جزوه سختکاری و عملیات حرارتی

عملیات حرارتی (به انگلیسی: Heat Treatment)

مجموعه ای از فرایندهای گرمایی، صنعتی و فلزکاری است که جهت تغییر خواص فیزیکی و گاهی شیمیایی مواد بر روی آن‌ها انجام می‌شود. جزوه سختکاری و عملیات حرارتی عمدتاً در متالورژی استفاده می‌شود.
از عملیات حرارتی برای ساخت مواد غیرفلزی مانند شیشه‌ها و شیشه-سرامیک‌ها نیز استفاده می‌شود. در عملیات حرارتی معمولاً از گرمایش یا سرمایش تا دماهای ویژه ای، برای رسیدن به خواص موردنظ برای مثال سخت کاری یا نرم کردن ماده استفاده می‌شود.

تکنیک‌های عملیات حرارتی شامل این موارد می‌شود: بازپخت، سختکاری پوسته (Case Hardening)، پیرسختکاری، برگشت دادن، کربن دهی (Carburizing)، نرمال سازی و کوئنچ کردن. با اینکه از عبارت «عملیات حرارتی» به صورت خاص برای گرمایش و سرمایش‌های هدفمند استفاده می‌شود، فرایندهایی مانند شکل دهی فلزات و جوشکاری نیز باعث گرمایش و سرمایش مواد و در نتیجه تغییر خواص آنها می‌شود.

عملیات حرارتی فولادها

سختی و دیگر خواص مکانیکی بسیاری از فولادها و برخی فلزات غیرآهنی را می‌توان توسط عملیات حرارتی تغییر داد. فولاد، آلیاژی ساخته شده از آهن و کربن است. درصد جرمی کربن تعیین‌کننده قابلیت انجام عملیات حرارتی بر روی فولادها است. فولادهای کم-کربن حاوی ۰٫۰۳ تا ۰٫۳ درصد کربن، فولادهای کربن-متوسط حاوی ۰٫۳۵ تا ۰٫۵۵ درصد کربن و فولادهای پر-کربن حاوی ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن هستند (چدن‌ها حاوی بیش از ۲٪ کربن هستند).

هرچه کربن فولاد بیشتر باشد قابلیت سختکاری آن بیشتر می‌شود. فولادهای کم-کربن حاوی مقدار کافی برای سختکاری مؤثر نیستند و باید از روش‌های دیگری برای افزایش سختی سطح آنها استفاده کرد. فولادهای کربن-متوسط و پر-کربن را می‌توان با روش‌های مناسب سختکاری کامل کرد. (“سختکاری کامل” یا Through hardening به معنای سختکاری قطعه تا عمق کامل آن می‌باشد و در مقابل “سختکاری پوسته” یا Case Hardenning قرار دارد.[۸]). عمق سختکاری به میزان عناصر آلیاژی آن بستگی دارد.[۹]

کوئنچ کردن:

برای سختکاری فولادهای کربن-متوسط یا پرکربن، ابتدا قطعه را تا بیشتر از یک دمای بحرانی (در حدود ۷۶۰ درجه سلسیوس) گرم کرده و اجازه می‌دهند برای رسیدن به تعادل مدتی در آن دما باقی بماند، و سپس به‌طور ناگهانی آن را به داخل حمامی از آب سرد یا روغن فرو می‌برند تا دمای قطعه به دمای محیط برسد. این سرد کردن ناگهانی باعث ایجاد محلولی فوق اشباع به نام «مارتنزیت» می‌گردد که بسیار سخت می‌باشد. متأسفانه این فاز بسیار ترد و شکننده است. در حقیقت با افزایش سختی قطعه، استحکام آن کاهش می‌یابد.

