تأثیر عناصر آلیاژی در فولادهای زنگ نزن
1. کروم :
کروم عنصر اصلی در فولادهای زنگ نزن است . دلایل اصلی افزودن کروم :
- افزایش سختی پذیری
- افزایش استحکام در دمای بالا
- افزایش مقاومت به خوردگی
کروم تمایل زیادی به ترکیب با کربن دارد و لذا رسوبات کاربید کروم را تشکیل می دهد . از طرف دیگر تمایل به ترکیب با اکسیژن بیشتری دارد ، اکسید کروم تشکیل شده ، نقش فیلم سطحی محافظ را بازی می کند .کروم فریت زای بسیار قوی است . افزودن کروم به آهن ناحیه پایداری فاز گاما را محدود کرده ودر حدود 13% پایداری فاز فریت δ را تا دمای اتاق افزایش می دهد .
2. نیکل :
نیکل عنصر آستنیت زای قوی می باشد و هیچ تأثیری بر تشکیل کاربید یا اکسید ندارد (تمایل به ترکیب با کربن و اکسیژن آن کمتر از آهن است ) . نیکل سختی پذیری ، چقرمگی شکست ، استحکام ، مقاومت به خوردگی و سختی فولاد را افزایش می دهد . برای خنثی کردن اثر فریت زایی کروم از نیکل استفاده می شود . باید توجه داشت که نیکل به هر نسبتی در آهن گاما حل می شود . در فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی زمانیکه کرم به میزان بالا جهت بهبود خواص مقاوم به خوردگی اضافه می شود نیکل به منظور حفظ ساختار و جلوگیری از افزایش فریت به فولاد اضافه می شود که باعث افزایش میزان آستنیت شده و در نتیجه تأثیر بسزایی بر چقرمگی خواهد داشت .
3. منگنز :
منگنز در فولادهای زنگ نزن ، داکتیلیته در حالت گرم را بهبود می بخشید . این عنصر در دماهای پایین پایدار کننده گاما بوده ولی در دماهای بالا پایدار کننده فریت است. ترکیبی از منگنز با نیتروژن را می توان در جهت پایدار سازی فاز گاما جایگزین نیکل کرد . البته با افزایش درصد این عنصر حساسیت به تردی تمپر نیز در فولاد بیشتر می شود .
4. تیتانیم ونیوبیم :
این دو عنصر کاربیدزا بوده و با اضافه کردن آنها به فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی کاربیدهای پایدار تشکیل شده و از تشکیل کاربید کروم جلوگیری می شود .
5. مولیبدن :
این عنصر در فولادهای زنگ نزن باعث افزایش مقاومت به خوردگی و حفره دار شدن می شود ، عنصری کاربیدزاست و سختی پذیری را افزایش می دهد . با توجه به اثر این عنصر بر رسوب کاربیدها سختی فولاد در دماهای برگشت بالا را افزایش می دهد و در عملیات حرارتی تردی ناشی از تمپر را کاهش داده و باعث افزایش عمق سختی می شود . به دلیل افزایش دادن استحکام فولاد قابلیت چکش کاری آن را کاهش می دهد .
6. نیتروژن :
نیتروژن آستنیت زای بسیار قوی می باشد (حلقه گاما را در سیستم Fe-Cr گسترش می دهد) که باعث افزایش داکتیلیته و سختی پذیری می شود و در نتیجه لزوم برگشت بعد از کار گرم را حذف می کند .
7. گوگرد و فسفر :
این عناصر قابلیت ماشین کاری را بهبود بخشیده ، اما به دلیل انحلال در فریت باعث ایجاد ترک ویا درز در قطعه می شود . در صورتی که بتوان مقدار این عناصر را کاهش داد ، احتمال ترک خوردن را می توان از بین برد .
8. سیلیسیم :
این عنصر در فولادهای زنگ نزن در مقادیر کم سختی پذیری به میزان متوسطی افزایش می دهد و باعث مقاومت در برابر اکسیداسیون و پایداری فریت می شود . در مقادیر بالا نه تنها باعث مقاومت در برابر اکسیداسیون می شود بلکه از کربوره شدن فولاد در دمای بالا نیز جلوگیری می کند . با افزودن درصد این عنصر حساسیت به تردی تمپر نیز در فولاد بیشتر می شود .
