فولاد تریپ چیست و چه ویژگی و کاربردهایی دارد؟

فولاد تریپ نوعی فولاد کم آلیاژ است که به دلیل مقاومت مکانیکی و چقرمگی بالا، به صورت گسترده در صنایع خودروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فولاد در لاتین با عنوانTRIP Steel  شناخته می شود که مخفف عبارت «Transformation Induced Plasticity Steel» است. معنی آن هم تغییر شکل پلاستیسیته یا مومسان فولاد می‌باشد که در اثر تغییر دما رخ می‌دهد. این تغیر شکل در زمان حرارت دهی فولاد در فاز آستنیتی اتفاق افتاده و دلیل اصلی دفرمه شدن فولادهای تریپ محسوب می‌شود. فولاد تریپ در چند گرید مختلف تولید و به بازار عرضه می‌شود.

از نظر ساختاری هم این نوع فولاد دارای چند فاز مختلف است که مهمترین آن‌ها را فریت و بینیت تشکیل می‌دهند. اما علاوه بر این موارد، مقداری مارتنزیت و آستنیت باقی مانده هم در ترکیب وجود دارد. بخش اعظم ساختار فولادهای تریپ را فریت تشکیل داده و به عنوان زمینه اصلی ترکیب آن‌ها عمل می‌کند. فریت فاز نرم محسوب شده و برخی خواص فولادTRIP  مانند انعطاف پذیری و شکل پذیری مربوط به آن است. از طرف دیگر، بینیت و مارتنزیت موجب افزایش سختی فولاد گردیده و استحکام آن را افزایش می‌دهند. در نتیجه، فولاد تریپ با برخورداری از این ویژگی‌ها به صورت همزمان، به ماده‌ای فوق العاده مناسب برای تولید بخش‌های مختلف اتومبیل تبدیل شده است.

ساختار فولادهای تریب و عناصر به کار رفته در آن‌‌ها موجب ایجاد خواص منحصر به فردی گردیده که شکل پذیری مناسب در عین استحکام، مهمترین آن‌ها به شمار می‌آيد. این ويژگی‌ها باعث شده فولاد TRIP برای استفاده در صنایع مختلف به ویژه اتومبیل سازی، کاربرد فراوانی داشته باشد. در حالت کلی، می‌توان مشخصات و ویژگی‌های این نوع مهم از فولادهای چند فازی را در دو دسته خواص مکانیکی و خواص شیمیایی مورد بررسی قرار داد.

فولاد تریپ از نظر ترکیب شیمیایی دارای چند فاز مختلف می‌باشد که شامل فریت، بینیت، مارتنزیت و مقداری آستنیت باقی مانده هستند. به طور معمول، حداقل ۵ درصد از ترکیب این نوع فولاد را آستنیت باقی مانده تشکیل می‌دهد. مقدار مارتنزیت به عنوان یکی از فازهای سخت، نسبت به آستنیت باقی مانده تا حدودی بیشتر است. اگرچه این اختلاف درصد چندان زیاد نیست. اما بینیت به عنوان یک فاز سخت، میزان قابل توجهی از ترکیب فولادهای تریپ را به خود اختصاص می‌دهد. با وجود این، بیشترین درصد ترکیب شیمیایی فولاد TRIP مربوط به فریت می‌باشد که فاز نرم این فولاد را تشکیل می‌دهد. در واقع، می‌توان گفت که سایر بخش‌ها در ماتریسی از فریت تعبیه شده اند.

از نظر عناصر ساختاری، کربن، منگنز و سیلسیم مهمترین عنصرهایی هستند که در ساختار شیمیایی فولاد تریپ به کار رفته اند. از عناصر دیگری همچون آلومینیوم، فسفر و گوگرد هم به میزان کمتر در ترکیب فولادهای تریپ استفاده می‌شود. نکته قابل توجه در این رابطه، درصد بالاتر عنصر کربن در ساختار این نوع فولاد نسبت به سایر اعضای خانواده فولادهای پیشرفته با استحکام بالا یا AHSS (Advanced High-Strength Steel) است. افزایش میزان کربن موجود در ترکیب فولادهای تریپ، تا حد زیادی به تثبیت آستنیت باقی مانده در زیر دمای معمول محیط کمک می‌کند. سیلیسیم و آلومینیوم هم موجب تسریع فرایند تشکیل فریت و بینیت گردیده و از تجمع کاربید در ناحیه بینیت جلوگیری می‌کنند.

