آشنایی با فولاد زنگ نزن (قسمت سوم)

فصل سوم:

                     دسته بندی فولادهای زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن از انواع فولادها با بیش از 10.5 درصد کرم می باشند که بطور کلی به پنج دسته زیر تقسیم می شوند:

1-فولادهای زنگ نزن فریتی

2-فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی

3-فولادهای زنگ نزن آستنیتی

4-فولادهای زنگ نزن رسوب سختی

5- فولادهای زنگ نزن دوفازی

این آلیاژها از تنوع بسیار بالایی بر خوردار می باشند بطوری که انجمن AISI حدود 57 نوع آن را بصورت استاندارد معرفی نموده که در صنایع مختلف شیمیایی،اتومبیل سازی، فضایی،تزئینی و خانگی بکار برده می شوند. در جدول 1-3 سعی شده تعدادی از انواع این فولادها که از نظر کاربرد بیشترین توجه را به خود جلب نموده اند آورده شود.

 

جدول3-1 انواع فولادهای زنگ نزن

3-1- فولادهای زنگ نزن فریتی:

از آنجایی که در این فولادها ساختار متالورژیکی غالب ساختار فریتی می باشد این نوع از فولادهای زنگ نزن به عنوان فولادهای زنگ نزن فریتی شناخته شده اند و دارای 12 تا 13 درصد وزنی کرم و فاقد عنصر نیکل می باشند. این فولادها به دلیل مقاومت به خوردگی و ترک خوردگی تنشی خوب و مقاومت به خوردگی حفره ای و خوردگی شکافی خصوصا در محیطهای کلریدی مورد توجه قرار گرفته اند اما از طرفی به دلیل اینکه شکل پذیری و قابلیت جوشکاری ضعیفی دارند دارای کاربرد محدودتری می باشند. دلیل این مطلب تشکیل فازهای ترد به درجه حرارت های کاری پایین تر از 400 درجه سانتیگراد و تردی 475 درجه سانتیگراد می باشد.

بطور کلی فولادهای زنگ نزن فریتی در درجه حرارتهای بالای 343 درجه سانتی گراد کاربرد چندانی ندارند زیرا مشکلاتی از قبیل تردی بخاطر تبدیل فریت به دو ساختار مختلف مکعبی bcc در محدوده دمایی 510-343 درجه سانتی گراد و همچنین تشکیل مارتنزیت در منطقه جوش  در بعضی از آنها و یا تشکیل کاربید در منطقه جوش، کاربرد آنها را نسبت به فولادهای زنگ نزن آستنیتی که در مباحث بعدی آنها را بررسی می کنیم محدود می کند.  همچنین استفاده از AOD ¹ در پالایش فولاد و کم کردن کربن و ازت می تواند موجب بهبود خواص خوردگی این فولادها گردد.[1]

فولادهای زنگ نزن فریتی را می توان از نظر میزان کرم و همچنین میزان عناصر آلیاژی به  دسته های مختلفی تقسیم نمود که در اینجا این نوع فولادها را بر اساس ترکیب شیمیایی به سه دسته زیر تقسیم می کنیم:

1-فولادهای زنگ نزن فریتی کرم متوسط با مقدار کربن نسبتا بالا

2-فولادهای زنگ نزن فریتی با حداقل مارتنزیت و قابلیت جوشکاری خوب

3-فولادهای زنگ نزن فریتی با کرم بالا و مقادیر کم عناصر بین نشین (کربن + نیتروژن)و مقادیر کم ناخالصی.

دسته اول از این نوع فولادها صد در صد فریتی نبوده چرا که کربن موجود به عنوان یک    آستنیت زا در هنگام انجماد و سرد شدن و یا هنگامی که تا درجه حرارت بالا گرم می شوند عمل نموده بطوری که این آستنیتی که در درجه حرارت بالا تشکیل می شود بر اثر سرد شدن تا درجه حرارت اتاق به مارتنزیت تبدیل می شود.

دسته دوم دارای کربن پایینتری نسبت به گروه قبلی می باشند و اغلب دارای عناصر پایدار کننده نیوبیم و تیتانیم می باشند که کربن و نیتروژن را محبوس کرده و سبب پایداری فریت می شوند.

در دسته سوم آلیاژهای بسیار خالص از این نوع دارای مقاومت به خوردگی زیاد با چقرمگی و داکتیلیتی متوسط می باشند.

برمبنای نامگذاریAISIاین فولادها به سری 400 معروف هستندو برخلاف فولادهای ضد زنگ آستنیتی دارای خاصیت مغناطیسی می باشند و در اصطلاح عام به فولادهای بگیر معروف       می باشند. از دیگر ویژگیهای این فولادها می توان به این مورد اشاره نمود که آنها را نمی توان با عملیات حرارتی سخت نمود. در اثر کار سرد از خود کارسختی متعادلی نشان می دهند.

3-1-1-تاثیر عناصر آلیاژی بر روی ریزساختار فولادهای زنگ نزن فریتی:

همانگونه که در فصل گذشته بیان شد برخی از عناصر آلیاژی می توانند تاثیر بسزایی بر روی ریزساختار فولادهای زنگ نزن داشته باشند. از این میان کربن و نیتروژن محدوده فازآستنیت را گسترده نموده و باعث پایداری این فاز در فولاد زنگ نزن می شود که این به نوبه خود در فولادهای زنگ نزن فریتی نوعی عیب و مشکل محسوب می شود لذا در فولادهای زنگ نزن فریتی به منظور کاهش این دوعنصر (در فولادهای کم کرم و کرم متوسط)معمولا مقدار این دو عنصر را باید به مقادیر بسیار کم کاهش داد(کمتر از 100ppm )و یا اینکه با افزودن عناصر آلیاژی همچون سیلیس، تیتانیم،نیوبیم،مولیبدن و آلومینیوم فریت موجود در ساختار را پایدار      می کنند(شکل گیری فریت).

تیتانیم و نیوبیم به دلیل میل ترکیبی خوبی که با کربن و نیتروژن دارند تشکیل کربونیترید هایی را می دهد و معمولا در غلظتهای پایین مناسب می باشند. این در حالی است که آلومینیوم تنها با نیتروژن ترکیب می شود و مقاومت به اکسیداسیون را بخصوص در درجه حرارتهای بالا ، افزایش میدهد. همچنین سیلیسیم به عنوان یک اکسیژن زدا استفاده می شود و استحکام لایه اکسیدی را باعث می شود.

مولیبدن نیز بهبود مقاومت به خوردگی و حفره دار شدن را به همراه دارد.

در فولادهای زنگ نزن فریتی معمولا از عناصر آستنیت زا تنها از منگنز و نیکل استفاده می شود. منگنز به منظور کنترل میزان گوگرد و از نیکل نیز جهت بهبود چقرمگی فاژ¹ استفاده می شود².[2]

3-1-2- تاثیر مارتنزیت:

وجود مارتنزیت در فولادهای زنگ نزن فریتی می تواند دارای تاثیراتی باشد که این تاثیرات را به موارد زیر بیان می کنیم:

1-سبب افزایش ترک خوردگی هیدروژنی می شود

2-به دلیل خواص شکست و تغییر شکل آن نسبت به فریت به عنوان منبع تردی نیز خوانده می شود

3-کاهش مقاومت به خوردگی در فولادهای زنگ نزن فریتی کم کرم

4-فصل مشترک مارتنزیت – فریت مکان مناسبی برای ترک خوردگی تنشی بین دانه ای است.

3-1-3- متالورژی مکانیکی فولادهای زنگ نزن فریتی:

فولادهای زنگ نزن فریتی تحت تاثیر سه نوع شکنندکی (تردی)قرار دارند:

1-تردی 475 درجه سانتیگراد(885 درجه فارنهایت)

2-تردی فاز سیگما ،کای¹ و لاوز²

3-تردی درجه حرارت بالا[3]

3-1-3-1-تردی 475 درجه سانتیگراد:

این تردی مربوط به فولادهای زنگ نزن فریتی پرکرمی است که به مدت زیادی در محدوده دمایی 550-425 درجه سانتیگراد گرم شوند.

