فولاد‌هاي دو فازي

[soheiiil 24251]

فولاد‌هاي دو فازي

 

 

الف) کليات

 

شرکت‌هاي خودروسازي دائما به دنبال راه‌هايي براي بهبود کارايي سوخت وسائل نقليه خود و ساخت خودروهايي از مواد اوليه‌اي هستند که ايمني سرنشينان را حفظ كند.

 

هرگونه موادي که جهت استفاده در فرآيند خودروسازي استفاده مي‌شود، بايد به آساني قابليت شکل‌دهي، جوش‌پذيري، پوشش‌پذيري (به‌منظور حفاظت از خوردگي) و قابل تعمير باشد. يک گروه از چنين موادي که مي‌توانند اين انتظارات را برآورده كند، فولاد‌هاي دوفازي هستند.

 

به دليل داشتن قابليت‌هاي ذکر شده اين فولاد‌ها که داراي حداقل نيروي کششي معادل 590Mpa هستند در خودروهاي توليد شده سال‌هاي 2007و2008 ميلادي مورد توجه عمده سازندگان قرار گرفته‌اند. با استفاده از فولاد‌هاي دوفازي با نيروي کششي

Mpa 590 در بدنه خودروها، شرکت‌هاي خودروسازي دريافتند که اين مواد بدون آنکه نيروي کششي خود را از دست بدهند داراي خاصيت شکل‌پذيري بسيار عالي هستند.

 

با ترکيب دو خاصيت فرم‌پذيري و کشش‌پذيري بالاي اين فولادها مي‌توان از فولاد‌هاي بسيار نازک در بدنه خودروها استفاده کرد و بنابراين مي‌توان شرايط اقتصادي بهبود يافته‌اي را براي خودروها از نظر ميزان مصرف سوخت فراهم كرد.

 

به واسطه خاصيت ضربه‌پذيري فوق‌العاده اين فولاد‌ها ايمني سرنشينان نيز ارتقا يافته است، بنابراين جاي بس شگفتي نيست که چرا اين مواد به‌طور عمده در خودروهاي توليد شده سال‌هاي 2007 و 2008 مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

 

اين فولاد‌ها جزو فولاد‌هاي با کشش‌پذيري بالا(AHSS) Advanced High Strength Steel محسوب مي‌شوند که سبب متمايز ساختن آنها از فولاد‌هاي کشش عادي (HSS) High Strength Steel شده است.

 

فولاد‌هاي نوع HSS شامل فولادهاي کم کربن با نيروي کششي بالا و فولادهاي کربن منگنز با نيروي کششي تا 440Mpa هستند. اگرچه فولادهاي AHSS تا سال 2001 اصلا مورد استفاده قرار نمي‌گرفتند ولي به‌دليل خاصيت کشش‌پذيري بالاي آنها در حدود 10 درصد محصولات ساخت سال 2005 مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

 

فولادهاي دوفازي، داراي ترکيبي مطلوب از استحکام و انعطاف‌پذيري بوده و دليل اين امر، حضور ذرات سخت مارتنزيت در فاز انعطاف‌پذير فريتي است. افزايش استحکام عمدتا با کسر حجمي فاز سخت مارتنزيت، نوعا از 5 تا 30 درصد، کنترل مي‌شود.

 

ترکيبي از استحکام تسليم کم و استحکام نهايي بالا و در نتيجه ميزان کار سختي بالا مشخصه اين نوع فولادها است. از نظر تئوري و همچنين به‌صورت عملي، نشان داده‌ شده ‌است که ريز شدن دانه‌ها در فولاد DP باعث بهترشدن نرخ کار سختي و در نتيجه بهبود ازدياد طول کل مي‌شود. بنابراين، ترکيب بهينه‌اي از استحکام و شکل‌پذيري با توزيع يکنواخت جزاير ريز مارتنزيت در زمينه فريتي ريزدانه، قابل حصول است.