منحنی تنش-کرنش فولاد پس از عملیات حرارتی کوئنچینگ، بازپخت و برگشت دادن. (نمودار تقریبی است)

برگشت دادن (تمپر کردن):

پس از عملیات کوئنچینگ می‌توان قطعه را دوباره تا دمای کمتری گرم کرده (در حدود ۲۰۰ تا ۷۰۰ درجه سلسیوس)، آن را Heat-Soak کرده، و سپس آن را به آهستگی خنک کرد. این کار باعث می‌شود مقداری از مارتنزیت دوباره به فریت و سمنتیت تبدیل شود. اگرچه اینکار باعث کاهش سختی شده اما میزان داکتیلیته یا قابلیت شکل‌پذیری قطعه را تا حدودی بازگردانی می‌کند. با تغییر متغیرهای دما و زمان در این فرایند می‌توان انواع مختلفی از فولادها با خواص مختلف تولید کرد. یک مهندس مواد باتجربه می‌تواند از این طریق فولاد مورد نیاز کاربردهای مختلف را تولید کند.[۹]

بازپخت (آنیلینگ):

فرایندهای کوئنچ کردن و برگشت دادن را می‌توان توسط بازپخت بازگردانی کرد. قطعه تا دمای بحرانی گرم می‌شود (مانند فرایند کوئنچ) اما اینبار اجازه داده می‌شود تا قطعه به آهستگی خنک شود. اینکار باعث بازگردانی شرایط محلول و همچنین خواص مکانیکی قطعه قبل از عملیات سختکاری می‌شود. معمولاً حتی اگر قطعه سختکاری نشده باشد، برای حذف تنش‌های ایجاد شده در حین فرایند شکل دهی و ساخت قطعه آن را بازپخت می‌کنند. این کار باعث بازگشت قطعه به حالت «راحت» و بدون تنش می‌شود.[۹]

نرماله کردن (نرمالیزاسیون):

نرمالیزه کردن شبیه به فرایند بازپخت می‌باشد با این تفاوت که زمان کمتری به آن حرارت داده شده و سریع تر خنک کاری می‌شود. این کار باعث ایجاد فولادی نسبتاً مستحکم تر و سخت‌تر از فولاد بازپخت کامل شده می‌گردد اما شرایط آن به فولاد بازپخت شده نزدیکتر از فولاد برگشت داده شده می‌باشد.[۹]

کربن‌دهی سطحی:

در کربوریزه کردن یا کربن دهی فولاد کم-کربن در محیطی با گاز مونواکسید کربن یا در زیر زغال حرارت داده می‌شود، که باعث جذب کربن توسط سطح می‌گردد.[۹]
نیتریده کردن: در نیتریده کردن فولاد کم-کربن در محیطی با گاز نیتروژن حرارت داده می‌شود که باعث ایجاد نیتریدهای آهن سخت بر روی سطح می‌گردد.[۹]

تنش زدایی:

اعمال نیرو یا تغییرات دمایی می‌توانند در قطعه تنشی ایجاد کنند که ممکن است بسیار زیان بار باشد. این تنش‌ها که «تنش‌های باقیمانده» نامیده می‌شوند، می‌توانند سبب تاب برداشتن، ترک برداشتن یا شکست زودهنگام در حین تولید یا در حین کار شوند. از عوامل تشکیل چنین تنش‌هایی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: الف- وجود شیب حرارتی یا در واقع عدم سرد شدن یکنواخت قطعه. ب- ماشینکاری و کارسرد هدف از عملیات تنش‌گیری آن نیست که تغییرات عمدهای در خواص مکانیکی قطعه اتفاق بیفتد. جزوه سختکاری و عملیات حرارتی از سازوکار بازیابی استفاده می‌شود و و در واقع تبلور مجدد و تغییرات ریزساختاری در آن انجام نمی‌شود.

به منظور تنش زدایی، قطعات را طی زمان مشخصی زیر دمای A1 گرما می‌دهند. زمان گرما دهی بستگی به دمای عملیات و ابعاد قطعه دارد. هر چقدر که دمای تنش‌گیری بالاتر انتخاب شود نیاز به زمان کمتری برای عملیات وجود دارد. در این عملیات نرخ گرم شدن و سرد شدن قطعه باید آهسته باشد تا تنش‌های حرارتی جدیدی به قطعه اعمال نشود. این عملیات حرارتی به منظور کاهش یا برطرف کردن تمامی تنش‌های ایجاد شده در اثر عملیات تغییر شکل سرد یا در عملیات جوشکاری انجام می‌گیرد. درجه حرارت معمولاً در زیر درجه حرارت A1 و در حدود ۴۰۰ درجه سلسیوس می‌باشد.

