نقطه قوت ورق استیل

مقدمه:

خوردگی شدیدترین پدیده ای است که طول عمر و یکپارچگی محصولات فلزی را محدود می کند. برای فولادها، به عنوان کلاس مواد مهندسی پیشرو، این چالش برای اولین بار در پایان قرن نوزدهم حل شد و منجر به توسعه فولادهای ضد زنگ (ورق استیل) شد. اینها مواد ضروری هستند که برای بسیاری از قطعات حیاتی ایمنی در صنایع شیمیایی، نیروگاه ها، حمل و نقل، لوازم خانگی، صنایع غذایی و ظروف آشپزخانه به دلیل مقاومت در برابر خوردگی عالی و خواص مکانیکی خوب استفاده می شوند. برای دستیابی به ویژگی‌های مقاوم در برابر خوردگی، فولادهای ضد زنگ معمولی مبتنی بر سیستم‌های Fe-Cr، Fe-Cr-C و Fe-Cr-Ni باید حاوی حداقل 10.5 درصد وزنی Cr باشند. 

استفاده از ورق استیل:

صرف نظر از موفقیت بزرگ آنها، استفاده بیشتر و توسعه ورق های استیل در حال حاضر چندین دهه پیش به محدودیت های تعیین شده توسط چگالی جرمی بالای آنها در حدود 7.9 گرم بر سانتی متر مکعب و مواد اصلی کروم و نیکل رسیده است که گران هستند و با بارهای زیست محیطی قابل توجهی در هنگام استخراج و سنتز همراه می باشند.  به جز شرایط فوق، یعنی کاهش وزن، استفاده از ورق استیل برای بهبود کارایی سیستم های تبدیل انرژی مهم است و ایمنی زیرساخت های فلزی را تضمین می کند. بنابراین، بزرگ ترین چالشی که ورق های استیل با آن مواجه هستند کاهش چگالی آنها در عین حفظ ویژگی‌های مقاوم در برابر خوردگی و خواص مکانیکی آنهاست که همگی با تأثیرات زیست محیطی کمتر، از طریق جایگزینی (جزئی) کروم و نیکل به دست می‌آیند. 

نقطه قوت ورق استیل:

در اینجا، ما این دو مشکل کلیدی طولانی مدت را با یک مفهوم جدید طراحی ورق استیل سبک وزن، بر اساس سیستم آلیاژ آستنیتی Fe-Mn-Al-C حل می کنیم. این سیستم چهارتایی قبلاً با توجه به طراحی آلیاژ کاهش وزن برای اجزای ساختاری بررسی شده است. Al نه تنها چگالی فولاد را به طور موثر کاهش می دهد، بلکه می تواند استحکام آن را از طریق تشکیل κ-کاربیدهای در اندازه نانو افزایش دهد. با افزایش محتوای Al، فولادهای سبک وزن مبتنی بر Fe-Mn-Al-C به طور کلی از طریق ترکیب چگالی جرمی کم و سخت شدن کرنش بالا به استحکام ویژه عالی دست می یابند. با این حال، افزودن بیش از حد Al منجر به تشکیل رسوب بین دانه ای درشت κ-کاربید می شود که منجر به از دست دادن ناگهانی شکل پذیری می گردد. علاوه بر این، افزایش کسر κ-کاربید با افزایش محتوای Al باعث می شود ماتریس آستنیت ناپایدار شود و منجر به تشکیل فریت در مرزهای دانه شود. در نتیجه، افزودن بیش از حد Al به فولادهای سبک وزن مبتنی بر Fe-Mn-Al-C می تواند تشکیل عناصر گالوانیکی ریزساختاری را افزایش دهد، در نتیجه خواص خوردگی را علی رغم نقش مثبتی که اتم های Al در تولید یک لایه غیرفعال محافظ روی سطح دارند، کاهش می دهد. این جنبه‌ها محدودیتی حیاتی برای کاربرد گسترده‌تر فولادهای سبک وزن با مقاومت بالا در اجزای ساختاری ایجاد کرده‌اند. چندین تلاش برای جایگزینی ورق استیل با آلیاژهای Fe-Mn-Al-C انجام شده است، با این حال، آلیاژهای معمولی Fe-Mn-Al-C در مقایسه با ورق های استیل حاوی کروم و نیکل به دلیل ناکافی بودن، مقاومت به خوردگی پایین تری نشان دادند. محتوای آلومینیوم مورد نیاز برای تشکیل یک فیلم غیرفعال متراکمAl2O3 کمتر از 10 درصد وزنی است. 

تحقیقات علمی جدید:

در تحقیقات اخیر، طراحی خانواده جدیدی از فولادهای با چگالی فوق العاده کم، آستنیتی سبک وزن با خواص مکانیکی عالی، مقاومت بالا در برابر خوردگی حفره ای و کاهش اثرات زیست محیطی گزارش شده است. ما به این کلاس آلیاژی به عنوان ورق استیل سبک وزن (LWSS) اشاره می کنیم. به منظور غلبه بر محدودیت‌های فولادهای سبک وزن آستنیتی مبتنی بر Fe-Mn-Al-C که در بالا توضیح داده شد و برای دستیابی به مقاومت در برابر خوردگی بالا همراه با تعادلی از استحکام و شکل‌پذیری بالا، هدف دستیابی به یک ریزساختار همگن تحت شرایط Al بالا با محتوای (> 11.5 درصد وزنی) از طریق تنظیم کافی آلیاژ است. برای این منظور، از یک ترکیب جزئی با کروم استفاده کرده اند، که رسوب κ-کاربیدهای بین / داخل دانه‌ای را سرکوب می‌کند، در نتیجه یک ماتریس آستنیتی همگن با حداقل تشکیل فاز ثانویه ایجاد می‌کند. با این تنظیم آلیاژ، LWSS مزایای فولاد سبک وزن و ورق استیل، با استحکام فوق العاده بالا (> 1GPa)، ازدیاد طول بالا (> 35٪)، و کاهش چگالی قابل توجه (> 17٪) را در مقایسه با آهن خالص نشان می دهد. همچنین مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای قابل مقایسه با ورق های استیل فریتی را فراهم می‌کند و اثرات زیست محیطی کمی دارد زیرا از نیکل استفاده نمی‌کند و فقط از محتوای کروم کم استفاده می نماید.

گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی