نویسنده: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
فولاد امروزه یکی از مواد مناسب برای بسیار از استفاده های ساختاری است زیرا قیمت آن پایین است، شکل پذیری خوبی دارد، استحکام و تافنس آن نیز در حد مناسبی است. همچنین خاصیت جوش پذیری آن نیز خوب است. هنوز هم فولادهای بهتر مورد نیاز است. به هر حال، در مورد آن دسته از فولادهایی که هم اکنون در بازار وجود دارد، استانداردهای بالایی وجود ندارد.
ریزساختارهای فریت فوق ریز با اندازه‌ی دانه کمتر از 3 میکرون، موجب پدید آمدن ترکیبی از خواص مکانیکی فوق العاده می‌شود. این مقایسه در با فولادهایی انجام شده است که دارای اندازه‌ی دانه‌ی 5 تا 20 میکرون هستند. استحکام بالا، تافنس ضربه‌ی استثنایی حتی در دماهای پایین و استحکام خستگی بسیار خوب به همراه شکل پذیری مناسب در داخل فولادهای با ساختار فوق ریزدانه، مشاهده می‌شود. بیشتر فولادهای سنتز شده با این روش در مقیاس آزمایشگاهی تولید شده اند اما برخی از آنها نیز به صورت در آسیاب های صفحه ای مورد استفاده قرار گرفته اند.
پروژه های تحقیقاتی مختلف برای توسعه‌ی فولادهای با خواص بهتر انجام شده است مثلا فولادهای اولترا یا فولاد های سوپر از میانه‌ی دهه‌ی 1990 در تمام دنیا تجاری سازی شده اند. این فولادها مخصوصا در آسیا (ژاپن، کره‌ی جنوبی، چین)، استرالیا و اروپا مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از اهداف اصلی پروژه های گسترده‌ی ژاپن در این زمینه، حصول سطح استحکام 800 MPa برای فولادهای سیلیکون- منگنز می‌باشد. این بدین معناست که ریزساختار این فولاد ریزتر از ریزساختار فولادهای متداول است. بیشتر پروژه های کنونی بر روی فولادهای فوق ریزدانه تمرکز دارد. فرایندهای جدید برای تولید این فولادهای فوق ریزدانه در کشورهایی همچون ژاپن، فنلاند و استرالیا توسعه یافته است.
یکی از مزیت های ادعا شده برای آلیاژهای با اندازه‌ی دانه‌ی کوچک، تغییر شکل دینامیک در نرخ های کرنش بالای این آلیاژ می‌باشد. این ویژگی برای ایمنی سرنشینان در هنگام تصادف بسیار مهم می‌باشد. به هر حال، فولاد های فوق ریزدانه (UFG) در آینده به عنوان مواد ساختاری مورد استفاده قرار می‌گیرند. این کاربردها شامل استفاده از این آلیاژها در بدنه‌ی اتومبیل می‌باشد. علت این استفاده، خواص مکانیکی فوق العاده‌ی این فولادهاست.
این مسئله همچنین مهم است که بدانید، اندازه‌ی دانه دارای اثر قابل توجهی بر روی رفتار جریان محلی ماده در طی شکل دهی میکرویی ماده می‌باشد و این اعتقاد وجود دارد که این مسئله، فاکتور محدود کننده است که اندازه‌ی مینیمم برای محصولات و هندسه‌ی آنها را تعیین می‌کند. این بدین معناست که در عمل، مواد نانوکریستالی دارای بهترین قابلیت شکل پذیری در میکروامپرینتینگ (micro-imprinting) است و استفاده از مواد با دانه های فوق ریز ممکن است بتواند رفتار جریان ماده و کیفیت پرکنندگی ماده را بهبود دهد. علت این مسئله این است که اثرات اندازه مانند پراکندگی فرایند و تغییرات غیر یکنواخت شکلی به میزان قابل توجهی در مقایسه با مواد با دانه های درشت، کاهش می‌یابد. فرآوری با SPD به طور موفقیت آمیز برای فرآوری ماده در کاربردهای میکروشکل دهی مانند تولید میکروچرخ دنده و برای تولید سیستم های میکرو الکترمکانیکی توری شکل (net-shaped MEMS) مورد استفاده قرار می‌گیرد.
