شکست کششی فولاد زنگ نزن آستنیتی 316L ساخته شده توسط پرس ایزواستاتیک داغ

[rkiahoseyni]

مقدمه:
پرس ایزواستاتیک داغ (HIP) یک فرآیند شکل‌دهی فلز است که از دمای بالا و فشار کنترل‌شده به صورت ایزواستاتیک برای تثبیت پودر فلز از مواد شیمیایی مورد نیاز، به اجزای حجیم استفاده می‌کند. این تکنیک به ویژه برای ساخت قطعاتی که به هندسه نسبتاً پیچیده ای نیاز دارند، مناسب است، زیرا قسمت HIP شکل ظرف یا قالب پیش ساخته ای را می گیرد که در آن فشرده می شود و بنابراین HIP به عنوان نمونه ای از آن شناخته می شود. این امر باعث می‌شود که HIP یک مسیر جایگزین برای مثال تولید لوله‌های چند اتصالی باشد که به ماشینکاری و جوشکاری اضافی لوله‌های آهنگری برای تولید یک جزء با هندسه مشابه نیاز دارد. توانایی دور زدن مراحل تولید غیرضروری نه تنها از نظر کاهش زمان ساخت و هزینه‌های مربوط به آن، بلکه برای روش‌های ارزیابی یکپارچگی ساختاری نیز برای سازنده سودمند است. این به این دلیل است که اجزای HIP می توانند ریزساختار همسانگرد و خواص مواد همگن را در نتیجه دما و فشار کنترل شده ایزواستاتیک در طول چرخه HIP از خود نشان دهند. جهت گیری همانطور که اغلب در آهنگری ها و ریخته گری ها دیده می شود و حذف جوش به این معنی است که از انتقال پیچیده ریزساختاری و تنش های پسماند جوش می توان به طور کلی اجتناب کرد و در نتیجه اجزایی با عملکرد مواد افزایش یافته در هنگام قرار گرفتن در معرض محیط های سخت و استرس ایجاد می شود.

کاربرد HIP در صنایع هسته ای و اتمی:
به دلیل مزایای واضح مرتبط با اجزای HIP، تمایل روزافزونی در میان مهندسان برای ادغام فناوری HIP در بخش هسته ای وجود دارد (HIP برای سال ها در بخش نفت و گاز محبوب بوده است). چه از نظر طراحی راکتور جدید و چه در تعویض قطعات در حال سرویس از این قطعات می توان استفاده کرد، با این حال، به دلیل نیاز به کنترل نظارتی در بخش هسته‌ای و همچنین تا حدی به دلیل هزینه‌های بالایی که در حال حاضر با تولید تقریباً خالص مرتبط است، HIP اخیراً به تولید اجزای مورد نیاز برای استفاده در محیط‌های هسته‌ای کمک می‌کند. در نتیجه، تلاش‌های زیادی برای افزایش درک تفاوت‌های رفتاری متالورژیکی و مکانیکی بین HIP و مواد آهنگری معادل شیمیایی صورت گرفته است که اخیراً توسط مطالعات روی توسعه ریزساختاری در طول HIP برجسته شده است و نشان می‌دهد که مواد HIP مواد پیشرفته‌تری را نشان می‌دهند. 

مزایای HIP:
به طور کلی ادعا می شود که فولادهای HIP نسبت به آهنگری و ریخته گری استحکام، چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی بالاتری از خود نشان می دهند و این معمولاً به اندازه دانه ریزتر و ریزساختار هم محور مواد HIP و همچنین عدم تخلخل نسبت داده می شود. با این حال، یکی از تفاوت های شیمیایی اساسی بین فولادهای HIP و فورج شده، در محتوای اکسیژنی است که پس از اتمام مراحل ساخت و عملیات حرارتی در فولاد HIP وجود دارد. غلظت‌های اکسیژن معمولاً مرتبه‌ای بزرگ‌تر از فولادهای آهنگری با درجه‌بندی معادل است، که غلظت‌های معمولی اکسیژن بیشتر از ppm100 را نشان می‌دهند، برخلاف ppm10 تا ppm20 که معمولاً در آهنگری اندازه‌گیری می‌شود.
به طور سنتی، اکسیژن و نیتروژن به دلیل سطوح نسبتاً پایینی که در ریزساختار مواد تولید شده از چنین تکنیک هایی وجود دارد، مورد توجه متالورژی های آهنگری و ریخته گری نبوده است و در نتیجه، غلظت اکسیژن و نیتروژن به ندرت در داده های ترکیب شیمیایی فهرست می شود. با این حال، تا حدی به دلیل مساحت سطح بالای پودر فلز مورد نیاز برای HIP، و در نتیجه مراحل متعدد جابجایی پودر در طول فرآیند ساخت، جلوگیری از ورود اکسیژن به شکل اکسیداسیون سطح پودر دشوار است.

اکسیداسیون سطحی پودر:
در حالی که گزارش شده است که اثرات اکسیداسیون سطح پودر برای خواص ضربه ای فولادهای HIP مضر است، نویسندگان اخیراً مجموعه ای از مقالات را منتشر کرده اند که به بررسی و کمّی کردن اثرات اکسیژن بر چقرمگی ضربه مواد و مکانیسم‌های شکست، که در آن ثابت شده است که غلظت اکسیژن افزایش یافته در فولاد ضد زنگ HIP منجر به کسر حجمی بیشتری از آخال‌های اکسید در ریزساختار می‌شود و در نتیجه مکانیسم شکست انعطاف‌پذیر را به عنوان مکان‌های اضافی برای هسته‌زایی و متعاقب آن رشد و ادغام ریزحفره‌ها در ماتریکس تغییر شکل پلاستیکی با این عمل تسهیل می‌کند. به دلیل افزایش کسر حجمی مکان‌های شروع در فولادهای HIP و کاهش فواصل بین حفره‌ای، ادغام فضای خالی می‌تواند در مقادیر پایین‌تری از کرنش پلاستیک رخ دهد، زیرا حفره‌ها فواصل کوچک‌تری دارند که باید در آن رشد کنند تا با حفره‌های مجاور ادغام شوند. 

فولاد ضدزنگ HIP:
فولادهای ضد زنگ HIP به طور کلی استحکام و شکل‌پذیری بالاتری نسبت به فولادهای تولید شده از روش‌های تولید مرسوم‌تر نشان می‌دهند، و این معمولاً به اندازه دانه‌های ظریف‌تر و ریزساختار همسانگرد نسبت داده می‌شود. نشان داده شده است که اگرچه تغییرات زیادی در غلظت اکسیژن در فولادهای HIP اثر مضر و قابل اندازه گیری بر خواص چقرمگی شکست انعطاف پذیر دارد، تأثیر افزایش اکسیژن بعید است که به طور قابل توجهی بر استحکام این مواد تأثیر بگذارد. تغییرات در ترکیب شیمیایی بینابینی، مانند کربن و نیتروژن، در کنار اندازه دانه، اثر غالب مشخصی بر استحکام مواد نسبت به اکسیژن دارند، که به‌جای حل شدن در محلول جامد، خود را به شکل ترکیبات اکسیدی غیرفلزی نشان می‌دهد.

گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی