35089 شنبه تا چهارشنبه از 8:30 صبح تا 5 عصر
پنج شنبه از 8:30 تا 12 ظهر
گروه فلز کاتالوگ 

با بیش از ربع قرن تجربه در زمینه ارائه انواع محصولات استنلس استیل

درباره گروه فلز

گروه فلز در سال 1371 با هدف خدمت به تولید کنندگان و صاحبان صنایع تاسیس گردید ...

بیشتر بدانید ...

هندبوک استنلس استیل، فصل هفتم - خواص مکانیکی استنلس استیل

قیمت ورق استیل؛ فروش انواع ورق استیل صنعتی و ورق استنلس استیل در آلیاژ و ضخامت های مختلف. با حرفه‌ای‌ها خرید کنید تلفن: 35089-021

 

فصل هفتم - خواص مکانیکی استنلس استیل

اگرچه استنلس استنلس معمولاً به علت خواص مقاومت به خوردگی برای استفاده در صنایع انتخاب می گردد، اما در عین حال از جمله آلیاژهایی است که به عنوان مصالح ساختمانی نیز مورد استفاده قرار می گیرد. در این آلیاژ، خواص مکانیکی از قبیل استحکام، مقاومت در دماهای بالا، شکل پذیری و چقرمگی دارای اهمیت زیادی می باشد. برای دسترسی به اطلاعات بیشتر و جزئی تر در این زمینه می توان به منابع معتبر ذکر شده در انتهای این فصل مراجعه نمود.

 

منحنی تنش و کرنش مهندسی

تفاوت خواص مکانیکی گریدهای مختلف استنلس استیل پس از تست کشش، از طریق منحنی های تنش کرنش قابل مشاهده می باشد (شکل 7:1).

فاکتورهای تنش و کرنش مهندسی بر اساس تست کشش(معادله 1):

تنش مهندسی ;s=F/A0 
کرنش مهندسی ;e=(L-L0)/L0 

در این منحنی s نشانگر تنش و e نشان دهنده کرنش می باشد. F مقدار نیروی اعمال شده به نمونه آلیاژ با هدف تغییر شکل، A0 سطح مقطع اولیه و L0 طول گیج قبل از آزمایش و L طول گیج بعد از تغییر شکل می باشد.
شکل 7:1 دارای دو قسمت می باشد: ناحیه ی الاستیک و ناحیه ی پلاستیک. در منطقه الاستیک (در تنش ها و کرنش های پایین)، تنش وارد شده به نمونه پس از تعدیل نیرو کاملاً بازیابی می شود. در این ناحیه، منحنی به صورت خطی و شیبدار بوده و با استفاده از E مدول الاستیسیته یانگ ارائه می شود. مقادیر مدول الاستیسیته یانگ برای انواع استنلس استیل چیزی در حدود 195 تا 215 GPa می باشد.
در ناحیه پلاستیک، تنها آن بخش از کرنش که در ناحیه الاستیک قرار دارد، پس از تعدیل نیرو بازیابی می گردد. 0.2 درصد استحکام ثابت (Rp0.2) به عنوان تنش مهندسی ارزیابی می گردد، این بدان معناست که تحت هر شرایطی 0.2 درصد تنش مهندسی دائمی ثابت خواهیم داشت. استحکام کششی نهایی (Rm) در نقطه ای می باشد که دارای بیشترین مقدار تنش مهندسی بر روی منحنی بوده و با تغییر طول (Ag) همراه می باشد. Ag از آنجایی که معرف شروع گلویی دادن یا شکست آلیاژ است، تحت عنوان تغییر طول یکنواخت نیز شناخته می شود. در نهایت، حداکثر میزان کرنش یا "کرنش منجر به شکست" با علامت اختصاری Ax نشان داده شده که x نشانگر طول گیج اولیه می باشد. چندین نمونه از طول گیج های مورد استفاده بر اساس استانداردهای معتبر در جدول 7:1 آمده است. معمولاً A5 برای پلیت و میله های ضخیم و A50 و A80 برای ورق های نازک مورد استفاده قرار می گیرد. Ax به طول گیج (x) حساس بوده و مقادیر آن فقط در صورتی که طول نمونه ها و قطعات یکسان باشند، قابل مقایسه می باشند.

 

منحنی تنش-کرنش

شکل 7:1-منحنی تنش-کرنش

 

در برخی موارد مشخصه t که نشانگر کرنش نهایی (یعنی مجموع کرنش الاستیک به علاوه کرنش پلاستیک) است، در ارزیابی مکانیکی آلیاژ مورد استفاده قرار می گیرد (Agt یا Rt0.2).