علت این نوع تردی را به تشکیل رسوبات ریزی که فاز آلفا موسوم هستند و دارای شبکه بلوری bcc با همان پارامتر شبکه ای فریت bcc می باشند نسبت می دهند. این موضوع را می توان بدینگونه بیان نمود که در زیر خطوط ناپیوسته دیاگرام آهن- کرم که در فصل اول تشریح شد،اتمهای کرم و آهن تمایل به جدا شدن دارند و در نتیجه یک فریت غنی از کرم و یک فریت غنی از آهن تشکیل می دهند. رسوبات پیوسته غنی از کرم در زمینه آلفا را آلفاپرین می نامند که این رسوبات آلفا پرین تشکیل شده معمولا دارای 83-61 درصد کرم می باشند و نرخ و درجه تردی به غلظت و مقدار کرم بستگی دارد بطوریکه هرچه میزان کرم بیشتر شود زمان و درجه حرارت ترد شدن به ترتیب کمتر و بیشتر خواهد شد و بالعکس با کاهش درصد کرم میتوان تردی 475 درجه سانتیگراد را به حداقل و حتی به صفر رساند.

از نتایج ناشی از تشکیل فاز آلفاپرین در دمای 475 درجه سانتیگراد می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

1-افزایش سختی و استحکام تسلیم و در نتیجه کاهش داکتیلیتی و چقرمگی

2-افزایش دمای تبدیل شکست نرم به ترد(DBTT) که باعث ایجاد تغییرات در ظاهر سطح مقطع شکست می شود.

3-کاهش شدید مقاومت به خوردگی در نتیجه خوردگی گزینشی فریت غنی از آهن

از روشهایی که می توان حساسیت فولاد های زنگ نزن فریتی را نسبت به تردی 475 درجه سانتیگراد کاهش داد می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

1-کاهش درصد کرم

2-حرارت دادن در محدوده 600-550 درجه سانتیگراد برای مدتی کوتاه بطوری که می توان خواص مکانیکی و خوردگی را به شرایط قبل از پیرسازی برگرداند.آنچه که در این مورد قابل توجه است این است که زمان اضافی در این محدوده دمایی باعث ایجاد تردی فاز سیگما می شود.

عناصر آلیاژ و ناخالصی ها نیز می توانند به نوبه خود بر روی تردی 475 درجه سانتیگراد تاثیرگذار باشند که در 3-3 ذیل بیان شده اند.

عناصر آلیاژی	تاثیر
AL	افزایش می دهد
C	افزایش می دهد/ بی اثر
Cr	افزایش می دهد
Co	افزایش می دهد
Mo	افزایش می دهد
Ni	متغیر
Nb	افزایش می دهد
N	افزایش می دهد/ تاثیر اندک
P	افزایش می دهد
Si	افزایش می دهد
Ti	افزایش می دهد

جدول3-3 تاثیر افزودنیهای آلیاژی بر تردی 475 درجه سانتی گراد آلیاژهای آهن- کرم

3-1-3-2-تردی فازهای سیگما، کای و لاوز:

فازهای سیگما، کای و لاوز فازهای بین فلزی می باشند که ممکن است تحت شرایط خاص در مراحلی از فرایند تولید در محدوده دمایی 500 تا 1000 درجه سانتیگراد ایجاد شوند. مشخصات فازهای بین فلزی در جدول3-4 بیان شده است.

 

 

جدول 3-4 مشخصات فازهای بین فلزی در فولادهای زنگ نزن فریتی

 

فولادهای زنگ نزن با میزان کرم 70-20 درصد وزنی مستعد تشکیل فاز سیگما می باشند. با قرار گرفتن این آلیاژها به مدت طولانی در محدوده دمایی 800-500 درجه سانتیگراد این فاز ایجاد شده و نرخ و درجه تردی آن نیز به مقدار غلظت کرم وابسته است بطوری که هرچه غلظت کرم افزایش یابد تشکیل فاز سیگما در زمان کوتاه تر انجام می گیرد.

 

شکل3-1 تاثیر غلظت کرم بر زمان آستانه ای برای شکل گیری فاز سیگما در 593و 649 درجه سانتیگراد

 

به دلیل سخت و ترد بودن این فاز وجود آن در فولادهای زنگ نزن می تواند نامطلوب باشد¹ و با حرارت دهی برای زمان های کوتاه تا درجه حرارتهای بالاتر از 800 درجه سانتیگراد می توان آن را برطرف نمود.[4]

فاز سیگما همراه با کاربیدهای یوتکتیک در فواصل بین دانه ای و به شکل سوزنی یا ورقه ای پدید می آید.

 

 

 

 

 

 

شکل3-2 فاز سیگما به صورت سوزنی شکل در مرز دانه ها

 

فاز کای معمولا در آلیاژهای ریختگی آهن –کرم-نیکل حاوی مولیبدن                                      (                  یا                          ) شکل میگیرد که می تواند همراه با فاز سیگما در ساختار وجود داشته باشد.

 

 

 

 

 

 

 

شکل3-3 میکروساختار نوری از فولاد زنگ نزن فریتی و فازهای کای و سیگما

تشکیل فازهای بین فلزی از یک منحنی (C)شکل پیروی می کند بگونه ای که عناصر آلیاژی بر روی شکل و موقعیت این منحنی اثر دارند در شکل 3-4 این منحنی برای فولاد زنگ نزن فریتی   25Cr-3Mo-4Ni  نشان داده شده است از این منحنی ها معمولا به منظور موارد ذیل استفاده می شوند:

 

 

1-تعیین محدوده دمایی برای انحلال فازهای بین فلزی

2-تعیین محدوده دمایی که جهت جلوگیری از رسوب مجدد فازهای بین فلزی باید فولاد را سریع سرد نمود.

3-تعیین محدوده دمایی عدم استفاده از فولادهای زنگ نزن فریتی

 

شکل 3-4 منحنی C یا همان منحنی دما- زمان-استحاله برای فولاد زنگ نزن فریتی با ترکیب شیمیایی                  %24.5 Cr , %3.54 Mo , %3.9Ni , %0.17Nb , %0.32Al

 

 

 

 

 

3-1-3-3-تردی درجه حرارت بالا ¹(HTE):

این تردی در درجه حرارت های بالاتر از 0.7 Tm ایجاد می شود و معمولا در هنگام فرایند های مکانیک حرارتی (ترمو مکانیکی)یا جوشکاری رخ می دهد که دمای آنها از دماهای کاری توصیه شده برای فولادهای زنگ نزن فریتی بالاتر می باشد.[5]

عناصر بین نشین از قبیل کربن و نیتروژن و اکسیژن بر روی تردی درجه حرارت بالای فولادهای زنگ نزن فریتی تاثیر بسزایی دارند این عناصر در دماهای بالا در محلول جامدی از فریت یا زمینه فریت +آستنیت وجود دارند که به محض سرد شدن، در مرز دانه ها یا نابجایی ها رسوباتی را از قبیل کاربیدها و نیتریدها و کربونیتریدهای غنی از کرم را تشکیل می دهند. رسوب این عناصر در مرز دانه ها خوردگی را افزایش و در درون دانه کاهش داکتیلیتی کششی را به همراه دارد.

مقادیر نیتروژن بالاتر از 0.02%wt سبب کاهش شدیدی در چقرمگی می شود بنابر این HTE با مقادیر بالای کرم ، کربن و نیتروژن تشدید می شود همچنین نرخ سرد شدن از درجه حرارت بالا نیز بر HTE تاثیر می گذارد که این تاثیر به ترکیب شیمیایی بستگی دارد. در آلیاژهایی با مقادیر کم بین نشین ها (کربن + نیتروژن )سرد شدن سریع از بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد تمایل به کاهش تردی (DBTT پائینتر) ناشی از برگشت کربن و نیتروژن به محلول جامد یا تمایل به شکل گیری رسوبات درون دانه ای دارد.در نرخ های سرد شدن کمتر ،رسوب کاربید یا نیترید بین دانه ای غالب و همراه با کاهش داکتیلیتی و چقرمگی می باشد.