سیم های با استحکام بالا می‌تواند کاربردهای زیادی در زمینه هایی داشته باشد که در آنها نیاز به وجود استحکام بالا وجود دارد. از لحاظ کیفیت، دو کاربرد مهم برای سیم های فولادی با استحکام بالا در صنعت اتومبیل وجود دارد. یکی استفاده از این نوع از سیم ها در ساخت تایر و استفاده از این سیم ها در ساخت پل های معلق. علاوه بر استفاده از این نوع از سیم ها در ساخت تایر و پل های معلق، از آنها می‌توان در ساخت فنرها، طناب سیمی و تقویت ساختارهای کامپوزیتی (مانند ساختارهای بتنی پیش ساخته) استفاده کرد. استفاده از سیم های با استحکام بالا در صنعت کامپوزیت، به طور خوبی مورد بررسی قرار نگرفته است زیرا این سیم ها قبلا وجود نداشته است. اما این انتظار وجود دارد که پتانسیل استفاده از آن فراوان است. این مسئله به وفور پیشنهاد شده است که مطالعات بر روی خواص فیزیکی- مکانیکی، رویه‌ی تولید و مزیت های صرفه جویی کامپوزیت های تقویت شده با سیم های با استحکام بالا انجام شود.
یک تقاضای روزافزون و پیوسته ای در زمینه‌ی لوله های نفت و گاز در فشارهای عملیاتی بالا وجود دارد و تلاش می‌شود تا ظرفیت آنها افزایش یابد. این مسئله نیازمند استفاده از فولادهای با استحکام بالا می‌باشد. علاوه بر این، افزایش استحکام فولاد لوله ها اجازه می‌دهد تا ضخامت دیواره‌ی این لوله ها به طور قابل کاهش یابد و بدین وسیله، وزن لوله کاهش یابد. بنابراین، یکی از اهداف اصلی در صنعت فولاد، توسعه‌ی فولادهای میکروآلیاژی با استحکام بالا، تافنس بالا و قابلیت شکل پذیری می‌باشد (جدول 1).
تافنس بالا برای کاهش ترک های ایجاد شده به دلیل تنش، مهم می‌باشد؛ در حالی که قابلیت شکل پذیری، از نقطه نظر خمش شدن لوله مهم می‌باشد. بنابراین، استحکام بالا به همراه تافنس و شکل پذیری، الزامات مهم مربوط به صنعت لوله برای انتقال گاز طبیعی و نفت خام در فواصل طولانی و با فشار بالا می‌باشد. سایر ویژگی های مورد نیاز برای این لوله ها، عبارتست از: مقاومت در برابر ترک های حاصل شده از هیدروژن در محیط های گاز ترش، مقاومت در برابر ترک های ناشی شده از خوردگی تنشی مخصوصا در محیط H_2 S و مقاومت در برابر خستگی. با توجه به مباحث ذکر شده، این مهم است که ریزساختار فولاد مورد استفاده در ساخت لوله چگونه است زیرا این ریزساختار بر روی خواص فوق الذکر اثرگذار هستند.
در نهایت، این باید تذکر داده شود که هم اکنون توجه زیادی بر روی توسعه‌ی مواد فوق ریزدانه برای استفاده در کاربردهای خاص، ایجاد شده است. برای مثال، آلیاژهای منیزیم فوق ریزدانه برای استفاده در بخش های ذخیره سازی هیدروژن و تیتانیوم فوق ریزدانه مواد مناسبی برای استفاده در امپلنت های جراحی و دندانی می‌باشد.
باید که این نکته اشاره کرد که فولاد یکی از مهم ترین گروه های مواد است که دارای طیف وسیعی از کاربردها می‌باشد. اگر چه بررسی های زیادی بر روی بهینه سازی ریزساختار و ایجاد رابطه میان ساختار و خواص آن انجام شده است و بسیاری از آنها کاملا موفقیت آمیز بوده اند، یکی از زمینه های مورد علاقه در این زمینه ریزدانه کردن فولادهای ساده و افزایش استحکام آنها می‌باشد. فولادهای دارای عناصر آلیاژی اندک می‌توانند به عنوان جایگزینی برای فولادهای با استحکام بالا و عناصر آلیاژی کم (HSLA) باشند. نیروی محرکه در زمینه‌ی بهبود خواص فولاد از طریق ریزدانه کردن، به خاطر این حقیقت می‌باشد که این روش علاوه بر بهبود استحکام، موجب بهبود تافنس نیز می‌شود. علاوه بر این، این کار موجب کاهش دمای انتقال از حالت داکتیل به حالت ترد می‌شود. برای مقایسه باید گفت: فولادهای فریتی معمولی که با روش معمولی (مانند نورد گرم) تولید می‌شوند دارای دانه هایی با اندازه‌ی بین 1 تا 5 میکرون هستند. این فولادها دارای استحکامی در حدود 80 MPa می‌باشند. به هرحال، کاهش اندازه‌ی دانه از 5 به 1 میکرون، موجب افزایش استحکام تسلیم به میزان 350 MPa می‌شود. همچنین این کار موجب کاهش 200 درجه ای در دمای انتقال از حالت داکتیل به ترد می‌شود (از -20 ℃ به℃ -200). درصورتی که اندازه‌ی دانه به 0.2 میکرون کاهش یابد، استحکام تسلیم به میزان 680 MPa افزایش می‌یابد و این مسئله منجر می‌شود تا استحکام نهایی ایجاد شده، حتی برای فولادهایی که دارای ترکیبات فقیری هستند، به 1000 MPa برسد.
فولادهای کم کربن تولید شده بوسیله‌ی فرایند اکستروژن زاویه ای با استفاده از کانال های برابر (ECAP) دارای کاربردهای بالقوه در ساخت شمش و میله می‌باشد. رابطه‌ی بین خواص و ساختار این مواد به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است.
یکی از زمینه‌های کاربرد فولادهای فوق ریزدانه در بخش اتومبیل سازی است. در ادامه استفاده از این فولادهای فوق ریزدانه در بخش های مختلف ماشین را مورد ارزیابی قرار می‌دهیم.
آزمون های سختی سنجی و خستگی بر روی فولاد های فوق ریزدانه‌ی 18CrMo4 و 17CrV6 انجام شده است. بر طبق این آزمون ها، فهمیده شده است که تقویت این نوع فولاد به واسطه‌ی ریزدانه بودن، به طور کامل در طی کربوریزاسیون، از بین می‌رود زیرا قرارگیری این فولادها در دمای استنیته سازی، موجب می‌شود تا استحاله های فازی رخ دهد. بنابراین، فولادهای فوق ریزدانه تحت عملیات کربوریزاسیون قرار گرفته، تغییر ماهیت می‌دهند و خواص قبلی خود را از دست می‌دهند. همچنین این قطعات دارای مقاومت در برابر خستگی مشابه با خواص خستگی فولادهای معمولی هستند (شکل 2).
به عنوان یک نتیجه باید گفت: امکان تولید شافت دنده از فولادهای فوق ریزدانه، مزیتی ندارد.
در حقیقت این نتایج بدین صورت توصیف می‌شود که گفته می‌شود: اندازه‌ی دانه‌ی فولادهای استنیتی معمولی بعد از اعمال عملیات های آماده سازی، ریزتر از فولادهای UFG می‌باشد. این بدین معناست که ریزساختار بعد از عمل آوری بر روی ریزساختار فولاد نورد گرم شده، اثر ندارد بنابراین، استفاده از فولاد UFG در این مورد نیز مزیتی به همراه ندارد.
با توجه به فرایند های متداول برای تولید بست ها، تنها تفاوتی که بین استفاده از فولاد UFG و فولاد معمولی وجود دارد، حذف فرایند آنیل می‌باشد. یک چنین تغییری اجازه می‌دهد تا اجزایی با خواص نهایی خوب بدست آوریم اما این مسئله موجب افزایش میزان ضایعات می‌شود (شکل 3).
نتایج آزمایشات شکل دهی سرد شواهدی در مورد بهبود در هنگام استفاده از سیم های فولادی UFG را نشان نمی‌دهد. دلایل توصیف کننده‌ی یک چنین رفتاری، این است که ریز شدن مشاهده شده در این فولادها که به صورت صنعتی بواسطه‌ی ORI MARTIN تولید شده اند، در حدود 7 میکرو است در حالی که فولادهای معمولی دارای اندازه‌ی دانه ای در حدود 12 میکرون هستند و تغییر حاصله در داکتیلیته‌ی آنها برای ایجاد اثر قابل توجه در حین فرایند شکل دهی، مناسب نمی‌باشد.
این نکته باید بیان شود که بررسی های پارامتری مربوط به ارتباط میان ویژگی های ریزساختاری و شکل پذیری سرد باید مد نظر باشد. این مسئله به طور قابل توجهی موجب بهبود رفتار شکل پذیری فولادهای UFG می‌شود.
همچنین باید آزمون های دقیق تری بر روی این مواد انجام شود زیرا این مواد دارای حساسیت بیشتری نسبت به ایجاد ترک های میکرونی هستند. همچنین استفاده از فولادهای UFG می‌تواند مفید باشد و موجب افزایش حاشیه‌ی امنیت محصولات می‌گردد.
یکی از فولادهای مورد استفاده در صنعت خودرو، فولادهای دوفازی فریتی- مارتنزیتی (DP) است. این فولادها به دلیل استحکام بالا و قابلیت شکل پذیری خوب و جوش پذیری، کاربرد هایی را در صنعت اتومبیل پیدا کرده است. برای برطرف کردن نیازها به منظور بهبود مقاومت در برابر له شدگی و تصادف و کاهش مصرف سوخت، استحکام فولادهای DP مورد نیاز می‌باشد. خاصیت تقویت کنندگی فولادهایDP یک روش مطمئن برای افزایش استحکام می‌باشد. یک سری از روش های استحکام بخشی برای حصول اندازه‌ی دانه‌ی زیر 1 میکرون و کمتر وجود دارد. از میان آنها باید روش مطمئن برگزیده شود.
در ادامه برخی از جنبه های صنعتی مربوط به فولادهای فوق ریزدانه بیان خواهد شد.
