کتاب فولادهای زنگ نزن دوپلکس

فولادهای زنگ نزن ا زجمله فولادهای پر اهمیت در صنایع هستند. این فولادها به واسطه قابلیت پسیوشوندگی از مقاومت به خوردگی خوبی برخوردارهستند که این امر ناشی از حضور کروم(بیش از حدود 10درصد) در این فولادهاست. فولادهای زنگ نزن دوپلکس حاوی مخلوطی از ساختار فریتی و آستنیتی بوده که دارای میزان کمتری از نیکل (5%-4) و مقدار بیشتری از کروم (18- %28) در مقایسه با فولادهای آستنیتی متداول هستند.خواص عمومی این فولادها مابین فولادهای فریتی و آستنیتی بوده، و به لحاظ فرایند تولید نسبتا ساده تر و هزینه ی کمتر از فولادهای آستنیتی، پتانسیل بکارگیری از آنها در صنایع مهم وجود دارد.فولادهای دوپلکس از مقاومت بالایی در برابر خوردگی تنشی (SCC)و یون کلراید برخوردار بوده و تواما قابلیت جوشکاری مطلوب و استحکام بالایی نیز دارند، که این خواص موجب ایجاد جایگاه ویژه ای برای این فولادها در صنعت شده است. درنتیجه بررسی امکان استفاده از این فولادها در صنایع نفت و پتروشیمی و نیز آب و فاضلاب نیاز به کسب اطلاعات بیشتر در این مورد را افزایش داده است.
پیشگفتار
در صنایع بزرگ کشور و بالاخص در اکثر کاربردهای مهندسی فولادهای ساده کربنی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار هستند. در فولادهای ساده کربنی عنصر اصلی پس از آهن، کربن است که میزان و درصد آن در فولاد، انواع فولادهای ساده کربنی را تشکیل می دهند. این فولادها به-عنوان فولادهای ساختمانی بیشترین کاربرد را در صنایع مختلف دارا هستند. عنصر دیگری که در افزایش خواص آهنگری و برشکاری فولادها موثر بوده و تواما باعث افزایش قابلیت ماشینکاری فولاد خواهد شد، گوگرد است که در حد معینی (%35/0-08/0) به فولاد اضافه می شود. این فولادها تحت عنوان فولادهای خوش تراش مطرح هستند.
فولادهای مهم دیگر در کاربردهای صنعتی عبارتند از فولادهای بلبیرنگ که حاوی حدود یک درصد کربن و 5/1 درصد کروم بوده و پس از عملیات حرارتی مناسب از مقاومت به سایش بالا و سختی مطلوبی (HRC 64( برخوردار خواهند شد. فولادهای نیتراسیون که در یک محیط حاوی نیتروژن در دمای ˚C580-480 ساخته می شوند، از سختی بالاتری نسبت به فولادهای سمانتاسیون برخوردارند. این دسته از فولادها به عنوان فولادهای ابزار گرم استفاده می شوند.
از دیگر فولادهای پر اهمیت در صنایع، فولادهای زنگ نزن هستند. این فولادها به واسطه قابلیت پسیو شوندگی از مقاومت به خوردگی خوبی برخوردار هستند که این امر ناشی از حضور کروم (بیش از حدود 10 درصد) در این فولادهاست. در میان فولادهای زنگ نزن، فولادهای آستنیتی با حدود %26-16 کروم و %20-8 نیکل از مقاومت به خوردگی بالاتری نسبت به دیگر فولادهای زنگ نزن برخوردارند. فولادهای زنگ نزن فریتی مقاومت به خوردگی کمتری در مقایسه با فولادهای آستنیتی داشته، اما مقاومت به خوردگی آن ها بیش از فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی حاوی %14-11 کروم است.
فولادهای زنگ نزن دوپلکس حاوی مخلوطی از ساختار فریتی و آستنیتی بوده که دارای میزان کمتری از نیکل (%5-4) و مقدار بیشتری از کروم (%28-18) در مقایسه با فولادهای آستنیتی متداول است. این فولادها برخلاف فولادهای آستنیتی از قابلیت مغناطیسی برخوردار می باشند.
