متالوگرافی فولاد چیست؟ در پاسخ به این سوال باید گفت متالوگرافی، علم مطالعه ساختار فیزیکی و اجزای فلزات (ریزساختار فلز) است که معمولا با استفاده از میکروسکوپ انجام می‌شود. آزمایش متالوگرافی به مهندسان متالورژی در تعیین فازهای تعادلی و غیرتعادلی، تعیین روش تولید و عملیات انجام‌شده روی قطعه و تعیین موارد کمی مثل اندازه دانه‌ها یا تعداد آخال‌های موجود در آلیاژ کمک می‌کند. در این روش، سطح فلز ابتدا با روش‌هایی مثل آسیاب، سنبادهزنی، پولیش و اچ کردن، پرداخت و آمادهسازی می‌شود. سطح فلز بعد از این مراحل، زیر میکروسکوپ نوری یا الکترونی قرار داده شده و آنالیز می‌شود.
یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های فرآورده‌های آهنی که امکان دستیابی به طیف خواص را فراهم می‌کند، غلظت کربن موجود است. فولادهای معمولی، آلیاژهای آهن-کربن هستند که فولاد نامیده می‌شوند. این آلیاژها به قدری مهم هستند که بیش از ۹۸درصد از کل آلیاژهای آهن تولید شده را تشکیل می‌دهد. در این مطلب قصد داریم به معرفی ساختار متالوگرافی فولاد بپردازیم.
اگر شما صنعت‌گر هستید و یا به دنبال سفارش قطعات فولادی با کیفیت از یک کارگاه مدرن و مجهز هستید؛ پیشنهاد می‌کنیم همین الآن به صفحه قیمت ریخته گری فولاد مراجعه کنید. در صفحه فوق به طور مفصل راجع‌به قیمت ریخته گری فولاد و خدمات ریخته گری و شرایط سفارش آن به مجموعه متالکست را توضیح داده‌ایم.
ساختارهای مختلف فولادها از لحاظ متالوگرافی
ساختار درونی یک ماده (ٰریزساختار) تمام خواص فیزیکی و شیمیایی آن را تعیین می‌کند. فولاد ضد زنگ از لحاظ ساختار با سایر انواع فولاد متفاوت است؛ زیرا حاوی نیکل، کروم و سایر عناصر آلیاژی است. این تفاوت کلیدی باعث می‌شود فولاد ضد زنگ مقاومت زیادی در برابر خوردگی از خود نشان دهد.
فولاد به دلیل برخورداری از خواص مکانیکی عالی و در عین حال پایین‌بودن قیمت آن، در کاربردهای صنعتی همچنان یکی از مهم‌ترین و پرمصرف‌ترین فلزات به شمار می‌رود. خواص مکانیکی فولاد عمدتاً توسط ریزساختار آن تعیین می‌شود، به‌طوری که عملکرد مواد به‌شدت به توزیع، شکل و اندازه فازها در ریزساختار بستگی دارد. بسته به نحوه ریخته گری فولاد، ریزساختار آن ممکن است از اجزای مختلفی مانند فریت، سمنتیت، آستنیت، پرلیت و مارتنزیت تشکیل شده باشد. (در مقاله ریخته گری فولاد درباره روش‌های مختلف ریخته‌گری فولاد و نکات مهم مربوط به آن صحبت کرده‌ایم؛ پیشنهاد می‌کنیم آن مقاله را نیز مطالعه کنید.)
در ادامه از دیدگاه متالوگرافی به بررسی فولاد می‌پردازیم و هر یک از این ریزساختارها را توضیح می‌دهیم.
فریت؛ یکی از ساختارهای متالوگرافی فولادها
فریت، ریزساختار تشکیل‌دهنده فولادهای فریتی است. این ساختار که آهن آلفا (α-Fe) نیز نامیده می‌شود، محلولی جامد با آهن به عنوان ترکیب اصلی با ساختار کریستالی مکعبی بدنه است. فولاد فریتی از کمتر از ۰/۱۰ درصد کربن تشکیل شده و حاوی بیش از ۱۲درصد کروم است.
