باسمه تعالی
تحقیق:
آهن زنگ نزن
مقدمه
آیا توجّه کرده اید که بعضی از فلزات زنگ می زنند و بعضی دیگر٬زنگ نمی زنند؟آهن معموا زنگ می زند.
به همین علّت است که وقتی رنگ قسمتی از بدنه اتومبیل از بین می رود٬هوا باعث می شود که آهن زیر قسمت رنگ شده خیلی زود زنگ بزند.
چرا آهن زنگ می زند؟برای آن که آهن با اکسیژن موجود در هوا ترکیب می شود و اکسیدآهن قرمز رنگ را(که همان زنگ آهن است)تولید می کند.در هر صورت٬نوعی آهن وجود دارد که زنگ نمی زند.اختراع یا کشف این آهن امری تصادفی بود!در سال۱۹۱۳ ٬هری بریرلی٬ که متخصص ذوب فلزات بود٬برای ساختن لوله تفنگ٬دنبال فلزی مناسب می گشت.از این رو فلزات گوناگون را با هم ترکیب کردو آلیاژهای مختلفی به دست آورد.امّا پس از انجام آزمایش ها٬تمام نمونه ها را به گوشه ای انداخت.چند ماه بعد متوجّه شد.
در حالی که همه نمونه های دور ریخته شده٬زنگ زده اند٬یکی از آنها زنگ نزده است!
نکته:آلیاژ فلزی است که از ترکیب دو یا چند فلز به دست می آید.
بریرلی این آلیاژ را با دقّت بررسی کرد و فهمید که ۱۴٪آن کروم است.به این ترتیب فلز زنگ نزن یااستنلس استیل وارد زندگی بشر شد.امروزه اغلب لوازم آشپزخانه ها از آهن زنگ نزن هستند.جنس بیشتر دیگ ها٬کتری ها٬ماهی تابه ها٬قاشق و چنگال ها٬چاقو ها و لگن ظرفشویی آشپزخانه ها از آهن زنگ نزن است؛همین طور بسیاری از لوازم جرّاحی و قطعات خودرو ها از این فلز ساخته می شوند.
نکته:کروم یا کرومیوم فلزی سخت٬خاکستری و دیر گداز است با علامت اختصاریcr.
فولادهای زنگ نزن گروه وسیع و متنوعی از مواد مهندسی به شمار می آیند.
از ویژگیهای فولادهای زنگ نزن می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
1-شکل پذیری عالی
2- چقرمگی زیاد در دمای اتاق و دمای پایین
3- مقاومت خوب در برابر پوسته شدن
4- مقاومت اکسایش و خزش در دماهای بالا
5-مقاومت به خوردگی
مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ نزن از مقدار زیاد کرم یعنی بالاتر از %wt12 ناشی می شود،مقدار کم کرم گر چه مقاومت به خوردگی آهن را مقداری افزایش می دهد ولی نمی تواند فولاد را زنگ نزن سازد.
کرم با تشکیل یک لایه اکسید سطحی ، سطح آهن را حفاظت می سازد و لایه های زیرین را از خوردگی محافظت می نماید. تشکیل این لایه محافظت کننده مستلزم قرار گرفتن فولاد(سطح فولاد)زنگ نزن در یک محیط اکسید کننده می باشد.
علاوه بر کرم،عناصر آلیاژی دیگری از قبیل نیکل و مولیبدن نیز به این فولادها اضافه می شوند که نه تنها مقاومت به خوردگی را در بعضی مواقع افزایش می دهند بلکه باعث پایداری فاز های دیگر شده و برخی از خواص مکانیکی را نیز بهتر می کنند.بطور مثال افزایش نیکل به فولادهای زنگ نزن ، مقاومت به خوردگی در محیط های خنثی و یا اکسید کننده ضعیف را بهبود می بخشد.همچنین مقدار کافی نیکل قابلیت انعطاف پذیری و شکل پذیری فولادها را افزایش می دهد چرا که امکان نگهداری فاز آستنیت با شبکه کریستالی Fcc در دمای اتاق را میسر می سازد.
