0
04136674922

فولادهای ماراجینگ، هر آن چیزی که نیاز دارید بدانید – قسمت سوم و پایانی

فولادهای ماراجینگ خانواده ای از فولادهای مارتنزیتی فوق مستحکم با تافنس شکست بالا هستند. این فولادها پر آلیاژی و دارای نیکل، (کبالت)، مولیبدن و تیتانیم بوده، میزان کربن و عناصر ناخالصی آن ها بسیار کم می باشد. در فولادهای ماراجینگ استحکام و تافنس بالا از طریق پیرسازی و در نتیجه تشکیل رسوبات بین فلزی بسیار ریز در ساختار مارتنزیتی حاصل می گردد. فولادهای ماراجینگ بخاطر استحکام و تافنس شکست بسیار بالا، قابلیت جوشکاری عالی، عملیات حرارتی ساده و سهولت قطعه سازی مورد توجه هستند و در صنایع هوافضا، نظامی، ابزارهای تولیدی و قالب ها کاربردهای فراوان دارند. فولادهای ماراجینگ در مقایسه با فولادهای کوئنچ و تمپر شونده متداول در استحکام یکسان تافتس شکست بالاتری داشته، از مقاومت به خوردگی، خوردگی تنشی و تردی هیدروژنی بالاتری برخوردار هستند.

در این نوشته از عصر مواد، قسمت سوم از معرفی فولادهای ماراجینگ را تقدیم علاقمندان و کاربران محترم وب سایت عصر مواد می نماییم. قسمت اول این مطلب را هم می توانید از این لینک و قسمت دوم آن را ار این لینک ببینید. شما با مطالعه ی این نوشته ها می توانید با فولادهای ماراجینگ، تاریخچه، انواع، روش تولید، مکانیزم های استحکام دهی و خواص آن ها آشنایی کاملی پیدا نمایید. لازم به ذکر است که این مطلب، مقاله مروری جناب آقای دکتر حسین نژاد در خصوص فولادهای ماراجینگ است که در دوره دانشجویی در مقطع دکتری دانشگاه تهران به همراه استاد بزرگوار مهندسی متالورژی کشورمان جناب آقای دکتر محمود نیلی در سال ۱۳۸۰ با استناد به حدود ۲۰۰ مقاله و کتاب معتبر تالیف و منتشر نموده اند.


 

در قسمت اول این نوشته، معرفی فولادهای ماراجینگ، تاریخچه ابداع و توسعه آن ها، کاربردها و انواع این فولادها و در قسمت دوم، تولید و فرآوری فولادهای ماراجينگ و متالورژی فیزیکی آن هاتقدیم علاقمندان شد. در این قسمت، مکانیزم های استحکام یابی، خواص مکانیکی، مقاومت به خوردگی، قابلیت جوشکاری و مهندسی سطح فولادهای ماراجینگ تقدیم می شود.

 

مکانیزم های استحکام یابی

 

اندرکنش بين نابجایی ها و رسوبات در فولادهای ماراجينگ بدین ترتیب است که در مراحل اولیه پیرسختی، نابجايي ها مناطق GP و یا رسوبات کوهیرنت را برش می زنند. در این شرايط مقاومت مناطق و یا رسوبات در مقابل برش و تنش های کوهیرنسی موجود در مجاورت آن ها در مقابل عبور نابجایی ها عامل استحکام یابی است که این مکانیزم به مکانیزم موت – نابارو ( Mott – Nabbaro ) معروف است. با رشد رسوبات مقاومت آن ها در مقابل برش توسط نابجایی ها زیاد شده و تنش های کوهیرنسی نیز افزایش می یابد که سبب افزایش بیشتر استحکام و سختی می گردد.

با رشد بیشتر رسوبات و افزایش مقاومت آن ها در مقابل برش توسط نابجایی ها، اندرکنش بین رسوبات و نابجایی ها تغیر یافته و نابجایی ها به جای برش رسوبات را حلقه زده و از آن ها عبور می کنند در این شرایط تنش لازم برای کمانش و رد شدن نابجایی ها عامل استحکام یابی است که به مکانیزم اورووان (Orrowan) معروف است. با پیشرفت عملیات پیرسازی و در نتیجه رشد رسوبات به تدریج سهم مکانیزم موت – نابارو کم شده و در مقابل سهم مکانیزم اورووان افزایش می یابد. مطابق مکانیزم اورووان استحکام آلياژ با افزایش فواصل بين ذره ای کاهش می یابد. بنابراین با رشد رسوبات (فراپیری) انتظار می رود که استحکام کاهش پیدا کند و در نتیجه حداكثر سختی و استحکام در یک فاصله بین ذره ای معین رخ می دهد. در فولادهای ماراجینگ حداکثر سختی واستحکام از اندرکنش نابجایی ها و رسوبات مطابق مکانیزم اورووان حاصل می گردد.