 

استحکام نهايي بالاتري در مواد درشت‌دانه بدون نيوبيم ميکروآلياژي وجود دارد. در نتيجه مواد ميکروآلياژي شده با نيوبيم مي‌توانند به استحکام بالايي حتي با مقدار مارتنزيت کمتر برسند که اين خود مزيتي در دستيابي به نسبت تسليم پايين و ازدياد طول نسبي بالاست.

 

در عمليات شکل‌دهي بسته به روش شکل‌دهي، مقدار واقعي استحکام تسليم در قطعه نهايي به‌صورت موضعي برحسب دماي واقعي تغيير مي‌کند و مقاومت خرد‌شدگي قطعه را تحت ‌تاثير قرار مي‌دهد. شکل يک ارتباط اندازه دانه و خواص مکانيکي در فولادهاي دوفازي را نشان مي‌دهد.

 

 

ب) مصرف فولاد‌هاي AHSS در حال افزايش است

 

با توجه به اهداف پيش روي شرکت‌هاي خودروساز به‌منظور ساخت خودرو‌هاي ايمن‌تر با کارايي مناسب در ميزان مصرف سوخت و روند استفاده از فولاد براي برآورده ساختن نيازهاي صريح و رو به افزايش دولت‌ها، پيش‌بيني مي‌شود که استفاده از فولادهاي AHSS در بدنه خودرو‌ها تا سال 2015 به ميزان 60 درصد رشد داشته باشد.

 

اگرچه تکنولوژي فولادهاي دو فازي جديد نيست و اين فولاد‌ها با کشش‌پذيري 590Mpa از سال 1979 وجود داشته‌اند ولي استفاده از آنها در مصارف خودروسازي قبل از سال 2000 واقعا وجود نداشته است.

 

روند رو به رشد تقاضاها به منظور نيل و دستيابي به الزامات استانداردهاي(CAFE) Corporate Average Fuel Economy و همچنين نيازهاي مقاوم‌سازي سقف و بدنه خودرو براي محافظت از سرنشينان در موقعيت‌هاي واژگون شدن خودرو، شرکت‌هاي خودروسازي را بر آن داشته تا براي دستيابي به اين استانداردها به فولاد‌هاي دوفازي نگاهي نو و ويژه داشته باشند.

 

با توسعه و تجاري شدن فولاد‌هاي دوفازي با حداقل نيروهاي کششي 780Mpa و 980Mpa، بسياري از شرکت‌هاي خودروسازي هدف خود را بر استفاده از اين دو درجه از فولاد در مدل‌هايي که قرار است در سال‌هاي آتي توليد کنند، قرار داده‌اند.

 

 

ج) مشخصات فولادهاي دوفازي

 

برخي از مشخصات اين فولاد‌ها که آنها را در کاربردهاي خودروسازي مورد توجه قرار داده است به شرح ذيل هستند:

 

1) استحکام بالاي اين فولادها از طريق يک انتقال فازي از فاز آستنيت به فاز مارتزيت نشأت مي‌گيرد.

 

2) بسته به سطح استحکام اين فولادها به ميزان 10 تا 40 درصد ساختار مارتزيت در دياگرام آهن ـ فولاد خود دارا هستند.

 

3) براي دستيابي به استحکام بالاتر، ساختار مارتنزيتي بيشتري در فولاد نياز است. بنابر اين هرچه استحکام فولاد بالا رود مقدار ساختار مارتزيتي در اين فولادها افزايش مي‌يابد.

 

4) در مقايسه با فولاد‌هاي متعارف (HSS)، فولاد‌هاي دو فازي داراي استحكام و كشش بالاتري هستند.

 

5) فولاد‌هاي دو فازي داراي سختي بالايي هستند كه نشانگر فرم‌پذيري مناسب آنها است.