در آلیاژهای پر کرم با مقادیر بالای کربن + نیتروژن (1000ppm و بالاتر )سرد شدن سریع سبب بالا رفتن تردی و افزایش DBTT می شود و به دلیل اینکه حلالیت کربن و نیتروژن با افزایش غلظت کرم کاهش می یابد امکان متوقف نمودن رسوب از طریق سرمایش سریع به ویژه در آلیاژهای پرکرم وجود ندارد.

تاثیر عناصر آلیاژی بر روی HTE از اهمیت کمتری نسبت به کرم برخوردار می باشند بطوری که تیتانیم و نیوبیم بخاطر میل ترکیبی زیادی که با کربن دارند می توانند با تشکیل کاربیدهای پایدار تاثیرات حاصل از رسوب کاربیدها و کربونیتریدها ی غنی از کرم را کاهش دهند. همچنین تشکیل نیتریدها و اکسیدهای غنی از آلومینیوم نیز سبب کاهش حساسیت به HTE می شود.

با توجه به اینکه تردی درجه حرارت بالا مربوط به درجه حرارتهای بالا می باشد رشد دانه نیز   می تواند بر روی این تردی تاثیر گذار باشد البته ممکن است به تنهایی علت ترد شدن نباشد ولی در حضور برخی دیگر از عناصر از قبیل عناصر بین نشین باعث ایجاد این تردی شود همانگونه که در شکل3-5 نشان داده شده اندازه دانه و مقدار عنصر بین نشین می توانند به همراه هم بر روی چقرمگی ضربه ای فولاد زنگ نزن کاملا فریتی تاثیر گذار باشند. بطوریکه هرچه خلوص آلیاژ بیشتر باشد بیشترین افت چقرمگی و داکتیلیتی به صورت تابعی از افزایش اندازه دانه خواهد بود.

 

شکل 3-5 تاثیر اندازه دانه و مقدار بین نشین بر چقرمگی ضربه ای آلیاژهای Fe-25Cr

با توجه به مطالب بیان شده می توان تردی درجه حرارت بالا را به دو تئوری ذیل نسبت داد:

1-رسوب درون دانه ای که باعث محدود شدن حرکت نابجایی ها شده و در نتیجه می تواند تاثیر شدیدی بر HTE داشته باشد

2-رسوب بین دانه ای و تردی موضعی مرزدانه ها

به نظر می رسد که رسوب درون دانه ای تاثیر بیشتری بر HTE داشته باشد ولی از آنجایی که رسوبات بین دانه ای می تواند نقطه شروع ترک باشند این تردی را با رسوبات بین دانه ای بیشتر مرتبط می دانند تا رسوبات درون دانه ای.

 

تاثیر	عنصر و ریز ساختار
شدیدا افزایش می دهد	N+C
افزایش می دهد	Cr
افزایش کم برای C+N بالا،افزایش زیاد برای Cr بالاو C+N پائین	اندازه دانه
اندکی افزایش می دهد	O
کاهش می دهد	Ti

جدول3-5 تاثیر ترکیب شیمیایی و ریز ساختار بر تردی درجه حرارت بالا

3-1-4-خواص مکانیکی:

سریع سرد کردن فولادهای زنگ نزن فریتی که حاوی درصد زیادتری از عناصر آلیاژی می باشند به منظور جلوگیری از تشکیل فازهایی که در رابطه با انعطاف پذیری و چقرمگی مخرب هستند لازم و ضروری است.

استحکام و سختی فولادهای زنگ نزن فریتی را نمی توان با عملیات حرارتی افزایش داد چرا که این عملیات حرارتی می تواند منجر به تردی و کاهش چقرمگی و یا هر دو شود. همچنین از آنجایی که آهنگ کرنش سختی فریت نسبتا کم است و کار سختی هم انعطاف پذیری آن را بطور قابل ملاحظه ای کاهش می دهد بنابراین استحکام فولادهای زنگ نزن فریتی را اغلب توسط کارسختی افزایش نمی دهند بلکه در عمل پرمصرفترین روش کار سرد می باشد.

استحکام و توانایی ساختار فریتی در برابر تغییر شکل مومسان به شدت تابع دما می باشد. با کاهش دما استحکام سریع افزایش یافته و انعطاف پذیری به شدت کاهش می یابد که این بر   می گردد به از دست دادن خاصیت لغزش متقاطع نابجاییها در ساختار فریت(bcc) که منجر به شکست نرم به ترد می شود که دمای این تغییر وضعیت (شکست نرم به ترد) می تواند بالای دمای اتاق باشد. در شکل3-6 دمای تبدیل شکست نرم به ترد بر حسب تابعی از ضخامت برای چندین فولاد زنگ نزن فریتی نشان داده شده است.

 

شکل 3-6 دمای تبدیل شکست نرم به ترد برحسب تابعی از ضخامت قطعه

 

همانگونه که مشاهده می شود هرچه قطع ضخیمتر می شود شکست ترد دردمای بالاتر از دمای اتاق رخ می دهد چرا که در مقاطع ضخیم تغییر شکل مومسان بیشتری تحمیل می شود.

از آنجایی که فولادهای زنگ نزن فریتی کاملا فریتی می باشند (در دمای اتاق)استحکام را     نمی توان از طریق استحاله آستنیت به مارتنزیت افزایش داد.

 

جدول3-6 خواص مکانیکی مورد نیاز برای فولادهای زنگ نزن فریتی کارپذیر

3-1-5- خوردگی در فولادهای زنگ نزن فریتی:

با افزایش میزان کرم در این آلیاژها مقاومت به خوردگی افزایش می یابد بطوریکه آلیاژهای حاوی 23 تا 28 درصد کرم در صورتیکه تحت عملیات حل سازی-تابکاری قرار گیرند بهترین مقاومت به خوردگی را خواهند داشت . همچنین اگر میزان کرم 23 تا 24 درصد باشد و تا حدود 2 درصد نیز مولیبدن وجود داشته باشد می توان گفت که فولاد زنگ نزن فریتی نسبت به خوردگی حفره دار شدن مقاوم است.

همچنین وجود مقادیر کم کربن و نیتروژن در فولادهای زنگ نزن فریتی می تواند این فولادها را با توجه به محل رسوب کاربید و نیترید مستعد یکی از انواع خوردگی نماید بطوریکه به هنگام جوشکاری رسوب کاربیدها و یا نیتریدهای غنی از کرم در مناطق بین دانه ای و یا درون دانه ای¹ باعث به وجود آمدن منطقه ای عاری از کرم و در نتیجه کاهش مقاومت به حفره دار شدن در آن منطقه شود.[6]

معمولا برای مقابله با خوردگی در این نوع از فولادهای زنگ نزن می بایست میزان کربن و نیتروژن را به حداقل مقدار کاهش داد و یا اینکه با استفاده از عناصری همچون تیتانیم و کلومبیم که در دمای بالا تشکیل کاربیدهای تیتانیم و کلومبیم می دهند مقاومت به خوردگی بین دانه ای را در دمای پایین افزایش داد.

3-2- فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی:

این فولادها نیز همچون فولادهای زنگ نزن فریتی به فولادهای زنگ نزن سری 400 معروف می باشند که میزان کرم در آنها بین 12 تا 17 درصد متغیر می باشد.حضور عناصر بین نشین (کربن و نیتروژن) در این فولادها معمولا به منظور پایدار نمودن فاز آستنیت و گسترش حلقه گاما می باشد بطوری که مقادیر زیاد کربن و نیتروژن امکان داشتن فولاد زنگ نزن مارتنزیتی با درصد بیشتر کرم را فراهم می کند.