 

برای آشنایی بیشتر با نابجایی ها، نوشته زیر از عصر مواد توصیه می شود:

آشنایی با نابجایی ها

 

تردی حرارتی (Thermal Embrittlement)

 

در صورتی که فولادهای ماراجينگ تا دمای بالاتر از ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد گرم شوند منجر به انحلال ذرات ((Ti(C,N) خواهد شد که با آرام سرد کردن در محدوده ۱۱۰۰- ۷۵۰ درجه سانتیگراد کاربید و نیترید تیتانیم در مرز دانه های آستنيت اولیه تشکیل می گردد که سبب تردی فولاد شده و به ترکی حرارتی معروف است. تردی حرارتی به شدت تافنس فولاد را پایین آورده و بسته به شدت آن می تواند از جدایش اتم های کربن، نیتروژن و تیتانیم به مرز دانه های آستنيت اولیه شروع شده تا تشكیل فیلم پیوسته کاربید و نیترید تیتانیم در مرزها (تردی کامل) ادامه یابد، سریع سرد کردن یا انجام عمليات تغيير شكل گرم در محدوده تردی حرارتی از بروز آن جلوگیری می کند.

به هنگام سریع سرد کردن، کاربید و نیترید تیتانیم فرصت تشکیل نیافته و در صورت انجام تغيير شكل گرم به جهت تبلور مجدد دینامیک، ذرات در داخل دانه ها پراکنده می شوند که در هر دو صورت تردی رخ نمی دهد. به هنگام حرارت دادن مجدد به محدوده فوق ذرات کاربید و نیترید تیتانیم به صورت یکنواخت در داخل دانه ها پراکنده شده و سب تردی نمی شوند. پایین نگهداشتن میزان کربن و نیتروژن فولاد در به تعویق انداختن تردی حرارتی مؤثر است.

در صورت عدم کنترل دقیق، تردی حرارتی ممکن است به هنگام آهنگری و نورد گرم اولیه فولاد رخ دهد. از آن جایی که در فرآوری های بعدی لزومی به افزایش دما به بالای ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد نیست، بنابراین هیچ گونه نگرانی برای مصرف کننده بعدی محصول وجود ندارد.

 

خواص مکانیکی

 

ساختار مارتنزیتی فولادهای ماراجينگ در حالت آنیل محلولی شده به دلیل محتوای کربن بسیار پایین و برخلاف فولادهای کوئنچ و تمپر شونده متداول سختی و استحکام پایینی دارد. در جدول ۱ خواص مکانیکی فولادهای ماراجينگ استاندارد در شرایط آنیل محلولی شده داده شده است. در اثر پیرسازی، سختی و استحکام اين فولادها افزایش قابل توجهی می یابد. در جدول ۲ نمونه ای از خواص مکانیکی رده های مختلف فولادهای ماراجینگ ۱۸ نیکل کبالت دار در شرایط پیرسخت شده داده شده است.

 

جدول ۱ – خواص مکانیکی فولادهای ماراجینگ استاندارد در شرایط آنیل محلولی شده

Hardness, HRC RA% El% Tensile Strength, MPa Yield Stress, MPa grade
۲۸-۳۰ ۷۲-۷۹ ۱۷-۱۸ ۹۶۵-۱۰۰۰ ۷۶۰-۸۰۷ ۱۸Ni (200)/C200
۲۸-۳۵ ۵۵-۷۰ ۸-۱۶ ۱۰۰۰-۱۱۴۰ ۷۲۵-۸۹۵ ۱۸Ni(250)/C250
۳۰-۳۷ ۴۵-۶۰ ۶-۱۵ ۱۰۰۰-۱۱۷۰ ۷۶۰-۸۹۵ ۱۸Ni(300)/C300

 

جدول ۲ – نمونه ای از خواص مکانیکی رده های مختلف فولادهای ماراجینگ ۱۸ نیکل کبالت دار پیر سخت شده