استنلس استیل آستنیتی مانند 4301 یا همان 304، دارای سطح استحکام ثابت پایین و تغییر طول منجر به شکست در آن بالا می باشد، در حالیکه همانطور که در شکل 7:2 دیده می شود، استنلس استیل دوپلکس LDX 2101 دارای سطح استحکام ثابت تقریباً دوبرابری به همراه تغییر طول منجر به شکست پایین می باشد. استنلس استیل فریتی 4509 تقریباً دارای استحکام ثابت برابر یا اندکی بالاتر از استنلس استیل 304 و تغییر طول منجر به شکست در آن برابر با استنلس استیل LDX 2101 می باشد. در نهایت، مشاهده شده که استنلس استیل گرید SMO 254 به واسطه محتوای بالای عناصر آلیاژی در آن از استحکام بالاتری نسبت به گرید 304 برخوردار است، اما همچنان تغییر طول منجر به شکست در آن بالا می باشد.

 

منحنی تنش-کرنش واقعی

در تغییر طول نمونه ها اگر سطح کرنش افزایشی باشد، از منحنی نمودار های 7:1 و 7:2 می توان استفاده نمود. برای دستیابی به این هدف، تغییر شکل پلاستیک با حجم ثابت در نظر گرفته می شود (منظور این است که حجم اولیه و ثانویه ثابت فرض می شود). منحنی فوقانی در شکل 7:3 تحت عنوان منحنی تنش-کرنش "واقعی" و منحنی های شکل 7:2 به عنوان منحنی تنش کرنش "مهندسی" شناخته می شوند.

 

منحنی تنش-کرنش برای برخی از انواع استنلس استیل

شکل 7:2-منحنی تنش-کرنش برای برخی از انواع استنلس استیل

 

منحنی تنش-کرنش مهندسی و واقعی

شکل 7:3-منحنی تنش-کرنش مهندسی و واقعی

 

معادلات زیر رابطه بین منحنی های تنش-کرنش مهندسی و واقعی را نشان می دهند (معادله 2):

تنش واقعی ; (σ = F/A = s * (1 + e
کرنش واقعی ; (ε = ln⁡(L/L0 ) = n⁡ (1+e

به طوریکه σ تنش واقعی و ε نشانگر کرنش واقعی است. A نیز سطح مقطع نمونه پس از تغییر شکل می باشد. مقایسه منحنی های تنش-کرنش واقعی و مهندسی استنلس استیل آستنیتی گرید 304 در شکل 7:3 مشاهده می شود. نقطه نهایی این منحنی ها، استحکام کششی نهایی بوده و بعد از آن نقطه، امکان ادامه منحنی تنش-کرنش واقعی ممکن نیست.
منحنی های تنش-کرنش واقعی به منظور توصیف سخت کاری فولاد مورد استفاده قرار می گیرد، به طوریکه مثلاً با کرنش پلاستیک، تنش به چه میزان افزایش می یابد. میزان سخت شدن به ترکیب آلیاژ و نوع فولاد (آستنیتی، فریتی، دوپلکس یا مارتنزیتی) وابسته است. 
توان کار سختی فولاد (n) عبارتست از (معادله 3):

𝜎 = K * 𝜀n

که σ تنش واقعی و ε کرنش واقعی می باشند. توان n مقیاس ساده ای از تمایل به کار سختی و K ضریب استحکام-سختی آلیاژ می باشد.

 

خواص مکانیکی در دمای اتاق

هر گروه از استنلس استیل آستنیتی، فریتی، دوپلکس و مارتنزیتی خواص مشابهی از منظر خصوصیات مکانیکی از خود نشان می دهند. شکل 7:2 نمونه هایی از تفاوت خواص بین این گروه ها را نشان می دهد. از آنجایی که خواص مکانیکی بستگی زیادی به وضعیت بازپخت آلیاژ دارد، استنلس استیل مارتنزیتی از شکل 7:2 حذف شده است. در شرایط آنیل نرم، خواص مکانیکی استنلس استیل مارتنزیتی مشابه با استنلس استیل فریتی است و در شرایط تمپر و کوئنچ، استحکام آن از هر نوع فولاد نشان داده شده در شکل 7:2 بالاتر بوده و تغییر طول منجر به شکست در آن نیز بسیار ناچیز می باشد.
در جداول 7:5 و 7:6 خواص مکانیکی تعدادی از گریدهای استنلس استیل به شکل پلیت (P)، ورق/ کویل (C) و میله/ میلگرد (R) در دمای اتاق ارائه شده است. برای مقایسه بین گریدها، عمده محصولات استنلس استیل به شکل پلیت (P) در نظر گرفته شده است.

