خستگی حرارتی در ورق های استنلس استیل

[rkiahoseyni]

مقدمه:

فولاد ضد زنگ از نظر ظاهر، مقاومت در برابر خوردگی، دوام، هزینه تعمیر و نگهداری و قابلیت بازیافت از فولاد ساختاری معمولی (فولاد ملایم یا کم کربن) بهتر عمل می کند. علاوه بر این، به لطف آلیاژهای مبتنی بر نیکل، فولادهای زنگ نزن آستنیتی می توانند استحکام و سفتی اولیه خود را تا حد قابل توجهی در دماهای بالا حفظ کنند، لذا عملکرد بهتری برای اجزای ساخته شده از آنها در آتش قابل حصول است. در سال‌های اخیر، فولاد ضد زنگ توجه مهندسان سازه را به عنوان جایگزینی بالقوه برای فولاد سازه‌ای معمولی در انواع کاربردهای مهندسی عمران به خود جلب کرده است. فولاد زنگ نزن آستنیتی گرید 304 ASTM که رایج ترین نوع فولاد ضد زنگ مورد استفاده در سراسر جهان است، بیش از 50 درصد از مصرف مواد ضد زنگ را تشکیل می دهد و تقریباً در هر صنعت کاربرد دارد.

 

بررسی رفتار مکانیکی استنلس استیل در برابر حرارت:

برای به دست آوردن رفتار تنش-کرنش فولاد در آتش، آزمایش‌های کششی بر روی نمونه‌های مواد با استفاده از روش‌های «حالت پایدار» یا «گذرا» انجام می‌شود. در آزمایش کشش حالت پایدار (همدما)، نمونه که در دمای بالا ثابت نگه داشته می‌شود، به‌طور تدریجی بارگذاری می‌شود تا زمانی که خراب شود. برخی از مطالعات به پاسخ تنش-کرنش فولاد ضد زنگ درجه 304 در دماهای بالا تحت شرایط حالت پایدار پرداخته اند. برخی از محققان آزمایش‌های کششی همدما را بر روی ورق‌های فولادی ضد زنگ درجه 1.4301 با شکل صاف و سرد انجام دادند و مدول الاستیک، تنش تسلیم و استحکام کششی ماده را در دماهای تا 900 درجه سانتی‌گراد به دست آوردند. با استفاده از روش ارتعاش خمشی، ساکوموتو و همکاران مدول الاستیک فولاد ضد زنگ درجه SUS304 را در دماهای بالا اندازه گیری کردند. علاوه بر این، آنها نه تنها منحنی‌های تنش-کرنش ماده را تا دمای 1000 درجه سانتی‌گراد تحت شرایط حالت پایدار به دست آوردند، بلکه ویژگی‌های حرارتی با دمای بالا، از جمله حرارت ویژه و سرعت انتقال حرارت را نیز به دست آوردند. چن و یانگ یک سری آزمایش کششی همدما را بر روی فولاد ضد زنگ نوع EN 1.4301 انجام دادند. بر اساس منحنی‌های تنش-کرنش به‌دست‌آمده، آنها یک معادله یکپارچه برای پیش‌بینی استحکام تسلیم، مدول الاستیک، استحکام نهایی و کرنش نهایی فولاد ضد زنگ در دماهای بالا پیشنهاد کردند.

 

استاندارد سازی آزمایشات در دمای بالا:

