خواص فیزیکی فولاد ضد زنگ

فولاد ضد زنگ به علت مقاومت به خوردگی بالا، شکل پذیری، استحکام و چند خواص فیزیکی دیگر به طور گسترده در کاربردهای صنعتی و غیر صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای آشنایی با جزئیات این خواص و دلایل متالوژیکی آن، مقاله زیر را بخوانید.
در متالوژی، فولاد ضد زنگ که با نام فولاد SS در بحث مهندسی شناخته می‌شود، یک نوع فولاد آلیاژی با حداقل 10.5 % کروم در کل وزن است. این فولاد در برابر خوردگی، زنگ زدن و لکه مقاومت بالایی دارد و به همین دلیل به نام فولاد ضد زنگ شناخته می‌شود. با وجود نامش کاملاً در برابر زنگ زدن مقاوم نیست و این حالت بیشتر در شرایط اکسیژن کم، نمک کم و شرایط تهویه‌ی ضعیف ممکن است. رده‌ی این فولاد با توجه به مقدار کروم موجود در فولاد معمولی فرق می‌کند در نتیجه خواص آن نیز به طور قابل توجهی تغییر می‌کند. بعضی از رده‌های این نوع فولاد عناصر دیگری نیز چون نیکل، مولیبدن و سیلسیم دارند که در تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی آن سهیم هستند.

تاریخچه :

فولاد ضد زنگ یک ماده‌ی تنها نبود اما نام آن به خانواده‌ی آلیاژهای غیر آهنی مقاوم به خوردگی داده شده است. این ماده در سال 1912 توسط هری بریرلی در آزمایشگاه تحقیقاتی براون فیرث در شفیلد انگلستان وقتی که در حال جستجوی آلیاژ مقاوم به خوردگی برای لوله‌ی تفنگ بود، کشف شد. ماده‌ای که بریرلی، ابداع کرده بود یک فولاد آلیاژی مارتنزیتی شامل 13 % کروم بود که بعداً صنعتی شد. اولین کاربرد غیر صنعتی این ماده در قاشق و چنگال بود که باعث شهرت شفیلد در کل دنیا شد. کار تحقیقی هم زمان در فرانسه، موجب توسعه و گسترش فولاد ضد زنگ آستنیتی شد.

خواص فیزیکی :

با اینکه فولاد ضد زنگ گستره‌ای از خواص فیزیکی را دارد اما در اینجا خواصی مورد توجه قرار گرفته است که به طور برجسته با فولاد کربنی ساده تفاوت دارد. این تفاوت در خواص به علت کروم موجود در فولاد ضد زنگ است.

• مقاومت به خوردگی

فولاد ضد زنگ یک آلیاژ آهنی است که شامل حداقل 13 % کروم برای بدست آوردن مقاومت به خوردگی بالا در شرایط جوّی است. کروم زمینه برای بدست آوردن مقاومت به خوردگی در محیط خشن می‌تواند تا 26 % افزایش پیدا کند. کروم موجود در آلیاژ وقتی که در معرض اکسیژن هوا در محیط قرار می‌گیرد لایه محافظ کروم (III) اکسید را روی سطح تشکیل می‌دهد. این لایه بسیار نازک است که قابل دیدن باشد، در نتیجه سطح صاف و درخشان باقی می‌ماند. این لایه اگرچه نازک است اما در مقابل آب و هوا نفوذ ناپذیر است و از ماده زیرین خود حفاظت می‌کند. اگر سطح خراشیده شود این لایه به سرعت تغییر شکل می‌دهد و بدون توجه به روش ساخت مورد استفاده، از آلیاژ حفاظت می‌کند. در فولادهای کربنی ساده، مقاومت به خوردگی با رنگ کردن سطح و روش‌های دیگر مثل گالوانیزه کردن حاصل می‌شود.

• مقاومت در برابر اسید

فولاد ضد زنگ در برابر حمله‌ی اسید بسیار مقاوم است اما این خاصیت به شدت به نوع و غلظت اسید، شرایط جوّی و نوع فولاد بستگی دارد. نوع 304 در برابر سولفوریک اسید در دمای اتاق و حتی در غلظت‌های بالا مقاوم است اما نوع 316 و 317 فقط در برابر غلظت‌های کم اسید مقاوم هستند. تمام انواع فولاد ضد زنگ در برابر فسفریک اسید مقاوم هستند اما نوع‌های L304 و 430 در برابر اسید نیتریک نیز مقاوم هستند. همه‌ی انواع فولاد توسط اسید کلریک خورده می‌شوند بنابراین این دو ماده نباید هیچ وقت با هم استفاده شوند.

• مقاومت در برابر باز

سری 300 فولادهای ضد زنگ در برابر تمام بازهای ضعیف مثل آمونیوم هیدروکسید حتی در غلظت‌های بالا و دماهای شدید، مقاومت بالایی دارند. اما نوع مشابه فولاد ضد زنگ در مقابل بازهای قوی مثل سدیم هیدروکسید و بازهایی که شامل کلرید هستند خوردگی و خراش را در دماها و غلظت‌های بالا تجربه می‌کنند.

