فرآیند نورد سرد (Cold Bending) یکی از پرکاربردترین روش‌ها برای ایجاد قوس و خم در لوله‌ها و پروفیل‌های فولادی است که در ساخت انواع آهن آلات صنعتی و ساختمانی، از اسکلت گلخانه‌های مدرن گرفته تا سازه‌های پیچیده معماری در اصفهان و تهران به کار می‌رود. اما یک سوال فنی همواره مطرح است: آیا لوله‌ای که تحت فرآیند نورد سرد قرار گرفته، نیازمند عملیات حرارتی تکمیلی برای بازیابی خواص مکانیکی خود است؟
پاسخ کوتاه: در اکثر کاربردهای ساختمانی و صنعتی رایج، خیر. لوله‌های فولادی پس از نورد سرد نیازی به عملیات حرارتی ندارند. در واقع، یکی از مزایای نورد سرد، افزایش استحکام تسلیم (Yield Strength) به دلیل پدیده “کار سختی” (Work Hardening) است. با این حال، در شرایط خاص مانند خم‌های با شعاع بسیار تند، کاربردهای تحت بارهای دینامیکی شدید یا برای فولادهای خاص، ممکن است تنش‌زدایی (Stress Relieving) توصیه شود.
این مقاله به تفصیل به بررسی اثرات نورد سرد بر ساختار فولاد، شرایطی که در آن عملیات حرارتی لازم می‌شود، و نکاتی که باید هنگام سفارش این خدمات در نظر گرفت، می‌پردازد.
اثر نورد سرد بر خواص مکانیکی فولاد
وقتی یک لوله فولادی توسط دستگاه نورد خم می‌شود، اتفاقات مهمی در ساختار کریستالی آن رخ می‌دهد. این فرآیند که در دمای محیط انجام می‌شود، باعث ایجاد تغییر شکل پلاستیک در فلز می‌گردد. مهم‌ترین نتایج این فرآیند عبارتند از:
- افزایش استحکام و سختی: پدیده کار سختی یا کرنش سختی (Strain Hardening) باعث افزایش استحکام تسلیم و سختی نهایی فولاد می‌شود. این یعنی لوله برای تغییر شکل مجدد به نیروی بیشتری نیاز دارد.
- کاهش شکل‌پذیری (Ductility): به همان میزانی که استحکام افزایش می‌یابد، قابلیت کشیده شدن و تغییر شکل پلاستیک فلز (شکل‌پذیری) کاهش پیدا می‌کند. فلز تردتر می‌شود.
- ایجاد تنش‌های پسماند (Residual Stresses): پس از حذف بار، تنش‌هایی در داخل قطعه باقی می‌ماند که به آن تنش پسماند می‌گویند. این تنش‌ها ممکنه در برخی شرایط خاص، بر عملکرد بلندمدت قطعه تاثیر منفی بگذارند.
برای اکثر پروژه‌ها، مانند سوله سازی یا ساخت پل‌های عابر پیاده، این افزایش استحکام یک مزیت محسوب می‌شود و کاهش شکل‌پذیری آنقدر نیست که نگران‌کننده باشد.
چه زمانی عملیات حرارتی (تنش‌زدایی) لازم است؟
با وجود اینکه در حالت کلی نیازی به عملیات حرارتی نیست، شرایطی وجود دارد که مهندسان برای اطمینان از عملکرد سازه، عملیات تنش‌زدایی (Stress Relieving) را توصیه می‌کنند. تنش‌زدایی یک نوع عملیات حرارتی است که قطعه تا دمای مشخصی (پایین‌تر از دمای تبلور مجدد) گرم شده و سپس به آرامی سرد می‌شود. این فرآیند تنش‌های پسماند را آزاد می‌کند بدون آنکه استحکام به دست آمده از کار سرد را به طور کامل از بین ببرد.
این شرایط عبارتند از:
- شعاع خم بسیار کوچک: وقتی لوله با شعاع بسیار تندی خم می‌شود (مثلاً شعاع خم کمتر از ۳ برابر قطر لوله)، میزان کرنش و تنش‌های پسماند بسیار بالا می‌رود.
- کاربردهای دینامیکی و خستگی: در سازه‌هایی که تحت بارهای متناوب و ارتعاشی قرار دارند (مانند پایه‌های ماشین‌آلات سنگین یا برخی اجزای پل‌ها)، تنش‌های پسماند می‌توانند عمر خستگی قطعه را کاهش دهند.
- فولادهای خاص: برخی فولادهای آلیاژی یا فولادهای با کربن بالا، حساسیت بیشتری به ترک‌خوردگی ناشی از تنش دارند.
