فولاد دو فازی چیست و چه ویژگی ها و کاربردی دارد؟

فولاد دو فازی (Dual Phase Steel/ به اختصار (DP نوع مهمی از فولادهای پیشرفته با استحکام بالا محسوب می‌شود و در صنعت خودروسازی کاربرد فراوانی دارد. این نوع فولاد همانطور که از نام آن مشخص است، دارای دو فاز اصلی در ساختار خود می‌باشد که یکی سخت و دیگری نرم‌تر است. این فازها در اغلب موارد شامل فریت و مارتنزیت هستند که فریت بخش غالب ترکیب را تشکیل داده و به عنوان فاز نرم عمل می‌کند. مارتنزیت هم به عنوان فاز سخت این فولادها عمل کرده و به طور معمول بین ۵ تا ۳۰ درصد ترکیب شیمیایی را تشکیل می‌دهد. حضور فریت در این ترکیب منجر به افزایش انعطاف‌پذیری فولاد گردیده و بخش‌های مارتنزیتی هم استحکام آن را افزایش می‌دهند.

گاه فاز سخت فولاد دو فازی به جای مارتنزیت از بینیت تشکیل می‌شود. دسته اول با عنوان فولادهای دو فازی فریتی ـ مارتنزیتی (Ferritic - Martensitic Dual Phase (FMDP) steels) و دسته دوم با عنوان فولاد فریتی ـ بینیتی (Ferritic - Bainitic Dual Phase (FBDP) steels) شناخته می‌شوند. با وجود این که اکثر ویژگی‌های فولادهای فریتی ـ مارتنزیتی و فریتی ـ بینیتی با هم یکسان است، اما در برخی جزئیات و مشخصه‌ها با هم تفاوت دارند. از این رو بسته به نوع و مورد مصرف، ممکن است هر یک از این گروه‌های فولاد دو فازی به کار گرفته شوند. تصویر زیر شماتیک از ساختار کلی فولادهای DP که فاز سخت‌شان از مارتنزیت تشکیل شده است نشان می‌دهد.

توسعه صنعت خودروسازی یکی از مهمترین عوامل تاثیرگذار بر پیدایش و توسعه تولید فولادهای با استحکام بالای دو فازی محسوب می‌شود. فعالان این صنعت در اوایل دهه ۱۹۰۰ استفاده از فولادهای آلیاژی را برای ساخت اتومبیل‌ها آغاز کردند. در ابتدا، هزینه و انعطاف پذیری فولاد مهمترین دغدغه خودروسازان بود. زیرا در صورت نیاز به استحکام بیشتر، ضخامت ورق‌های فولادی را افزایش می‌دادند. اما با افزایش مقررات ایمنی در این صنعت، به تدریج استفاده از فولادهای کم آلیاژ با استحکام بالا رونق گرفت. به ويژه در دهه‌های ۱۹۵۰ تا ۱۹۶۰ به کارگیری این نوع فولاد گسترش یافت. همین موضوع مقدمات لازم برای تولید فولاد DP و استفاده از آن در اکثر بخش‌های بدنه خودروها را فراهم ساخت.

البته اولین مطالعات انجام شده در رابطه با فولادهای دو فازی را می‌توان مربوط به دهه‌های ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰ دانست. اما مطالعات بنیادی و توسعه این نوع فولاد از دهه ۱۹۶۰ میلادی آغاز شد. بر اساس منابع موجود در این زمینه، اولین نوع فولاد با استحکام بالای دو فازی در سال ۱۹۳۷ از یک فولاد حاوی ۲۵ درصد وزنی کربن، توسط گریپ معرفی شد. اما گسترش تولید و استفاده از این متریال را به دهه ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ نسبت می‌دهند. جایی که تقاضا برای استفاده از فولاد با استحکام بالا افزایش پیدا کرده و کاهش وزن خودروها نیز مورد توجه قرار گرفت. در ادامه، تحقیق و توسعه پیرامون فولاد دو فازی با سرعت بیشتری انجام گرفت. امروزه بخش قابل توجهی از بدنه خودروها از این نوع فولاد ساخته می‌شود.

فولادهای دو فازی از تبدیل ساختار آستنیتی فولاد به فریت و مارتنزیت ایجاد می‌شوند. جهت این امر، ابتدا فولاد با کربن متوسط را که شامل مقادیری وانادیم، مولیبدن یا نیوبیم باشد، حرارت می‌دهند. فرایند حرارت دهی تا جایی انجام می‌گیرد که دمای کافی برای حل شدن کامل کربونیتریدهای وانادیم و نیوبیم فراهم گردد. در ادامه، فولاد را تحت یک شرایط کنترل شده خنک سازی می‌کنند تا مقداری از آستنیت به فریت تبدیل شود. پس از رسیدن به درصد مناسب فریت، خنک سازی سریع انجام می‌گیرد تا باقی مانده آستنیت به مارتنزیت تبدیل گردد. به این ترتیب، فولاد دو فازی با کنترل درصد و ترکیب از طریق فرایند نورد گرم تولید خواهد شد.