وجود چند فاز نرم و سخت در ترکیب فولادهای تریپ موجب شده تا ویژگی‌هایی که در هر یک از انواع مختلف فولاد به تنهایی وجود دارد، در این نوع فولاد جمع شود. برای مثال، انعطاف پذیری و شکل پذیری مناسب یکی از مهمترین مشخصات مکانیکی فولاد TRIP به شمار می‌آید که دلیل اصلی آن وجود مقدار قابل ملاحظه فریت در ساختار آن است. از طرف دیگر، بینیت و مارتنزیت به دلیل خاصیت سختی بالایی که دارند، استحکام این نوع فولاد را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهند. به طور کلی، تعدادی از مهمترین خواص فیزیکی و مکانیکی فولاد تریپ، عبارتند از:

1. شکل پذیری مناسب
2. اجرای راحت عملیات آنیلینگ
3. استحکام بالا
4. قابلیت کاهش وزن
5. سخت شدن پخت
6. عملکرد خستگی مناسب

1- شکل پذیری مناسب

انعطاف‌پذیری بالای فولادهای تریپ باعث شده تا بتوان آن‌ها را در اشکال گوناگونی تولید کرد. همچنین می‌توان از این نوع فولاد برای ساخت قطعات با هندسه پیچیده استفاده نمود. بدون این که دچار شکستگی یا آسیب دیدگی شوند. از این رو فولاد TRIP یک ماده کاملا مناسب برای ساخت قطعات و بخش‌های مختلف اتومبیل به شمار می‌آيد که معمولا اشکال پیچیده ای دارند. وجود میزان قابل توجهی فریت به عنوان یک فاز نرم در ترکیب این نوع فولاد، مهمترین دلیل خاصیت شکل پذیری آن محسوب می‌شود.

2- اجرای آسان عملیات آنیلینگ

همواره جهت بهبود خواص آلیازهای فولادی، از یک سری عملیات‌های حرارتی استفاده می‌شود. آنیلینگ یکی از این عملیات است. اجرای آنیل بر فولاد تریپ به خوبی امکان‌پذیر است و این موضوع هم یکی از خواص مکانیکی مناسب آن به شمار می‌آید. این عملیات به صورت آهسته، زیر نقطه ذوب و بالای نقطه بحرانی انجام می‌گیرد. البته دمای دقیق آنیل برای هر نوع فولاد از جمله نمونه‌های تریپ، بسته به درصد سلیسیم و سایر خواص ساختاری، متفاوت است.

3- استحکام بالا از ویژگی های فولاد تریپ

استحکام بالا عمدتاً ناشی از حضور فازهای سخت موجود در ترکیب فولادهای تریپ است. بینیت که بخش قابل توجهی از ترکیب این نوع فولاد را به خود اختصاص می‌دهد، یک فاز سخت محسوب شده و افزایش استحکام را به دنبال دارد. مارتنزیت هم که البته درصد آن نسبت به بینیت کمتر است، و در این استحکام تاثیرگذار است.

4- قابلیت کاهش وزن

یکی دیگر از ویژگی‌های برجسته فولاد TRIP، وزن پایین نسبت به استحکام است. به عبارت دیگر، وزن این فولاد نسبت به فولاد معمولی برای تولید یک میزان استحکام ثابت، کمتر است. ویژگی‌های انعطاف پذیری و استحکام بالا به صورت همزمان در یک آلیاژ، مزیت فوق العاده‌ای است که با کشف فولادهای تریپ و دو فازی در قرن بیستم به دست آمد. در واقع، تولید این نمونه‌های پیشرفته و جدید فولاد نقطه عطفی در تاریخ خودروسازی به شمار می‌آید. زیرا امکان تامین استحکام لازم برای ساخت قطعات و بخش‌های مختلف اتومبیل با استفاده از وزن پایین تر فولاد، فراهم شد.