جنبه های صنعتی مربوط به فولادهای UFG به این مسئله وابسته است که آیا یک روش اقتصادی می‌تواند برای حصول ترکیب مناسبی از خواص، مورد استفاده قرار گیرد. روش های فرآوری مختلفی برای این کار استفاده می‌شود که این روش ها معمولا ترکیبی از دماهای نورد گرم پایین، تغییر شکل بالا و یا سیکل های حرارتی گرمایی سریع می‌باشد. این مسئله موجب اختصاص تقاضای قابل توجه بر روی آسیاب کاری می‌شود. علت این مسئله این است که این روش موجب کاهش هزینه های آلیاژسازی یا بهبود خواص می‌شود.
همچنین در مورد جوش پذیری فولادهای فوق ریزدانه، ابهاماتی وجود دارد. این فولادها می‌توانند حل شوند و به صورت ذاتی قابل جوشکاری هستند؛ اما اندازه‌ی دانه ها UFG در بخش جوش، نباید رشد کنند. بنابراین جوشگاری خود موجب رشد دانه ها در ناحیه‌ی معینی می‌شود.
هنوز زود است که در مورد آینده‌ی استفاده از این مواد صحبت کرد. اما در اینجا این پیشنهاد شده است که این نوع فولاد تمام بازار مربوطه را به خود اختصاص نخواهد داد. چیزی که در اینجا مهم است، این است که این مواد کاربردهای خاصی را در آینده به خود اختصاص می‌دهند.
به عنوان نتیجه گیری باید گفت: از جمله محدودیت های فولادهای فوق ریزدانه داکتیلیته‌ی پایین آنهاست. داکتیلته‌ی پایین موجب کاهش توانایی شکل دهی این فولادها می‌شود و از این رو منجر به ایجاد مشکلات فرایندی در حین تولید می‌باشد.
یکی دیگر از مشکلاتی که از همین داکتیلیته‌ی پایین نشئت می‌گیرد، اجبار در استفاده از فرایند های حرارتی در شکل دهی این نوع فولادها می‌باشد. فرایندهای حرارتی بدین معناست که در فرایند تبدیل فولاد فوق ریزدانه به بدنه های قابل استفاده در صنعت (مانند لوله، سیم و ...)، گاها باید از عملیات های حرارتی استفاده شود. از این رو، استفاده از عملیات حرارتی مخصوصا در دوره‌ی زمانی بلند مدت و اعمال حرارت به فولاد فوق ریزدانه موجب می‌شود تا دانه ها رشد کرده و رشد دانه ها موجب افت خواص مکانکی این فولادها می‌شود.
یکی دیگر از مشکلات استفاده از مواد فوق ریزدانه بالاخص فولادهای فوق ریزدانه، هزینه های بالای تولید و ضایعاتی است که در حین تولید با آنها روبرو هستیم. فولادهای فوق ریزدانه معمولا با استفاده از فرایندهای تکرار شونده تولید می‌شود. این بدین معناست که یک قطعه‌ی فوق ریزدانه شده با استفاده از یکی از روش های SPD مانند روش ECAP باید چندین بار تحت عملیات عبور از کانال قرار گیرد و از این رو، این مسئله موجب افزایش هزینه های تولید می‌شود.
برخی از روش های تولید SPD نیز ضایعات قابل توجهی را به جای می‌گذارند. مثلا در روش هایی که از نورد استفاده می‌شود، کناره‌ی ورق های مورد استفاده به دلیل عدم کیفیت مناسب، باید جداسازی و دور ریخته شوند. این مسئله به طور مستقیم بر روی هزینه های تولید اثر می‌گذارد. این هزینه ها بر روی هزینه های مربوط به تولید قالب ها، ساخت غلطک های خاص و .... افزوده می‌شود و بدین وسیله کاربرد روش های SPD محدود به کاربردهای خاص می‌گردد. مثلا ساخت قطعات خاص هواپیما و .... .
با توجه به کلیه‌ی مزیت های ذکر شده برای فولادهای فوق ریزدانه، توجه به این مسئله ضروری است که موانع و محدودیت هایی زیادی در زمینه‌ی استفاده از فولادهای فوق ریزدانه وجود دارد. از جمله‌ی این محدودیت ها، هزینه های بالای تولید این مواد می‌باشد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون، بلامانع می‌باشد.
ریزساختارهای فریت فوق ریز با اندازه‌ی دانه کمتر از 3 میکرون، موجب پدید آمدن ترکیبی از خواص مکانیکی فوق العاده می‌شود. این مقایسه در با فولادهایی انجام شده است که دارای اندازه‌ی دانه‌ی 5 تا 20 میکرون هستند. استحکام بالا، تافنس ضربه‌ی استثنایی حتی در دماهای پایین و استحکام خستگی بسیار خوب به همراه شکل پذیری مناسب در داخل فولادهای با ساختار فوق ریزدانه، مشاهده می‌شود. بیشتر فولادهای سنتز شده با این روش در مقیاس آزمایشگاهی تولید شده اند اما برخی از آنها نیز به صورت در آسیاب های صفحه ای مورد استفاده قرار گرفته اند.