آستنیتی کردن فولاد

آستنیتی کردن فولاد اغلب اولین مرحله عملیات حرارتی است؛ که برای یکنواخت کردن غلظت کربن در کریستال‌های آستنیت ضروری می‌باشد؛ و به عنوان کلید کنترل سختی در سخت کردن (یا آب دادن) فولاد معروف است. عمل آستنیتی کردن تابع درجه حرارت و زمان می‌باشد. (عامل درجه حرارت مهم‌تر از زمان است) هنگامیکه فولاد به درجه حرارت لازم برای تبدیل شدن به آستنیت می‌رسد، آستنیت در طی مراحل جوانه زنی و رشد تشکیل می‌گردد.

به منظور تبدیل کامل در فولادهای هیپوای تکتوئیدی وای تکتوئیدی اغلب ۳۰ تا ۵۰ درجه سلسیوس بالای درجه حرارت خط A3 حرارت داده خواهد شد. درجه حرارت‌های دقیق را می‌توان از نمودار آهن-کربن انتخاب نمود. عموماً درجه حرارت نباید بسیار بالا انتخاب شود. چرا که آستنیت دانه درشت به وجود می‌آید؛ که ممکن است باعث شکستگی یا ایجاد ترک در فولاد شود. (در هنگام سرد شدن سریع از این درجه حرارت جزوه سختکاری و عملیات حرارتی)

اندازه دانه‌های آستنیت

اندازه دانه‌های آستنیت با بالا رفتن درجه حرارت، افزایش می‌یابد. این رشد در نتیجه تمایل به کم شدن انرژی آزاد سیستم در اثر کاهش سطح دانه‌است. وقتیکه فولادهای هیپوای تکتوئیدی تا درجه حرارت‌هایی در حد نسبتاً زیاد بالای خط A3 حرارت داده می‌شود، علاوه بر رشد دانه‌ای آستنیت کردن در سرد کردن بعدی ممکن است فریت اضافی هم رسوب کند؛ که به صورت صفحات یا میله‌های طولانی بوده و دانه‌های پرلیت را از این سو به آن سو قطع می‌کند. این نوع ساختار دانه‌ای را ساختار ویدمن اشتاتن می‌نامند.

از طرفی اگر درجه حرارت بسیار پایین باشد، بعد از عمل سرد کردن سریع سختی کامل مورد نظر بدست نمی‌آید. تبدیل پرلیت به آستنیت از نوع نفوذ است.

عملیات حرارتی و انواع آن

گرم کردن و سرد کردن زمان بندی شده فلزات برای بدست آوردن خواص مکانیکی ، فیزیکی ، شیمیایی و بطور ویژه متالوژیکی مناسب را عملیات حرارتی می نامند. از عملیات حرارتی برای منسجم کردن ملکولی، تنش زدایی، تنش های ناشی از عملیات و فرایند های تولید، ایجاد خاصیت های جدید به فولاد مانند انعطاف، ضربه پذیری بالا، مقاومت در برابر فرسایش و … ، ایجاد لایه بیرونی سخت با مرکزیت نرم، افزایش جذب انرژی بالا، بهبوئد خواص الکتریکی و مغناطیسی و… برای فولاد استفاده می شود .

یکی از دلایل عمده‌ای که می‌توان فولادهایی با خواص مختلف بدست آورد همان تبدیل ساختمان کریستالی آهن از آلفا به گاما با تغییر درجه حرارت می‌باشد. این تبدیل مطابق با نمودار آهن-کربن می‌تواند در حد زیادی تحت تاثیر کربن قرار گیرد. برای مثال سختی و استحکام در فولادهای سریع سرد شده (آب داده شده) بستگی به میزان درصد کربن موجود در آنها دارد.