از مشخصه های بارز این نوع فولادها عملیات حرارت پذیری آنها می باشد بگونه ای که می توان ابتدا آنها را آهنگری¹ نموده و سپس با آستنیته و سریع سرد کردن(تشکیل مارتنزیت) و باز پخت نمودن، عملیات حرارتی نمود.[7]

محدوده ترکیب شیمیایی فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی را می توان گفت محدود است چرا که ترکیب این فولادها باید به گونه ای در نظر گرفته شود که تا حدودی سختی و استحکام مورد نظر حاصل شود این در حالی است که مقاومت به خوردگی این آلیاژها نسبت به فولادهای زنگ نزن فریتی و آستنیتی کمتر می باشد.مقادیر کربن و کرم را در این فولادها بگونه ای باید تنظیم نمود که امکان آستنیته کردن کامل فولاد وجود داشته باشد.

در صورتیکه میزان کربن زیاد باشد کربن اضافی در نزدیکی مرز دانه به صورت کاربید رسوب    می کند و باعث می شود که میزان کرم در آن نواحی به مقادیر کمتر از 12 درصد که یک حد بحرانی است کاهش یابد. پس لازم است به منظور غلبه بر اثرات ترکیب کرم و کربن و تشکیل کاربید کرم، میزان کرم را نیز زیاد نمود. لذا با زیاد نمودن میزان کرم تمام فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی دارای سختی پذیری خوبی شده و برای سخت کردن می توان آنها را در روغن یا حتی هوا سرد نمود.از طرفی میزان اضافه کردن این عناصر نیز محدود می باشد چراکه عناصری همچون کربن باعث کاهش دمای ¹Ms می شوند و درصورتیکه این دما خیلی کاهش یابد دیگر ما در دمای اتاق آستنیت خواهیم داشت.[8]

مقدار کرم و کربن و همچنین عملیات حرارتی تاثیر بسزایی بر روی ریز ساختار فولادهای      زنگ نزن مارتنزیتی دارند. در اشکال زیر نمونه هایی از ریزساختار آلیاژهای 410 و 440 در حالات مختلف عملیات حرارتی نشان داده شده است.

 

شکل 3-7 فولاد زنگ نزن نوع 410،تابکاری شده در دمای 815 درجه سانتی گراد، سرد شده در کوره تا دمای 595 درجه سانتیگراد و سرد شده در هوا تا دمای اتاق، زمینه شامل دانه های هم محور فریت و ذرات کاربید است که بطور تصادفی پخش شده اند

 

 

شکل 3-8 فولاد زنگ نزن مارتنزیتی نوع 410 که با سریع سرد کردن در هوا از 980 درجه سانتیگراد به دمای اتاق سخت شده و به مدت 4 ساعت در 205 درجه سانتیگراد بازپخت شده است .ساختار مارتنزیت با ذرات رسوبی کاربید

 

 

شکل3-9 فولاد زنگ نزن مارتنزیتی نوع 440c که با آستنیتی کردن در 1010 درجه سانتیگراد و سرد کردن در هوا سخت شده. ساختار شامل کاربید اولیه در زمینه مارتنزیتی

این فولادها را به منظور دستیابی به انعطاف پذیری و قابلیت ماشینکاری در حین فرایند تولید، آنیل¹ کرده و ریز ساختار آنها را به فریت و کاربیدهای کروی تبدیل می کنند. لذا بدین منظور فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی را تا دمای زیر دمای بحرانی² (650 تا 760 درجه سانتیگراد) حرارت می دهند.

در شکل 3-10 نمونه هایی از ریزساختار فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی نوع 403 و 416 که تحت شرایط آنیل قرار گرفته اند مشاهده می شود. بطوریکه کاربیدهای کروی در زمینه فریتی مشاهده       می شود علاوه بر این در نوع 416 آنیل شده بخاطر حضور گوگرد علاوه بر کاربیدهای کروی، ذرات MnS (سولفید منگنز ) نیز مشاهده می شود که حضور این ذرات قابلیت ماشینکاری را بهبود           می بخشد.[9]

 

شکل 3-10 ریزساختار فولاد زنگ نزن مارتنزیتی در شرایط آنیل شده.ذرات ریز کاربیدهای کروی هستند.شکل الف نوع 403 که در محلول 4 درصد پیکرال-اسید کلریدریک حکاکی شده است.شکل ب نوع 416 که در محلول ویللا³ حکاکی شده است. پیکان ها ذرات سولفیدی که بهبود دهنده قابلیت ماشینکاری اند را نشان می دهد.

 

جهت سخت نمودن این فولادها آنها را در محدوده دمایی 925 تا 1065 درجه سانتی گراد حرارت داده و سپس در روغن یا هوا سرد می کنند. انتخاب دمای آستنیته کردن بر اساس میزان انحلال کاربید مورد نیاز و همچنین جلوگیری از تشکیل فاز دلتا ناشی از گرم کردن اضافی است بطوری که هر چه دمای آستنیته کردن بالاتر، میزان انحلال کاربید بیشتر و در نتیجه مقاومت خوردگی و استحکام افزایش می یابد.

پیش گرم کردن قطعات از جنس فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی قبل از آستنیته کردن امری لازم و ضروری می باشد چرا که انتقال حرارت این نوع فولادها بسیار کمتر از فولادهای کربنی ساده می باشد و می تواند دلیلی بر ایجاد تاب و یا ترک در هنگام آستنیته کردن باشد.

 

 

شکل 3-11 ریز ساختاری از مارتنزیت لایه ای در فولاد زنگ نزن مارتنزیتی 403 سخت شده، محلول اچ اسید کلریدریک-پیکرال 4 درصد

 

 

3-2-1- خواص مکانیکی:

همانگونه که بیان شد یکی از مشخصه های این فولادها عملیات حرارت پذیر بودن آنها می باشد لذا می توان سختی و مقاومت مکانیکی آنها را با عملیات حرارتی مناسب افزایش داد. تنش تسلیم و مقاومت کششی فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی بطور قابل ملاحظه ای از فولادهای کربنی ساده و یا آلیاژی که دارای کربن یکسانی هستند بیشتر است.

دمای باز پخت می تواند بر روی خواص مکانیکی و خواص ضربه ای(چقرمگی)فولادهای      زنگ نزن مارتنزیتی تاثیر بسزایی داشته باشد بطوری که با بررسی تاثیر این دما بر روی آلیاژ نوع 410 می توان به این نتیجه رسید که سختی و استحکام تا دمای بازپخت 450 درجه سانتیگراد همچنان حفظ می شود ولی در دماهای بازپخت بالاتر خواص مکانیکی به شدت افت پیدا می کند. افزایش کم استحکام کششی قبل از کاهش شدید در دمای بازپخت 450 درجه سانتی گراد     می تواند ناشی از سختی ثانویه رسوب کاربید                      باشد همچنین بیشترین انرژی چقرمگی می تواند در دمای 260 درجه سانتیگراد به دست آید بطوریکه در دماهای بالاتر از این دما این انرژی کاهش یافته و در دمای 450 تا 550 درجه سانتیگراد به حداقل مقدار خود خواهد رسید که این کاهش در استحکام چقرمگی مربوط به قله سختی ثانویه در منحنی بازپخت است که ناشی از رسوب کاربید یا نیترید می باشد، رسوبی که به مقدار زیاد در مرز دانه ایجاد می شود. همچنین مکانیزم های تردی بازپختی که در فولادهای کم آلیاژی رخ می دهد می تواند تا    اندازه ای مسئول این امر باشد.

از دیگر خصوصیات این فولادها می توان گفت که این فولادها شبیه به فولادهای زنگ نزن فریتی از خود خاصیت مغناطیسی نشان می دهند و دارای خاصیت شکل پذیری کمتری بوده و با عملیات حرارتی مناسب می توان مقاومت کششی آنها را تا حدود 1380 مگاپاسکال افزایش داد مقاومت سایشی و خستگی خوبی از خود نشان می دهند.