 

6) فولادي دو فازي داراي نسبت كشش پلاستيكي پاييني هستند(rm). اين نسبت عبارت است از كشش عرضي ورق به كشش ضخامتي آن. Rm پايين بيانگر خاصيت ضعيف كشش‌پذيري عميق است و اين به آن معني است كه اين فولاد‌ها انتخاب مناسبي براي مواردي كه نياز به كشش‌پذيري عميق هستند، نمي‌باشند.

 

7) اين فولاد‌ها از طريق فرآيند آنيلينگ (bake harden able) سخت مي‌شوند (در درجه حرارت‌هاي مختلف استحكام آنها افزايش پيدا مي‌كند). اين عمل سبب افزايش استحكام فولاد پس از اتمام فرآيند جوشكاري بدنه، رنگ‌آميزي و پخت آن مي‌شود. جدول يک خواص کششي فولادهاي دوفازي و فولادهايDQSK (Draw Quality Special Killed) جهت مقايسه آورده شده است.

د) مسائل جوش نقطه‌اي و اتصال

 

نقطه جوش مقاومتي روش اصلي اتصال اجزا در صنعت خودروسازي است و اين در حالي است كه هر خودرو داراي هزاران نقطه جوش است. براي آنكه بتوانيم از فولادهاي دو فازي به بهترين نحو استفاده کنيم، درک و تشخيص رفتار اين فولادها در حالت نقطه جوش بسيار حائز اهميت است.

 

براي کاربردهاي خودروسازي به منظور حفاظت از خوردگي، فولادهاي دوفازي با پوشش‌هاي آهن ـ روي (گالوانيل) و يا روي خالص (گالوانيزه) مورد مصرف قرار مي‌گيرند. پيش از اين رفتار نقطه جوش مقاومتي فولاد‌هاي دو فازي پوشش‌دار با كشش 590Mpa مورد توجه تمامي پژوهش‌ها بوده است.

 

نتيجه اين تحقيقات منجر به كاربرد فولادهاي دو فازي با اين درجه كشش در توليد خودرو شد. با وجود فولا‌دهاي 590Mpa و 980Mpa دانستن رفتار اين فولادها در مقابل فرآيند جوش مقاومتي نقطه‌اي لازم است. بنابراين مطالعات گسترده‌اي در مورد جوش نقطه‌اي مقاومتي صورت گرفته تا رفتار فولادهاي با درجه 590Mpa، 780Mpa و 980Mpa در مقابل فرآيند جوش نقطه‌اي مشخص شود.

 

با توجه به ارزيابي صورت گرفته بر روي عملكرد نقطه جوش مقاومتي3 درجه از فولادهاي دو فازي (Mpa 590، 780 و 980) نتايج ذيل به دست آمد:

 

1) جوش‌ها بدون هيچ‌گونه عيب و نقصي در هر 3 درجه از فولادهاي دو فازي كه مورد مطالعه قرار گرفته‌اند ايجاد شدند كه اين نتيجه‌گيري و پيشنهاد را به ما ارائه مي‌‌كنند كه فولادهاي دو فازي خاصيت جوش‌پذيري بسيار مناسبي دارند و اين خاصيت كه با عناصر مشابه جوشكاري شوند را دارا هستند.

 

2) در بررسي به‌عمل آمده هر 3 درجه فولاد دو فازي محدوده جريان جوشكاري گسترده‌اي را براي دستيابي به اندازه جوش قابل قبول از خود نشان دادند.

 

3) گسيختگي (شكست) ظاهر جوش نبايد عاملي براي قضاوت كردن كيفيت نامناسب جوش فولادهاي دو فازي محسوب شود.

 

لازم به ذكر است كه مواد مورد آزمايش در اين تحقيق تنها اطلاعات كلي را در بر مي‌گيرند. هرگونه استفاده از اين‌گونه مواد به شرايط و نوع كاربرد اين فولادها بستگي دارد كه بايد بسته به شرايط كاري آنها مورد آزمايشات دقيق به منظور مناسب بودن شرايط كاري آنها توسط افراد واجد صلاحيت صورت گيرد.