5- سختی پخت

از دیگر ویژگی‌های فولاد تریپ که بر استحکام تسلیم آن هم تاثیر دارد، سختی پخت (Bake hardening) است. فولادهای تریب تقریبا در تمامی گریدها دارای ظرفیت سختی پخت عالی هستند. همین ویژگی افزایش استحکام تسلیم آن‌ها را به دنبال دارد. امکان افزایش مقاومت تسلیم این فولادها در اثر خاصیت سختی پخت، طی یک چرخه پخت معمولی تا ۷۰ مگا پاسکال وجود دارد که میزان قابل توجهی برای فولاد محسوب می‌شود.

6- عملکرد مناسب خستگی

فولاد TRIP از نظر عملکرد مناسب خستگی هم نسبت به اکثر گریدهای فولاد معمولی برتری دارد. زیرا نسبت به فولادهای معمولی HSLA (high strength low alloy) یا فولادهای با استحکام بالا و آلیاژ کم، از استحکام خستگی بالاتری برخوردار است.

فولاد تریپ طی عملیات حرارتی و با چند روش مختلف تولید می‌شود که شامل نورد سرد، نورد گرم و گالوانیزه عمقی گرم هستند. بسته به نوع عملیات سخت کاری فولاد و روش مورد استفاده جهت تولید فولادهای تریپ، خواص مکانیکی آن‌ها هم متفاوت خواهد بود. در حالت کلی، فولاد TRIP از تغییر شکل پلاستیکی فولاد در فاز آستنیتی ایجاد می‌شود. این فرایند در تمامی روش‌های تولید یکسان بوده و تفاوت روش‌های مختلف عمدتا در برخی جزئيات و مسیر انجام فرایند می‌باشد. برای تولید فولاد تریپ از فولاد آستنیتی لازم است یک سری مراحل طی شود. انجام صحیح هر یک از این مراحل در کیفیت محصول نهایی تاثیر گذار است. مراحل تولید فولاد تریپ:

1. حرارت دهی فولاد
2. خنک سازی محدود فولاد
3. ایجاد فاز بینیت
4. تولید فاز مارتنزیت

منظور از اثر تریپ (TRIP effect) در فرایند تولید فولاد تریپ، تشکیل مارتنزیت بر اثر دفرمه شدن یا شکل گیری جدید فولاد است. دفرمه شدن فولاد می‌تواند با دو روش مختلف انجام گیرد که این موارد ناشی از اعمال تنش (stress-induced) یا تغییر شکل (deformation-induced) هستند. اثر تریپ به حالت دوم یعنی دفرمه شدن فولاد بر اثر تغییر شکل اشاره دارد. هنگامی که طی فرایند تولید فولاد TRIP دمای آستنیت باقی مانده به پایین تر از دمای بحرانی برسد، دفرمه شده و به مارتنزیت تبدیل می‌شود. البته این تبدیل زمانی اتفاق می‌افتد که میزان مشخصی کرنش بحرانی به ساختار آن اعمال شود.

به محض این که کرنش وارده به ساختار آستنیت باقی مانده به منطقه بحرانی برسد، تبدیل آستنیت نیمه پایدار و سرشار از کربن به مارتنزیت آغاز خواهد شد. به این ترتیب، می‌توان نتیجه گرفت که فولاد تریپ در پی تغییر شکل پلاسیتکی، سخت می‌شود. در همین راستا، اثر تریپ بدین معنی است که تبدیل آستنیت باقی مانده به مارتنزیت موجب سخت شدن فولاد خواهد شد. اگر این اثر در تمام بخش‌های فولاد اتفاق بیافتد، یک فولاد با نرخ کرنش سختی بالا به وجود می‌آید که از داکتیلیته مطلوبی هم برخوردار است. منظور از داکتیلیته، تعادل بین استحکام و چکش خواری است. این که اثر تریپ تا چه اندازه در فولادهای تریپ رخ می‌دهد، تا حد زیادی به عناصر کربن، منگنز، آلومینیوم و به ویژه سیلیسیم بستگی دارد. زیرا سیلیسیم از طریق تشکیل محلول جامد، سخت شدن فولاد را به دنبال دارد.