 

شکل3-12 تاثیر دمای بازپخت بر خواص مکانیکی فولاد زنگ نزن نوع 410

 

شکل 3-13 تاثیر دمای باز پخت بر خواص ضربه ای فولاد زنگ نزن Fe-12Cr

 

3-2-2-خوردگی در فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی:

مقاومت خوردگی این نوع فولادها نسبت به انواع دیگر از نوع زنگ نزن کمتر است چرا که اکثر فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی دارای حداقل کرم 12 درصد به منظور مقامت در محیطهای مرطوب می باشند از طرفی هم مقدار زیاد کرم می تواند به نوعی مانع از تشکیل مارتنزیت شود.

این فولادها معمولا پس از آبدهی بازپخت می شوند اما نکته ای که وجود دارد این است که باید از بازپخت در محدوده  دمایی 370 تا 600 درجه سانتی گراد پرهیز شود چرا که استحکام ضربه ای کم بوده و همچنین مقاومت به خوردگی نیز کاهش می یابد. شکل 3-14 این مطلب را در مورد آلیاژهای 410 و 414 بیان می کند.

 

 

شکل 3-14 اثر دمای بازپخت برخوردگی

 

 

 

 

3-3-فولادهای زنگ نزن آستنیتی:

این دسته از فولادهای زنگ نزن به علت مقاومت به خوردگی خوبی که از در اکثر محیطها دارند کاربرد فراوانی دارند و در شماره گذاری AISI به عنوان فولادهای زنگ نزن سری 300 نامگذاری شده اند و تعدادی از آنها که دارای عنصر آلیاژی منگنز می باشند به عنوان سری 200 شماره گذاری می شوند. همچنین آلیاژهایی که با نیتروژن مستحکم می شوند معمولا با افزودن پسوند N به نام آنها در سریهای 300 معرفی می شوند.

این نوع از فولادهای زنگ نزن دارای ویژگیهای خاصی می باشند که از جمله می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

1-عدم قابلیت سخت نمودن به روش استحاله

2-خواص ضربه ای خوب در درجه حرارت پایین (مناسب شدن آنها در کاربرد های برودتی)

3-محدود شدن استحکام و مقاومت به اکسیداسیون در درجه حرارت های بالاتر از 760 درجه سانتیگراد.

4-مقاومت به خوردگی اتمسفری خوب

همچنین دارای خواص متالورژیکی ذیل نیز می باشند:

1-تبدیل آستنیت به مارتنزیت در اثر کار مکانیکی سرد( در انواع 301،302،304)

2-کاهش کربن و عنصر آلیاژی کرم برای حذف امکان تشکیل کاربید کرم و جلوگیری از خوردگی بین دانه ای (در انواع 304L,316L،321 و347)

3- آلیاژکردن با مولیبدن برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی حفره ای (نوع316)

استفاده از این نوع فولادها در هر محیطی بستگی به ترکیب شیمیایی مناسب برای آن محیط دارد تا ویژگیهای مورد انتظار از فولاد زنگ نزن مورد استفاده بدست آید.محدوده ترکیب شیمیایی فولادهای زنگ نزن آستنیتی استاندارد به شرح ذیل می باشد

 

16-25%wt	کرم
8-20%wt	نیکل
1-2%wt	منگنز
0.5-3%wt	سیلیسیم
0.02-0.08%wt	کربن(<0.04%wt معرف گروههای L  می باشد
0-2%wt	مولیبدن
0-0.15%wt	نیتروژن
0-0.2%wt	تیتانیم و مولیبدن

میزان نیکل در این گروه از فولادهای زنگ نزن زیاد می باشد چرا که نیکل همچون عناصر کربن و نیتروژن و مس پایدار کننده آستنیت می باشد.

کربن در این گروه از فولادها علاوه بر اینکه یک آستنیت زا می باشد استحکام(مقاومت به خزش) را در درجه حرارت های بالا بهبود می بخشد. نیتروژن نیز باعث بهبود استحکام در درجه حرارت های محیطی و برودتی می شود.

 

3-3-1-متالورژی فیزیکی فولادهای زنگ نزن آستنیتی:

این دسته از فولادهای زنگ نزن به دلیل اینکه فاز غالب در آنها آستنیت است به عنوان فولادهای زنگ نزن آستنیتی شناخته شده اند. البته فاز فریت نیز می تواند در این آلیاژها وجود داشته باشد که بستگی به نسبت عناصر پایدار کننده فریت و آستنیت دارد،¹ در شکل3-15 دونمونه از ریز ساختار فولاد زنگ نزن آستنیتی کار پذیر نشان داده شده است در شکل a ساختار شامل دانه های آستنیتی هم محور و در حالت b مقداری فریت دلتا یا همان فریت باقی مانده در درجه حرارت بالا که در راستای جهت نورد در یک ردیف قرار گرفته اند قرار دارند.[10]               

 

شکل3-15 ریزساختار ورقه فولادی زنگ نزن از نوع 304 (a کاملا آستنیتی (b آستنیت با نوارهای فریت حاصل از جدایش عنصر پایدار کننده فریت در هنگام انجماد و فرایند ترمودینامیکی

این فریت می تواند در ریزساختار فولاد زنگ نزن کارپذیر، داکتیلیتی و چقرمگی را کاهش دهد همچنین می تواند مکان مناسبی برای رسوب کاربیدهای                و فاز سیگما باشد. که علت آن افزایش غلظت کرم در فریت و در نتیجه جدایش در ضمن انجماد است.

فازهای کای و لاوز و eta از دیگر فازهایی می باشند که ممکن است بسته به ترکیب شیمیایی و فرایند ساخت و شرایط کاری در فولادهای زنگ نزن آستنیتی ایجاد شوند.

در بررسی دیاگرام دوتایی کاذب Fe-Cr-Ni (شکل 3-16)، انجماد فولادهای زنگ نزن آستنیتی می تواند با آستنیت یا فریت اتفاق بیافتد. محدوده میان این دو فاز ابتدایی انجماد در تقریبا 18Cr-12Ni از سیستم سه تایی می باشد در نسبتهای بالاتر کرم و نیکل، انجماد اولیه به صورت فریت دلتا و در نسبت های پایینتر به صورت آستنیت رخ می دهد. یک منطقه مثلثی کوچکی  در محدوده درجه حرارت انجماد که در ان آستنیت-فریت و مذاب با هم وجود دارند قرار دارد 

 

 

شکل3-16 مقطع دوتایی کاذب از سیستم آهن-کرم-نیکل در 70 درصد آهن

آلیاژهایی که در سمت چپ این محدوده هستند به صورت آستنیت منجمد شده و با سرد شدن تا درجه حرارت اتاق نیز آستنیتی می باشند ولی زمانی که آلیاژ به صورت فریت منجمد می شود ممکن است در انتهای انجماد کاملا فریتی یا شامل مخلوطی از فریت و آستنیت باشند. به دلیل شیب خطوط انحلال فریت و آستنیت اکثر یا همه فریت تحت شرایط سرد شدن تعادلی به آستنیت استحاله می یابد.

ممکن است گونه های مختلفی از رسوبات وابسته به ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی در فولادهای زنگ نزن آستنیتی موجود باشد لیستی از این رسوبات،ساختار و ترکیب استوکیومتری آنها در جدول3-7 آورده شده است.

 

 

جدول3-7 رسوبات در فولاد زنگ نزن آستنیتی

 

کاربیدهای            تاثیر بسزایی بر مقاومت به خوردگی دارند که M می تواند فلزاتی از قبیل آهن، مولیبدن و کرم باشد. اما غلظت بالای کرم در ذرات           میزان کرم در مرز دانه های آستنیت را به طور موضعی تا کمتر از 12 درصد کاهش می دهد .

شکل3-17شیب غلظتی کرم در حوالی رسوبات            در مرز دانه های فولاد زنگ نزن آستنیتی 304 را نشان می دهد.

 

شکل3-17 تغیرات میزان کرم بر حسب فاصله از مرز دانه در فولاد زنگ نزن 304

به دلیل بی نظمی زیاد اتمها در محل برخورد و تلاقی دانه ها با جهت گیری های متفاوت مرز دانه ها با زوایای زیاد محل های مناسبتری برای نفوذ و رسوب کاربیدها می باشند ولی در مرز دوقلو ها به خاطر وجود تطابق اتمی بیشتر شرایط برای رسوب و رشد ذرات کاربیدی          بسیار ضعیف می باشد در شکل3-18 تصاویری از کاربید               و سه نوع مرز دانه در یک فولاد زنگ نزن 304 نشان داده شده است.

