فولاد تریپ چیست؟
در دنیای مدرن، نیاز روز افزون صنایع به آلیاژهای فلزی پیشرفته با توانایی تحمل فشارهای بالا و مقاومت در برابر تغییر شکل‌های دائمی، سبب پیدایش و توسعه روش‌های نوین در تولید و شکل‌دهی مواد شده است. اگرچه این تحولات ممکن است به چشم نیایند، اما تأثیر عمیقی بر کیفیت و کارایی محصولات نهایی دارند. یکی از دستاوردهای مهم در این زمینه، فولاد تریپ (TRIP) است که به عنوان دسته‌ای از فولادهای کم آلیاژ شناخته می‌شود.
این فولادها به دلیل ویژگی‌های مکانیکی منحصربه‌فرد و قابلیت تغییر شکل چشمگیر، جایگاه ویژه‌ای در صنایعی نظیر خودروسازی پیدا کرده‌اند. در این مقاله، تلاش خواهیم کرد تا با بررسی دقیق‌تر، به درک جامعی از خصوصیات فیزیکی و مکانیکی، ساختار میکروسکوپی و همچنین کاربردهای متنوع فولاد تریپ دست یابیم.
آنچه در این مقاله میخوانید
درباره فولاد تریپ
نوع خاصی از فولادهای مستحکم، که با نام اختصاری TRIP و اشاره به پدیده تغییر شکل ناشی از استحاله فازی شناخته می‌شوند، این محصولات به واسطه ظرفیت بالای خود در تحمل تغییرات ابعادی بدون شکستگی، در صنایع گوناگون مورد استفاده قرار می‌گیرند. این دسته از آلیاژهای فولادی، با بهره‌گیری از عناصر افزودنی نظیر منگنز، سیلیسیم، کروم و نیکل در ترکیب پایه آهن، ویژگی‌های برجسته‌ای کسب می‌کنند. استحکام فوق‌العاده و مقاومت در برابر ضربه این مواد، آن‌ها را به گزینه‌ای مطلوب در ساخت قطعات خودرو و همچنین پیکره‌بندی سازه‌های فلزی تبدیل کرده است.
مشخصات فولاد تریپ
این محصول فولادی دارای ویژگی های مختلف فیزیکی و شیمیایی است که در ادامه به بیان آن ها خواهیم پرداخت:
- فیزیکی
بهترین شیوه برای نمایش ویژگی‌های فیزیکی و رفتارهای مقاومتی فولادهای TRIP، ترسیم منحنی تنش-کرنش آن‌هاست. در این نمودارها آشکار می‌گردد که فولادهای TRIP در مقایسه با سایر ترکیبات آهنی، میزان کارسختی بیشتری را تجربه می‌کنند. کارسختی، که با نام سخت‌کاری سطحی نیز شناخته می‌شود، یک فرآیند تولیدی است که در آن با استفاده از عملیات حرارتی، لایه بیرونی قطعه را مستحکم می‌سازند، بدون آنکه ترکیب شیمیایی کلی آن دستخوش تغییر شود. این فرآیند، فولادی با سختی سطحی مطلوب و در عین حال چقرمگی درونی ایجاد می‌کند. پدیده افزایش قابل توجه سختی در این فولادها را می‌توان به اثر TRIP نسبت داد.
- شیمیایی
فولادهای TRIP در زمره آلیاژهای فروکربنی جای می‌گیرند که در ترکیب شیمیایی آن‌ها عناصری نظیر کربن، منگنز، سیلیسیم و آلومینیوم به عنوان افزودنی‌های آلیاژی حضور دارند. میزان کربن موجود در این آلیاژها در بازه ۰.۱ تا ۰.۴ درصد وزنی متغیر بوده و مقدار سیلیسیم آن‌ها تقریباً بین ۱ تا ۲ درصد تخمین زده می‌شود. افزون بر این، حدود ۱ تا ۲ درصد وزنی نیز منگنز در ساختار شیمیایی این فولادها یافت می‌گردد. مقادیر جزئی از آلومینیوم و فسفر نیز به منظور ارتقاء استحکام به ترکیب افزوده می‌شوند که میزان این دو عنصر در مقایسه با سایر اجزاء تشکیل‌دهنده بسیار ناچیز است.