اثر سیلیسیم بر روی قابلیت فورج پذیری فولاد 410 به گونه ای است که افزایش سیلیسیم سبب کاهش قابلیت فورج پذیری می گردد. با این وجود سیلیسیم سبب تشدید ایجاد فاز γ می شود ولی اثر آن به مراتب کمتر از عناصری نظیر کربن و کرم می باشد (این اثر در منابع به صورت تفاوت محدوده آهنگری در فولادهای 410 و 403 که تنها در درصد سیلیسیم متفاوت می باشند،گزارش شده است) .
اندازه دانه در واقع اندازه متوسط خطی دانه‌ها در مواد تک-فازی تعریف می‌گردد. لذا این واژه فقط برای فولادهای با ریز ساختار غالب فریتی یا آستنیتی مصداق دارد و شامل فولادهای پرلیتی نمی‌گردد. مرز دانه‌ها فاصله بین دو کریستال با جهت‌گیری متفاوت است و معمولاً سدی در برابر حرکت نابجایی‌ها ایجاد می‌کنند و از این طریق استحکام فلز را افزایش می‌دهد.
بر اساس رابطه "هال-پچ"، هرچه فولاد دانه ریزتر باشد، استحکام تسلیم آن بیشتر خواهد بود (استحکام تسلیم رابطه مستقیم با عکس جذر قطر دانه دارد). بر این اساس داشتن ساختار فریتی با دانه‌هایی با ابعاد بین 2 تا 10 µmارزشمند می‌باشد.
عملیات ریزکردن دانه‌ها عبارت است از کاهش اندازه متوسط دانه معمولاً از طریق افزایش نرخ جوانه‌زنی جوانه‌های جدید در مرحله انجماد. این عمل یا از طریق افزایش سرعت انجماد یا از طریق افزودن مواد جوانه‌زا به مذاب صورت می‌گیرد. همچنین در حین تبلور مجدد اولیه، افزایش مقدار تغییر شکل و افزایش چگالی مکانهای جوانه‌زنی نرخ جوانه زنی را زیاد می‌کند.
در فولادها افزودن برخی از عناصر همانند آلومینیم، وانادیم، تیتانیم و نایوبیم (معمولاً تا حداکثر غلظت 0.1%)، به ریزدانگی ساختار نهایی فولاد کمک می‌نماید. که ایده تولید فولادهای میکروآلیاژ نیز بر همین امر استوار است. همچنین انجام عملیات ترمو مکانیک (شکل دهی تحت دما) نیز به رسیدن به ساختار ریز دانه کمک می‌نماید. در این عملیات، مکانیزم متأثر از دو عامل اصلی دما و مقدار تغییر شکل می‌باشد. معمولاً با تبلور مجدد آستنیت، ساختار ریز دانه جدید بوجود می‌آید. البته در این فرایند، نقش رسوبات و ذراتی که همانند میخ، مرز دانه‌ها را چفت می‌کنند بسیار مهم می‌باشد. معمولاً ترکیبات نیتریدی یا کاربیدی چنین نقشی را دارند. کوچکترین اندازه دانه قابل دستیابی از طریق عملیات ترمو مکانیک، حدود 1µm می‌باشد.
هنگامی که در مشخصه یک فولاد عبارت آستنیت دانه ریز مشخص گردد، ریز ساختار آن فولاد باید بر اساس روش تست ASTM E 112 دارای عدد اندازه دانه (N) 5 یا بیشتر باشد (عدد اندازه دانه 5 معادل با قطر دانه 0.07mm می‌باشد). تصدیق این میزان با قرار گرفتن 70% دانه‌ها در سطح مورد آزمایش حاصل می‌شود. جهت انجام تست از هر ذوب باید یک نمونه تهیه گردد. به عبارت دیگر اعداد اندازه دانه ASTM بین 1 تا 5 معیار درشت دانه بودن می‌باشد.
· مطابق روش ASTM عدد اندازه دانه (N) با تعداد دانه‌ها (n) در هر اینچ مربع تصویر متالوگرافی در بزرگنمایی 100، با رابطه زیر مرتبط است:
N=1+log2n