پروژه های تحقیقاتی مختلف برای توسعه‌ی فولادهای با خواص بهتر انجام شده است مثلا فولادهای اولترا یا فولاد های سوپر از میانه‌ی دهه‌ی 1990 در تمام دنیا تجاری سازی شده اند. این فولادها مخصوصا در آسیا (ژاپن، کره‌ی جنوبی، چین)، استرالیا و اروپا مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از اهداف اصلی پروژه های گسترده‌ی ژاپن در این زمینه، حصول سطح استحکام 800 MPa برای فولادهای سیلیکون- منگنز می‌باشد. این بدین معناست که ریزساختار این فولاد ریزتر از ریزساختار فولادهای متداول است. بیشتر پروژه های کنونی بر روی فولادهای فوق ریزدانه تمرکز دارد. فرایندهای جدید برای تولید این فولادهای فوق ریزدانه در کشورهایی همچون ژاپن، فنلاند و استرالیا توسعه یافته است.
یکی از مزیت های ادعا شده برای آلیاژهای با اندازه‌ی دانه‌ی کوچک، تغییر شکل دینامیک در نرخ های کرنش بالای این آلیاژ می‌باشد. این ویژگی برای ایمنی سرنشینان در هنگام تصادف بسیار مهم می‌باشد. به هر حال، فولاد های فوق ریزدانه (UFG) در آینده به عنوان مواد ساختاری مورد استفاده قرار می‌گیرند. این کاربردها شامل استفاده از این آلیاژها در بدنه‌ی اتومبیل می‌باشد. علت این استفاده، خواص مکانیکی فوق العاده‌ی این فولادهاست.
این مسئله همچنین مهم است که بدانید، اندازه‌ی دانه دارای اثر قابل توجهی بر روی رفتار جریان محلی ماده در طی شکل دهی میکرویی ماده می‌باشد و این اعتقاد وجود دارد که این مسئله، فاکتور محدود کننده است که اندازه‌ی مینیمم برای محصولات و هندسه‌ی آنها را تعیین می‌کند. این بدین معناست که در عمل، مواد نانوکریستالی دارای بهترین قابلیت شکل پذیری در میکروامپرینتینگ (micro-imprinting) است و استفاده از مواد با دانه های فوق ریز ممکن است بتواند رفتار جریان ماده و کیفیت پرکنندگی ماده را بهبود دهد. علت این مسئله این است که اثرات اندازه مانند پراکندگی فرایند و تغییرات غیر یکنواخت شکلی به میزان قابل توجهی در مقایسه با مواد با دانه های درشت، کاهش می‌یابد. فرآوری با SPD به طور موفقیت آمیز برای فرآوری ماده در کاربردهای میکروشکل دهی مانند تولید میکروچرخ دنده و برای تولید سیستم های میکرو الکترمکانیکی توری شکل (net-shaped MEMS) مورد استفاده قرار می‌گیرد.
سیم های با استحکام بالا می‌تواند کاربردهای زیادی در زمینه هایی داشته باشد که در آنها نیاز به وجود استحکام بالا وجود دارد. از لحاظ کیفیت، دو کاربرد مهم برای سیم های فولادی با استحکام بالا در صنعت اتومبیل وجود دارد. یکی استفاده از این نوع از سیم ها در ساخت تایر و استفاده از این سیم ها در ساخت پل های معلق. علاوه بر استفاده از این نوع از سیم ها در ساخت تایر و پل های معلق، از آنها می‌توان در ساخت فنرها، طناب سیمی و تقویت ساختارهای کامپوزیتی (مانند ساختارهای بتنی پیش ساخته) استفاده کرد. استفاده از سیم های با استحکام بالا در صنعت کامپوزیت، به طور خوبی مورد بررسی قرار نگرفته است زیرا این سیم ها قبلا وجود نداشته است. اما این انتظار وجود دارد که پتانسیل استفاده از آن فراوان است. این مسئله به وفور پیشنهاد شده است که مطالعات بر روی خواص فیزیکی- مکانیکی، رویه‌ی تولید و مزیت های صرفه جویی کامپوزیت های تقویت شده با سیم های با استحکام بالا انجام شود.
سیم های با استحکام بالا
Donald R. Lesuer و همکارانش اثر SPD بر روی ساختار و خواص سیم های فولادی با کربن بالا را مورد بررسی قرار دادند. آنها فهمیدند که بعد از عملیات SPD بر روی سیم های فولادی با کربن بالا، استحکام به طور قابل توجه افزایش می‌یابد. همچنین استحکام کششی این سیم ها به 6000 MPa می‌رسد (شکل 1).