اضافه نمودن کرم و نیکل و عناصر دیگر به آهن،فازهای متنوعی علاوه بر فریت و آستنیت را میتواند به وجود آورد که در بررسی هریک از این فازها به نمودارهای سه تایی و چهارتایی نیاز است که در ذیل با استفاده از نمودارهای مناسب به بررسی این فازها پرداخته می شود.
1-1.بررسی سیستم آهن-کرم:
کرم در دماهای بالا در آهن بطور کامل حل می شود و انجماد آلیاژهای Fe-Cr به صورت فریت (آلفا) رخ می دهد چرا که ساختار بلوری کرم، Bcc بوده و می تواند پایدار کننده قوی فریت باشد.همچنین محدوده انجمادی برای آلیاژهای Fe-Cr بسیار باریک است.با افزایش میزان کرم نواحی پایداری فازهای دما بالا و دما پایین گسترش می یابد(در سیستم Fe-Cr فاز دما بالا فریت دلتا و فاز دما پائین فریت آلفا در نظر گرفته شده که هر دوی این فازها از آستینت تشکیل می شوند.) بطوریکه در غلظتهای پایین کرم یک حلقه آستنیتی موسوم به حلقه گاما در محدوده درجه حرارتهای 912 تا 1394 درجه سانتیگراد وجود دارد .آلیاژهای با مقدار کرم بیشتر از 12 تا 13 درصد وزنی در درجه حرارت بالا کاملا فریتی می باشند در حالیکه آلیاژهای با مقادیر کمتر از این مقدار کرم(درجه حرارتهای محدوده حلقه گاما) مقداری آستنیت تشکیل می دهند.
آلیاژهایی با مقدار کرم کمتر از 12 درصد وزنی در درجه حرارتهای واقع در حلقه گاما کاملا آستنیتی بوده و به محض سرمایش سریع، این آستنیت می تواند به مارتنزیت تغییر فاز دهد. نکته ای که باید ذکر گردد این است که عناصر دیگری همچون مولیبدن و وانادیم نیز وجود دارند که مشابه کرم عمل نموده و در صورت آلیاژ شدن با آهن تشکیل حلقه گاما را می دهند.
در ادامه بررسی نمودار تعادلی آهن – کرم به این مطلب می رسیم که در دماهای کم نمودار فازی آهن- کرم گستره ای کامل از محلولهای جامد نیست بنابراین یک فاز میانی به نام فاز سیگما وجود دارد.
زمانی که آلیاژهای آهن – کرم حاوی بیش از 20 تا 70 درصد وزنی کرم مدتی طولانی در محدوده 500 تا 800 درجه سانتیگراد گرم شوند فاز سیگما رسوب می کند(در برخی کتب مقدار Cr بین 15 تا 70 درصد وزنی بیان شده است). این فاز سخت و شکننده بوده و دارای ساختار کریستالی تتراگونال می باشد و به دلیل همین ترد بودن یک فاز نامطلوب در فولادهای زنگ نزن محسوب می شود چرا که در فرایند نورد می تواند مشکل ساز باشد و زمانی که در حجم زیاد وجود داشته باشد می تواند سبب کاهش چقرمگی و داکتیلیتی شود.
محدوده دیگری که در این دیاگرام تامل برانگیز است تردی 475 درجه سانتیگراد یا تردی 885 درجه فارنهایت موسوم است.تردی 475 درجه سانتیگراد در نتیجه تشکیل رسوبات پیوسته غنی از کرم در زمینه آلفا می باشد که آلفا پرین نامیده می شود. این رسوبات معمولا در محدوده دمایی 450-400 درجه سانتیگراد تشکیل می شوند و دارای شبکه بلوری bcc بوده و پارامتر شبکه آن تقریبا برابر با پارامتر شبکه فریت bcc است. این رسوبات در آلیاژهایی که مقدار کرم آنها بیشتر از 14%wt می باشد تاثیر ترد سازی شدیدی از خود نشان می دهد.