مزایای فولاد تریپ
فولادهای تریپ ناشی از تغییر شکل به دلیل ساختار میکروسکوپی چندگانه و تحولات ساختاری حین تغییر فرم، ویژگی‌ها و مصارف بی‌نظیری را به نمایش می‌گذارند که در ادامه به شرح آن ها خواهیم پرداخت:
- استحکام بالا: این دسته از آلیاژهای آهنی، مقاومت در برابر گسیختگی و حد جاری شدن قابل توجهی از خود نشان می‌دهند که این امر، قابلیت تحمل نیروهای وارده‌ی سنگین را برای آن‌ها فراهم می‌آورد. این خصوصیت، آن‌ها را به انتخابی مطلوب در تولید اجزایی نظیر بدنه‌ی وسایل نقلیه، بناهای فلزی و ادوات جنگی مبدل می‌سازد. برای نمونه، مقاومت نهایی فولاد TRIP با گرید ۴۵۰/۸۰۰ ممکن است به ۱۲۰۰ واحد فشار و مرز تسلیم آن به ۸۰۰ واحد فشار برسد.
- چقرمگی مناسب: این آلیاژهای فلزی از چکش‌خواری چشمگیری بهره می‌برند، بدین مفهوم که قادرند پیش از گسیختگی، میزان قابل توجهی از انرژی اعمال شده را مستهلک نمایند. این خصوصیت، آن‌ها را برای به‌کارگیری در صنایعی که ضریب ایمنی و درجه‌ی اعتمادپذیری در آن‌ها حیاتی است، نظیر دهانه‌های عبوری، خطوط آهن و مجاری انتقال سیالات تحت فشار زیاد، ایده‌آل می‌سازد. به عنوان نمونه، میزان انرژی شکست ناشی از ضربه در فولاد TRIP با مشخصه‌ی ۴۰۰/۷۰۰ می‌تواند به ۴۰ واحد انرژی در واحد سطح بالغ گردد.
- قابلیت شکل‌پذیری: در قیاس با دیگر آلیاژهای فولادی با مقاومت مکانیکی بالا، این دسته از مواد مهندسی، خصوصیت تغییر فرم پذیری مطلوبی را به نمایش می‌گذارند. این ویژگی مثبت، فرایند تولید اجزاء با ساختارهای بغرنج را آسان کرده و به طراحان امکان خلق اشکال هندسی بدیع‌تری را می دهد. به عنوان نمونه، میزان کرنش پلاستیک نهایی در فولاد TRIP با گرید ۴۵۰/۸۰۰ قادر است تا مقدار ۲۵ درصد را تجربه نماید.
- دوام در مقابل خوردگی: این نوع آلیاژ به‌طور ذاتی در برابر واکنش‌های شیمیایی خورنده مقاوم بوده و احتیاجی به لایه‌های محافظ تکمیلی به منظور جلوگیری از اکسیداسیون و تخریب سطحی ندارد. این مشخصه، استفاده از آن را در محیط‌های دارای رطوبت بالا و شرایط خورنده نظیر مناطق ساحلی، تاسیسات دریایی و دستگاه‌های مورد استفاده در صنایع شیمیایی، مطلوب می‌سازد.
معایب فولاد تریپ
فولادهای TRIP با وجود مزایای برجسته، واجد محدودیت‌هایی نیز هستند که کاربرد آن‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهد که در ادامه به آن ها اشاره می کنیم.
- هزینه تولید بالا: فرآیند تولید این فولادها به دلیل نیاز به عناصر آلیاژی خاص و سیکل‌های حرارتی دقیق، مستلزم صرف هزینه‌های بیشتری در قیاس با فولادهای معمولی است. این امر، قیمت نهایی قطعات ساخته شده از آن‌ها را افزایش می‌دهد.
- چالش‌های جوشکاری: به سبب ترکیب شیمیایی ویژه و ساختار میکروسکوپی چند فازی، اتصال این فولادها از طریق روش‌های جوشکاری مرسوم می‌تواند با مشکلاتی نظیر تشکیل فازهای ترد و کاهش خواص مکانیکی در ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) همراه باشد.
- حساسیت به نرخ کرنش: رفتار مکانیکی فولادهای TRIP تا حدودی به سرعت اعمال نیرو وابسته است. در نرخ‌های کرنش بسیار بالا، ممکن است مکانیسم استحاله ناشی از تغییر شکل به طور کامل فعال نشده و منجر به کاهش چقرمگی گردد.
کاربردهای فولاد تریپ
با توجه به خواص منحصربه‌فرد فولادهای TRIPاین مواد پیشرفته در صنایع گوناگون، جایگاه ویژه‌ای یافته‌اند. در ذیل به برخی از حوزه‌های کلیدی کاربرد آن‌ها اشاره می‌شود:
- صنعت وسایل نقلیه: در ساختار اساسی خودروها نظیر فریم اصلی، پوشش بیرونی، اجزای پیشرانه و سامانه‌های فنربندی به کار گرفته می‌شوند.
- صنایع هوایی: در بدنه پرنده‌ها، موتورهای جت و قطعات تحمل بار هواپیماها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- مهندسی سازه: در احداث بناهای فلزی، پل‌های ارتباطی و خطوط ریلی قطارها کاربرد دارند.
- صنعت نفت و گاز: در تولید لوله‌های انتقال سیالات پرفشار، شیرهای صنعتی و مخازن نگهداری مواد به کار می‌روند.
- صنایع دفاعی: در ساخت پوشش محافظ تانک‌ها، سپرهای ضد پرتابه و تجهیزات ایمنی به کار گرفته می‌شوند.
- بخش انرژی: در ساخت توربین‌های بادی و بخار و نیز مبدل‌های حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
فرآیند تولید
فولادهای TRIP از طریق فرآیندهای ترمومکانیکی گوناگون نظیر نورد در دمای محیط، نورد در دماهای بالا و یا پوشش‌دهی مذاب روی با محدوده استحکام نهایی بین 500 تا 800 واحد فشار تولید می‌گردند. شایان ذکر است که اعمال سیکل‌های حرارتی مشخص، تاثیر بسزایی بر ویژگی‌های مکانیکی این دسته از فولادها ایفا می‌کند. به عنوان مثال، در ادامه، مراحل ساخت فولاد کم‌آلیاژ با ضخامت یک میلی‌متر به روش نورد سرد مورد بررسی قرار می‌گیرد.
در فرآیند تولید ورق فولاد کم‌آلیاژ از طریق نورد سرد، ابتدا قطعه در بازه دمایی ۶۲۵ تا ۶۷۵ درجه سلسیوس به مدت ۴۵ الی ۹۰ دقیقه تحت عملیات حرارتی آنیل قرار می‌گیرد. سپس، ورق آنیل شده در یک سیستم تبرید تا رسیدن به دمای محیط سرد می‌گردد. در مرحله بعد، ورق فولادی در محدوده دمایی ۷۶۰ تا ۹۳۰ درجه سانتی‌گراد تحت فرآیند بازپخت قرار می‌گیرد. در نهایت، دمای فولاد بازپخت شده تا ۴۶۰ درجه سلسیوس تقلیل می‌یابد.