در نهایت، این باید تذکر داده شود که هم اکنون توجه زیادی بر روی توسعه‌ی مواد فوق ریزدانه برای استفاده در کاربردهای خاص، ایجاد شده است. برای مثال، آلیاژهای منیزیم فوق ریزدانه برای استفاده در بخش های ذخیره سازی هیدروژن و تیتانیوم فوق ریزدانه مواد مناسبی برای استفاده در امپلنت های جراحی و دندانی می‌باشد.
باید که این نکته اشاره کرد که فولاد یکی از مهم ترین گروه های مواد است که دارای طیف وسیعی از کاربردها می‌باشد. اگر چه بررسی های زیادی بر روی بهینه سازی ریزساختار و ایجاد رابطه میان ساختار و خواص آن انجام شده است و بسیاری از آنها کاملا موفقیت آمیز بوده اند، یکی از زمینه های مورد علاقه در این زمینه ریزدانه کردن فولادهای ساده و افزایش استحکام آنها می‌باشد. فولادهای دارای عناصر آلیاژی اندک می‌توانند به عنوان جایگزینی برای فولادهای با استحکام بالا و عناصر آلیاژی کم (HSLA) باشند. نیروی محرکه در زمینه‌ی بهبود خواص فولاد از طریق ریزدانه کردن، به خاطر این حقیقت می‌باشد که این روش علاوه بر بهبود استحکام، موجب بهبود تافنس نیز می‌شود. علاوه بر این، این کار موجب کاهش دمای انتقال از حالت داکتیل به حالت ترد می‌شود. برای مقایسه باید گفت: فولادهای فریتی معمولی که با روش معمولی (مانند نورد گرم) تولید می‌شوند دارای دانه هایی با اندازه‌ی بین 1 تا 5 میکرون هستند. این فولادها دارای استحکامی در حدود 80 MPa می‌باشند. به هرحال، کاهش اندازه‌ی دانه از 5 به 1 میکرون، موجب افزایش استحکام تسلیم به میزان 350 MPa می‌شود. همچنین این کار موجب کاهش 200 درجه ای در دمای انتقال از حالت داکتیل به ترد می‌شود (از -20 ℃ به℃ -200). درصورتی که اندازه‌ی دانه به 0.2 میکرون کاهش یابد، استحکام تسلیم به میزان 680 MPa افزایش می‌یابد و این مسئله منجر می‌شود تا استحکام نهایی ایجاد شده، حتی برای فولادهایی که دارای ترکیبات فقیری هستند، به 1000 MPa برسد.
فولادهای کم کربن تولید شده بوسیله‌ی فرایند اکستروژن زاویه ای با استفاده از کانال های برابر (ECAP) دارای کاربردهای بالقوه در ساخت شمش و میله می‌باشد. رابطه‌ی بین خواص و ساختار این مواد به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است.
یکی از زمینه‌های کاربرد فولادهای فوق ریزدانه در بخش اتومبیل سازی است. در ادامه استفاده از این فولادهای فوق ریزدانه در بخش های مختلف ماشین را مورد ارزیابی قرار می‌دهیم.
استفاده از فولادهای UFG در تولید سیستم انتقال قدرت
نمونه های آزمایشی تولید شده از این نوع فولاد مثلا شافت دنده ها به منظور حصول سختی، کربوریزه شده‌اند.آزمون های سختی سنجی و خستگی بر روی فولاد های فوق ریزدانه‌ی 18CrMo4 و 17CrV6 انجام شده است. بر طبق این آزمون ها، فهمیده شده است که تقویت این نوع فولاد به واسطه‌ی ریزدانه بودن، به طور کامل در طی کربوریزاسیون، از بین می‌رود زیرا قرارگیری این فولادها در دمای استنیته سازی، موجب می‌شود تا استحاله های فازی رخ دهد. بنابراین، فولادهای فوق ریزدانه تحت عملیات کربوریزاسیون قرار گرفته، تغییر ماهیت می‌دهند و خواص قبلی خود را از دست می‌دهند. همچنین این قطعات دارای مقاومت در برابر خستگی مشابه با خواص خستگی فولادهای معمولی هستند (شکل 2).
فنرهای مورد استفاده در اتومبیل سازی
مزیت مورد انتظار برای سیم های فولادی UFG در ساخت اجزای فنری، بهبود خواص مقاومت در برابر خستگی می‌باشد. در واقع نتایج نشان داده است که عمر خستگی فنرهای تولید شده از فولاد UFG کوتاه تر از فنرهای فولادی STDG هستند (تقریبا 50 %).در حقیقت این نتایج بدین صورت توصیف می‌شود که گفته می‌شود: اندازه‌ی دانه‌ی فولادهای استنیتی معمولی بعد از اعمال عملیات های آماده سازی، ریزتر از فولادهای UFG می‌باشد. این بدین معناست که ریزساختار بعد از عمل آوری بر روی ریزساختار فولاد نورد گرم شده، اثر ندارد بنابراین، استفاده از فولاد UFG در این مورد نیز مزیتی به همراه ندارد.