 

گریدهای استنلس استیل آستنیتی

فولادهای زنگ نزن آستنیتی عموماً دارای استحکام ثابت نسبتاً کمی بوده و مهم ترین مشخصه آنها کارسختی قوی می باشد. استحکام استنلس استیل آستنیتی با افزایش سطح کربن، نیتروژن و تا حدودی مولیبدن افزایش می یابد. با این حال خطر حساسیت ناشی از کربن نیز نباید فراموش شود، به این علت که اثری بسیار مخرب و تاثیرگذار بر مقاومت آلیاژ در برابر خوردگی خواهد داشت. استنلس استیل های آستنیتی شکل پذیری بسیار بالایی دارند؛ تغییر طول منجر به شکست در آنها زیاد بوده و چقرمگی آنها بسیار زیاد می باشد (حتی در دماهای پایین).
برخی از انواع استنلس استیل با محتوای کلی کم از عناصر آلیاژی؛ از قبیل 4301، 4310، 4318 و 4372 بی ثبات بوده و ممکن است با سرد شدن زیر دمای محیط و یا از طریق تغییر شکل پلاستیک و یا ترکیبی از هر دو، فاز مارتنزیت در ساختارشان ایجاد شود. این تشکیل فاز مارتنزیت نه تنها باعث افزایش قابل توجه در استحکام آلیاژ می شود، بلکه بر خواص مغناطیسی آن نیز تاثیر می گذارد. به دمای پایین تر از دمای تشکیل مارتنزیت Md گفته می شود. در فصل سوم (خصوصیات فیزیکی)، درباره معادله ای مرسوم در زمینه ارتباط پایداری آستنیت و ترکیب شیمیایی آلیاژ در دمای Md30 بحث و بررسی شده است. این قبیل معادلات، تصویری مناسب از رفتار تغییر شکل انواع استنلس استیل آستنیتی کم آلیاژ در اختیار قرار می دهد، اما این نکته را نباید فراموش کرد که تمامی آنها تقریبی می باشد، به این علت که واکنش های بین عناصر آلیاژی در نظر گرفته نشده است.
برای استنلس استیل آستنیتی توان کار سختی (n) در معادله 3 به کرنش وابسته می باشد. بنابراین مقادیر n غالباً در محدوده خاصی از کرنش، مثلاً 10 الی 15 درصد تخمین زده می شود. مقدار n برای گریدهای پایدار چیزی بین 0.4 تا 0.6 و برای آن دسته از گریدهای بی ثبات، یعنی آلیاژهایی که با تغییر شکل های زیاد فاز مارتنزیت در آنها تشکیل می شود،  از 0.4 تا 0.8 متغیر می باشد. مقادیر بالاتر نیز در کرنش های بالاتر اعمال می گردد.
اساساً تمامی عناصر آلیاژی بر منحنی تنش-کرنش استنلس استیل تاثیر می گذارند. این موضوع در شکل 7:4 نشان داده شده است، به طوریکه در آن منحنی تنش-کرنش مهندسی از فولادهای کم آلیاژ مانند استنلس استیل 4404 (استیل 316) گرفته تا فولادهای پرآلیاژی چون SMO 654 مورد مقایسه قرار گرفته اند. هرچقدر میزان عناصر آلیاژی در ترکیب شیمیایی بیشتر باشد، استحکام نیز بیشتر خواهد بود. عنصر آلیاژی مهمی که استحکام را تحت تاثیر قرار می دهد، نیتروژن می باشد. این تاثیرگذاری با مقایسه دو آلیاژ 4565 (نیتروژن 0.45 درصد) و SMO 254 (با 0.20 درصد نیتروژن) در شکل 7:4 نشان داده شده است. ریزساختار آلیاژ نیز از طریق اندازه دانه، بر منحنی تنش-کرنش تاثیر می گذارد.

 

منحنی تنش-کرنش انواع استنلس استیل آستنیتی

شکل 7:4-منحنی تنش-کرنش انواع استنلس استیل آستنیتی

 

گریدهای استنلس استیل فریتی

فولادهای زنگ نزن فریتی از استحکام ثابت پایینی برخوردار بوده و کارسختی آنها محدود است. با افزایش محتوای کربن، استحکام آلیاژ زیاد شده اما اثر محتوای کروم ناچیز می باشد. با این حال، شکل پذیری آلیاژ در صورتی که میزان کروم در ترکیب زیاد باشد، کاهش می یابد. لازمه شکل پذیری خوب، وجود مقادیر کم کربن و نیتروژن در ساختار شیمیایی است. شکل 7:5 برخی از گریدهای فریتی را با گریدهای آستنیتی که دارای مقاومت به خوردگی مشابهی هستند، با یکدیگر مقایسه کرده است. فولادهای فریتی دارای توان کار سختی (n) در حدود 0.2 برای کرنش های 10 الی 15 درصد می باشد.

 

منحنی تنش کرنش آلیاژهای آستنیتی در مقایسه با فریتی در شرایط خوردگی یکسان

شکل 7:5-منحنی تنش کرنش آلیاژهای آستنیتی در مقایسه با فریتی در شرایط خوردگی یکسان

 

گریدهای استنلس استیل دوپلکس

فولادهای زنگ نزن دوپلکس دارای استحکام ثابت بالایی بوده و کارسختی آنها محدود می باشد. گریدهای مدرن از این خانواده مانند LDX 2101 چون با نیتروژن آلیاژ می شوند دارای استحکام بالایی می باشند. با افزایش محتوای فریت، البته با محدویت هایی که دارد، می توان استحکام استنلس استیل دوپلکس را افزایش داد. اندازه دانه و فاصله بین فاز فریت و آستنیت نیز تاثیر زیادی بر استحکام این دسته از فولادهای ضدزنگ دارد. شکل 7:6 برخی گریدهای دوپلکس را با گریدهای آستنیتی که دارای خواص مشابه مقاومت به خوردگی هستند، مقایسه نموده است. فولادهای دوپلکس دارای توان کارسختی 0.2 برای دامنه کرنشی 10 الی 15 درصد می باشند. با توسعه اخیر گریدهای استنلس استیل FDX، کارسختی به میزان قابل توجهی بهبود یافته است.

 

منحنی تنش کرنش آلیاژهای دوپلکس در مقایسه با فریتی و آستنیتی در شرایط خوردگی یکسان

شکل 7:6- منحنی تنش کرنش آلیاژهای دوپلکس در مقایسه با فریتی و آستنیتی در شرایط خوردگی یکسان

 

گریدهای استنلس استیل مارتنزیتی

از جمله مشخصه های فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی استحکام بالا در شرایط تمپر و کوئنچ بوده و اینکه به شدت تحت تاثیر چرخه های عملیات حرارتی قرار می گیرند. بنابراین این دسته از فولادها معمولاً در شرایط تمپر و کوئنچ مورد استفاده قرار می گیرند. شرایط عملیات حرارتی استنلس استیل را در لیست مراجع می توان پیدا کرد. استیل مارتنزیتی بسته به شرایط عملیات حرارتی می تواند از استحکام کششی بالا (بالاتر از 1000 مگا پاسکال) و تغییر طول منجر به شکست پایین (کمتر از 10 درصد) برخوردار باشد. در جدول 7:5 مقادیر سختی برای شرایط آنیل نرم آورده شده است (HRB حدوداً 90). در شرایط تمپر و کوئنچ، سختی معمولاً بین 40 الی 60 HRC متغیر می باشد. البته لازم است توجه شود که HRC برای شرایط تمپر و کوئنچ مورد استفاده قرار گرفته و با HRB که مختص شرایط آنیل نرم است، قابل مقایسه نمی باشد.

 

اثر کار سرد

میزان کارسردی که بر روی فولاد زنگ نزن صورت می پذیرد، خواص مکانیکی آن را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد. کارسختی به ویژه در استنلس استیل آستنیتی (مثلاً عملیات شکل دهی سرد) باعث تغییرات قابل توجهی در ویژگی های آن می گردد. تاثیر کلی کار سرد، به طور همزمان افزایش استحکام ثابت و استحکام کششی نهایی و کاهش تغییر طول منجر به شکست می باشد. شکل 7:7 اثر کار سرد برای یک استنلس استیل آستنیتی را نشان می دهد.