انواع عملیات حرارتی:

کربن‌دهی سطحی

آنیلینگ – آنیل کامل

نرمالیزاسیون

کوئنچ‌ و تمپر کردن

آنیلینگ:

از این عملیات برای تغییر خواص فولاد بعد از عملیات حرارتی، متراکم کردن ساختار ملکولوی برای اضافه کردن خواص جدید و شکل دهی قطعات استفاده می شود که به طور معمول به دو نوع آنیل کامل و آنیل ناقص تقسیم می شوند، در این فرایند با حرارت دادن فولاد های هیپوای تکتوئیدی وای تکتوئیدی در درجه حرات مناسب (ACM یا 3 A بسته به نوع فولاد) برای تبدیل به آستنیت درشت (محلول جامد از نوع بین‌نشینی کربن در آهن گاما -آهن مکعبی وجوه مرکزپر FCC) گرم شده و مدتی در این دما قرار داده می شود و سپس برای سرد کردن آن را به تدریج ترجیحاً در کوره در دمای آستینه کوره را خاموش می کنند.

تا سرد شود که باعث می شود دانه های درشت سمنتیت پرلیت را احاطه کند ، آنیل کردن می تواند با ایجاد یک ساختار کاملاً همگن و پایدار متالوژیکی ()فرلیت – پرلیت که عاری از تنش پسماند ها و اثرات کار سرد می باشد باعث افزایش استحکام و چقرمگی و بالا رفتن نقطه تسلیم فلز (شکنندگی) شود.

نکتهآنیل کردن در فولاد های هیپرای تکتوئیدی هرگز یک عملیات نهایی نخواهد بود.

نرماله کردن (Normalizing)

در جزوه سختکاری و عملیات حرارتی برای نرماله کردن فولاد را در درجه حرارت 50درجه سانتی گراد بالاتر از A3 قرار میدهند و آن را تا زمانی که ساختارش به آستنیت تبدیل شود در آن دما نگه میدارند و از لحاظ میکرو ساختار همانند آنیل کردن شامل مخلوطی از پرلیت ، فرلیت و سمنتیت (با توجه به ترکیب شیمیایی فولاد) ولی با این تفاوت که به جای کوره در هوا ساکن محیط سرد می شود تا فولاد آستنیتی شده طبق نمودار آهن سمنتیت تجزیه گردد این عملیات باعث ایجاد ساختار منسجم تر(یکنواخت و دارای خصوصیت معین) و تعدیل ناهمواری ها و تنش های داخلی می شود.

کوئنچ

به عملیات سرد سازی سریع فولاد بعد از عملیات حرارتی گفته میشود که به جای خنک شدن تدریجی در کوره و یا خنک شده در محیط باز از مایع های خنک کننده مانند روغن ، آب، نیتروژن مایع انجام می شود، سرد سازی سریع باعث می شود جامدات فرصت کافی برای سرد شدن تعادلی نداشته باشند و فاز های ناپایدار و شبه پایدار(مارتنزیت) به جای ساختار های پایدار پیدا کنند.

جزوه سختکاری و عملیات حرارتی نکته به علت حلالیت فوق، اشباع کربن و همچنین دانسیتۀ زیاد عیوب کریستالی در شبکه بلوری مارتنزیت، استحکام بسیار زیاد ایجاد می شود، اما انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه کاهش پیدا میکند. اما برای رسیدن به خواص مکانیکی مطلوب ساختارهای مارتنزیتی را در دمایی کمتر از °C 700، حرارت می دهند. به این ترتیب با وجود کاهش کمی در استحکام و سختی ، انعطاف پذیری به مقدار قابل ملاحظه ای زیاد می شود.

اصول و مبانی عملیات حرارتی

۱- حرارت فولاد تا دمای آستنیتی.