بست ها (Fastener)
مزیت های مورد انتظار برای فولاد UFG در این گستره از کاربردها شامل امکان کاهش یا حذف فرایند آنیل وکاهش میزان ضایعات در فرایند تولید این مواد می‌باشد.با توجه به فرایند های متداول برای تولید بست ها، تنها تفاوتی که بین استفاده از فولاد UFG و فولاد معمولی وجود دارد، حذف فرایند آنیل می‌باشد. یک چنین تغییری اجازه می‌دهد تا اجزایی با خواص نهایی خوب بدست آوریم اما این مسئله موجب افزایش میزان ضایعات می‌شود (شکل 3).
این نکته باید بیان شود که بررسی های پارامتری مربوط به ارتباط میان ویژگی های ریزساختاری و شکل پذیری سرد باید مد نظر باشد. این مسئله به طور قابل توجهی موجب بهبود رفتار شکل پذیری فولادهای UFG می‌شود.
همچنین باید آزمون های دقیق تری بر روی این مواد انجام شود زیرا این مواد دارای حساسیت بیشتری نسبت به ایجاد ترک های میکرونی هستند. همچنین استفاده از فولادهای UFG می‌تواند مفید باشد و موجب افزایش حاشیه‌ی امنیت محصولات می‌گردد.
یکی از فولادهای مورد استفاده در صنعت خودرو، فولادهای دوفازی فریتی- مارتنزیتی (DP) است. این فولادها به دلیل استحکام بالا و قابلیت شکل پذیری خوب و جوش پذیری، کاربرد هایی را در صنعت اتومبیل پیدا کرده است. برای برطرف کردن نیازها به منظور بهبود مقاومت در برابر له شدگی و تصادف و کاهش مصرف سوخت، استحکام فولادهای DP مورد نیاز می‌باشد. خاصیت تقویت کنندگی فولادهایDP یک روش مطمئن برای افزایش استحکام می‌باشد. یک سری از روش های استحکام بخشی برای حصول اندازه‌ی دانه‌ی زیر 1 میکرون و کمتر وجود دارد. از میان آنها باید روش مطمئن برگزیده شود.
در ادامه برخی از جنبه های صنعتی مربوط به فولادهای فوق ریزدانه بیان خواهد شد.
جنبه های صنعتی مربوط به فولادهای فوق ریزدانه
فولادهای فوق ریزدانه هم اکنون موضوع بسیاری از تحقیقات در سرتاسر دنیا می‌باشد. این مواد استحکام و تافنس بسیار بالایی نسبت به ترکیبات فولادی استاندارد ایجاد می‌کند. هم اکنون این نشان داده شده است که یک چنین دانه های ریزی از طریق آسیاب های میله ای گرم قابل تولید می‌باشند. اگر یک چنین موادی را بتوان به صورت اقتصادی و در ابعاد بزرگ تولید کرد، این مسئله موجب می‌شود تا این ماده کاربرد صنعتی پیدا کند. در واقع از جمله مزیت های استفاده از فولاد فوق ریزدانه، کاهش وزن ساختارها و اجزا، کمک به قابلیت جوش پذیری و قابلیت بازیافت و کاهش هزینه های آلیاژ سازی با استفاد ه از کامپوزیت ها می‌باشد.جنبه های صنعتی مربوط به فولادهای UFG به این مسئله وابسته است که آیا یک روش اقتصادی می‌تواند برای حصول ترکیب مناسبی از خواص، مورد استفاده قرار گیرد. روش های فرآوری مختلفی برای این کار استفاده می‌شود که این روش ها معمولا ترکیبی از دماهای نورد گرم پایین، تغییر شکل بالا و یا سیکل های حرارتی گرمایی سریع می‌باشد. این مسئله موجب اختصاص تقاضای قابل توجه بر روی آسیاب کاری می‌شود. علت این مسئله این است که این روش موجب کاهش هزینه های آلیاژسازی یا بهبود خواص می‌شود.
همچنین در مورد جوش پذیری فولادهای فوق ریزدانه، ابهاماتی وجود دارد. این فولادها می‌توانند حل شوند و به صورت ذاتی قابل جوشکاری هستند؛ اما اندازه‌ی دانه ها UFG در بخش جوش، نباید رشد کنند. بنابراین جوشگاری خود موجب رشد دانه ها در ناحیه‌ی معینی می‌شود.
هنوز زود است که در مورد آینده‌ی استفاده از این مواد صحبت کرد. اما در اینجا این پیشنهاد شده است که این نوع فولاد تمام بازار مربوطه را به خود اختصاص نخواهد داد. چیزی که در اینجا مهم است، این است که این مواد کاربردهای خاصی را در آینده به خود اختصاص می‌دهند.