فولاد تریپ با توجه به ترکیب شیمیایی، روش تولید و درصد عناصر موجود در ترکیب خود، دارای گریدهای مختلفی است. هر یک از گریدهای فولاد TRIP دارای ویژگی‌ها و خواص منحصر به فردی بوده و بیشتر جهت استفاده در یک سری صنایع کاربرد دارند. از آنجا که قیمت گریدهای گوناگون این نوع فولاد با هم یکسان نیست، با شناخت خواص و ویژگی‌های انواع مختلف آن‌ها، می‌توان برای هر کاربرد بهترین گزینه ممکن را از نظر فیزیکی و اقتصادی انتخاب نمود. گریدهای مختلفی از فولاد تریپ در بازار وجود دارد. اما دو گرید مهم آن عبارتند از:

1. فولاد TRIP 700
2. فولاد TRIP 800

1- گرید TRIP 700

گرید 700 از رایج‌ترین گریدهای فولاد TRIP به شمار می‌آيند که استحکام بالایی دارد. این گرید در صنایع گوناگون مورد استفاده قرار می‌گیرد و در صنعت خودروسازی از کاربرد فراوانی برخوردار است. با توجه به استحکام فوق العاده مناسب، از آن عمدتا جهت ساخت شاسی‌های خودرو که از مهمترین بخش‌های خودرو است، استفاده می‌شود. استحکام تسلیم گرید TRIP 700 بین ۴۰۰ تا ۵۲۰ مگا پاسکال است. استحکام کششی آن نیز بین ۶۹۰ تا ۸۰۰ مگا پاسکال قرار دارد که میزان قابل توجهی است.

در ساختار گرید 700 فولاد تریپ، از مقدار قابل توجهی کربن، سیلسیوم و منگنز استفاده شده است. آلومینیوم، فسفر و گوگرد موجب بهبود خواص آن می‌گردند و به مقدار کمتری در ترکیب آن وجود دارند. به منظور محافظت از فولاد در برابر اکسیداسیون، امکان پوشش دهی آن با روش‌های مختلفی وجود دارد. رایج‌ترین شیوه انجام این کار، گالوانیزاسیون به روش الکتروگالوانیزه است. پوشش دهی با فلزِ روی، مقاومت فولاد را به میزان قابل توجهی در برابر رطوبت و خوردگی افزایش می‌دهد.

2- TRIP 800 مهمترین گرید فولاد تریپ

TRIP 800 در صنایع گوناگون به ویژه خودروسازی کاربرد فروانی دارد. این گرید بیشتر جهت ساخت ریل‌های سقف و پنل داشبورد اتومبیل‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. TRIP 800 هم از نظر استحکام تسلیم و هم از نظر مقاومت کششی نسبت به گرید TRIP 700 برتری دارد.

• استحکام تسلیم آن بین ۴۵۰ تا ۵۷۰ مگا پاسکال است. این مقدار، هم در حالت کمینه و هم حالت بیشینه حدود ۵۰ مگا پاسکال از گرید 700 بالاتر است.
• استحکام کششی گرید TRIP 800 هم بین ۷۸۰ تا ۹۱۰ مگا پاسکال می‌باشد که نسبت به گرید ۷۰۰ در هر دو حالت کمینه و بیشینه، حدود ۱۰۰ مگا پاسکال بیشتر است.

با توجه به مقاومت و استحکام بالاتر فولاد TRIP 800 نسبت به گرید 700 آن، از این نوع فولاد در بخش‌هایی استفاده می‌شود که نیاز به استحکام بالاتری وجود داشته باشد. مقادیر بیشتر کربن و منگنز در ترکیب شیمیایی این گرید، مهمترین علت افزایش استحکام تسلیم و کششی آن نسبت به TRIP 700 است. سایر عناصر آلیاژی مانند آلومینیوم، فسفر، گوگرد و حتی سلیسیم به میزان یکسانی در آن‌ها استفاده شده است. برای پوشش دهی TRIP 800 و افزایش مقاومت آن در برابر زنگ زدن و خوردگی، می‌توان آن را روی اندود کرد. از میان روش های گالوانیزه کردن، الکتروگالوانیزه رایج‌ترین روش برای روی اندود کردن فولاد تریپ گرید 800 به شمار می‌آید.