Kic, MPa√m RA% El% Tensile Strength, MPa Yield Stress, MPa Heat Treatment grade
۱۵۵-۲۴۰ ۶۰ ۱۰ ۱۵۰۰ ۱۴۰۰ A ۱۸Ni (200)/C200
۱۲۰ ۵۵ ۸ ۱۸۰۰ ۱۷۰۰ A ۱۸Ni(250)/C250
۸۰ ۴۰ ۷ ۲۰۵۰ ۲۰۰۰ A ۱۸Ni(300)/C300
۳۵-۵۰ ۲۵ ۶ ۲۴۵۰ ۲۴۰۰ B ۱۸Ni(350)/C350

Heat treatment: 815 ºC/1hr

A: 480 ºC/3hr – B: 480 ºC/12hr

 

انواع بدون کبالت و کم کبالت نیز خواص مکانیکی نزدیک به انواع کبالت دار دارند. در جدول ۳ نمونه ای از خواص مکانیکی رده ۲۵۰ از هر سه نوع کبالت دار، کم کبالت و بدون کبالت در شرایط پیرسخت شده داده شده است.

 

جدول ۳ – نمونه ای از خواص مکانیکی رده ۲۵۰ از هر سه نوع فولادهای ماراجینگ ۱۸ نیکل کبالت دار، بدون کبالت و کم کبالت در شرایط پیر سخت شده.

Kic, MPa√m CVN, j RA% El% Tensile Strength, MPa Yield Stress, MPa grade
۱۳۸ ۳۷ ۶۴٫۵ ۱۲ ۱۸۷۰ ۱۸۲۵ ۱۸Ni (250)/C250
۱۲۷ ۳۴ ۵۸٫۵ ۱۱٫۵ ۱۸۹۵ ۱۸۲۵ Co-Free 18Ni (250) /T250
۱۴۹ ۴۳ ۶۳٫۵ ۱۱ ۱۸۳۵ ۱۷۸۰ (Low Co-18Ni (250

 

مهم ترین ویژگی فولادهای ماراجينگ دارا بودن تافنس شکست خوب در استحکام های بالا است. تافنس شکست در حالت کرنش مسطح (Kic) معیار خوبی برای ارزیابی مقاومت مواد فوق مستحکم در مقابل رشد ترک و شکست ناگهانی است. هرچقدر میزان Kic آلیاژی بالاتر باشد مقاومت آن در مقابل اشاعه ترک ها و شکست زودرس بیشتر خواهد بود. فولادهای ماراجينگ در مقایسه با فولادهای مارتنزیتی کوئنچ و تمپرشونده در استحکام يكسان تافنس شکست بالاتری را نشان می دهند. در شکل زیر تافنس شکست فولادهای ماراجينگ ۱۸ نیکل کبالت دار بر حسب استحکام کششی در مقایسه با فولادهای مارتنزیتی کوئنچ و تمپر شونده نشان داده شده است.

 

تافنس شکست فولادهای ماراجینگ بر حسب استحکام کششی در مقایسه با فولادهای مارتنزیتی کوئنچ و تمپر شونده

 

فولادهای ماراجينگ با توجه به دارا بودن استحکام بسیار بالا از استحکام خستگی بالایی نیز برخوردار هستند. در شكل زیر نمودار خستگی سه رده فولاد ماراجینگ ۱۸ نیکل کبالت دار در شرایط پیرسخت شده نشان داده شده است.

نمودار خستگی سه رده فولاد ماراجینگ ۱۸ نيكل كبالت دار در شرایط پیرسخت شده

 

فولادهای ماراجينگ در مقایسه با فولادهای مارتنزیتی کوئنچ و تمپر شونده استحکام خستگی بالاتری را نشان می دهند. در جدول ۴ استحکام کششی و خستگی سه رده فولاد ماراجينگ ۱۸ نیكل كبالت دار و برخی از فولاهای مارتنزیتی کوئنچ و تمپرشونده داده شده است.

