میتوان درک عمیقتری از دلیل تفاوتهای چشمگیر در استحکام، چقرمگی، مقاومت به خوردگی و قابلیت کارپذیری این فولادها به دست آورد.
چکیده:
خواص مکانیکی و عملکردی فولادهای زنگ نزن بهطور مستقیم و اجتناب ناپذیری از ریزساختار آنها سرچشمه میگیرد. این مقاله به بررسی نقش کلیدی ریزساختار به عنوان شاهدی برای خواص متغیر در دو دسته عمده از فولادهای زنگنزن میپردازد: فولادهای سری 300 با فاز آستنیتی غالب و فولادهای سری 400 با فازهای فریتی و مارتنزیتی. با مقایسه این ریزساختارها، میتوان درک عمیقتری از دلیل تفاوتهای چشمگیر در استحکام، چقرمگی، مقاومت به خوردگی و قابلیت کارپذیری این فولادها به دست آورد.
مقدمه
فولادهای زنگنزن به دلیل تشکیل یک لایه اکسید غیرفعال و محافظ (لایه پسیو) بر روی سطح، مقاومت بالایی در برابر خوردگی از خود نشان میدهند. با این حال، این تنها بخشی از داستان است. ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی اعمالشده بر روی این فولادها، ریزساختار نهایی آنها را تعیین میکند و این ریزساختار است که دیکتهکننده خواص نهایی ماده است. در این میان، دو ریزساختار اساسی وجود دارد که تمایز اصلی بین دو سری پرکاربرد را ایجاد میکند.
1. فاز آستنیتی در فولادهای زنگ نزن سری 300
فولادهای آستنیتی (مانند 304 و 316) پرکاربردترین نوع فولادهای زنگنزن هستند. ریزساختار آنها بر پایه فاز آستنیت (γ) است که یک شبکه بلوری مکعبی وجهцентود (FCC) دارد.
شاهد متغیرهای ریزساختاری:
شبکه FCC: این آرایش اتمی به اتمها اجازه میدهد تا به راحتی بر روی یکدیگر بلغزند. این ویژگی، ذاتاً منجر به چقرمگی و شکلپذیری عالی میشود. از این رو، فولادهای سری 300 معمولاً استحکام تسلیم پایینتری داشته اما قابلیت تغییر شکل پلاستیک بسیار بالایی دارند.
غیرمغناطیسی: ساختار FCC باعث میشود این فولادها به طور ذاتی غیرمغناطیسی باشند.
عناصر آلیاژی: دستیابی به این ساختار در دمای اتاق عمدتاً به دلیل حضور مقادیر بالای نیکل (حداقل ۸٪) و منگنز است. نیکل پایدارکننده فاز آستنیت است. همچنین، افزودن مولیبدن (در گرید 316) مقاومت به خوردگی حفرهای و شکافی را به طور چشمگیری افزایش میدهد.
تغییر شکل: هنگام تغییر شکل پلاستیک (کار سرد)، بخشی از آستنیت میتواند به مارتنزیت deformation (مارتنزیت ناشی از تغییر شکل) تبدیل شود که منجر به افزایش استحکام و اندکی مغناطیس شوندگی میشود.
خواص ناشی از ریزساختار آستنیتی:
چقرمگی و شکلپذیری بسیار عالی: مناسب برای فرآیندهای شکلدهی پیچیده مانند کشش عمیق.
مقاومت به خوردگی عمومی برتر: به ویژه در محیطهای خورنده مانند اسیدها و محیطهای دریایی.
غیرمغناطیسی: ویژگیای کلیدی برای صنایع غذایی، پزشکی و الکترونیک.
استحکام تسلیم نسبتاً پایین: نقطه ضعف اصلی این سری است.
2. فازهای فریتی و مارتنزیتی در فولادهای زنگ نزن سری 400
این سری از فولادها به دو دسته اصلی فریتی و مارتنزیتی تقسیم میشوند که هر دو دارای شبکه بلوری مکعبی مرکزپر (BCC) یا تتراگونال مرکزپر (BCT) هستند و حاوی نیکل کم یا بدون نیکل هستند.