در بازار آهن شادآباد و کارگاه‌های معتبر در تبریز، معمولاً برای کاربردهای روتین ساختمانی، عملیات حرارتی انجام نمیشه.
“در پروژه ساخت یک شهربازی در شیراز، یکی از تجهیزات بازی دارای حلقه‌های فولادی با شعاع بسیار تند بود. تیم مهندسی ما اصرار داشت که پس از فرآیند نورد، تمامی این حلقه‌ها تحت عملیات حرارتی تنش‌زدایی قرار گیرند. اگرچه این کار هزینه تمام شده را افزایش داد، اما با توجه به ماهیت دینامیکی بارها و اهمیت ایمنی، این یک الزام غیرقابل اجتناب بود. استعلام قیمت برای این خدمات تکمیلی از چند شرکت معتبر گرفته شد تا قیمت رقابتی به دست آید و در نهایت یک فروشنده منصف کار را بر عهده گرفت.”
– نقل از مدیر یک شرکت پیمانکار ساختمانی
اهمیت انتخاب دستگاه و اپراتور ماهر
کیفیت محصول نهایی نورد شده، تقریبن به طور کامل به مهارت اپراتور و کیفیت تجهیزات بستگی دارد. یک مرکز خدماتی که از دستگاه‌های مدرن استفاده می‌کند و سابقه فروش و پروژه های انجام شده موفقی دارد، می‌تواند قطعه‌ای با کمترین تنش پسماند و بدون عیوب سطحی تولید کند. شرکت‌های فعال در زمینه ساخت دستگاه نورد ورق و پروفیل نیز دائماً در حال بهینه‌سازی ماشین‌آلات خود برای کاهش این اثرات نامطلوب هستند.
یه چیزی بگم بین خودمون بمونه!
آقا این حرفای قلمبه سلمبه‌ی مهندسی رو بذار کنار. تهش اینه که اگه کارو بدی دست یه اوستاکار کاربلد، لوله‌ت رو یه جوری تمیز برات خم می‌کنه که انگار از اول همینجوری بوده. نه قُر میشه، نه تَرَک می‌خوره. ولی اگه بدی دست یکی که فقط یه دستگاه خریده و ادعاش میشه، یه جوری لوله رو لت و پار می‌کنه که باید صاف بندازیش دور. پس دنبال قیمت مناسب باش، ولی اول از همه دنبال کار تمیز و با کیفیت بگرد، مخصوصا اگه برای مصالح اسکلت فلزی پروژه خودت می‌خوای.
برای محاسبه وزن لوله‌های مورد نیاز در یک پروژه، می‌توان از فرمول ساده زیر استفاده کرد. این محاسبه برای برآورد هزینه ساخت و سفارش خرید با فاکتور رسمی حیاتی است.
فرمول محاسبه وزن لوله (کیلوگرم) = (قطر خارجی (متر) - ضخامت (متر)) * ضخامت (متر) * طول (متر) * ۲۴.۶۶
این فرمول یک ابزار کاربردی برای مهندسان و مدیران پروژه است.
نتیجه‌گیری
در پاسخ به سوال اصلی، لوله‌های فولادی پس از نورد سرد در اکثر قریب به اتفاق موارد نیازی به عملیات حرارتی ندارند و افزایش استحکام ناشی از این فرآیند یک مزیت تلقی می‌شود. با این حال، یک مهندس آگاه باید شرایط خاص پروژه (مانند شعاع خم، نوع بارگذاری و جنس فولاد) را بسنجد و در صورت لزوم، دستورالعمل لازم برای عملیات حرارتی تنش‌زدایی را در مشخصات فنی پروژه بگنجاند. انتخاب یک مرکز خدماتی معتبر که خدمات نورد را به صورت استاندارد و با تجهیزات دقیق ارائه می‌دهد، بهترین تضمین برای کیفیت نهایی و جلوگیری از هزینه‌های اضافی است. قبل از ثبت سفارش، حتماً از موجودی انبار و توانایی فنی مرکز مورد نظر اطمینان حاصل کنید.
منبع علمی:
- Avent, R. R., & Mukai, D. J. (2001). Repair and Strengthening of Concrete Structures: Fhwa Guidelines. (در بخش‌هایی از این مرجع که به تعمیر و تقویت سازه‌ها با استفاده از اعضای فولادی خم شده می‌پردازد، به اثرات کار سرد و شرایطی که ممکن است تنش‌زدایی لازم باشد، اشاره شده است).