در حالی که آزمایش حالت پایدار به خوبی شرایط محیطی اجزای صنعتی را که تحت دمای ثابت کار می‌کنند شبیه‌سازی می‌کند، ممکن است استفاده از مدل‌های مواد به‌دست‌آمده از این روش برای تجزیه و تحلیل و طراحی اعضای ساختاری در آتش، که یک وضعیت ناهم دما است، مشکوک باشد. به همین دلیل، یوروکد 3 قسمت 1-2  یک رویکرد آزمایش گذرا را برای استخراج منحنی‌های تنش-کرنش مواد فولادی در دماهای بالا اتخاذ کرده است. در یک آزمایش گذرا، ابتدا نمونه تا سطح تنش مشخص بارگذاری می شود. سپس، در حالی که بار ثابت نگه داشته شده، دما به تدریج افزایش می یابد تا زمانی که خرابی رخ دهد. با تکرار آزمایش در سطوح مختلف تنش، مجموعه‌ای از نمودارهای کرنش-دما به دست می‌آید که می‌توانند بعداً در دماهای بالا به منحنی‌های تنش-کرنش تبدیل شوند. این نمودارها را منحنی‌های تنش-کرنش «گذرا» می نامند. در مقایسه با آزمون‌های حالت پایدار، آزمایش‌های گذرا از نظر تنظیم آزمایش و تجزیه و تحلیل داده‌ها پیچیده‌تر هستند. با این حال، از آنجایی که آزمایش‌های گذرا تحت دماهای در حال افزایش مداوم انجام می‌شوند، نتایج آن‌ها به طور واقعی‌تر رفتار ماده را در شرایط آتش واقعی نشان می‌دهند. با استفاده از این رویکرد، Mäkeläinen و Outinen پاسخ مکانیکی مواد ورق فولادی ضد زنگ درجه 1.4301 را در دمای آتش تا 900 درجه سانتیگراد بررسی کردند. گاردنر و باددو نیز خواص مکانیکی در آتش پنج درجه فولاد ضد زنگ، از جمله EN 1.4301 را با استفاده از هر دو روش تست همدما و گذرا مورد مطالعه قرار دادند. بر این اساس، آنها عوامل حفظ استحکام و سفتی را برای مواد در دماهای بالا تا 1000 درجه سانتیگراد پیشنهاد نمودند. Xia از طریق انجام آزمایش‌های آتش‌سوزی حالت پایدار و گذرا بر روی فولاد ضد زنگ درجه S30408، پارامترهای مواد، از جمله ضرایب سخت‌شدگی اصلاح‌شده را برای روابط تنش-کرنش فولاد ضد زنگ در دماهای بالا به دست آورد. فن و همکاران منحنی های تنش-کرنش فولاد زنگ نزن آستنیتی درجه S30408 را در دماهای بالا با استفاده از آزمایش های حالت پایدار و گذرا به دست آوردند. خواص مکانیکی حاصل از دو روش تقریباً برای دماهای زیر 700 درجه سانتیگراد یکسان بود. با این وجود، اختلاف معنی‌داری بین شاخص‌های سخت شدن کرنش به‌دست‌آمده از دو رویکرد در دماهای بالاتر مشاهده شد.

 

تاثیر دما بر رفتار خزش استنلس استیل:

زمانی که دمای فلزی مانند فولاد تقریباً از 35 درصد دمای ذوب مطلق آن بیشتر شود، ممکن است تحت تغییر شکل‌های غیرالاستیک وابسته به زمان ظاهری قرار گیرد که «خزش» یا به‌طور دقیق‌تر «خزش حرارتی» نامیده می‌شود. کرنش های خزشی تا حدودی به طور ضمنی در منحنی های تنش-کرنش گذرا فولاد گنجانده شده اند. با این حال، میزان پوشش منحنی‌ها بر اثرات خزش بستگی به نرخ گرمایش اتخاذ شده برای آزمایش‌های گذرا دارد. دلیل آن این است که هنگام حرارت دادن یک نمونه به دمای کافی بالا (بالاتر از 0.35) هر چه سرعت گرمایش کمتر باشد زمان قرار گرفتن در معرض دماهای بالا بیشتر می شود و در نتیجه کرنش های وابسته به زمان (خزش) انباشته شده در مواد بیشتر می گردد. بنابراین، با توجه به اثرات خزش حرارتی، منحنی‌های تنش-کرنش گذرا فقط برای نرخ گرمایش خاص که در آن آزمایش‌های گذرا انجام شده‌اند، دقیق هستند. با این حال، در یک رویداد واقعی آتش سوزی، قطعات فولادی ممکن است بسته به عواملی مانند نوع قرار گرفتن در معرض آتش، ویژگی‌های بخش، ویژگی‌های عایق، و غیره، نرخ‌های گرمایش متفاوتی داشته باشند. 

 

 

گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی