استحکام ورق استیل در برابر حرارت

استحکام ورق استیل در برابر حرارت

• بازدید:3720
• کامنت:0
• شنبه, 08 خرداد 1400

قیمت ورق استنلس استیل؛ واردات و عرضه انواع ورق استیل صنعتی و ورق استنلس استیل در گرید، ضخامت و ابعاد متفاوت. تلفن: 02133915222
 

مقاومت به خوردگی عمده ترین دلیل توسعه و استفاده از ورق استیل ها (فولادهای زنگ نزن) در شاخه های مختلف صنعتی است. دومین دلیل استفاده از این فولادها به خاطر خواص و ویژگی های آنها در دمای بالاست؛ به همین دلیل از این فولادها در کاربردهایی که مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا ضروری باشد و کاربردهایی که به مقاومت در دمای بالا نیاز است، استفاده می شود. کروم اصلی ترین عنصر آلیاژی در ترکیب شیمیایی انواع ورق استیل (ورق استیل) است. افزایش میزان کروم افزایش مقاومت به خوردگی در ورق استیل در محیط های مرطوب را به همراه دارد. اما علاوه بر مقاومت به خوردگی عنصر همانطورکه در شکل 1 نشان داده شده است با افزایش میزان این عنصر استحکام و مقاومت در برابر پوسته شدن (سایش) در دمای بالا نیز افزایش می یابد.

مقاومت ورق استیل در برابر پوسته شدن

همانطور که در گراف زیر نشان داده شد است، مقاومت ورق استیل در برابر اکسیداسیون یا پوسته شدن (scalling) درست مانند مقاومت در برابر خوردگی، به مقدار کروم فولاد بستگی دارد. از اکثر فولادهای زنگ نزن آستنیتی که حداقل 18% کروم دارند، می توان تا دمای 870 ;ͦC و از ورق استیل 309، 310 و گرید 2111HTR(UNS S30815) می توان در دماهای بالاتر از این دما نیز استفاده کرد. اکثر فولادهای مارتنزیتی (همچون ورق استیل 410) و فریتی (ورق استیل 430) در برابر اکسیداسیون مقاومت کمتری دارند و در دماهای پایین مفید ترند. ورق استیل 446 که در گروه استنلس استیل های فریتی قرار داشته و 24% کروم دارد از این قاعده مستثناست و تا دمای C֯ 1100 نیز در برابر پوسته شدن مقاوم است.

شکل 1. تاثیر مقدار کروم بر مقاومت در برابر پوسته شدن

در جدول 1  حداکثر دمای عملیاتی که انواع ورق استیل می توانند در برابر اکسیداسیون در هوای خشک مقاومت کنند، نشان داده شده است. بخاطر داشته باشید که این دماها به شرایط واقعی محیط عملیات بستگی دارند و در برخی موارد حتی در دماهایی بسیار پایین تر از موارد گزارش شده نیز پوسته شدن در حد بسیار مخربی رخ می دهد.
جدول 1. حداکثر دمای عملیاتی انواع ورق استیل در هوای خشک، مبتنی بر مقاومت در برابر پوسته شدن (مرجع: کتاب ASM Metals Handbook)

بررسی رفتار خزشی ورق استیل

استحکام مواد در دمای بالا به صورت استحکام خزشی (creep strength) بیان می شوداستحکام خزشی یعنی توانایی مواد برای مقاومت در برابر تغییر شکل زمانی که به مدت طولانی در معرض حرارت بالا قرار بگیرند. ورق استیل آستنیتی مقاومت خزشی بسیار خوبی دارند.
در قوانین طراحی مانند استانداردهای AS1210 (Australian Standard) برای مخازن تحت فشار و AS4041 برای لوله های تحت فشار در استرالیا (و همچنین قوانین مشابه در انجمن مهندسان آمریکا و سایر ارگان ها) مقدار تنش کاری مجاز برای هر یک از گریدها در محدوده های دمایی مختلف، مشخص شده است. استحکام استنلس استیل های آستنیتی کم کربن (ورق استیل 304L و 316L) در دمای بالا کاهش می یابد و به همین دلیل برای ورق استیل 304H) کربن بیشتری دارند و در نتیجه استحکام خزشی آنها نیز به طرز چشمگیری بیشتر است. از گریدهای برای برخی کاربردها در دمای بالا استفاده می شود.
استنلس استیل های داپلکس علی رغم اینکه به علت دارا بودن مقدار کروم بالا، مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون دارند اما در صورتی که در معرض دمای بیش از 350 ;ͦC قرار بگیرند شکننده می شوند و به همین دلیل از آنها فقط در کاربردهای کمتر از 350 ;ͦC استفاده می شود.
فولادهای زنگ نزن رسوب سختی و مارتنزیتی به علت عملیات های حرارتی که روی آنها صورت گرفته، استحکام بالایی دارند؛ اما اگر این گریدها در معرض دمایی بیش از دمای عملیات حرارتی که روی آنها انجام شده قرار بگیرند برای همیشه نرم می شوند و در نتیجه از این گریدها به ندرت در دماهای بالا استفاده می شود.

پایداری ساختاری

مشکل رسوب زایی کاربیدها همیشه همراه با خوردگی بین دانه ای مطرح می شود. این پدیده هنگامی که ورق استیل در محدوده دمایی 425 الی 815C֯ قرار می گیرد نیز رخ می دهد که منجر به کاهش مقاومت آن در برابر خوردگی می شود و ممکن این است کاهش بسیار زیاد باشد. برای حل این مشکل می توان از گریدهای پایدارشده مانند ورق استیل 321 یا گریدهای کم کربن (گریدهای L) استفاده کرد. به عنوان مثال ورق استیل 304L در مقایسه با گریدهای 304 و 304H کمتر در معرض رسوی زایی کاربیدها و خوردگی بین دانه ای قرار دارند. ورق استیل 321 ترکیبی نزدیک به استیل 304 دارد. اما تفاوت این دو رده آلیاژی مربوط به حضور تیتانیم به میزان پنج برابر مقدار کربن است. تیتانیم موجود در این فولاد از رسوب زایی کاربیدها و مصرف کروم ساختار جلوگیری می کند.
یکی دیگر از مشکلاتی که در برخی فولادهای ضدزنگ در دمای بالا رخ می دهد تشکیل فاز سیگما است. تشکیل فاز سیگما در فولادهای آستنیتی به زمان و دما بستگی دارد و برای هر فولاد ضدزنگ متفاوت است. به طور کلی ورق استیل 304 عملا در برابر تشکیل فاز سیگما مصون است اما گریدهایی که مقدار بیشتری کروم (ورق استیل 310) و مولیبدن (ورق استیل 316 و 317) یا سیلسیم بیشتری (ورق استیل 314) دارند اینگونه نیستند. در تمام این گرید ها در صورتی که به مدت طولانی در معرض دمای 590 تا C֯ 870 قرار گیرند احتمال تشکیل فاز سیگما وجود دارد. شکنندگی فاز سیگما به تشکیل رسوب در میکروساختار فولادی که به مدت طولانی در این محدوده دمایی قرار گرفته است اشاره دارد. تشکیل این فاز فولاد را به شدت شکننده (تُرد) کرده و منجر به از کار افتادگی قطعات فولادی در اثر شکست ترد می گردد. پس از آنکه فولاد به علت تشکیل فاز سیگما شکننده (تُرد) شد می توان با گرم کردن فولاد تا دمای بالاتر از محدوده تشکیل فاز سیگما آن را احیا کرد (حذف تردی ناشی از فاز سیگما) اما این کار همیشه عملی نیست. از آنجایی که شکنندگی فاز سیگما در ورق استیل 314 (که مقدار سیلیکون آن بالاست) یک مشکل جدی است، اکنون این مسئله محبوبیتی ندارد و معمولا به جای آن از آلیاژهای نیکل بالا یا فولادهای ضدزنگ مقاوم در برابر شکنندگی فاز سیگما، به ویژه 2111HTR (UNS S30815) استفاده می شود. ورق استیل 310 نیز در محدوده دمای 590 تا 870C֯ در برابر تشکیل فاز سیگما آسیب پذیر است و این گرید مقاوم در برابر حرارت برای استفاده در این محدوده دمایی نسبتا پایین چندان مناسب نیست و معمولا ورق استیل 321 برای این محدوده دمایی گزینه بهتری به حساب می آید.

شرایط محیطی

مقاومت در برابر کربوریزاسیون و سولفیداسیون نیز از عواملی هستند که ممکن است در کاربردهای دما بالا بسیار مهم باشند. حملات گازهای سولفوردار به آلیاژهای فولاد ضدزنگ نیکل بالا در فرآیند احیا، با شدت بیشتری انجام می شود. در برخی کاربردها ورق استیل 310 عملکرد قابل قبولی دارد و در برخی دیگر گرید 30815S که نیکل کمتری دارد بهتر عمل کرده می کند اما در سایر موارد آلیاژهای عاری از نیکل از همه بهتر هستند. در صورتی که گازهای سولفور تحت شرایط محیطی کاهش یابد. پیشنهاد می شود که ابتدا انواع گریدها در شرایطی مشابه شرایط عملیاتی در آزمایشگاه تست شوند تا بهترین نوع آلیاژ مشخص شود.

انبساط حرارتی

یکی دیگر از خواصی که ممکن است در کاربردهای دما بالا مهم باشد انبساط حرارتی مواد است. ضریب انبساط حرارتی به صورت نسبت افزایش طول جسم در ازای یک درجه افزایش دما تعریف می شود و به صورت x10-6/ ;ͦC, μm/m/ ;ͦC یا x10-6 cm/cm/  ͦC نمایش داده می شود که البته تفاوتی بین آن ها نیست. این افزایش طول (یا قطر، ضخامت و ...) را می توان با ضرب بعد اصلی در تغییرات دما در ضریب انبساط حرارتی محاسبه کرد. به عنوان مثال، اگر دمای یک میله سه متری از جنس فولاد گرید 304 (ضریب انبساط حرارتی 17.2C μm/m/ ;ͦ) از 20C ;ͦ به 200C ;ͦ افزایش یابد، افزایش طول آن برابر است با:
3.00 x 180 x 17.2 = 9288 μm = 9.3 mm
ضریب انبساط حرارتی فولادهای ضدزنگ آستنیتی از اکثر گریدهای دیگر بیشتر است و در جدول زیر نیز ارائه شده است.
جدول 2. ضریب انبساط حرارتی مقدار میانگین در محدوده 1 100C ;ͦ

ضریب انبساط حرارتی نه تنها بین گریدهای مختلف، بلکه با تغییر دما نیز اندکی تغییر می کند. ضریب انبساطی گرید 304 در محدوده 0 100C ;ͦ برابر 17.2C x 10-6/ ;ͦ است و با افزایش دما این ضریب نیز افزایش می یابد.
تاثیر انبساط حرارتی بیشتر در قطعات غیرمتحرک و ثابت دیده می شود زیرا این انبساط ممکن است باعث تغییر شکل و خم شدن آن ها بشود. در صورتی که دو فلز متفاوت به یکدیگر متصل شوند و در معرض گرما قرار بگیرند ممکن است مشکلاتی پیش بیاید؛ تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی باعث تغییرشکل و خمیدگی می شود. به طور کلی، بزرگ بودن ضریب انبساط حرارتی فولادهای ضدزنگ آستنیتی به این معناست که احتمال بروز مشکلات حاصل از انبساط در قطعات آستنیتی در مقایسه با قطعاتی از جنس فولادهای کربنی یا کم آلیاژ، فریتی، مارتنزیتی یا داپلکس بیشتر است.
رسانایی گرمایی فولادهای ضدزنگ غیرآستنیتی از گریدهای آستنیتی بیشتر است که ممکن است در برخی کاربردها مفید باشد.
تنش های موضعی حاصل از انبساط در مراحل گرمایش و سرمایش ممکن است در مناطقی از فولاد باعث ترک ناشی از خوردگی تنشی شود که در شرایط نرمال رخ نمی دهد. در این کاربردها طراح باید تاثیرات تغییر دما را به حداقل برساند مثلا از درزهای انبساطی استفاده کند تا قطعات بتوانند بدون تعییرشکل حرکت کنند و هیچ دندانه یا تغییرشکل ناگهانی در مسیر حرکت قطعه نباشد.