 

اثر کار سرد بر برخی گریدهای آستنیتی

شکل 7:7-اثر کار سرد بر برخی گریدهای آستنیتی

 

ناهمسانگردی در استنلس استیل

تمامی ورق های فلزی که توسط فرآیند ریخته گری و به دنبال آن یک یا چند مرحله نورد تولید شده اند، معمولاً دارای خواص مختلفی در جهات مختلف می باشند.
ناهمسانگردی از جمله جنبه های عملی تولید است که در حین شکل دهی ایجاد می گردد. مثلاً هنگام کشش عمیق قوطی ها، یک ناصافی روی لبه بالایی محصول ایجاد می شود که اصطلاحاً به آن earing (کنگره ای شدن) گفته می شود (شکل 7:8).

 

گوشواره ای شدن (فلش ها) در حین عملیات کشش عمیق (گریدها در جدول 7:2 آمده)

شکل 7:8-گوشواره ای شدن (فلش ها) در حین عملیات کشش عمیق (گریدها در جدول 7:2 آمده)

 

این ناهمسانگردی معمولاً به وسیله مقدار Δr (ناهمسانگردی مسطح) از مقادیر r در جهت های متفاوت محاسبه می شود و معادله آن به شکل زیر می باشد(معادله 4):

Δr=(rT-2r45- rL)/2

مقادیر r از طریق نسبت بین کرنش تحت تاثیر تغییر ضخامت و عرض در آزمون کشش تعیین می گردد. جدول 7:2 مقادیر Δr را برای برخی از فولادهای ضد زنگ نشان می دهد به طوریکه گریدهای 4301 و 4509 بیشترین تمایل را به کنگره ای شدن داشته و گرید LDX 2101 از آنجا که Δr در آن نزدیک به صفر است، کمترین تمایل به این ناهمسانگردی را دارد.
همانطور که در شکل 7:3 نشان داده شده، استحکام نسبی و طول شکست در امتداد و عرض شکست عمود بر جهت غلتک ممکن است متفاوت باشد. (طول شکست در امتداد جهت غلتک با حرف L و عرض شکست عمود بر جهت غلتک با حرف T مشخص شده اند).

 

مقادیر حداقل در برابر مقادیر معمول

تمامی گریدهای استاندارد استنلس استیل دارای حداقل مقادیر استحکام و تغییر طول می باشند. این مقادیر توسط تولید کننده در سرتیفیکیت یا گواهی محصول گنجانده شده و توسط طراحان و سازندگان به منظور طراحی سازه هایی چون پل ها و مخازن تحت فشار مورد استفاده قرار می گیرد. البته این نکته را باید در نظر گرفت که مقادیر واقعی همیشه بالاتر می باشند. واریانس آماری در تولید در شکل 7:10 نشان داده شده است. البته منحنی شکل 7:9 دامنه مقادیری که می تواند در یک سرتیفیکیت وجود داشته باشد را نشان می دهد (در این مورد 240 الی 310 مگاپاسکال).

واریانس آماری تنش ثابت برای استنلس استیل 4404

شکل 7:9-واریانس آماری تنش ثابت برای استنلس استیل 4404

 

تفاوت بین اشکال محصولات

خواص مکانیکی در هر یک از اشکال مختلف محصولات، متفاوت می باشد. استحکام معمولاً با کاهش ضخامت افزایش می یابد، به طوریکه ورق نورد گرم ضخیم از استحکام کمتری نسبت به کویل نورد سرد نازک برخوردار می باشد. این اختلاف برای گریدهای دوپلکس چیزی بالغ بر 100 مگاپاسکال در Rp0.2 بوده، در حالیکه برای گریدهای آستنیتی بسیار کمتر می باشد (10 الی 50 مگاپاسکال در Rp0.2).

 

چقرمگی

چقرمگی استنلس استیل توانایی جذب انرژی در محدوده پلاستیک می باشد. چقرمگی در انواع مختلف آلیاژهای استنلس استیل متفاوت است، از چقرمگی عالی استنلس استیل آستنیتی در دماهای بالا گرفته تا رفتار شکننده فولادهای ضدزنگ مارتنزیتی. چقرمگی به دما وابسته بوده و عموماً با افزایش دما افزایش می یابد.
یکی از راه های اندازه گیری چقرمگی از طریق تست مقاومت ضربه (یا انرژی ضربه ای با واحد اندازه گیری ژول) می باشد، یعنی اندازه گیری چقرمگی با استفاده از بارگذاری سریع و بکارگیری روش شارپی انجام می شود. شکل 7:10 محدوده های مقاومت در برابر ضربه در تست شارپی را برای گروه های مختلف استنلس استیل در دمای بین 200- تا 100+ درجه سانتی گراد نشان می دهد. از نمودار مشخص است که تفاوت اساسی در دماهای پایین بین استنلس استیل آستنیتی (چقرمگی بالا) و مارتنزیتی فریتی (چقرمگی کمتر) و دوپلکس (چقرمگی متوسط) وجود دارد.