• مقاومت کریوژنی (مقاومت در دماهای زیر صفر)

این خاصیت ماده با شکل پذیری و چقرمگی در دماهای زیر صفر اندازه گیری می‌شود. استحکام کششی فولاد آستنیتی به طور قابل ملاحظه‌ای در دماهای زیر صفر از دماهای جوّی و اتاق بیشتر است. چقرمگی فولاد نیز در سطح عالی نگهداشته می‌شود. فولادهای فریتی، مارتنزیتی و رسوب سخت شده در دماهای زیر صفر استفاده نمی‌شوند چون چقرمگی آنها به طور قابل توجهی کاهش پیدا می‌کند. در بعضی موارد کاهش چقرمگی در دمای اتاق نیز اتفاق می‌افتد.

• کار سختی

رده‌هایی از فولاد ضد زنگ که قابلیت کار سختی دارند این فایده را دارند که استحکام‌شان با انجام کار سرد به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش پیدا کند. انجام ترکیبی از کار سرد و آنیلینگ، به جزء ساخته شده استحکام ویژه‌ای می‌دهد. نمونه‌ای از این مورد کشش سیم از جنس فولاد ضد زنگ است. اگر سیم قرار است به صورت فنر مورد استفاده قرار بگیرد باید کار سخت شود تا به استحکام ویژه‌ی مورد نیاز برسد. اگر به صورت سیم خم شدنی استفاده می‌شود باید آنیل شود تا ماده‌ی نرم‌تری بدست آید.

• استحکام دما بالا

فولاد ضد زنگ آستنیتی در دماهای بالا استحکام بالای خود را حفظ می‌کند. هم چنین رده‌هایی از فولاد که شامل مقدار بالایی کروم و یا سیلسیم، نیتروژن و عناصر خاکی نادر نیز هستند این ویژگی را دارند. رده‌های فریتی مثل 446 که شامل مقدار بالایی کروم هستند نیز استحکام دما بالای زیادی دارند. مقدار بالای کروم، به مقاومت دما بالای فولاد ضد زنگ کمک می‌کند.

• شکل پذیری

شکل پذیری ماده‌ی جامد، توانایی ماده برای تغییر شکل تحت تنش کششی است؛ به عبارت دیگر توانایی ماده برای تبدیل شدن به سیم است. شکل پذیری فولاد ضد زنگ آستنیتی نسبتاً بالاست. این خاصیت با نرخ کار سختی بالا ترکیب شده و به ماده این امکان را می‌دهد تا تحت عملیات مختلف مثل کشش عمیق به سیم تبدیل شود.

• استحکام

فولاد ضد زنگ در مقایسه با فولادهای نرم مختلف، استحکام کششی بالاتری دارد. فولاد ضد زنگ دوپلکس حتی نسبت به رده‌های آستنیتی استحکام کششی بالاتری دارد. بیشترین استحکام کششی در رده‌های مارتنزیتی (431) و رسوب سخت شده، دیده شده است. این رده‌ها نسبت به نوع 304 و 316 که پر کاربردترین رده‌های فولاد ضد زنگ هستند، استحکام دو برابری دارند.

• خاصیت الکتریکی و مغناطیسی

فولاد ضد زنگ همانند فولاد کربنی ساده رسانای ضعیف الکتریسیته است و تنها درصد کمی از رسانایی الکتریکی مس را دارد. در مورد خاصیت مغناطیسی نیز، رده‌های ماتنزیتی و فریتی فولاد ضد زنگ، مغناطیسی هستند اما رده‌های آستنیتی غیر مغناطیسی هستند.

کاربردها :

فولاد ضد زنگ به خاطر خواصی چون مقاومت به خوردگی و زنگ زدن، هزینه‌ی نگهداری و تعمیر کم و درخشندگی یک ماده‌ی ایده‌آل برای کاربردهای صنعتی و غیر صنعتی است. این آلیاژ به شکل میله، ورق، صفحه، شمش، سیم و لوله نورد می‌شود تا در قاشق و چنگال، لوازم آشپز خانه، وسایل خانگی فلزی، ابزار جراحی، امکانات صنعتی، آلیاژ سازه‌های هوایی و خودروها و ماده‌ی سازنده‌ی ساختمان‌های بزرگ مورد استفاده قرار گیرد.
برخی از کاربردهای مشهور این ماده عباتند از:

 سردرد کمانی سنت لوئیس در میسوری که به عنوان نماد شهر است، کلاً از فولاد ضد زنگ نوع 304 ساخته شده است.
 قسمت بالایی ساختمان کریسلر در منهتن نیویورک
 دکوراسیون هنری ساختمان نیروی نیاگارا – موهاواک در سیراکوس نیویورک
 پل کالا گالدانا در مینورکا اسپانیا که اولین پل جاده‌ایی است که کلاً از فولاد ضد زنگ ساخته شده است.
 ساختمان هوادهی در دانشکده‌ی کمپوست ادمنتون واقع در ایالت ادمنتون آلبرتا در کانادا که بزرگترین ساختمان ساخته شده از فولاد ضد زنگ در آمریکایی شمالی است.
 برج پتروناس در کوالالامپور مالزی و ساختمان جین مائو در شانگهای چین که دو تا از بلندترین ساختمان‌ها در دنیا هستند.