 

جدول ۴ – استحکام کششی و خستگی سه رده فولاد ماراجینگ ۱۸ نیکل کبالت دار و برخی از فولادهای مارتنزینی کوئنچ و تمپر شونده

Endurance Limit, Ksi Tensile Strength, Ksi grade
۱۱۲ ۲۲۱ ۱۸Ni (200)/C200
۱۱۵ ۲۷۰ ۱۸Ni(250)/C250
۱۱۸ ۲۸۷ ۱۸Ni(300)/C300
۸۸٫۴ ۲۳۰ HY-Tuf
۹۸ ۲۶۰ ۴۳۴۰
۱۳۶٫۷ ۲۸۷ H-11

 

میزان تغيير شكل يكنواخت (قبل از گلویی) در فولادهای ماراجينگ کم بوده ليكن تغيير شكل موضعی (بعد از گلویی) قابل توجهی وجود دارند که با درصد بالای کاهش سطح مقطع همراه است. بنابراین این فولادها توان کار سختی و در نتیجه میزان کرنش یکنواخت پایینی دارند که شکل پذیری آن ها در روش های شکل دهی نیازمند کرنش يكنواخت بالا (کشش عمیق) را محدود می کند. برای افزایش شکل پذیری در این شرایط از ایجاد آستنيت برگشتی در ساختار از طریق فراپیرسازی بهره می گیرند.

فولادهای ماراجينگ را می توان به مدت زمان های طولانی در دماهای تا حداکثر ۴۰۰ درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار داد. استحكام تسلیم و کششی فولاد در این دما نسبت به مقادیر آن در دمای محیط ۲۰٪ کاهش نشان می دهد. همچنین گسیختگی تنشی در این دما در سطوح تنشی بالا می تواند رخ دهد. کاهش دما به زیر صفر سبب افزایش استحكام به طور مشابه با سایر فولادهای فوق مستحکم شده و سبب کاهش تاننس شکست به طور خطی می گردد.

عملیات ترمومکانیکی فولادهای ماراجینگ به منظور بهبود خواص مکانیکی از طریق کاهش اندازه دانه های آستنيت اولیه، جلوگیری از ایجاد مناطق نرم و رسوبات درشت در مرز دانه های استنيت اولیه، ریزتر کردن و توزیع یکنواخت تر آخال های غیرفلزی و ایجاد ساختار مارتنزیتی ظریف و دارای دانسیته بالاتر نابجایی ها انجام می گیرد.

عملیات ترمومکانیکی فولادهای ماراجینگ عبارتست از:

  • ۱) کار مکانیکی گرم در دمای بالا (High Temperature Thermomechanical Treatment)
  • ۲) کار مکانیکی سرد مارتنزیت قبل از پیرسازی (Marforming)

 

عملیات ترمومکانیکی فوق به صورت متداول و در فرآوری استاندارد فولادهای ماراجینگ انجام نمی گیرد بلکه در موارد خاصی از قبیل سیم ها و چاقوهای جراحی و روی آلیاژهای خاصی به منظور رسیدن به استحکام های بسیار بالا، به دست آوردن ضریب ارتجاعی بیشتر و … استفاده می شوند.

فولادهای ماراجینگ را می توان در شرایط آنیل محلولی شده به مقدار زیادی تحت تغيير شكل سرد قرار داد. انجام عملیات تغير شكل سرد به جهت افزایش دانسیته نابجایی ها سبب افزایش منابع جوانه زنی رسوبات و در نتیجه ريزتر شدن و توزیع یکنواخت تر آن ها می گردد که به افزایش سختی و استحکام منجر می شود. مقادیر بسیار بالای تغير شكل سرد سبب کاهش تافنس فولاد در شرایط پیرسخت شده می گردد. در جدول ۵ تاثیر چند نمونه از عملیات ترمومکانیکی روی استحکام تسلیم برخی از فولادهای ماراجينگ داده شده است.

 

مقاومت به خوردگی

 

 مقاومت به خوردگی فولادهای ماراجينگ بیشتر از فولادهای مارتنزیتی کوئنچ و تمپر شونده است. در محیط های صنعتی و دریایی نرخ خوردگی فولادهای ماراجينگ در حدود نصف نرخ خوردگی فولادهای کوئنچ و تمپر شونده است، در حالی که در آب دریای ساکن و جاری نرخ خوردگی برابر دارند. مقاومت به خوردگی فولادهای ماراجینگ در مقابل محلول های اسیدی و نمکی نسبتاً بیشتر است. همچنین این فولادها مقاومت به اکسیداسیون گرم بالایی دارند که ناشی از مقدار بالای نیکل و كبالت در آن ها است. فولادهای ماراجينگ مستعد به خوردگی تنشی در محیط های آبی هستند. با این حال مقاومت آن ها در برابر خوردگی تنشی بهتر از سایر فولادهای فوق مستحکم است.

