فولاد دوفازی چیست؟ هر آنچه باید بدانید
این محصول، نوعی از فولادهای نوین با مقاومت بسیار بالا است که به عنوان فولادهای پیشرفته شناخته می‌شود. ساختار این فولاد شامل دو جزء با خواص متفاوت، یعنی فاز نرم فریت و فاز سخت مارتنزیت یا بینیت است. نام‌گذاری ” فولاد دوفازی” به دلیل بهره‌گیری از ترکیب دو فاز فریت و مارتنزیت در ساختار آن است که با هدف دستیابی به ویژگی‌های منحصربه‌فرد و مطلوب در این دسته از فولادها صورت می‌گیرد. در این مقاله به بررسی ویژگی های این فولاد خواهیم پرداخت.
آنچه در این مقاله میخوانید
درباره فولاد دوفاز(DP)
دسته نخست از فولادهای پرمقاومت که با فرآیند دگرگونی فازی تولید شدند، با عنوان فولادهای دوفازی یا DP شناخته می‌شوند. این آلیاژها کاربرد گسترده‌ای در ساخت خودرو یافته‌اند و ترکیبی ویژه از استحکام و قابلیت تغییر شکل را ارائه می‌دهند. میزان استحکام کششی آن‌ها در بازه‌ای بین 450 تا 1200 مگاپاسکال قرار دارد. به باور بسیاری، این فولادها پرکاربردترین نوع در صنعت خودروسازی محسوب شده و پیش‌بینی می‌شود که استفاده از آن‌ها و تاثیرات قیمتی‌شان بر بازار آهن‌آلات برای مدت طولانی در این صنعت ادامه یابد.
ویژگی های فیزیکی
فولادهای دوفازی به دلیل ساختار میکروسکوپی ویژه خود، ویژگی‌های بی‌نظیری را ارائه می‌دهند. از جمله مهمترین این خصوصیات می‌توان به نسبت بالای استحکام به وزن، رفتار تسلیم تدریجی، نرخ کارسختی قابل توجه در کرنش‌های اولیه، نسبت پایین استحکام تسلیم به استحکام نهایی، قابلیت تغییر شکل مناسب، مقاومت در برابر خستگی، جوشکاری آسان و عدم بروز پدیده پیرشدگی در دمای اتاق اشاره کرد.
این مقاله را حتما بخوانید: فولاد کم آلیاژ چیست؟ اطلاعات جامع و کاربردی
ویژگی های شیمیایی
ساختار میکروسکوپی فولادهای دوفازی تحت تأثیر دما و زمان در محدوده دمایی بین بحرانی شکل می‌گیرد. از این رو، ترکیب شیمیایی این فولادها در تعیین دماهای بحرانی مطلوب، سرعت سرد کردن بحرانی، قابلیت سخت شوندگی، استحاله مارتنزیت ویژگی‌های مکانیکی و موارد دیگر، اهمیت ویژه‌ای دارد. کربن و منگنز از عناصر اصلی در ساختار شیمیایی فولادهای دوفازی محسوب می‌شوند. افزودن عناصر میکروآلیاژی با ایجاد کاربیدهای مقاوم در برابر حرارت، از رشد دانه‌ها در دماهای بالا جلوگیری می‌کند. کوچک شدن اندازه دانه‌ها در فولادهای دوفازی منجر به بهبود نرخ کارسختی و در نتیجه افزایش طول نسبی می‌شود.
مزایای فولاد دوفازی
ویژگی های این محصولات شامل موارد زیر می شوند:
- انتقال همزمان مایع و گاز: یکی از قابلیت‌های برجسته لوله‌های موسوم به دوفازی، امکان جابه‌جایی همزمان مواد در دو حالت فیزیکی مایع و گاز است. این خصوصیت، کارایی این نوع لوله‌ها را در شرایطی که انتقال همزمان دو فاز متفاوت سیال مورد نیاز باشد، به طرز چشمگیری افزایش می‌دهد.
- به کارگیری در وضعیت‌های مختلف: سازه‌های لوله‌ای با نام دوفازی، در محیط‌هایی با نوسانات دمایی و فشاری، کارایی قابل توجهی ارائه می‌دهند. این ویژگی، آن‌ها را به یک انتخاب ایده‌آل برای بخش‌های صنعتی نظیر نفت و گاز، تاسیسات تولید انرژی و سامانه‌های انتقال گرما تبدیل می‌سازد.