این ساختار از دو لحاظ با دیگر اشکال فولاد ضد زنگ تفاوت دارد: ساختار دانه مولکولی و ترکیب شیمیایی آن. فولاد ضد زنگ فریتی در واقع به عنوان یک کلاس از آلیاژهای ضد زنگ کروم تعریف می‌شود که غیرقابل سخت شدن است. محتوای کروم فولاد فریتی در محدوده ۱۰/۵ درصد تا ۳۰درصد و محتوای کربن کمتر از ۰/۲۰درصد است. فولادهای فریتی با عملیات حرارتی سخت نمی‌شوند و روش سخت کردن آنها، فقط نورد سرد است. گریدهای ضد زنگ فریت عبارتند از:
- فولاد ضد زنگ ۴۰۹
- فولاد ضد زنگ ۴۳۰
- فولاد ضد زنگ ۴۳۰LI
- فولاد ضد زنگ ۴۳۴
- فولاد ضد زنگ ۴۳۹
- فولاد ضد زنگ ۴۴۲
- فولاد ضد زنگ ۴۴۴
- فولاد ضد زنگ ۴۴۶
سمنتیت؛ یکی دیگر از ساختارهای مهم فولادها
در بیشتر آلیاژهای آهن-کربن، کربن به صورت کاربید آهن یا Fe۳C وجود دارد و سمنتیت نام دارد که با نام کاربید آهن نیز شناخته می‌شود. از آنجایی که محتوای کربن سمنتیت تنها ۶/۶۹ درصد است، یک تغییر کوچک در محتوای کربن آهن باعث تغییر زیادی در غلظت سمنتیت موجود در آهن می‌شود. سمنتیت در آهن مذاب محلول است که این مساله یکی از دلایل انباشته‌شدن کربن در محصول فرآیند کوره بلند برای احیای سنگ آهن است.
البته این نکته یک مزیت به شمار می‌رود؛ زیرا نقطه ذوب مخلوط آهن و سمنتیت به حدود ۱۱۰۰درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد و اجازه انباشته‌شدن محصول در پایه کوره را در دماهای بسیار کمتر از ۱۵۳۵ درجه سانتیگراد می‌دهد. سمنتیت دارای ساختار کریستالی متعامد است. این ماده سخت و شکننده است و معمولا به صورت خالص به عنوان سرامیک طبقه‌بندی می‌شود و جزء مهم و فراوانی در متالورژی آهنی به شمار می‌آید.
آستنیت؛ ساختاری از فولاد با مقاومت پایین
آستنیت یکی از ساختارهای متالوگرافی فولاد با ساختار کریستالی مکعبی (FCC) است. این فاز در سیستم Fe-C بالاتر از دمای یوتکتوئید ۷۲۳ درجه سانتیگراد پدید می‌آید. منظور از دمای یوتکتوئید، حداقل دمایی است که در آن یک ماده به عنوان یک فاز محلول جامد منفرد وجود دارد و عناصر آلیاژی در فاز ماتریس کاملا محلول هستند.
عناصر آلیاژی موجود در آستنیت، بسته به اندازه اتمی و عدد ظرفیت، در مکان‌های بینابینی یا جانشینی در ساختار بلوری FCC آهن قرار دارند. در صورتی که آستنیت در دمای زیر ۷۲۳ درجه سانتیگراد سرد شود و هنگامی که در طول خنک شدن آهسته تحت یک تبدیل آلوتروپیک به فریت و سمنتیت (α-Fe + Fe۳C) قرار می‌گیرد، ناپایدار می‌شود. با این حال، افزودن برخی عناصر آلیاژی مانند نیکل و منگنز، می‌تواند فاز آستنیت را در دمای اتاق تثبیت کند. از سوی دیگر، عناصری مانند سیلیکون، مولیبدن و کروم می‌توانند آستنیت را ناپایدار کنند و دمای یوتکتوئید را افزایش دهند.