فولادهای دوپلکس از مقاومت بالایی در برابر خوردگی تنشی (SCC) و یون کلراید برخوردار بوده و تواما قابلیت جوشکاری مطلوب و استحکام بالایی نیز دارند، که این خواص موجب ایجاد جایگاه ویژه ای برای این فولادها در صنعت شده است.
کتاب حاضر به منظور آشنایی بیشتر با این نوع فولادها تهیه شده، زیرا به نظر می رسد که اطلاعات موجود در رابطه با فولادهای دوپلکس نسبت به دیگر انواع فولادها اندک است. خواص عمومی این فولادها مابین فولادهای فریتی و آستنیتی بوده، و به لحاظ فرایند تولید نسبتا ساده تر و هزینه کمتر از فولادهای آستنیتی، پتانسیل بکارگیری از آنها در صنایع مهم وجود دارد. در نتیجه امکان استفاده از این فولادها در صنایع نفت و گاز، پتروشیمی و نیز آب و فاضلاب نیاز به کسب اطلاعات بیشتر در این مورد را افزایش داده است.
در فصول اولیه کتاب حاضر ابتدا مروری بر انواع فولادها آورده شده و همچنین نحوه دسته بندی آنها توسط انستیتوها و انجمن های بین المللی و نیز خواص برخی از مهم ترین فولادهای ساختمانی و نقش عناصر تشکیل دهنده آن ها مطرح گردیده است. در ادامه تاریخچه مختصری از نحوه تولید به همراه ترکیب شیمیایی و متالورژی فولادهای دوپلکس تشریح و تاثیرات ناشی از نسبت ساختاری فریت به آستنیت، اثرات عملیات حرارتی و تشکیل فازهای مختلف مورد بررسی واقع شده است. همچنین مقاومت به خوردگی این فولادها، به خصوص در مقابل خوردگی های تنشی، ترک خوردگی های هیدروژنی و انواع دیگر خوردگی، در کنار سینتیک واکنش ها و مقاومت به اکسیداسیون آن ها نیز مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت نیز قابلیت جوشکاری، خواص مکانیکی و فیزیکی، به همراه شکل دهی، ماشینکاری و عملیات حرارتی این فولادها تشریح گردیده و کاربردهای آن در شرایط و صنایع مختلف آورده شده است.
مطالبی که در این کتاب گردآوری شده به عنوان یک پیش زمینه در رابطه با خواص و کاربرد فولادهای دوپلکس مطرح بوده و به عنوان یک کار اولیه طبعا بدون عیب و ایراد نیست. این کتاب برای دانشجویان دوره های کارشناسی و کارشناسی ارشد رشته های متالورژی و مواد در نظر گرفته شده و تا حدودی نیز نیازهای اولیه محققین علاقه مند به فعالیت های پژوهشی در رابطه با این فولادها را برآورده می سازد. لذا مستدعی است که متخصصان و پژوهشگران و کلیه صاحب نظران محترم در راستای رفع اشکالات موجود در مطالب گردآوری شده این کتاب ما را از نظرات و پیشنهادات اصلاحی خود مطلع نمایند تا در چاپ های بعدی نسبت به تصحیح آن موارد اقدام گردد.
در انتها بر خود لازم می دانم که از آقای مهندس سهیل مهدوی که در جمع آوری مطالب این کتاب زحمات بسیاری کشیده اند و دیگر عزیزانی که در ویرایش، چاپ و توزیع این کتاب کوشش نموده اند صمیمانه سپاسگزاری کرده و برای همگی آن ها آرزوی تندرستی و توفیق روزافزون و موفقیت نموده و امیدوارم در راستای تهیه و غنای متون علمی و کاربردی برای دانشجویان و کارشناسان صنایع، باهمت والا به تلاش و کوشش بیشتر ادامه دهند.