- بهبود بازدهی تبادل حرارتی: درون لوله‌های دوفازی، الگوهای جریانی حباب‌دار و حلقوی منجر به بهبود نرخ انتقال گرما می‌گردند. این خصوصیت، کارایی قابل توجهی در سامانه‌های تبادل حرارتی ایجاد می‌کند.
- کاهش هزینه‌ها: غالباً در ساخت لوله‌های دوفازی از مواد غیرآهنی نظیر پلیمرها استفاده می‌شود. این امر موجب پایین آمدن مخارج تولید در مقایسه با لوله‌های فلزی می‌گردد.
- دوام در برابر زنگ‌زدگی: در ساختار لوله‌های موسوم به دوفازی، اغلب از موادی پلیمری بهره گرفته می‌شود که از پایداری مناسبی در برابر فرسایش و اکسیداسیون برخوردارند.
- وزن سبک: این محصولات از مواد سبکی تولید می شوند، در نتیجه وزن پایین تری دارند.
- نصب و نگهداری آسان: نصب این قطعات به آسانی صورت می گیرد.
معایب فولاد دوفازی
در کنار مزایا، این قطعات دارای مشکلاتی هم هستند که عبارت اند از:
- کاهش ظرفیت تبادل حرارتی: به سبب مساحت اندک موجود برای تبادل انرژی حرارتی میان دو سیال، لوله‌هایی با ساختار دوفازی ممکن است در فرآیند انتقال حرارت دچار کاستی‌هایی شوند.
- نوع جریان: الگوی حرکت سیالات در لوله‌های دوفازی منحصر به دو حالت موازی و غیرموازی بوده و امکان بهره‌گیری از جریان‌های متقاطع در آن‌ها وجود ندارد.
- امکان نشت در نقاط اتصال: افزایش شمار لوله‌هایی که به صورت موازی قرار گرفته و از طریق بست‌های فلنجی به هم متصل می‌شوند، ریسک بروز نشتی در نقاط اتصال را بالا می‌برد.
کاربردهای فولاد دوفازی
لوله‌هایی با ساختار دوفازی در گستره وسیعی از زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه، به تعدادی به بیان تعدادی از این کاربردها خواهیم پرداخت:
- صنایع نفت و گاز
در جابه‌جایی موادی مانند نفت خام، گاز استخراج شده از زمین و آب‌های آلوده که به صورت جریان دوفازی هستند، از لوله‌های موسوم به دوفازی بهره می‌گیرند. این لوله‌ها به علت توانایی انتقال همزمان مواد در حالت مایع و گاز، در محیط‌هایی که دما و فشار دچار نوسان است، کارایی بالایی دارند.
- صنایع حرارتی و تبادل حرارت
لوله‌هایی با ساختار دوفازی در دستگاه‌های تبادل حرارتی همچون مبدل‌های حرارتی و کندانسورها به کار گرفته می‌شوند. این لوله‌ها به واسطه افزایش کارایی انتقال حرارت در جریان‌های دوفازی، عملکردی مطلوب از خود نشان می‌دهند.
- نیروگاه ها
در واحدهای تولید برق حرارتی و هسته‌ای، از لوله‌های دوفازی به منظور جابه‌جایی بخار و آب استفاده می‌شود. این نوع لوله‌ها به دلیل قابلیت انتقال همزمان فاز گازی و مایع در شرایط گوناگون، نقش بسیار مهمی در این صنعت ایفا می‌کنند.
- صنایع شیمیایی و پتروشیمی
در فرآوری تولیدات شیمیایی و صنایع پتروشیمی، لوله‌های دوفازی به منظور انتقال مواد متنوع به کار گرفته می‌شوند. این لوله‌ها به واسطه قابلیت جابه‌جایی مایعات با مشخصات گوناگون، عملکردی بسیار مؤثر دارند.
- صنایع غذایی
در فرآیندهای تولید خوراکی‌هایی نظیر فرآورده‌های شیری، عصاره میوه‌ها و انواع نوشیدنی، از لوله‌های دوفازی جهت جابه‌جایی مواد اولیه و محصولات استفاده می‌شود. این لوله‌ها به دلیل امکان انتقال سیالات با ویژگی‌های گوناگون، در این شاخه از صنایع، نقش بسزایی ایفا می‌کنند و از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند.
- صنعت خودروسازی
فولاد دو فازی به دلیل ترکیب منحصربه‌فرد استحکام بالا و شکل‌پذیری خوب، نقش فزاینده‌ای در صنعت خودروسازی ایفا می‌کند. این فولاد امکان تولید قطعات سبک‌تر با حفظ ایمنی و مقاومت در برابر ضربه را فراهم می‌آورد، که به کاهش مصرف سوخت و آلایندگی کمک می‌کند.