الف) فولادهای فریتی (مانند 430):
شاهد متغیرهای ریزساختاری:
شبکه BCC: این ساختار نسبت به ساختار FCC، اتمهای کمتری برای لغزش در اختیار دارد، بنابراین به طور ذاتی استحکام بالاتر و چقرمگی کمتری دارد.
مغناطیسی: این فولادها به طور ذاتی مغناطیسی هستند.
عناصر آلیاژی: پایدارکننده اصلی فاز فریت، کروم (معمولاً ۱۲-۱۸٪) است. کربن در این فولادها پایین است.
خواص ناشی از ریزساختار فریتی:
مقاومت به خوردگی متوسط: معمولاً پایینتر از گریدهای آستنیتی معادل است.
مقاومت عالی به خوردگی تنشی: کمتر مستعد ترکخوردگی ناشی از تنش خوردگی هستند.
استحکام متوسط و چقرمگی محدود: مستعد تردی در دماهای پایین (Transition Ductile-to-Brittle).
ب) فولادهای مارتنزیتی (مانند 420 و 440):
شاهد متغیرهای ریزساختاری:
شبکه BCT: این ساختار از طریق سرد کردن سریع (آبدهی) فاز آستنیت پرکربن به دست میآید. ساختار BCT یک ساختار بسیار پرتنش و سوزنی شکل است.
کربن: عنصر کلیدی در این سری است. کربن در فاز آستنیت حل شده و پس از آبدهی، ساختار سخت و شکننده مارتنزیت را تشکیل میدهد.
عملیات حرارتی: ریزسختار مارتنزیت به شدت وابسته به دما و زمان عملیات حرارتی (آبدهی و تمپر) است.
خواص ناشی از ریزساختار مارتنزیتی:
استحکام و سختی بسیار بالا: این فولادها میتوانند به سختیهای بسیار بالایی دست یابند و برای کاربردهای برش و سایش ایدهآل هستند (مانند تیغه چاقو).
چقرمگی پایین و تردی: در حالت سختشده بسیار شکننده هستند.
مقاومت به خوردگی متوسط تا پایین: معمولاً پایینتر از فولادهای فریتی و به مراتب پایینتر از آستنیتی است.
جدول مقایسهای خلاصه:
| ویژگی | سری 300 (آستنیتی) | سری 400 (فریتی) | سری 400 (مارتنزیتی) |
| ساختار بلوری | FCC | BCC | BCT |
| عنصر آلیاژی کلیدی | نیکل | کروم | کروم و کربن |
| مغناطیس شوندگی | غیرمغناطیسی | مغناطیسی | مغناطیسی |
| استحکام تسلیم | پایین | متوسط | بسیار بالا |
| چقرمگی | عالی | متوسط | پایین |
| سختی | پایین | متوسط | بسیار بالا |
| مقاومت به خوردگی | عالی | متوسط | متوسط تا پایین |
| کارپذیری | عالی | محدود | بسیار محدود |
نتیجه گیری
ریزساختار را میتوان به عنوان "اثر انگشت" یا "شاهدمتغیر" نهایی برای پیشبینی رفتار یک فولاد زنگنزن در نظر گرفت. فاز آستنیتی با ساختار FCC در سری 300، تضمینکننده ترکیبی بینظیر از چقرمگی، شکلپذیری و مقاومت به خوردگی است. در مقابل، فازهای فریتی و مارتنزیتی با ساختارهای BCC/BCT در سری 400، مسیری کاملاً متفاوت را طی میکنند و در ازای قربانی کردن بخشی از چقرمگی و مقاومت به خوردگی، به سمت استحکام، سختی و صرفهجویی در هزینه (به دلیل عدم نیاز به نیکل) حرکت میکنند. بنابراین، انتخاب بین این دو سری، در درجه اول یک انتخاب مبتنی بر "ریزساختار مطلوب" برای دستیابی به "خواص مورد نیاز" در کاربرد نهایی است. مهندسین و طراحان با درک این رابطه عمیق، قادر خواهند بود مادهای را انتخاب کنند که نه تنها به نیازهای عملکردی پاسخ میدهد، بلکه از نظر اقتصادی نیز بهینه باشد.