علاوه بر روش نورد گرم، امکان تولید فولادهای دو فازی به روش نورد سرد با پوشش گرم و آنیل پیوسته هم وجود دارد. در این روش فولاد بیشتر شامل فاز فریت و آستنیت دو فازی می‌شود. فولادهای دو فازی حاصل از نورد سرد ممکن است حاوی مقداری آستنیت و بینیت باقی مانده باشند. از این رو، بجای مارتنزیت، بینیت فاز سخت این نوع فولاد را تشکیل می‌دهد. وجود بینیت در ساختار فولادهای دو فازی، مقاومت آن‌ها در برابر ترک خوردگی در لبه‌ها را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد. شرکت‌های مختلف، هم از روش نورد گرم و هم عملیات آنیل برای تولید فولاد DP استفاده می‌کنند. محصول نهایی هم با توجه به نیاز صنعت، در بخش‌های متفاوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

جهت کسب اطلاعات بیشتر از ترک خوردگی در آلیاژ فولاد، نگاهی بر مقالۀ ترک ناشی از هیدروژن در فولاد بیندازید.

مراحل ساخت ورق فولاد دو فازی نورد گرم

ورق یکی از مهمترین محصولاتی است که از آلیاژ دو فازی فولاد تولید و در صنایع گوناگون به ویژه خودروسازی، مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای ساخت این ورق‌ها می‌توان از روش نورد گرم و یا عملیات آنیل و نورد سرد استفاده کرد. جهت تولید ورق های دو فازی با استفاده از روش نورد گرم، مراحل مشخصی به صورت ام به گام طی خواهند می‌شوند. امکان کنترل ترکیب نهایی و درصد بخش فریتی و مارتنزیتی فولاد هم در طول این فرایند وجود دارد. مراحل اصلی تولید ورق فولاد دو فازی از طریق نورد گرم، به شرح زیر است.

1. حرارت دهی شمش یا اسلب فولادی

در این مرحله به شمش‌های فولادی حاوی کربن متوسط حرارت داده می‌شود تا به دمای لازم برسند. دمای مناسب در این جا دمایی است که موجب حل شدن تقریبا همه کربونیتریدهای وانادیم و نیوبیم شود.

2. نورد شمش یا اسلب

پس از این که شمش‌های فولادی به دمای مناسب رسیدند، وارد خط نورد شده و از میان غلتک‌ها عبور داده می شوند. فشار غلتک‌ها منجر به کاهش ضخامت و افزایش طول شمش‌ها و در نتیجه تبدیل آن‌ها صفحه خواهند شد. این فرایند تا محدوده دمایی که آستنیت مجددا در آن کریستال می‌شود، ادامه پیدا خواهد کرد.

3. توقف نورد

فرایند نورد صفحه ایجاد شده از شمش فولادی در دمایی پایین‌تر از دمای تبلور مجدد آستنیت به پایان می‌رسد.

4. خنک سازی اولیه

در این مرحله از تولید ورق فولاد دو فازی از طریق فرایند نورد گرم، صفحه نورد تا دمای حدود ۵۰۰ درجه سانتی گراد خنک سازی می‌شود. این فرایند به صورت کنترل شده انجام می‌گیرد تا آستنیت به فریت تبدیل شود. بسته به نوع ترکیب و درصد مد نظر، تا زمانی که بین ۲۰ تا ۶۰ درصد حجمی فولاد به فاز فریت تبدیل گردد، این فرایند ادامه پیدا خواهد کرد.

5. خنک سازی نهایی

در آخرین مرحله، خنک سازی سریع انجام می‌گیرد. این فرایند موجب می‌شود تا آستنیت باقی مانده با فاز مارتنزیت یا همان فاز سخت فولاد دو فازی تبدیل شود. این فرایند هم تا دمای زیر ۴۰۰ درجه سانتی گراد و رسیدن به ترکیبت مد نظر، ادامه پیدا می‌کند.