آستنیت با مرز دوقلو معمولی مشخص می‌شود که این مساله را می‌توان در میکروسکوپ نور بازتابی مشاهده کرد. امکان جاسازی ترکیب آلیاژ در ماتریس آستنیتی وجود دارد. از میان خواص مکانیکی آستنیت می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- مقاومت پایین
- هدایت حرارتی پایین (هر چند ضریب انبساط حرارتی آن نسبتا بالاست.)
با شکل‌دهی سرد می‌توان به استحکام آستنیت را افزایش داد. با این حال، این کار منجر به ماشینکاری ضعیف فولادهای آستنیتی می‌شود.
در دمای ۱۶۷۰ درجه فارنهایت، فاز آستنیت به فریت باز می‌گردد که فرم آن در دمای اتاق پایدار است. فریتی که در دمای بالاتر تشکیل می‌شود ساختار یکسانی با فریت معمولی دارد، اما به آن فریت دلتا گفته می‌شود. گفتنی است فریت تشکیل‌شده در دمای پایین‌تر، فریت آلفا نامیده می‌شود.
پرلیت؛ ساختار رایج فولاد
ساختار پرلیت در فولاد ضد زنگ، مخلوطی از فریت و سمنتیت است که در فولادهای کربنی که به آرامی خنک می‌شوند، لایه‌ها یا نوارهای مجزایی را تشکیل می‌دهد. پرلیت در اصل یک ریزساختار مرکب متشکل از لایه‌های سمنتیت (که سخت و شکننده هستند) است که بین لایه‌های فریت (که نرم و انعطاف‌پذیر هستند) قرار گرفته است. پرلیت یکی از ساختارهای فولاد ضد زنگ است که نزدیک به ۸۸درصد فریت و ۱۲درصد سمنتیت دارد. این ساختار به سختی معروف است و کاربردهای مختلفی دارد، از جمله:
- ساخت ابزار برش
- تولید سیم‌های با مقاومت بالا
- ساخت چاقو
- ساخت میخ
پرلیت یک ساختار لایه‌ای دو فازی (لایه‌ای یا صفحه مانند) متشکل از لایه‌های متناوب فریت آلفا و سمنتیت است که در برخی از فولادها و چدن‌ها وجود دارد. لازم به ذکر است که پرلیت فقط تحت شرایط ویژه‌ای تشکیل می‌شود.
پرلیت، ریزساختار رایجی است که در بسیاری از انواع فولادها وجود دارد. این نوع از فولاد، به دلیل ساختار لایه‌ای خود، سخت و مستحکم است و در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. پرلیت به دلیل داشتن یک شبکه لایه‌ای قوی از فریت و سمنتیت، در برابر سایش مقاوم است.
پرلیت از فولاد آهنی خالص قوی‌تر و سبک‌تر است. از این ساختار معمولا برای تولید سیم استفاده می‌شود و کابل‌های پرلیت نقش مهمی در ساخت برخی از پل‌ها بازی می‌کنند. همچنین از پرلیت به عنوان یک ماده عایق در فناوری تبرید نیز استفاده می‌شود.
مارتنزیت؛ سخت‌ترین ساختار در متالوگرافی فولادها
مارتنزیت سخت‌ترین شکل در ساختار کریستالی فولاد به شمار می‌رود. به دلیل ترکیب شیمیایی فولاد، عملیات حرارتی و پیری می‌تواند منجر به سخت شدن و تقویت فولاد مارتنزیتی شود. این عملیات، فولاد مارتنزیتی را به گزینه‌ای ایده‌آل برای ساخت شیرها و ابزارهای مکانیکی، قطعات توربین، ابزار پزشکی و سایر کاربردها و سایر محصولات سخت‌کار تبدیل می‌کند.
معمولا کروم ۱۱/۵ تا ۱۸ درصد از ترکیب فولاد مارتنزیتی را تشکیل می‌دهد. همچنین این نوع فولاد ۱/۲ درصد کربن و نیکل در خود دارد. میزان نیکل کمتر باعث افزایش مقاومت فولاد مارتنزیتی در برابر خوردگی می‌شود. منگنز، نیکل و مولیبدن نیز از دیگر عناصر آلیاژی موجود در فولاد مارتنزیتی هستند. فولاد ضد زنگ مارتنزیتی به دلیل دوام، استحکام و مقاومت در برابر خوردگی، انتخاب خوبی برای کاربردهای مختلف به شمار می‌رود.