کارخانه های تولیدکننده فولاد تریپ
تولید فولادهای TRIP به دلیل پیچیدگی‌های متالورژیکی و نیاز به فناوری‌های پیشرفته، در انحصار شمار معدودی از تولیدکنندگان بزرگ فولاد در سطح جهان قرار دارد. این شرکت‌ها با بهره‌گیری از دانش فنی تخصصی و تجهیزات مدرن، قادر به تولید این آلیاژهای پیشرفته با خواص مکانیکی ویژه هستند. شرکت‌هایی نظیر فولاد مبارکه اصفهان و همچنین فولاد آلیاژی ایران از جمله بزرگترین تولیدکنندگان فولاد در کشور هستند که دارای توانمندی‌های تولید گریدهای مختلف فولادی و آلیاژی هستند.
انواع گریدها
فولادهای استحاله ناشی از تغییر شکل (TRIP) در انواع گوناگونی با ویژگی‌های مکانیکی متمایز وجود دارند که این تفاوت‌ها ناشی از فرمولاسیون شیمیایی و فرآیندهای حرارتی اعمال شده در تولید آن‌هاست. در ادامه، به برخی از مهم‌ترین دسته‌های این فولادها اشاره خواهد شد:
- TRIP 780
این گرید از فولاد TRIP، به دلیل تلفیق مطلوب مقاومت در برابر گسیختگی و قابلیت تغییر فرم مناسب، از جمله پرمصرف‌ترین انواع آن به شمار می‌رود. در ساخت اجزایی نظیر تقویت‌کننده‌های ستون و درب خودرو، پروفیل‌های سقفی، قطعات مورب و نگهدارنده و همچنین تقویت‌کننده‌های سپر وسایل نقلیه، از این گرید استفاده وسیعی به عمل می‌آید.
- TRIP 690
این نوع از فولاد TRIP، خصوصیاتی نظیر مقاومت مکانیکی قابل توجه و چکش‌خواری بالا را به طور همزمان داراست. از این رو، در تولید قطعاتی که نیازمند تحمل نیروهای زیاد و همچنین توانایی استهلاک انرژی هستند، مانند عناصر تقویت‌کننده ستون‌های جلویی، میانی و عقبی خودروها، کاربرد دارد.
- TRIP 600
این محصول در مقایسه با دو نمونه پیشین، از مقاومت بیشتری در برابر شکست ناشی از ضربه برخوردار بوده و در عین حال، استحکام کششی قابل قبولی را نیز ارائه می‌نماید. به همین دلیل، در ساخت اجزایی که تحت معرض ضربات ناگهانی و شدید قرار دارند، نظیر خطوط راه‌آهن و برخی از قطعات مورد استفاده در صنایع مختلف، کاربرد پیدا می‌کند.
- TRIP 800
این گرید، به عنوان نوین‌ترین و مقاوم‌ترین نوع در خانواده فولادهای TRIP شناخته می‌شود و از استحکام نهایی بسیار بالایی بهره می‌برد. به همین سبب، در ساخت قطعاتی که نیازمند مقاومت بی‌نظیر در برابر نیروهای وارده هستند، مانند ادوات و تجهیزات مورد استفاده در صنایع نظامی، به کار گرفته می‌شود.
جمع بندی
در یک نگاه کلی، فولادهای استحاله ناشی از تغییر شکل (TRIP) به عنوان دسته‌ای ممتاز از آلیاژهای فولادی پیشرفته مطرح می‌شوند که با بهره‌گیری از ریزساختار چند فازی و پدیده استحاله فازی در حین تغییر شکل پلاستیک، ترکیبی بی‌نظیر از استحکام بالا، شکل‌پذیری مطلوب و چقرمگی قابل توجه را ارائه می‌دهند. این خواص منحصربه‌فرد، فولادهای TRIP را به گزینه‌ای جذاب برای کاربردهای متنوع در صنایع گوناگون از جمله خودروسازی (بهبود ایمنی و کاهش وزن)، هوافضا، ساخت و ساز، نفت و گاز و صنایع نظامی تبدیل کرده است.