۲- نگهداری فولاد در این دما برای تشکیل فاز آستنیت همگن ( زمان هم دما سازی )

۳- کاهش دمای فولاد با سرعتی مشخص بر اساس خواص مورد نظر.

۴- گرم کردن تا دمای بالا ولی کمتر از دمای بحرانی ( در صورت لزوم ).

تغییر فازها در فولادها به هنگام گرم کردن

پیش از گرم کردن ساختار میکروسکوپی فولاد شامل فریت و پرلیت و کاربیدها است . با حرارت دادن تا رسیدن به دمای بحرانی تغییر فاز با جوانی زنی آستنیت آغاز می شود . با افزایش دما ، فریت و سمانتیت درون آستنیت حل می شوند . پس از حل شدن کار بیدها فاز آستنیت همگن به دست می آید . فرایند آستنینی شدن در دمای بالای به سرعت انجام می گیرد . برای فولادهای هیپریوتکتوئید و هیپویوتکتوئید باید دما را بیشتر افزایش دهیم .

تغییر شکل آستنیت به هنگام سرد کردن

اگر فولاد با زمینه آستنیت همگن را به آرامی خنک کنیم فازهای فریت ، پرلیت و سمانتیت تشکیل می شود . در صورت افزایش آهنگ خنک کاری به باینیت و مارتنزیت می رسیم .

در فولادیوتکتوئیدی تغییر شکل آستنیت به پرلیت هنگامی است که دمای آستنیت کمتر از دمای بحرانی شود و آهنگ خنک کاری آهسته باشد . در فولادهای هیپریوتکتوئیدی و هیپویوتکتوئیدی ، بین دماهای بحرانی فوقانی و تحتانی ، فریت یا سمانتیت تشکیل می شود .

اگر سرعت خنک کاری فولاد را زیاد کنیم ( بالاتر از خنک کاری بحرانی ) مستقیماً فاز مارتنزیت تشکیل می شود که سخت و مستحکم است.

عملیات نرماله کردن

نرمالیزه کردن یکی از انواع عملیات حرارتی است . نرمالیزه کردن فولاد حرارت دادن در درجه حرارتهای کمی(حدود ۵۰ºC ) بالاتر از خط Acm و نگهداشتن کافی در آن درجه حرارت برای تبدیل کامل به آستنیت و سپس سرد کردن در خارج از کوره ، یعنی در هوای تقریباً ساکن ، تا دمای معمولی محیط است .

بعد از نرمالیزه کردن ، ساختار دانه ای ریز و یکنواخت با خواص معین خوبی به دست می آید . بنابراین نرمالیزه کردن می تواند هممچنین عملیات حرارتی اولیه ای با موقعیت معین برای عملیات حرارتی بعدی باشد . زیرا به کمک نرمالیزه کردن تمام تغیراتی که در نتیجه عملیات قبلی بر روی فولاد در ساختار دانه ای و در خواص معین ظاهر گشته است بر طرف می شود .

نرمالیزه کردن

در نرمالیزه کردن سرعت سرد کردن تأثیر قابل ملاحظه روی درجه حرارت تبدیل آستنیت و ریزی پرلیت خواهد داشت . عموما هر چقدر سرعت سرد کردن بیشتر باشد درجه حرارت تبدیل آستنیت پاینتر و پرلیت ریزتر خواهد بود.

بهتر است قطعات فولادی ریخته گری شده بعد از تولید ، نرمالیزه شوند تا چنانچه احیانا ساختاری با خواص میکانیکی نامناسب در آنها ایجاد شده ، بر طرف شود .

در مواردی برای به دست آوردن دانه های درشت فولاد را در درجه حرارت نرمالیزه کردن در ناحیه γ حرارت داده و سپس آهسته سرد می کنند . فولادی که این چنین به دست می آیند دارای دانه های درشت بوده و تا حدودی با تردی کمتر دارای قابلیت خوبی برای عملیات براده برداری است .

مهمترین مزایای نرمالایزینگ بصورت زیر می باشد:
جزوه سختکاری و عملیات حرارتی

– افزایش انعطاف پذیری

– یکنواخت کردن ریز ساختار

– ریز کردن دانه ها

– افزایش قابلیت ماشینکاری

– یکنواخت کردن بیشتر عناصر آلیاژی

– محدوده دمایی نرمالایز تنها ۵۰ºC بالاتر از دمای آستنیته پیشنهاد می شود زیرا اگر بیشتر از آن باشد دانه های فولاد درشت می شود و باعث افت خواص فولاد میشود که بر خلاف هدف نرمالایز است که هدف آن ریز کردن ساختار فولاد است .

قطعات بزرگ

– هنگامی که قطعات بزرگ را سرد می کنند سطح آن سریع سرد شده ولی مغز و مرکز آن هنوز دمای بالایی دارد و هنگامی که مغز آن سرد می شود و می خواهد از فاز γ به α تبدیل شود جسم تمایل به ازدیاد حجم پیدا می کند ولی چون سطح آن کاملأ شکل گرفته قادر به این ازدیاد حجم نبوده و باعث ایجاد تنش در داخل قطعه می شود ، لذا عملیات نرماله کردن برای قطعات خیلی بزرگ پیشنهاد نمی شود.

از آنجایی که در نرماله کردن فولاد های هیپویوتکتویید گستره دمایی آستنیته کردن بالاتر از گستره دمایی مربوط به آنیل است، ساختار آستنیت و همچنین توزیع عناصر آلیاژی از یکنواختی بیشتری برخوردار خواهد بود. یکی دیگر از اهداف مهم نرماله کردن عبارت است از ریز کردن دانه‌ های درشتی که اغلب به هنگام کارگرم در دمای بالا و یا در ضمن ریخته گری و انجماد به وجود آمده‌ اند. هنگامی که قطعه کارگرم یا ریخته گری شده با دانه‌های درشت در دمایی بین دمای Ac3 و Ac1 قرار بگیرد، دانه‌ های جدید آستنیت جوانه زده و رشد می کنند. در صورتی که دمای آستنیته کردن به گستره دمایی نشان داده شده در شکل زیر محدود شود، آستنیتی با ساختار همگن و دانه‌ های ریز به وجود می آید.

حرارت دادن

جزوه سختکاری و عملیات حرارتی و روش حرارت دادن در دماهای بالاتر از گستره دمایی یاد شده ممکن است منجر به درشت شدن دانه‌ ها شود. بنابراین در عملیات نرماله کردن فولادهای هیپویوتکتویید، ابتدا آستنیتی با ساختار همگن و دانه‌های ریز به وجود می‌آید و سپس در اثر سرد شدن در هوا به فریت و پرلیت تبدیل می‌شود. از نظر خواص مکانیکی، میکروساختار حاصل از نرماله کردن می‌تواند در بعضی موارد به عنوان عملیات حرارتی نهایی منظور شود. در مواردی که هدف سخت کردن قطعاتی باشد که دارای دانه‌ های درشت هستند، نرماله کردن به عنوان عملیات حرارتی اولیه جهت ریز کردن دانه‌ها استفاده می‌شود.

فولادهای هایپریوتکتویید

برای نرماله کردن فولادهای هایپریوتکتویید از گستره دمایی بین خط Acm و حدود ۵۰ درجه سانتیگراد بالای آن استفاده می‌شود. انتخاب این گستره دمایی به منظور ریز کردن دانه‌های آستنیت، انحلال کاربید های راسب شده و همچنین شکسته شدن شبکه پیوسته کاربیدی که احتمالا در ضمن عملیات قبلی در مرز دانه‌ ها به وجود آمده‌ اند، است.

از آنجایی که در نرماله کردن قطعات از دمایی بالاتر از Acm در هوا سرد می شوند، احتمال تشکیل مجدد شبکه پیوسته کاربید در مرز دانه‌ های آستنیت وجود دارد. در این صورت میکروساختار حاصل ممکن است تا حدودی فولاد را ترد و شکننده کند. اگر قرار باشد که این فولاد سخت شود، در ضمن آستنیته شدن مجدد (به منظور سخت کردن) شبکه پیوسته کاربید شکسته شده و ذرات مجتمع و کروی کاربید به دست می آید.