تشکیل آلفا پرین در آلیاژهای Fe-Cr مانند تشکیل فاز سیگما کاملا آهسته بوده ولی نرخ تشکیل آن را می توان با افزودن عناصر آلیاژی تشدید نمود.
1-2 -بررسی سیستم آهن-کرم-کربن:
در این سیستم علاوه بر آهن و کرم، کربن به عنوان یک عنصر آلیاژی نیز وجود دارد.کربن عنصری می باشد که پایدار کننده آستنیت است بنابراین باعث گسترش حلقه گاما خواهد شد به عبارت دیگر کربن منطقه آستنیت را وسیع می کند و این اجازه را به آن می دهد تا در درجه حرارتهای بالا و مقادیر کرم بالاتر نیز پایدار می باشد همچنین با استحاله مارتنزیتی نیز کمک می کند.
با اضافه شدن کربن به سیستم Fe-Cr نمودار فازی بطور قابل ملاحظه ای تغییر و پیچیده تر می شود.لذا برای اینکه سیستم سه تایی Fe-Cr-C را بتوانیم بصورت تابعی از دما در نظر بگیریم لازم می باشد که یکی از عناصر را ثابت نگه داشته که با این عمل یک دیاگرام دوتایی کاذب(ایزوپلس) بدست می اید.در واقع این دیاگرام تصویری دوبعدی از یک سیستم سه بعدی را در اختیارمان قرار می دهد و به این دلیل به آن دوتایی کاذب گفته می شود و از این جهت این دیاگرام را نمی توان در روشی مشابه به عنوان یک دیاگرام دوتایی استفاده نمود .
اضافه نمودن کربن بیش از 0.6% منجر به تشکیل کاربید آزاد می شود. ترتیب تشکیل کاربید در آلیاژهای Fe-Cr احتمالا به صورت زیر می باشد:
M3C-M7C3-M23C6
درواقع با اضافه نمودن کربن چند نوع کاربید در دیاگرام پدیدار می شود.کاربید نوع سمنتیت در آلیاژهایی که تا 10 درصد وزنی کرم دارند تشکیل می شود و می تواند 15 درصد وزنی نیز کرم داشته باشد. در مقادیر بیشتر کرم، کاربید M7C3 تشکیل می شود که حداقل 36 درصد کرم دارد و حتی با نسبتهای بیشتر کروم به کربن کاربید M7C3 به M23C6تبدیل می شود. کاربید M23C6 در مرز دانه های برخی فولادهای زنگ نزن که در شرایط خاصی عملیات حرارتی می شوند رسوب می کنند در حالیکه کاربید نوع M7C3 در داخل دانه پخش می شود.
در مقادیر بسیار پایین کربن یعنی کمتر از 0.1% ، آلیاژهای سه تایی در درجه حرارتهای بالا کاملا فریتی می باشند. اگر این آلیاژها به مقدار کافی سریع سرد شوند آلیاژ اصولا فریتی باقی خواهد ماند.
در مقادیر کربن بالای 0.1 % ،آستننیت در درجه حرارتهای بالا تشکیل شده و مخلوطی از آستنیت و فریت در درجه حرارتهایی اندکی پایین تر از محدوده حرارتی انجماد وجود خواهد داشت. به محض سرد کردن، این ساختار در درجه حرارتهایی پایین تر از 1200 درجه سانتی گراد (2190 درجه فارنهایت) کاملا آستنیتی می شوند. اگر نرخ سرمایش به مقدار کافی سریع باشد این آستنیت به مارتنزیت استحاله می یابد. همچنین در مقادیر کربن پایین تر (مثلا 0.05%wt ) مخلوطی از آستنیت و فریت در درجه حرارتهای بالا وجود خواهد داشت که سبب ایجاد ساختاری متشکل از فریت و مارتنزیت به محض سرمایش سریع می شود. این ساختارها معمولا به دلیل افت خواص مکانیکی نامطلوب می باشند. در مقادیر بالاتر ثابت کرم در سیستم Fe-Cr-C محدوده فاز آستنیت کوچک می شود در حالی که محدوده فاز فریت گسترش نیافته است.
1