مراحل انجام آزمایش متالوگرافی
برای آزمایش متالوگرافی فولاد، مراحل زیر دنبال می‌شود:
برش و آمادهسازی نمونه
در اولین مرحله، قطعه در ابعاد مناسب برای قرار گرفتن در دستگاه، برش زده می‌شود. روغن، براده و هر ماده دیگری باید از روی سطح نمونه پاک شود تا جریان مشاهده زیر میکروسکوپ، خللی ایجاد نشود. همچنین ناهمواری‌های اولیه آن گرفته می‌شود.
آمادهسازی نمونه: سنباده و پولیش
در این مرحله نمونه باید برای بررسی زیر میکروسکوپ آماده شود. برای این کار ابتدا نمونه تحت سنبادهزنی قرار می‌گیرد. اولین مراحل سنبادهزنی، با سنباده‌های شماره پایین و برای لایه‌برداری اولیه انجام می‌شود. در جریان سنبادهزنی، در هر مرحله از سنباده نرم‌تر و با شماره بالاتر نسبت به قبلی استفاده می‌شود. همچنین در هر مرحله، لازم است نمونه قطعه ۹۰درجه بچرخد تا خطوط سنباده قبلی کاملا محو شوند.
بعد از سنبادهزنی، قطعه شست‌وشو می‌شود و به کمک پولیش، خطوط ناشی از سنباده از بین می‌روند. پولیش باید به اندازه‌ای انجام شود که سطح نمونه، کاملا آینه‌ای و صیقلی شود. تکنیک‌های مختلف پولیش عبارتاند از:
- اکسید آلومینیوم
- الکتروپولیش
- کاربید سلیکون
اچ کردن (حکاکی)
از آن‌جا که سطح نمونه در مرحله قبل صیقلی شده است، عکس متالوگرافی فولاد در میکروسکوپ قابل مشاهده نیست. به همین دلیل در مرحله اچ کردن، نمونه وارد محلول اسیدی یا باز قلیایی ضعیفی می‌شود. این محلول، نمونه را دچار خوردگی کرده که به مشخص‌شدن بهتر دانه‌بندی‌ها کمک می‌کند. خوردگی در مرز دانه‌ها سریع‌تر رخ می‌دهد و باعث ظهور مرزها روی سطح می‌شود. بعد از این مرحله، نمونه شست‌وشو داده شده و خشک می‌شود. سپس زیر میکروسکوپ قرار می‌گیرد.
مقاله پیشنهادی: چگالی فولاد
ساختار متالوگرافی فولادها اسرار فولادهای ضد زنگ را بازگو می‌کند
همانطور که گفته شد، در متالوگرافی از میکروسکوپ برای تجزیه و تحلیل چارچوب ساختاری و عناصر فلزات استفاده می‌شود. بررسی ساختار متالوگرافی فولاد به پژوهشگران کمک می‌کند با توجه به خواص هر یک از ساختارها، فولاد ضد زنگ مناسب را برای انواع کاربردهای حیاتی مانند اتومبیل، هواپیما و ابزارها پیدا کنند. همچنین آزمایش متالوگرافی، برای کمک به ایجاد مواد جدید نیز مهم است.
متالکست اولین سامانه آنلاین پذیرش سفارشات ریخته‌گری در ایران است. ما در متالکست با بهره‌گیری از نیروهای متخصص در علم متالورژی و به‌روزترین تجهیزات، بستری مناسب برای ارائه خدمات مدلسازی، ریخته‌گری چدن، ریخته‌گری فولاد و ریخته‌گری استیل فراهم کرده‌ایم. برای کسب اطلاعات بیشتر لطفا با کارشناسان ما در متالکست تماس بگیرید.