میکرو ساختارهای

از آنجایی که در نرماله کردن قطعات در هوا سرد می‌شوند، میکرو ساختارهای به دست آمده اختلاف قابل توجهی با میکرو ساختارهای حاصل از آنیل دارند. نمودار نشان دهنده تغییرات دما بر حسب زمان (شکل اول) گستره‌ های دمایی مربوط به دگرگونی آستنیت به مخلوط فریت و پرلیت را برای فولاد هیپویوتکتویید در عملیات آنیل و نرماله کردن نشان می دهد.

باتوجه به اینکه در نرماله کردن فریت و پرلیت در دمایی کمتر و با آهنگی بیشتر از آنیل کردن تشکیل می‌شوند، اندازه دانه‌های فریت و سمنتیت و فاصله بین لایه‌ای پرلیت هر دو کاهش می‌یابند. بنابراین، در مقایسه با خواص حاصل از فرایند آنیل، استحکام و سختی افزایش یافته و انعطاف پذیری تا حدودی کاهش می‌یابد.

نکته‌

نکته‌ ای که باید در رابطه با سرد شدن قطعات در هوا در ضمن نرماله کردن بدان توجه داشت این است که، نقاط مختلف در داخل یک قطعه با آهنگ‌ های متفاوت سرد می‌ شوند. همچنین آهنگ‌ های سرد شدن یاد شده، با تغییر ابعاد قطعه تغییر می‌کنند. بدین صورت که، هرچه قطعه حجیم تر باشد آهنگ سرد شدن قطعه و همچنین آهنگ‌ های سرد شدن نقاط مختلف در داخل آن کمتر است. این موضوع به مقدار حرارتی که باید از داخل قطعه به خارج هدایت شود مربوط می‌ شود.

در حقیقت هرچه قطعه حجیم تر باشد برای اینکه دمای قسمت مرکزی آن افت کند به زمان بیشتری نیاز است. از اثر ابعاد قطعه بر روی آهنگ سرد شدن، دو نتیجه مهم استنتاج می شود؛ اول، در مقاطع خیلی بزرگ آهنگ سرد شدن سطح قطعه ممکن است به طور قابل ملاحظه‌ای بیشتر از ناحیه داخلی باشد و در نتیجه باعث ایجاد تنش در آن شود. دوم اینکه در قطعات خیلی کوچک، به خصوص در مورد فولاد های آلیاژی، سرد شدن در هوا ممکن است منجر به تشکیل بینیت و یا حتی مارتنزیت به جای مخلوط فریت و پرلیت شود. باتوجه به این نکته توصیه می‌شود که عملیات نرماله کردن بر روی فولادهای آلیاژی اعمال نشود.

پارامتر های مهم

از جمله پارامتر های مهم که بر روی خواص مکانیکی فولادهای نرماله و آنیل شده اثر می‌گذارد، درصد کربن فولاد است. هرچه درصد کربن بیشتر باشد (تا حد یوتکتویید) پرلیت بیشتری تشکیل شده و در نتیجه استحکام و سختی فولاد زیادتر و انعطاف پذیری آن کمتر می‌ شود. در پایان این فصل، اثرات پارامتر های مختلف از جمله درصد کربن بر روی خواص مکانیکی فولادها با ساختار فریتی- پرلیتی بررسی می‌شود.

به منظور محاسبه استحکام کششی (TS) فولادهای کربنی ساده و کم آلیاژ در شرایط نرماله شده از معادله‌ های موجودی که در کتاب‌ها آمده است، می‌توان استفاده کرد. به عنوان مثال بعضی از این معادله‌های عبارت‌اند از: (در این معادله‌ها استحکام کششی برحسب ksi و درصد عناصر آلیاژی برحسب درصد وزنی است.)