 

محدوده های مقاومت در برابر ضربه در تست شارپی را برای گروه های مختلف استنلس استیل

شکل 7:10-محدوده های مقاومت در برابر ضربه در تست شارپی را برای گروه های مختلف استنلس استیل

 

استنلس استیل های مارتنزیتی، فریتی و دوپلکس با تغییراتی که در چقرمگی در آنها رخ می دهد شناسایی می شوند. این تغییرات از چقرمه بودن به شکننده شدن در محدوده های دمایی متفاوت که به آن دمای انتقال گفته می شود، رخ می دهد. در استیل فریتی، دمای انتقال با افزایش محتوای کربن و نیتروژن افزایش می یابد، این بدان معنی است که استیل در دماهای بالاتر شکننده خواهد بود. در مورد استیل دوپلکس، افرایش محتوای فریت باعث افزایش دماهای انتقال شده و در نتیجه آن رفتار شکنندگی آلیاژ بیشتر خواهد شد.
دمای انتقال فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی در حوالی یا کمی پایین تر از دمای اتاق می باشد، در حالیکه این دما برای فولادهای فریتی و دوپلکس در محدوده 0 تا 60 درجه سانتی گراد قرار دارد. البته دمای انتقال برخی گرید های فریت بالاتر از این محدوده است.
استنلس استیل های آستنیتی بر خلاف سایر گروه ها، انتقال چقرمگی را نشان نمی دهند، اما همانطور که در شکل 7:10 دیده می شود، در محدوده گسترده ای از دماهای مختلف دارای چقرمگی عالی می باشند.
یکی دیگر از اقدامات رایج در آزمایش ضربه، انبساط جانبی بوده که آن عرض نمونه شکسته شده، مورد اندازه گیری و ارزیابی قرار میگیرد. مکانیک شکست گاهی به منظور درک عمیق تر مکانیزم های چقرمگی مورد استفاده قرار می گیرد. 

 

خواص مکانیکی در دماهای کرایوژنیک

استنلس استیل دارای خواص چقرمگی عالی در دماهای بسیار پایین نیز بوده است و به همین علت معمولاً تنها ماده ای بوده که برای کاربرد در دماهای کرایوژنیک (برودتی) مناسب می باشند. گریدهای فریتی، دوپلکس و مارتنزیتی به این جهت که در دماهای پایین رفتار شکننده از خود نشان می دهند، برای کار در این دماها مناسب نیستند.

 

خواص مکانیکی دما بالا

خزش عبارت است از تغییر شکل پلاستیک آهسته آلیاژ در زمان مشخص و تحت تنشی ثابت. استحکام دما بالای انواع گریدهای استنلس استیل به وسیله استحکام ثابت (Rp) و استحکام پارگی خزش در 10 هزار یا 100 هزار ساعت Rkm نشان داده می شود. تا محدوده دمایی 550 درجه سانتیگراد، یک طراح می تواند از داده های تست کشش معمولی مانند Rp استفاده کند، اما در دماهای بالاتر از 550 درجه، خاصیت مکانیکی غالب "خزش" است و بنابراین بایستی از داده های آن در طراحی ها استفاده شود (شکل 7:11).

 

مقاومت دما بالای یک فولاد ضد زنگ آستنیتی

شکل 7:11- مقاومت دما بالای یک فولاد ضد زنگ آستنیتی

 

اکثر گریدهای استنلس استیل آستنیتی نسبت به گریدهای گروه های دیگر از استحکام کمتری در محدوده دمایی تا حدود 500 درجه سانتیگراد برخوردار می باشند. استحکام دما بالا در بین استنلس استیل های آستنیتی توسط فولادهای آلیاژ شده با نیتروژن و آن دسته آلیاژهایی که محتوای کربن بالایی داشته و به وسیله تیتانیم و نئوبیم تثبیت شده اند، نشان داده می شوند. از نظر استحکام خزشی، استنلس استیل آستنیتی نسبت به انواع فریتی و سایر گروه های فولادهای ضدزنگ برتر می باشد (شکل 7:12).

 

مقاومت در برابر خزش فولادهای آستنیتی و فریتی

شکل 7:12- مقاومت در برابر خزش فولادهای آستنیتی و فریتی.