فرآیند تولید فولاد دوفازی
فرآیند خلق فولادهای دوفازی، یک رویکرد مهندسی متالوژیکی ظریف است که به منظور دستیابی منحصربه‌فردی از استحکام بالا و قابلیت شکل‌پذیری ممتاز، طراحی و اجرا می‌گردد. این فرآیند، مستلزم اعمال یک سیکل حرارتی دقیق بر روی یک ترکیب شیمیایی بهینه شده از فولاد پایه است. مراحل کلیدی این فرآیند به شرح زیر است:
۱- حرارت دهی شمش یا اسلب فولادی
در ابتدا قطعه خام فولادی، خواه به شکل شمش یکپارچه و خواه به صورت اسلب مسطح، تحت یک جهش حرارتی کنترل‌شده قرار می‌گیرد. هدف از این گرما‌دهی دقیق، دستیابی به دمایی یکنواخت در سرتاسر ساختار فلز است، تا زمینه برای دگرگونی‌های فازی آتی به نحو مطلوب فراهم آید. این مرحله، فعال‌سازی انرژی درونی برای تحولات ساختاری پیش رو محسوب می‌گردد.
۲- نورد شمش یا اسلب
پس از دستیابی به حرارت مطلوب، قطعه فولادی از میان غلتک‌های نیرومند عبور داده می‌شود. این فرآیند نورد، نه تنها ابعاد و شکل نهایی قطعه را تعیین می‌کند، بلکه با اعمال تغییر شکل پلاستیک، ساختار دانه‌بندی فلز را نیز دستخوش تحول می‌سازد. این کنش مکانیکی در دمای بالا، آرایش اولیه‌ی دانه‌ها را به ساختاری ظریف‌تر و همگن‌تر سوق می‌دهد.
۳- وقف نورد
در یک نقطه استراتژیک از فرآیند نورد، عملیات شکل‌دهی متوقف می‌گردد. این مکث برنامه‌ریزی‌شده، فرصتی مغتنم برای وقوع تحولات فازی اولیه در ساختار آن ایجاد می‌کند.
۴-خنک سازی اولیه
پس از توقف نورد، قطعه فولادی تحت یک فرآیند کاهش دما با آهنگ کنترل‌شده قرار می‌گیرد. این خنک‌سازی اولیه، از سرعت بسیار بالا اجتناب کرده و امکان رشد نسبی فاز فریت را فراهم می‌آورد. هدف، ایجاد یک زمینه فریتی غنی است که در مراحل بعدی، فاز سخت مارتنزیت در آن توزیع گردد. این مرحله، بسترسازی برای دستیابی به تعادل مطلوب خواص است.
۵- خنک سازی نهایی
در واپسین گام خنک‌سازی، آهنگ کاهش دما به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. این سرد کردن سریع، مانع از تبدیل ماده به ساختارهای نرم‌تر نظیر پرلیت می شود و آن را به فاز سخت و مستحکم مارتنزیت تبدیل می‌نماید. توزیع ظریف و یکنواخت این فاز سخت در زمینه فریتی، مشخصه بارز فولادهای دوفازی بوده و عامل اصلی در کسب آن خواص مکانیکی ممتاز است. این مرحله، تثبیت نهایی ساختار دوفازی با آرایشی ویژه از نرمی و سختی را رقم می‌زند.
مهمترین تولیدکننده فولاد دوفازی
در عرصه تولید فولادهای با استحکام بالا، شماری از واحدهای صنعتی پیشگام در سطح بین‌المللی به تولید فولادهای دوفازی مبادرت می‌ورزند. این کارخانجات، با بهره‌گیری از فناوری‌های نوین متالورژیکی و تجهیزات پیشرفته، قادر به خلق آلیاژهایی با ریزساختار منحصربه‌فرد و خواص مکانیکی ممتاز هستند. از جمله این بازیگران کلیدی می‌توان به شرکت‌های بزرگ فولادسازی در اروپا، آسیا و آمریکای شمالی اشاره کرد که با تمرکز بر نوآوری و پاسخگویی به نیازهای صنایع مختلف، به ویژه خودروسازی، نقش محوری ایفا می‌کنند.