مشکلات مربوط به استفاده از فولاد های فوق ریزدانه
اغلب میان استفاده کنندگان میان استحکام و انعطاف پذیری سبک سنگین می‌کنند و انعطاف پذیری پایین مواد فوق ریزدانه اصلی ترین مانع در برابر کاربردهای ساختاری این ماده می‌باشد. این مسئله در حالی است که این مواد دارای استحکام بسیار بالایی می‌باشند. اگر چه محققینی همچون Cheng[6] و همگارانش در تحقیقی توانستند علاوه بر افزایش استحکام تسلیم، به داکتیلیته‌ی 40 % در فولاد FeCrNiMN شوند، اما این نتایج امیداوار کننده نمی‌باشد. علت اصلی این مسئله انعطاف پذیری پایین این فولادها می‌باشد. در واقع وقتی داکتیلیته پایین باشد، شکل دهی این نوع فولاد ها و تبدیل آنها به اشکال مختلف مانند لوله، سیم و .... سخت و هزینه بر می‌شود.به عنوان نتیجه گیری باید گفت: از جمله محدودیت های فولادهای فوق ریزدانه داکتیلیته‌ی پایین آنهاست. داکتیلته‌ی پایین موجب کاهش توانایی شکل دهی این فولادها می‌شود و از این رو منجر به ایجاد مشکلات فرایندی در حین تولید می‌باشد.
یکی دیگر از مشکلاتی که از همین داکتیلیته‌ی پایین نشئت می‌گیرد، اجبار در استفاده از فرایند های حرارتی در شکل دهی این نوع فولادها می‌باشد. فرایندهای حرارتی بدین معناست که در فرایند تبدیل فولاد فوق ریزدانه به بدنه های قابل استفاده در صنعت (مانند لوله، سیم و ...)، گاها باید از عملیات های حرارتی استفاده شود. از این رو، استفاده از عملیات حرارتی مخصوصا در دوره‌ی زمانی بلند مدت و اعمال حرارت به فولاد فوق ریزدانه موجب می‌شود تا دانه ها رشد کرده و رشد دانه ها موجب افت خواص مکانکی این فولادها می‌شود.
یکی دیگر از مشکلات استفاده از مواد فوق ریزدانه بالاخص فولادهای فوق ریزدانه، هزینه های بالای تولید و ضایعاتی است که در حین تولید با آنها روبرو هستیم. فولادهای فوق ریزدانه معمولا با استفاده از فرایندهای تکرار شونده تولید می‌شود. این بدین معناست که یک قطعه‌ی فوق ریزدانه شده با استفاده از یکی از روش های SPD مانند روش ECAP باید چندین بار تحت عملیات عبور از کانال قرار گیرد و از این رو، این مسئله موجب افزایش هزینه های تولید می‌شود.
برخی از روش های تولید SPD نیز ضایعات قابل توجهی را به جای می‌گذارند. مثلا در روش هایی که از نورد استفاده می‌شود، کناره‌ی ورق های مورد استفاده به دلیل عدم کیفیت مناسب، باید جداسازی و دور ریخته شوند. این مسئله به طور مستقیم بر روی هزینه های تولید اثر می‌گذارد. این هزینه ها بر روی هزینه های مربوط به تولید قالب ها، ساخت غلطک های خاص و .... افزوده می‌شود و بدین وسیله کاربرد روش های SPD محدود به کاربردهای خاص می‌گردد. مثلا ساخت قطعات خاص هواپیما و .... .
نتیجه گیری
این به خوبی فهمیده شده است که روش تغییرشکل پلاستیک شدید یک روش مناسب برای ریزدانه کردن مواد بالک می‌باشد. این توانایی به خوبی برای فلزات دارای ساختار FCC و آلیاژ ها مورد بررسی قرار گرفته است. به هرحال، هنوز هم مطالب زیادی در زمینه‌ی روابط میان ساختار و خواص و کاربردهای بالقوه‌ی این مواد وجود دارد. همانگونه که در بالا بدان اشاره شد، فولادهای فوق ریزدانه دارای کاربرد بالقوه در ساخت سیم، لوله، قطعات اتومبیل از جمله شافت دنده و ... دارد. استفاده از فولادهای فوق ریزدانه موجب کاهش وزن قطعات و افزایش طول عمرمفید آنها می‌شود.با توجه به کلیه‌ی مزیت های ذکر شده برای فولادهای فوق ریزدانه، توجه به این مسئله ضروری است که موانع و محدودیت هایی زیادی در زمینه‌ی استفاده از فولادهای فوق ریزدانه وجود دارد. از جمله‌ی این محدودیت ها، هزینه های بالای تولید این مواد می‌باشد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون، بلامانع می‌باشد.
/ج