 

فولادهای زنگ نزن فریتی تا دمای 500 درجه استحکام نسبتاً بالایی دارند. استحکام خزشی در این آلیاژها، که معمولاً عاملی تعیین کننده در دماهای بالاتر از 500 درجه سانتی گراد است، پایین می باشد. البته در فولادهای فریتی، دمای کاربرد به علت خطر شکنندگی در دماهای بالاتر، معمولاً به 250 درجه سانتی گراد محدود می گردد. اگرچه به علت مقاومت خوب فولاهای پایه کروم در برابر اکسیداسیون و سولفید شدن در دماهای بالا، از برخی گریدهای این دسته آلیاژی در محدوده خزش استفاده می گردد. البته در این موارد مراقبت های ویژه ای به منظور اطمینان از به حداقل رساندن فشار وارده انجام می شود. رفتار استنلس استیل دوپلکس مشابه با انواع گریدهای فریتی است، اما در دماهای پایین از استحکام بیشتری برخوردار بوده و حداکثر دمای کاری آن به دلیل خطر تردی در دماهای بالاتر معمولاً 250 درجه سانتی گراد می باشد..

 

استحکام خستگی

پدیده خستگی نوعی آسیب ساختاری، پیش رونده و موضعی بوده و زمانی رخ می دهد که ماده تحت بارگذاری های مداوم قرار گیرد. حداکثر مقدار تنش اسمی پایین تر از حد نهایی تنش کششی و حتی ممکن است زیر محدوده استحکام ثابت آلیاژ باشد.
همانطور که اشاره شد، خستگی زمانی اتفاق می افتد که آلیاژ تحت بارگذاری و بار برداری های مداوم قرار گیرد. اگر این بارگذاری ها بیش از حدی مشخص باشد، ترک های میکروسکوپی را خواهیم داشت. در نهایت یک ترک به اندازه بحرانی رسیده و به دلیل انتشار سریع ترک، ساختار به شکلی ناگهانی فرو پاشیده و دچار شکست می گردد. شکل ساختار به طور قابل توجهی بر طول عمر خستگی تاثیر می گذارد. جوش ها، سوراخ های به شکل مربعی یا گوشه های تیز منجر به افزایش تنش های موضعی شده و در نتیجه منجر به ایجاد خستگی می شود (اثر شکاف).  بنابراین سوراخ های دایره ای و آن دسته از مقاطعی که تنش را منتقل نمی کنند، برای افزایش استحکام خستگی سازه ها از اهمیت زیادی برخوردار می باشند.
تعداد چرخه بارهایی که مواد می توانند تحمل کنند، به میزان بارگذاری وابسته است. طول عمر، یعنی تعداد سیکل های شکست (بالغ بر 106 چرخه)، با کاهش بارگذاری افزایش یافته و تا جایی که سطح منحنی افقی شود، ادامه می یابد (شکل 7:13). حد خستگی یا استحکام خستگی بالاترین تنشی است که یک ماده می‌تواند برای تعداد نامحدودی سیکل بدون شکستن تحمل کند. حد خستگی می تواند مرتبط با استحکام ثابت و استحکام کششی نهایی باشد (جدول 7:4 و شکل 7:14).

 

منحنی S-N یا Wöhler برای استنلس استیل آستنیتی 4404 در هوا

شکل 7:13-منحنی S-N یا Wöhler برای استنلس استیل آستنیتی 4404 در هوا

 

حد خستگی در استنلس استیل آستنیتی 4310

شکل 7:14-حد خستگی در استنلس استیل آستنیتی 4310

 

این نکته که خواص خستگی نسبت به کار سرد (نورد سرد یا کشش) چگونه پاسخ می دهد، از اهمیتی ویژه برخوردار است. حد خستگی مربوط به استحکام استاتیک برای استریپ های گرید 4310 در محدوده مقاومتی 800 تا 1700 مگاپاسکال در شکل 7:14 نشان داده شده است.
استحکام خوردگی تحت ترکیبی از بارگذاری های سیکلی، محیط های خورنده و خستگی خوردگی، در مقایسه با بارگذاری های سیکلی در دمای اتاق کاهش می یابد. برای اطلاع از انواع خوردگی به فصل ششم از این کتاب مراجعه شود.