این مراکز صنعتی، با انجام تحقیقات گسترده و توسعه فرآیندهای تولید بهینه، به طور مستمر در ارتقای کیفیت و تنوع این دسته از فولادها می‌کوشند. یکی از مهمترین این شرکت ها کارخانه فولاد مبارکه است. این شرکت به عنوان بزرگترین تولیدکننده فولاد در ایران شناخته می‌شود و در زمینه تولید ورق‌های فولادی فعالیت دارد. در برخی منابع به تولید ورق‌های گرم دوفازی مورد نیاز صنعت خودروسازی در مجتمع فولاد سبا (زیرمجموعه فولاد مبارکه) برای اولین بار در کشور اشاره شده است.
انواع گریدها فولاد دوفازی
تنوع در میزان استحکام مورد نیاز برای کاربردهای گوناگون، منجر به توسعه گریدهای مختلفی از فولادهای دوفازی شده است که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. در ادامه، به بررسی مشخصات و کاربردهای رایج‌ترین گریدهای فولاد دوفازی خواهیم پرداخت:
- فولاد DP500
این گرید از فولاد دوفازی، با حداقل استحکام کششی 500 مگاپاسکال، تعادل بسیار خوبی بین استحکام و قابلیت شکل‌دهی ارائه می‌دهد. از این رو، DP500 به طور گسترده در قطعاتی که نیاز به شکل‌دهی پیچیده و در عین حال مقاومت متوسطی دارند، نظیر پانل‌های بدنه خودرو، قطعات ساختاری با پیچیدگی کم و برخی از اجزای شاسی، مورد استفاده قرار می‌گیرد. انعطاف‌پذیری بالای آن، امکان تولید اشکال متنوع با فرآیندهای معمول شکل‌دهی فلزات را تسهیل می‌بخشد.
- فولاد DP600
با افزایش استحکام کششی به حداقل 600 مگاپاسکال، فولاد DP600 نسبت به گرید DP500، مقاومت بیشتری را ارائه می‌دهد، در حالی که همچنان از قابلیت شکل‌پذیری قابل قبولی برخوردار است. این گرید، کاربردهای وسیع‌تری در صنعت خودروسازی پیدا کرده و در ساخت قطعاتی مانند تقویت‌کننده‌های جانبی درب‌ها، اعضای ساختاری بدنه با استحکام بالاتر و برخی از اجزای سیستم تعلیق که نیازمند مقاومت و توانایی جذب انرژی بیشتری هستند، به کار می‌رود.
- فولاد DP800
این گرید، با حداقل استحکام کششی 800 مگاپاسکال، در دسته فولادهای با استحکام بالا قرار می‌گیرد. DP800، ضمن ارائه مقاومت قابل توجه در برابر ضربه و تغییر شکل دائمی، همچنان از قابلیت شکل‌دهی محدودتری نسبت به گریدهای پایین‌تر برخوردار است. کاربردهای اصلی آن در قطعاتی است که نیازمند تحمل بارهای سنگین و افزایش ایمنی هستند، مانند اجزای سیستم‌های ضد تصادف خودرو، ستون‌های B و برخی از قطعات شاسی با استحکام بالا.
- فولاد DP1000
به عنوان یکی از گریدهای با بالاترین استحکام در خانواده فولادهای دوفازی رایج، DP1000 حداقل استحکام کششی 1000 مگاپاسکال را داراست. این گرید، مقاومت بسیار بالایی در برابر نیروها و ضربات ارائه می‌دهد، اما در مقابل، قابلیت شکل‌دهی آن به مراتب محدودتر از گریدهای پایین‌تر است. کاربردهای DP1000 عمدتاً در قطعات ایمنی بحرانی خودرو نظیر اجزای سیستم‌های محافظت از سرنشین در تصادفات و تقویت‌کننده‌های ساختاری با حداکثر استحکام مورد نیاز، محدود می‌شود. استفاده از این گرید نیازمند تکنیک‌های شکل‌دهی پیشرفته و ملاحظات طراحی دقیق‌تری است.
جمع بندی
فولاد دو فازی، آلیاژی هوشمند با ساختار میکروسکوپی منحصربه‌فرد از فریت نرم و مارتنزیت سخت است. این ترکیب ویژه، تعادلی جذاب بین استحکام بالا و شکل‌پذیری عالی ایجاد می‌کند. رفتار تغییر شکل این فولاد با تسلیم پیوسته و نرخ کارسختی اولیه بالا مشخص می‌شود که آن را برای کاربردهای نیازمند به جذب انرژی و تغییر شکل‌های پیچیده، مانند قطعات خودرو، ایده‌آل می‌سازد. این خواص ممتاز، فولاد دو فازی را به گزینه‌ای نوآورانه در مهندسی مواد تبدیل کرده است.