سعیدرضا اله کرم
فهرست مطالب
فصل اول مروری بر انواع فولاد 1
1.1 مقدمه 2
2.1 دسته بندی فولادها 2
1.2.1 سیستم دسته بندی انستیتو آهن و فولاد آمریکا (AISI) و انجمن مهندسی خودرو (SAE) 6
2.2.1 سیستم طبقه بندی انجمن آزمون و مواد آمریکا (ASTM) 7
3.2.1 سیستم طبقه بندی شماره گذاری یکپارچه (UNS) 7
3.1 فولادهای کربنی و کم آلیاژ 7
1.3.1 فولادهای ساده‌ی کربنی 8
2.3.1 فولادهای آلیاژی 12
3.3.1 فولادهای کم آلیاژ با استحکام بالا 14
4.3.1 فولادهای کم آلیاژ دیگر 16
4.1 فولادهای پرآلیاژ 18
1.4.1 فولادهای مقاوم در برابر سایش (فولادهای ابزار) 18
2.4.1 فولادهای مقاوم در برابر حرارت 19
3.4.1 فولادهای مقاوم در برابر خوردگی (زنگ نزن) 19
فصل دوم تاریخچه‌ی فولادهای زنگ نزن دوپلکس 29
فصل سوم ترکیب شیمیایی و نقش عناصر آلیاژی 35
1.3 ترکیب شیمیایی فولادهای زنگ نزن دوپلکس 36
2.3 نقش عناصر آلیاژی در فولادهای زنگ نزن دوپلکس 36
1.2.3 کروم 36
2.2.3 مولیبدن 37
3.2.3 نیتروژن 37
4.2.3 نیکل 38
فصل چهارم متالورژی فولادهای زنگ نزن دوپلکس 41
1.4 نسبت فریت/آستنیت 43
2.4 فازهای تشکیل‌شده در اثر عملیات حرارتی 47
1.2.4 فاز سیگما 47
2.2.4 تردی ˚C475 60
3.2.4 فاز چی 61
4.2.4 فاز G 62
5.2.4 فاز R 62
6.2.4 فاز S 63
7.2.4 نیتریدها 64
8.2.4 سینتیک تشکیل فازهای مخرب 64
3.4 پالایش و ریزدانه سازی فولادهای زنگ نزن دوپلکس 67
فصل پنجم خوردگی فولادهای زنگ نزن دوپلکس 69
1.5 مقاومت در برابر اسیدها 70
2.5 مقاومت در محیط های خورنده با pH بالا 72
3.5 مقاومت در برابر خوردگی شیاری و حفره دار شدن 72
4.5 مقاومت در برابر ترک های ناشی از خوردگی تنشی (SCC) 75
5.5 اشاعه‌ی ترک خوردگی خستگی 79
1.5.5 سرعت رشد ترک ماکروسکپی 82
2.5.5 سرعت های رشد میکروسکپی 83
3.5.5 مکانیزم شکست 84
6.5 تردی هیدروژنی 92
1.6.5 رفتار مکانیکی 94
2.6.5 مورفولوژی شکست 96
3.6.5 گسیختگی فیلم پسیو در اثر تغییر فرم 102
4.6.5 مکانیزم جذب هیدروژن 103
5.6.5 دام های هیدروژنی و عمق تردی 105
7.5 خوردگی بین دانه ای 106
8.5 خوردگی فرسایشی 106
9.5 خوردگی گالوانیک 107
فصل ششم اکسیداسیون فولادهای زنگ نزن دوپلکس 109
1.6 سینتیک اکسیداسیون 110
2.6 مشخصات لایه‌ی اکسیدی 114
3.6 بررسی طیف های XPS 127
4.6 تأثیر دما 131
5.6 تأثیر منگنز 134
فصل هفتم مشخصات و کنترل کیفیت 137
1.7 نیازمندی های انجام یک آزمون استاندارد 138
1.1.7 ترکیب شیمیایی 138
2.1.7 آنیل انحلالی و کوئنچ 139
2.7 شرایط آزمون های خاص 140
1.2.7 آزمون های سختی و کشش 140
2.2.7 آزمون خمش 141
3.2.7 آزمون ضربه و بررسی های متالوگرافی برای تعیین فازهای اینترمتالیک 141
4.2.7 تعیین تعادل فازی به روش متالوگرافی یا اندازه گیری های مغناطیسی 143
5.2.7 آزمون خوردگی 143
6.2.7 جوشکاری و بررسی جوش 149
فصل هشتم خواص مکانیکی 151
1.8 تأثیر نیتروژن 153
2.8 مقاومت به ضربه و انتقال نرمی به تردی 155
3.8 خمش 159
4.8 خواص مکانیکی دما بالا 160
5.8 خستگی 162
6.8 سوپرپلاستیسیته 169
فصل نهم خواص فیزیکی 175
فصل دهم قطع کردن 179
1.10 اره کردن 180
2.10 برش 180
3.10 چاک دادن 181
4.10 پانچ کردن 181
5.10 برش پلاسما و لیزر 182
فصل یازدهم شکل دهی 183
1.11 شکل دهی داغ 184
1.1.11 آنیلینگ انحلالی 185
2.11 شکل دهی گرم 187
3.11 شکل دهی سرد 187
4.11 شکل دهی با پرس 189
5.11 شکل دهی چرخشی 190
فصل دوازدهم ماشین کاری فولادهای زنگ نزن دوپلکس 191
1.12 راهنمای کلی برای ماشین کاری فولادهای زنگ نزن دوپلکس 192
2.12 تراش کاری و صیقل کاری 193
3.12 فرزکاری با ابزارهای کاربیدی 194
4.12 سوراخ کاری پیچشی با مته های فولادی سرعت بالا 195
فصل سیزدهم جوشکاری فولادهای زنگ نزن دوپلکس 197
1.13 راهنمای عمومی جوشکاری 198
1.1.13 تفاوت بین فولادهای زنگ نزن دوپلکس و آستنیتی 198
2.1.13 انتخاب مواد اولیه 198
3.1.13 تمیزکاری پیش از جوشکاری 199
4.1.13 طراحی اتصال 199
5.1.13 پیش گرم کردن 199
6.1.13 گرمای ورودی و دمای میان پاس 202
7.1.13 عملیات حرارتی پس از جوشکاری 202
8.1.13 تعادل فازی مطلوب 202
9.1.13 جوش فلزات غیرمشابه 203
2.13 توصیف و کیفیت فرآیند جوشکاری 204
3.13 روش های جوشکاری 206
1.3.13 جوشکاری قوس تنگستن تحت پوشش گاز محافظ (GTAW/TIG) 207
2.3.13 جوشکاری قوس فلز تحت پوشش گاز محافظ (GMAW/MIG) 210
3.3.13 جوشکاری قوس با الکترود توپودری (FCW) 213
4.3.13 جوشکاری قوس با الکترود محافظ روکش¬دار (SMAW) 215
5.3.13 جوشکاری قوس زیرپودری (SAW) 218
6.3.13 جوشکاری با پرتو الکترونی و لیزر 219
7.3.13 جوشکاری مقاومتی 219
فصل چهاردهم سایر تکنیک های اتصال 221
1.14 آماده سازی محل اتصال 222
2.14 چسب ها 223
3.14 لحیم کاری دما پایین 223
4.14 لحیم کاری دما بالا 223
فصل پانزدهم تمیز کردن پس از تولید 225
1.15 مقدمه 226
1.15 نشانه های کرایون، رنگ، چرک، روغن 227
2.15 آهن جاسازی شده (آلودگی های آهنی) 227
4.15 پاشش جوش، تغییر رنگ جوش، فلاکس، سرباره، بریدگی های کناره‌ی جوش 228
فصل شانزدهم کاربردهای فولادهای زنگ نزن دوپلکس 231
1.16 دی سولفوره‌کردن گازهای خروجی از دودکش 232
2.16 نمک زدایی 233
3.16 نفت و گاز 234
4.16 سوخت های آلی 236
5.16 صنایع خوراکی و آشامیدنی 236
6.16 سیستم اکسیداسیون آب فوق بحرانی (SCWO) 240
7.16 معماری 242
پیوست ها 245
منابع و مراجع 253
فهرست الفبایی 261