عناصر آلیاژی اصلی مورد استفاده در در فولاد دو فازی عمدتا کربن، منگنز و سیلیسیم هستند. علاوه بر این، امکان استفاده از برخی عناصر دیگر مانند کروم، مولیبدن و نیوبیم هم در ترکیب این نوع فولاد وجود دارد. به کارگیری هر عنصر در ساختار فولادهای دو فازی می‌تواند ویژگی‌های جدیدی را به آن‌ها اضافه کند. از طرف دیگر، افزایش یا کاهش مقدار عنصر استفاده شده می‌تواند ویژگی مد نظر را تقویت کرده یا کاهش دهد. در نتیجه، بسته به عناصری که در ساختار این نوع فولاد استفاده شده و درصد هر یک از آن‌ها، گریدهای مختلفی ایجاد می‌شود. مهمترین گریدهای فولاد دو فازی عبارتند از:

1. فولاد 500 DP
2. فولاد 600 DP
3. فولاد 800 DP
4. فولاد 1000 DP

 1- فولاد 500 DP

در ساختار فولادهای دو فازی گرید 500، علاوه بر عناصر اصلی یعنی کربن، سیلیسیم و منگنز، از درصدهای پایین فسفر، گوگرد و آلومینیوم هم استفاده می‌شود. فولاد 500 DP از خاصیت انعطاف پذیری و جوش پذیری بالایی برخوردار بوده و ماده ای کاملا مناسب برای تولید قطعات ایمنی خودرو همچون تقویت کننده‌ها محسوب می‌شود. در ساخت این گرید، اغلب از روش‌های عملیات‌های حرارتی نیز استفاده می‌شود. فریت فاز نرم‌تر فولاد 500 DP را تشکیل داده و موجب خاصیت شکل پذیری آن می‌شود. مارتنزیت هم فاز سخت آن است و منجر به افزایش استحکام این فولاد می‌گردد. البته گاهی اوقات هم از بینیت به عنوان فاز سخت در این گرید از فولاد دو فازی استفاده می‌شود. استحکام تسلیم و استحکام کششی 500 DP به ترتیب بین ۲۹۰ تا ۳۸۰ و ۴۹۰ تا ۶۰۰ است.

2- فولاد 600 DP

گرید مهم بعدی فولادهای با استحکام بالای دو فازی، 600 DP است. این گرید هم از نظر بسیاری از ویژگی‌های ساختاری و عناصر مورد استفاده، کاملا مشابه نوع قبل می‌باشد. با وجود این، از نظر برخی جزئیات مانند درصد عناصر استفاده شده و مشخصه‌هایی مانند استحکام کششی و تسلیم با هم تفاوت‌هایی دارند. مهم ترین تفاوت این گریدها، افزایش درصد کربن در فولاد 600 DP می‌باشد. این موضوع هم بر روی روی استحکام تسلیم و استحکام کششی آن تاثیر داشته و هر دو را نسبت به فولاد 500 DP افزایش می‌دهد. استحکام تسلیم این گرید بین ۳۳۰ تا ۴۳۰ و استحکام کششی آن بین ۵۹۰ تا ۷۰۰ مگاپاسکال می‌باشد.

3- فولاد 800 DP

گرید 800 فولاد دو فازی هم مجددا از نظر عناصر ساختاری مورد استفاده شباهت زیادی به گریدهای قبل دارد. فاز نرم در این فولاد فریت و فاز سخت در اغلب موارد مارتنزیت است که به ترتیب موجب شکل پذیری و استحکام این نوع فولاد می‌شوند. البته امکان استفاده از بینیت هم در فاز سخت آن وجود داشته و گاه جایگزین مارتنزیت می‌شود. میزان درصد کربن در ترکیب این گرید باز هم افزایش یافته و از فولاد 600 DP بیشتر است. این موضوع، استحکام آن را هم تحت تاثیر قرار داده و هم در بخش تسلیم و هم در بخش کششی موجب افزایش آن گردیده است. استحکام تسلیم فولاد DP800 بین ۴۵۰ تا ۵۵۰ و استحکام کششی آن ۷۸۰ تا ۹۰۰ مگا پاسکال می‌باشد.

4- فولاد 1000 DP

از جمله مستحکم ترین گریدهای فولاد دو فازی می‌توان به فولاد 1000 DP اشاره کرد. این گرید عمدتا با استفاده از عملیات‌های حرارتی نورد گرم تولید شده و فازهای آن در اکثر موارد شامل فریت به عنوان فاز نرم و مارتنزیت به عنوان فاز سخت می‌باشند. شکل پذیری بالا و قابلیت جوشکاری مناسب مهمترین مزایای این گرید محسوب شده و در بخش‌های ایمنی خودروها به کار گرفته می‌شوند. درصد کربن موجود در گرید 1000 نسبت به گرید 800 بالاتر بوده تا باز هم استحکام آن بیشتر شود. استحکام تسلیم فولاد 1000 DP بین ۵۹۰ تا ۷۴۰ و استحکام کششی آن ۹۸۰ تا ۱۱۳۰ مگاپاسکال اندازه گیری شده است. بنابراین در مواردی که نیاز به استحکام کششی بالایی وجود داشته باشد، این گرید از فولاد دو فازی کاملا کاربردی خواهد بود.

فولادهای دو فازی نسبت به فولادهای معمولی ویژگی‌های منحصر به فردی دارند که انعطاف پذیری مناسب و استحکام بالا مهمترین آن‌ها به شمار می‌آيند. در واقع، یکی از مهمترین اهداف تولید این فولاد پیشرفته مقاومت بالا، رسیدن به این دو ویژگی به طور همزمان است. اگر چه در سایر انواع فولاد هم می‌توان شکل پذیری مناسب یا استحکام فوق العاده بالا را مشاهده کرد، اما وجود هر دو خاصیت به شکل همزمان در هیچ یک از نمونه‌های فولاد مانند دو فازی مشهود نیست. البته این نوع فولاد خود دارای گریدهای متفاوتی بوده که از نظر انعطاف پذیری، استحکام و سایر مشخصه‌ها با هم تفاوت دارند. با وجود این، یک سری ویژگی‌های مکانیکی و شیمیایی در اکثر گریدهای DP مشابه‌اند.

ویژگی‌ های فیزیکی و مکانیکی

بهبود خواص مکانیکی فولادهای دو فازی نسبت به فولاد معمولی یکی از مهمترین دلایل استفاده از آن‌ها در صنایع گوناگون به ویژه صنعت خودروسازی است. زیرا این ویژگی‌ها فولادهای دو فازی را به یکی از بهترین مواد لازم برای ساخت بخش‌های ایمنی اتومبیل‌ تبدیل کرده اند. برخی از مهمترین ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی این نوع فولاد که موجب مزیت آن نسبت به دیگر انواع فولاد گردیده است، عبارتند از:

1. انعطاف پذیری بالا
2. نسبت پایین استحکام تسلیم به کششی
3. استحکام کششی بالا
4. درجه سختی مناسب
5. خاصیت جوش پذیری بالا

ویژگی‌ های شیمیایی فولاد دو فازی

فولادهای DP از نظر ساختاری دارای دو فاز نرم و سخت می‌باشند. در اکثر موارد، بخش غالب حجمی این فولاد را فاز نرم تشکیل می‌دهد. فریت فاز نرم است و از سرد شدن تدریجی آستنیت ایجاد می‌شود. فاز سخت هم مارتنزیت بوده و از سرد شدن سریع آستنیت ایجاد می‌شود. فریت به عنوان فاز نرم در ترکیب فولاد دو فازی، انعطاف‌پذیری آن را بالا می‌برد. مارتنزیت هم فاز سخت را تشکیل می‌دهد و استحکام و سختی فولاد را بالا می‌برد. این درحالیست که در مورد رقیب فولادِ DP یعنی فولاد تریپ، بینیت فاز سخت را تشکیل می‌دهد. البته این خواص (میزان سختی و نرمی) از طریق عناصر مورد استفاده در ساختار فولاد هم قابل کنترل هستند.

کربن، منگنز و سیلیسم عناصر اصلی موجود در ترکیب شیمیایی فولادهای دو فازی هستند. افزایش یا کاهش درصد هر یک از این عناصر، موجب تغییر در ساختار شیمیایی فولاد و در نتیجه ویژگی‌های آن می‌شود. برای مثال، افزایش میزان کربن در ساختار فولاد در استحکام آن تاثیرگذار است. هر چه درصد کربن بیشتر باشد، استحکام تسلیم و کششی هم افزایش پیدا خواهد کرد. تغییر درصد سایر عناصر موجود در ترکیب شیمیایی فولاد سایر مشخصه‌های آن مانند درجه سختی و انعطاف پذیری را تحت تاثیر قرار خواهد داد.

ساختار نهایی فولادهای دو فازی از تبدیل آستنیت به فریت و مارتنزیت طی عملیات حرارتی به وجود می‌آید. بنابراین، اجرای صحیح عملیات از اهمیت زیادی برخوردار است. در این امر، عمدتاً از روش نورد گرم به توأم با عملیات حرارتی کنترل شده یا نورد سرد همراه با عملیات آنیل استفاده می‌شود. در روش اول، فرایند خنک سازی نقش قابل توجهی در شکل‌گیری ساختار نهایی فولاد دارد. زیرا با سرد کردن آهسته و تدریجی فولاد حرارت دیده در دماهای بالاتر، آستنیت به فریت تبدیل می‌شود. اما افزایش سرعت خنک‌سازی در دماهای پایین‌تر، منحر به تبدیل مقدار باقی مانده آستنیت به مارتنزیت خواهد شد. در روش تولید فولاد دو فازی از طریق نورد سرد با آنیلینگ نیز اجرای صحیحِ عملیات حرارتی در کنترل میزان آستنیت و بینیت باقی مانده، کاملا موثر است.