 

شکل3-18 رسوب کاربید کرم در مرز دانه فولاد زنگ نزن 304

 

علاوه بر اینکه رسوبات                 باعث کاهش مقاومت خوردگی می شود، کاهش کرم نیز در مجاور این رسوبات موجب افزایش دمای Ms و درنتیجه موجب تشکیل مارتنزیت هنگام سرد شدن از دمای بالا می شود.

کاربیدهای              همانگونه که در شکل3-19 داده شده است خیلی سریع در راستای مرز دانه ها و در محدوده دمایی 800 الی 900 درجه سانتی گراد رسوب می کنند.

 

شکل3-19 سینتیک تشکیل رسوب کاربیدی در فولاد زنگ نزن نوع 304

در دماهای بالاتر از 900 درجه سانتی گراد امکان تشکیل رسوب وجود ندارد چرا که کرم و کربن بصورت اتمی در شبکه بلوری آستنیت حل شده و در دماهای کمتر از 500 درجه سانتیگراد نیز نفوذ اتمهای کرم آنقدر کم است که عملا امکان تشکیل کاربید کرم از بین میرود. براساس سینتیک تشکیل رسوب کاربیدی محصولات فولادهای زنگ نزن آستنیتی نورد شده را در دمایی بین 1040 تا 1150 درجه سانتیگراد آنیل انحلالی کرده و سپس به منظور جلوگیری از تشکیل رسوب سریع سرد می کنند. عملیات حرارتی انحلالی، کاربیدهای             را حل کرده و سریع سرد کردن از تشکیل مجدد این کاربیدها در گستره دمایی بحرانی (حوالی دماغه منحنی C شکل )جلوگیری می کند.

با آلیاژکردن فولادهای زنگ نزن آستنیتی با عناصر کاربیدزای بسیار قوی مانند تیتانیم و نیوبیم و تانتالیم می توان از تشکیل رسوبات کاربید کرم جلوگیری نمود. عناصر آلیاژی اضافه شده با کربن ترکیب شده و تشکیل کاربیدهای TiC و NbC و TaC می دهند و در نتیجه کربن آزاد برای تشکیل رسوبات               کاهش می یابد.

بر مبنای ساختار میکروسکوپی، فولادهای زنگ نزن آستنیتی را می توان به دو دسته تقسیم نمود:

1-ساختار آستنیتی پایدار¹ :[11]

که در اثر تغییر شکل سرد، ساختار فولاد کماکان بصورت آستنیتی باقی می ماند در این صورت نرخ کارسختی فلز در اثر کار سرد بصورت متعادل خواهد بود

2-ساختار آستنیتی شبه پایدار² :

که در اثر تغییر شکل سرد،ساختار آستنیتی به یک ساختار مارتنزیتی تبدیل می شود این پدیده موجب افزایش بی رویه و بیش از حد نرخ کارسختی فلز در اثر کار سرد می شود که در ادامه به توضیح تشکیل مارتنزیت در فولادهای زنگ نزن آستنیتی خواهیم پرداخت.

 

تشکیل مارتنزیت:

در اثر فرایند حرارتی ویا کار سرد مکانیکی ممکن است که در فولاد زنگ نزن آستنیتی مارتنزیت تشکیل شود. در این هنگام دو نوع مارتنزیت بطور همزمان تشکیل می شود:

1-مارتنزیت اپسیلن:

که دارای شبکه بلوری منشور شش وجهی فشرده می باشد و بر روی صفحات فشرده (111) در آستنیت تشکیل می شود و به جزء اندازه از نظر مورفولوژی بسیار شبیه به دوقلوهای مکانیکی یا مجموعه های نقص در چیدن¹ است که بر روی همان صفحات (111) تشکیل می شود.

2-مارتنزیت آلفاپرین:

که دارای شبکه بلوری مکعب مرکزدار می باشدو به صورت بشقاب هایی با صفحات بلوری² (225) و به صورت گروهی یا مجموعه ای تشکیل می شودکه این ،گروهها با صفحات معیوب آستنیت در محل صفحات(111)هم مرز می شوند.[12]

معادله ذیل دمای شروع تشکیل مارتنزیت (Ms) در فولادهای زنگ نزن آستنیتی را برحسب فارنهایت ارائه می دهد:

 

Ms=75(14.6-Cr)+110(8.9-Ni)+60(1.33-Mn)+50(0.47-Si)+3000{0.068-(C-N)}

 

با توجه به معادله علاوه بر کربن و نیتروژن که تاثیرات بسیار قویی بر روی دمای Ms دارند عناصر جانشینی نظیر کرم و نیکل نیز تاثیرات متوسطی بر روی این دما دارند.آنچه که مسلم است این است که با تشکیل کاربیدهای            در مرز دانه های آستنیت کربن و کرم هر دو از نواحی مجاور مرزدانه ها تخلیه شده و در نتیجه دمای Ms بطور موضعی افزایش می یابد که این      می تواند باعث تشکیل مارتنزیت در مرز دانه ها شود.¹

تشکیل مارتنزیت توسط تغییر شکل یا کرنش در دماهای بالاتر از دمای تشکیل مارتنزیت در اثر سرد شدن آستنیت انجام می شود. معمولا برای مشخص کردن پایداری آستنیت از پارامتری    بنام         که همان بالاترین دمایی است که درآن یک مقدار مشخص مارتنزیت تحت تاثیر درصد مشخصی تغییر شکل تشکیل می شود استفاده می گردد.

رابطه ذیل ارتباط         (برحسب درجه سانتیگراد) با ترکیب شیمیایی فولادهای زنگ نزن آستنیتی را نشان می دهد:

 

 

           دمایی که در آن دما در اثر 30% کرنش حقیقی کششی، مقدار 50 درصد مارتنزیت تشکیل می شود.

تحریک تشکیل مارتنزیت در اثر تغییر شکل بطور قابل توجهی استحکام حاصل از کار سرد را افزایش می دهد میزان تاثیر این فرایند در شکل 3-20 با مقایسه نمودارهای تنش-کرنش مربوط به فولادهای زنگ نزن آستیتی 301 و 304 نشان داده شده همانگونه که مشاهده می شود نوع بسیار پایدارتر 304 در حد نوع 301 تحت تاثیر پدیده کرنش- سختی² قرار نمیگیرد.[13]

 

شکل 3-21 منحنی تنش کرنش فولادهای زنگ نزن آستنیتی 301 و 304

 

با نگاهی به مطالب بیان شده می توان گفت که تشکیل مارتنزیت در اثر کرنش بستگی به پارامترهایی از قبیل دما، میزان کرنش . آهنگ کرنش و ترکیب شیمیایی فولاد دارد.

 

شکل 3-21 تشکیل مارتنزیت در اثر کرنش بر حسب تابعی از دما در دماهای پایین و در کرنش های کم مقدار مارتنزیت تشکیل شده زیاد است

 

 

3-3-2-آلیاژهای فولاد زنگ نزن آستنیتی:

آلیاژهای گوناگونی از فولادهای زنگ نزن آستنیتی وجود دارد که اکثر این آلیاژها بر پایه   18Cr-8Ni می باشند یعنی تغییرات آنها از نوع 8-18 با مقادیر اسمی 18Cr و 8-10Ni می باشد که با تغییر عناصر آلیاژی جهت تامین خواص منحصر به فرد یا افزایش یافته استوار    می شوند . متداولترین این نوع آلیاژها آلیاژهای سری 300 می باشند. از پر مصرفترین آلیاژهای این سری می توان به آلیاژهای 304 و 316 و 347 اشاره نمود که تغییرات آنها از نوع 8-18 می باشد.

برای هر کدام از فولادهای زنگ نزن آستنیتی کار شده یک فولاد زنگ نزن ریختگی مشابه نیز وجود دارد به عنوان مثال فولادهای CF-3 ،CF-8، CF-3M ، CF-8M به ترتیب مشابه با انواع کار شده 304L،  304، 316L و 316 است که شاخه های L نشان دهنده تغییرات کم کربن با یک مقدار کربن اسمی حدود 0.03%wt است. گستره ترکیب شیمیایی این فولادها می تواند متفاوت از گستره ترکیب شیمیایی فولادهای زنگ نزن مشابه کار شده باشد بطوریکه در آلیاژهای ریختگی میزان کرم و سیلیس بیشتر و مقدار نیکل کمتر است که این خود ایجاد فریت دلتا که باعث کاهش حساسیت به ترک داغ می شود را در فولادهای زنگ نزن آستنیتی ریختگی باعث می شود.

فولادهای زنگ نزن مقاوم به حرارت نیز وجود دارند که دارای ساختار آستنیتی می باشند که     می توانند از انواع کار شده یا ریختگی باشند. فولادهای زنگ نزن مقاومت به حرارت در دماهایی تا حد 1100 در جه سانتیگراد و گاهی در محیط های گازی بسیار خورنده به کار می روند چرا که دارای مقادیر به مراتب بیشتر از کرم و نیکل در مقایسه با نوع 8-18 می باشند که این خود باعث افزایش مقاومت در برابر پوسته شدن و افزایش استحکام در دماهای بالا می شود بنابراین تغییرات ساختاری ناشی از دمای بالا، مکانیزم پارگی-خزشی، اکسیده و پوسته شدن، کربوره و دی کربوره شدن و سولفوره شدن پدیده های حساس و بحرانی بوده که در انتخاب و رفتار فولادهای زنگ نزن آستنیتی مقاوم به حرارت موثرند.

نوع دیگری از آلیاژهای فولاد زنگ نزن آستنیتی فولادهای زنگ نزن آستنیتی سری 200      می باشند که دارای مقدار نیکل کمتری نسبت به سری های 300 می باشد ولی در عوض دارای مقادیر زیادی عناصر آلیاژ همچون کربن، منگنز و نیتروژن می باشند استحکام تسلیم این فولادها بطور قابل توجهی بسیار بالاتر از استحکام تسلیم فولادهای زنگ نزن آستنیتی از نوع 300     می باشد.

یک نوع جدید از فولادهای زنگ نزن آستنیتی به نام "ابر نیتروژن¹ " دارای 1%wt نیتروژن است که این مقدار نیتروژن بیشتر از مقدار نیتروژن قابل انحلال در آستنیت در فشار اتمسفر است و توسط فرایند ذوب مجدد سرباره الکتریکی²، تحت فشار میسر است این نوع فولادها که دارای مقادیر بسیار زیادی نیتروژن هستند از استحکامی بالاتر همراه با چقرمگی خوب برخوردار هستند. 

 

3-3-3-خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن آستنیتی:[14]

فولادهای زنگ نزن آستنیتی را نمیتوان از طریق فرایندهایی همچون رسوب سختی،        استحاله ای(سریع سرد کردن برای تشکیل مارتنزیت)سخت و یا استحکام آنها را افزایش داد. در واقع افزایش استحکام این فولادها توسط عناصر آلیاژی به ویژه عناصر آلیاژی جانشینی و توسط کارسرد امکان پذیر است

 

 

شکل3-22 اثر کار سرد بر خواص مکانیکی فولاد زنگ نزن 301 و 304

 

 

3-3-4-خوردگی در فولادهای زنگ نزن آستنیتی:

فولادهای زنگ نزن آستنیتی دارای مقاومت به خوردگی بسیار خوبی در اکثر محیط ها می باشند و معمولا دارای بالاترین مقاومت به خوردگی نسبت به گروه های دیگر بجز آلیاژ CD-4MCu می باشند.

با افزایش بیش از 2%Mo به این نوع فولادها می توان آنها را نسبت به خوردگی حفره ای مقاوم ساخت و هرچه میزان ناخالصی و آخال کمتر باشد مقاومت به حفره دار شدن افزایش می یابد.

نوع دیگر از خوردگی که در این نوع از فولادهای زنگ نزن می تواند وجود داشته باشد خوردگی بین دانه ای می باشد که می تواند ناشی از رسوب کاربیدهای کرم در مرز دانه ها باشد که با استفاده از فرایندهای عملیات حرارتی ویژه و استفاده از عناصر آلیاژی خاص می توان این نوع خوردگی را کاهش و یا حذف نمود. همچنین با کم کردن کربن به مقدار کمتر از حد حلالیت و یا ترکیب کربن با تیتانیم ، کلومبیوم و تشکیل کاربیدهای تیتان و کلومبیوم میتوان خوردگی بین دانه ای را حذف  نمود.

 

شکل 3-23 خوردگی بین دانه ای در فولاد زنگ نزن آستنیتی نوع304

3-4- فولادهای زنگ نزن رسوب سختی¹:[15]

این دسته از فولادهای زنگ نزن به دلیل وجود محدودیت های افزایش استحکام فولادهای زنگ نزن آستنیتی و فریتی  با تشکیل محلول جامد و کرنش سختی و همچنین انعطاف پذیری و چقرمگی محدود فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی(که دارای درصد کربن بالا و در نتیجه سختی بالایی هستند)مورد توجه قرار گرفته اند.

 

فولادهای زنگ نزن رسوب سختی(PH) قسمت عمده استحکام خود را از واکنش های رسوبی بدست می آورند به عبارتی این استحکام می تواند ناشی از تشکیل ترکیبات بین فلزی      همچون               در آستنیت و یا زمینه مارتنزیت کم کربن نرم باشد.^1[16]

بر اساس ریز ساختار غالب فولادهای زنگ نزن رسوب سختی به سه دسته طبقه بندی می شوند

1-فولادهای زنگ نزن رسوب سختی مارتنزیتی

2-فولادهای زنگ نزن رسوب سختی نیمه آستنیتی

3-فولادهای زنگ نزن رسوب سختی آستنیتی

فولادهای زنگ نزن رسوب سختی از نظر مقاومت به خوردگی تقریبا مشابه آلیاژ آستنیتی نوع 304 می باشد که شرایط عملیات حرارتی بر مقاومت به خوردگی تاثیر بسزایی می تواند داشته باشد.

3-4-1-فولاد زنگ نزن رسوب سختی مارتنزیتی:

فریت در درجه حرارت های محیطی می تواند در فولادهای زنگ نزن رسوب سختی مارتنزیتی وجود داشته باشد بطوریکه فولاد کار پذیر دارای فریت ردیف شده در جهات موازی با جهت نورد (موازی با سطح) خواهد بود که این فریت می تواند باعث کاهش قابل توجه استحکام و داکتیلیتی در جهت ضخامت در مقایسه با خواص در جهات موازی با سطح نورد شده شود.

 

 

 

شکل 3-24 آلیاژ 17-4PH نورد گرم شده a )فریت در زمینه مارتنزیتی b)فریت در زمینه رسوب سختی شده

با انجام عملیات همگن سازی هنگامی که فولاد در فاز آستنیت است مقدار فریت کاهش می یابد که این همگن سازی با نگهداری در درجه حرارت های بالاتر از حدود 850 درجه سانتی گراد صورت می گیرد سپس آستنیت در اثر سرد شدن تا درجه حرارت هایی نزدیک به دمای محیط به مارتنزیت تبدیل می شود. ممکن است مقدار کمی آستنیت در دمای محیط یا کمی پائینتر از ان باقی بماند که با سرد کردن تا دمای (78-  درجه  سانتیگراد) از طریق استحاله به مارتنزیت آن را کاملا حذف نمود .

زمانی که یک فولاد زنگ نزن رسوب سختی مارتنزیتی به فاز مارتنزیت استحاله یافته است عملیات پیرسازی را می توان برای رسوب یک فاز سخت سازی به انجام رساند و استحکام را تا بالاتر از مقدار بدست آمده از مارتنزیت تازه تشکیل شده افزایش داد. درجه حرارت پیر سازی برای استحکام حداکثر، به رسوب خاصی که شروع به ایجاد شدن می کند وابسته است.

نکته ای که وجود دارد این است که در عملیات پیر سازی بازگشت آستنیت می تواند اتفاق بیافتد که این آستنیت از آستنیت باقی مانده متمایز بوده و غنی از نیکل و منگنز است که مقاوم به استحاله به مارتنزیت می باشد. که این آستنیت بازگشت یافته می تواند باعث کاهش استحکام گردد.

جدول 3-8 تاثیرات فراپیرسازی بر خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن رسوب سختی مارتنزیتی را نشان می دهد.

 

جدول3-8 خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن رسوب سختی شونده مارتنزیتی

3-4-2- فولادهای زنگ نزن رسوب سختی نیمه آستنیتی:

در این دسته از فولادهای زنگ نزن انجماد به صورت فریت اولیه می باشد و استحاله به آستنیت در درجه حرارت های بالا رخ می دهد بطوریکه مقداری فریت (حدود 15-5 %) تا درجه حرارتهای محیط باقی می ماند اگر میزان آستنیت یا فریت خیلی زیاد باشد آستنیت برای تبدیل به مارتنزیت خیلی پایدار است و اگر میزان آستنیت خیلی کم باشد در شرایط آنیل نمی توان آستنیت پایداری ایجاد نمود که در برابر استحاله جزئی یا کلی به مارتنزیت مقاومت کند.

با انجام فرایند آنیل انحلالی در دمای 1065-1040 درجه سانتیگراد مقداری فریت به آستنیت تبدیل شده و آستنیت همگن می شود بطوریکه با سرد کردن تا درجه حرارت محیط مقادیر زیاد آستنیت استحاله نیافته باقی می ماندکه این حالت به وضعیت A شناخته می شود به عبارتی در این وضعیت ساختار شامل زمینه ای آستنیتی بوده که در آن رشته هایی از فریت دلتا وجود دارد و بطور معمول آلیاژها به وسیله نورد فولاد تهیه می شوند و فولاد نسبتا نرم و داکتیل می باشد.

معمولا فولادهای زنگ نزن رسوب سختی نیمه آستنیتی را به سه روش سخت گردانی می کنند

1-در ابتدا آستنیت جهت دگرگونی آستنیت به مارتنزیت باید آماده شود لذا فولاد را به اندازه کافی گرم نموده تا قسمتی از کربن محلول در وضعیت A به صورت کاربیدهایی که سبب بالا رفتن درجه حرارت Ms می شوند رسوب کند.خروج کربن از محلول جامد و رسوب بصورت کاربید کرم در فصل مشترک فریت-آستنیت سبب نیمه پایدار شدن آستنیت می شود. در مرحله بعد سرمایش تا دمای Ms می باشد که آستنیت به مارتنزیت تبدیل می شود. در مرحله آخر که مرحله رسوب سختی است آلیاژ تا به درجه حرارت پائین تر نظیر 566 درجه سانتیگراد حرارت دهی مجدد     می شود و با سرد شدن آن، آلیاژ بسیار مستحکم می شود.

2-در روش دوم فولاد را برای آماده سازی آستنیت تا دمای بالاتر نظیر 950 درجه سانتیگراد حرارت داده بطوریکه این دماها منجر به تشکیل کاربید کمتری می شود و دگرگونی آستنیت به مارتنزیت نیاز به سرد شدن به دمای کمتری (73- درجه سانتیگراد) دارد(دمای Ms کمتر است)و در مرحله آخر آلیاژ در یک درجه حرارت پائین تر (حدود 510 درجه سانتیگراد) حرارت داده      می شود تا رسوب اصلی ایجاد شود و با سرد شدن آلیاژ مستحکم شود که در این روش استحکام بالاتری نسبت به روش اول حاصل می شود.

3-در این روش استحاله مارتنزیتی بدون آماده سازی آستنیت انجام می گیرد بطوریکه فولادی که در وضعیت A قرار دارد را تحت نورد سرد قرار می دهند که به این حالت وضعیت C گفته      می شود. در وضعیت C فولاد هنوز دارای 5% ازدیاد طول کششی و استحکام تسلیم حدود 1310MPa می باشد که می توان قبل از عملیات پیرسازی آن را شکل داد. تنها عملیات حرارتی پیرسازی در درجه حرارت نسبتا پایین 480 درجه سانتیگراد  ضروری است.

جدول 3-9 تاثیرات پیرسازی برخواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن رسوب سختی نیمه آستنیتی را نشان می دهد.

 

 

جدول 3-9 خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن رسوب سختی شونده نیمه آستنیتی

3-4-3-فولادهای زنگ نزن رسوب سختی آستنیتی:

فولادهای زنگ نزن رسوب سختی آستنیتی بصورت آستنیت منجمد می شوند و زمینه در همه درجه حرارتها حتی پایینتر از 196- درجه سانتیگراد به دلیل مقدار بالای نیکل آستنیت باقی    می ماند. این فولادها از طریق نورد فولاد در شرایط عملیات انحلالی تهیه می شوند که عملیات انحلالی عموما با قرارگیری در مابین درجه حرارت های 900 تا 980 درجه سانتیگراد و به مدت 2-1 ساعت و پس از آن کوئنچ در آب یا روغن انجام می شود. همچنین به منظور سخت نمودن،آنها را در محدوده حرارتی حدود 760 تا 675 درجه سانتیگراد پیر می کنند که زمان پیرسازی نسبتا طولانیتر و در حدود 20-16 ساعت است که این به دلیل نفوذ کندتر عناصر آلیاژی جهت تشکیل رسوبات¹ در زمینه آستنیتی از نفوذ در زمینه مارتنزیتی فولادهای رسوب سختی مارتنزیتی و نیمه آستنیتی است.[17]

 

 

 

جدول 3-10 خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن رسوب سختی شونده آستنیتی

---

1- Argon-Oxygen-Decarburization

 

1- Notch toughness

2- نیکل به طور معمول در فولادهای زنگ نزن فریتی استفاده نمی شود ولی مقدار کم آن در بهبود چقرمگی فاژ موثر است.

 

2- Laves phase

1- Chi

 

1- فاز سیگما سبب کاهش خاصیت چکش خواری و چقرمگی ضریه ای در دمای محیط می شود.

 

1- High Temperature Embrittlement

 

1- این مناطق به نرخ سرد شدن و مقدار بین نشین بستگی دارد. نرخ سرد شدن بالا مکان های درون دانه ای و نرخ سرد شدن آهسته مکان های بین دانه ای را در بر می گیرد.

 

1- Forging

 

1- Martensite finish       پایان تشکیل مارتنزیت

 

1- Process anneling

نوعی عملیات حرارتی است که منجر به تشکیل ساختاری به جز ماتنزیت و با سختی کم و انعطاف پذیری بالا می شود

2- Subcritical temperature

دمای بحرانی یا همان دمای دگرگونی دمایی است که تغییراتی در انتقال حرارت و یا حجم نمونه در اثر گرمایش یا سرمایش ملاحظه می شود.

3- Vilella

 

1- از آنجایی که ساختار ایده آل برای فولادهای زنگ نزن آستنیت پلی کریستال می باشد ولی به دلیل جدایش در ضمن انجماد فریت تمایل به تشکیل دارد

 

2- Metastable austenitic

1- Stable austenitic

 

2- Habit planes

1- Stacking fault cluters

 

1-  یکی از روش های تشکیل مارتنزیت در فولادهای زنگ نزن نیمه آستنیتی سخت شونده رسوبی است

2- Strain hardening

 

2- Electro slag remelting

1- Super nitrogen

 

1- Precipitation hardening

 

1- عناصر آلیاژی همچون تیتانیم، مس، آلومینیوم می توانند عامل رسوب سختی در این نوع فولادها باشند.

 

1- این رسوبات گاماپرین نامیده می شود که شامل ترکیبات بین فلزی Ni₃Ti یا Ni₃(Ti,AL) می باشند.