپس در دماي 650 درجه سانتيگراد بازپخت شده است.

API 5CT T95 تأثير دماي تمپر بر سختي و خواص كششي فـولاد

شكل (3): نمودار تغييرات سختي فولاد API 5CT T95 بر حسب دماي بازپخت.

كاهش مييابد و به عبارت ديگر اين فولاد مستعد گرفتن سختي ثانويه نميباشد. اين نتيجه با توجه به درصدهاي نسبتاً كم عناصر آلياژي كاربيدزا قابل پيشبيني است [2].
ب ه طور خلاصه ميتوان گفت با افزايش درجه حرارت بازپخت، مورفولوژي مارتنزيت بازپخت شده خشن تر گرديده و ساختار به حالت تعادلي (ساختار آنيل شده) نزديكتر ميشود، بنابراين سختي، استحكام كششي و استحكام تسليم كاهش مييابد.

4- نتيجهگيري
تغييرات خواص مكانيكي بر حسب درجه حرارت بازپخت فولاد API 5CT T95(محدوده دمايي توصيه شده در استاندارد) كه در حقيقت راهنماي عمليات سختكاري فولاد است، به دست آمد. با استفاده از اين راهنما ميتوان سيكلهاي مختلف عمليات حرارتي را طراحي و اجراء نمود و خواص قابل حصول را پيشبيني كرد.
با افزايش درجه حرارت بازپخت، سختي كاهش مييابد. در اين فولاد سختي ثانويه مشاهده نميشود. اين نتيجه با توجه به درصدهاي نسبتاً كم عناصر آلياژي كاربيدزا قابل پيشبيني است.
با افزايش درجه حرارت بازپخت، استحكام كششي و استحكام تسليم به تدريج كاهش مييابد اما درصد ازدياد طول نسبي و درصد كاهش سطح مقطع نسبي به تدريج افزايش مييابد.

5- مراجع
ع. ا. اكرامي، عناصر آلياژي در فولاد، مركز نشر دانشگاهي، چاپ اول، 1375.

م. ع. گلعذار، “اصول و كاربرد عمليات حرارتي فولادها”، انتشارات دانشگاه صنعتي اصفهان، 1385.

G. Krauss, Principles of Heat Treatment of Steel, American Society For Metals, 1980.

R. D. K. Mishra, R. T. V. Balasub and P. Ram Rao, “On Intraction Amongest Trace and Alloying Elements at the Grain Boundaries of a Low Alloy Steel”, Acta Metall, Vol.
35, No. 12, pp. 2995-3000, 1987.

C. R. Brooks, Principles Of The Heat Treatment Of Plain Carbon And Low Alloy Steels, ASM, 1996.

Y. I. Ustinovschikov, I. N. Shabanova, V. A. Sapukin, And
V. A. Trapeznikov,Tempering, Phys. Met. Metall. Vol. 44, No. 2, pp. 91-99, Embrittlement Of Alloy Steels During
1978.

Specification For Casing And Tubing (U. S. Customary Units), API Specification 5CT Fifth Edition. April, 1, 1995.

L. Li, Q. Li, E. Guo, “Study on Temper Embrittlement on Phosphorus in Steel 12CrMoV”, Engineering Materials Vols. 1183-1188, pp. 297-300, 2005.



قیمت: تومان


پاسخ دهید