فولادهای ماراجينگ زنگ نزن برای کاربردهای مقاوم به خوردگی طراحی شده و توسعه یافته اند که از استحکام و تافنس بالا نیز برخوردار هستند.

 

قابلیت جوشکاری

 

یکی از ویژگی های فولادهای ماراجینگ قابلیت جوشکاری عالی آن ها است. در این فولادها به جهت میزان کربن بسیار پایین امکان ایجاد تنش های پسماند زیاد وجود ندارد و بنابراین نیاز به عملیات پیشگرم و پسگرم ندارند. در منطقه متاثر از حرارت قطعات جوشکاری شده از اين فولادها سه منطقه وجود دارد. در نزدیک ترین منطقه به ناحیه HAZ یا (Heat Affected Zone) حوضچه مذاب رشد دانه های آستنيت اولیه رخ می دهد که با سرد شدن تا دمای محیط مارتنزیت در آن تشکیل می گردد و در شرایط آنیل محلولی شده قرار دارد. بعد از آن منطقه ای که تا دمای ۶۰۰-۷۵۰ درجه سانتیگراد گرم شده است حاوی آستنیت برگشتی است. در مناطق بعد از آن بسته به دمای گرم شدن، واکنش های پیرسازی تا مراحل مختلفی پیشروی می کنند.

متداول ترین روش برای برگشت خواص منطقه جوش در قطعات جوشکاری شده بازیابی سختی از طریق تكرار عملیات پیرسازی است. در صورتی که مشکل اعوجاج وجود نداشته باشد انجام آنیل محلولی مجدد بهتر است. تافنس شکست منطقه متاثر از حرارت بعد از عملیات پیرسازی در حد فلز پایه بوده و تافنس شکست فلز جوش بستگی به روش جوشکاری استفاده شده دارد.

فولادهای ماراجينگ را به روش های مختلفی می توان جوشکاری نمود.

 

مهندسی سطح

 

 فولادهای ماراجينگ به راحتی و به طور همزمان با عملیات پیرسازی نیتروره می شوند. با نیتروراسيون فولادهای ماراجينگ در ۴۵۵ درجه سانتیگراد به مدت ۲۴-۴۸ ساعت در محیط گازی آمونیم تجزیه شده (۳۰٪) سختی را در عمق تا ۰٫۱۵ میلی متر می توان تا ۶۵-۷۰ راکول سی افزایش داد. نیتروراسيون سريع فولادهای ماراجینگ می تواند به مدت ۱٫۵ ساعت در دمای ۵۴۰ درجه سانتیگراد در حمام نمک انجام گیرد که در این صورت به جهت تسریع فراپیری نیاز به کنترل دقیق تر دارد. نیتروراسيون فولادهای ماراجينگ سبب بهبود استحکام خستگی و مقاومت سایشی و خوردگی آن ها می گردد.

فولادهای ماراجينگ را جهت بهبود مقاومت خوردگی و سایش آن ها با نیکل، نيكل – فسفر، کادمیم، کروم سخت، ترکیبات بین فلزی نیترید تیتانیم و آلومینیوم به روش PVD یا رسوب فیزیکی بخار و لایه های اکسیدی پوشش می دهند. برای از بین بردن اکسیدهای عملیات حرارتی می توان از گریت بلاست استفاده کرد. همچنین می توان از اسید شویی و چربی زدایی شیمیایی نیز استفاده کرد. از اسید سولفوریک و یا مخلوط اسید کلریدریک، اسید نیتریک و اسید فلوریدریک برای اسید شویی و از محلول های نوع تری کلرواتان برای چربی زدایی استفاده می شود. از تمیز کاری با هیدرید سدیم به دلیل ایجاد ترک های سطحی باید اجتناب نمود.

 

قسمت اول و دوم از این نوشته را می توانید از لینک زیر دنبال کنید:

فولادهای ماراجینگ، هر آن چیزی که نیاز دارید بدانید – قسمت اول

فولادهای ماراجینگ، هر آن چیزی که نیاز دارید بدانید – قسمت دوم

 

 

 

 

برخی مطالب مرتبط با فولادها در عصر مواد:

 


 

ارسال دیدگاه