 

خستگی دما بالا

حد خستگی و استحکام خستگی با افزایش دما کاهش می یابد و اغلب منجر به کاهش استحکام کششی نیز می شود. با این حال، انواع دیگری از خستگی در دماهای بالا نیز وجود دارد که بیشتر به عنوان عوامل محدود کننده طول عمر مواد می باشند.
شیب دمایی هنگام شروع، اتمام و تغییرات عمده در شرایط کار می تواند منجر به ایجاد تنش ها و کرنش های حرارتی و یا مکانیکی شود که نتیجه آن ترک خوردگی و در نهایت خرابی تجهیزات سیکل حرارتی می باشد.
اگرچه تعداد سیکل ها زیاد نیست، دامنه کرنش در هر چرخه (حداقل به صورت موضعی) می تواند به اندازه کافی بزرگ باشد تا در تعدادی محدود از چرخه ها خرابی ایجاد شود. این نوع از خستگی، در آن کرنش کنترل شده "خستگی کم چرخه LCF" و نوع خستگی که در آن تنش کنترل می شود، "خستگی پرچرخه HCF" نامیده می شود. مرز بین LCF و HCF تا حدودی سست می باشد، اما به طور کلی به عنوان سطح بارگذاری تعریف شده که در آن دامنه های کرنش الاستیک و پلاستیک مربوط به تعداد سیکل های 103 و 105 برابر می باشد.
HCF در دماهای بالا غالباً گرمازا است و در اثر چرخش و یا لرزش ایجاد می گردد. از طرف دیگر، LCF در دماهای بالا و در ارتباط با تغییرات دمایی رخ داده و به آن "خستگی گرمایی" یا "خستگی ترمومکانیکی TMF" نیز گفته می شود.
خرابی های ایزوترمال LCF در دمای اتاق نیز ممکن است رخ دهد، اما نسبت به موارد ناشی از HCF کمتر مرسوم می باشد.
نوعی دیگر از خستگی HT "شوک حرارتی" است و از گرم شدن یا خنک شدن سریع (مثلاً کوئنچ) ناشی می شود. این شوک حرارتی از طریق شیب های حرارتی ضخامت و محدودیت داخلی منجر به تشکیل ترک خوردگی سطحی می گردد. این نوع از خستگی معمولاً برای استنلس استیل آستنیتی شدیدتر است، چون انبساط حرارتی آنها بالاتر و هدایت گرمایی در آنها پایین تر از استنلس استیل فریتی می باشد.
 

سختی

سختی عبارتست از میزان مقاومت ماده در برابر تغییر شکل دائم، هنگام اعمال نیرو. از آنجا که در هنگام تست میزان سختی فلزات، نفوذکننده (معمولاً جسمی تیز) به سطح فشار داده می‌شود، سختی را می‌توان به عنوان میزان مقاومت ماده در برابر نیروی فشاری نیز تعریف کرد. این تست، ابعاد بحرانی تورفتگی باقیمانده از فشار جسمی نوک تیز بر فلز را اندازه گیری می کند. رایج ترین مقیاس های سختی سنجی  عبارتند از راکول (HRB)، ویکرز (HV) و برینل (HB) است که از نظر شکل تورفتگی (شکل هندسی جسم فرو رونده در هریک متفاوت می باشد) و معادلات مورد استفاده برای اندازه گیری سختی متفاوت می باشند. جداول 7:5 و 7:6 مقادیر سختی برای برخی گریدهای استنلس استیل را ارائه داده است.

 

مراجع فصل هفتم

EN/ISO 6892-1 Metallic material. Tensile testing. Method of test at room temperature
EN/ISO 6892-2 Metallic material. Tensile testing. Method of test at elevated temperature
EN/ISO 148-1 Charpy pendulum impact test – Part 1: Test method
EN/ISO 204 Metallic material. Uniaxial creep testing in tension. Method of test
EN/ISO 12108 Metallic materials. Fatigue testing. Fatigue crack growth method
EN/ ISO 6506-1 Metallic materials – Brinell hardness test –Part 1: Test method
EN/ ISO 6507-1 Metallic materials – Vickers hardness test –Part 1: Test method
EN/ ISO 6508-1 Metallic materials – Rockwell hardness test –Part 1: Test method
Steel and its Heat Treatment – a handbook, Swerea IVF 12801, ISBN 987-91-86401-11-5
Stainless Steels: Tables of Fabrication Parameters. Welding processes and filler materials – heat treatments – typical end uses, Euroinox Materials and Applications Series, ISBN 978-2-87997-047-9

کد: 50030253

زمان انتشار: شنبه 8 آذر 1399 08:30 ب.ظ

تعداد نمایش: 22

تمامی حقوق برای گروه فلز محفوظ است.طراحی سایت توسط سایت بایک