انواع فولاد پیشرفته مقاومت بالا، ویژگی و مزیت ها

به نسلی از آلیاژ فولاد که ترکیبی منحصر به فرد از دوام، استحکام بالا و شکل پذیری ارائه می‌دهد، فولاد پیشرفته با مقاومت بالا (Advanced High Strength Steel) یا به اختصار AHSS گفته می‌شود. این نوع فولاد در صنایع مختلف به ویژه خودروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. فولادهای کم کربن معمولی در ریزساختار خود نزدیک به ۱۰۰ درصد فریت دارند. در حالی که فولادهای پیشرفته بسته به نوع‌شان، دارای ریزساختارهای متفاوتی هستند. علاوه بر فریت، مارتنزیت، آستنیت و بینیت از دیگر فازهای موجود در ریزساختار فولادهای پیشرفته محسوب می‌شوند که موجب تغییر ویژگی‌های AHSS گردیده‌اند. علاوه بر این تفاوت ساختاری، افزودن عناصری مانند سیلیسیم، منگنز، کروم، مولیبدن، وانادیوم و نیکل موجب ایجاد برخی خواص ویژه در ساختار آن‌ها می‌شود. استحکام کششی بالا، شکل پذیری مناسب، درجه سختی بالا و وزن پایین، مهمترین خواص فولادهای AHSS به شمار می‌آيند.

ایجاد خواص مد نظر در ساختار فولاد پیشرفته عمدتا با استفاده از فرایندهای گرمایشی و سرمایشی دقیق و مکانیزم‌های تقویتی انجام می‌گیرد. گریدهای اولیه این نوع فولاد بر روی خطوط بازپخت پیوسته و با فناوری پیشرفته تولید می‌شوند. به این صورت که ابتدا حرارت بالایی را تحمل کرده و به دنبال آن، فرایند خنک سازی با شرایط کنترل شده انجام می‌گیرد. کنترل خنک سازی فولاد منجر به ایجاد فازهای جدید در ساختار فولاد از جمله آستنیت خواهد شد. گریدهای مختلف فولادهای با مقاومت بالای پیشرفته، بسته به ترکیب و ریزساختار خود خواص متفاوتی را ارائه می‌دهند. برای مثال، برخی از آن‌ها دارای درجه سختی بالاتری بوده و برخی دیگر شکل پذیری بیشتری دارند. اگر چه فولادهای پیشرفته در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما بیشترین کاربرد آن‌ها در صنعت خودروسازی است. زیرا در عین استحکام، سختی و شکل پذیری بالا، از وزن پایینی برخوردارند.

در حالت کلی، امکان استفاده از فولادهای استحکام بالای پیشرفته در هر جایی که به استحکام بالا، شکل پذیری مناسب و وزن پایین نیاز باشد، وجود دارد. با توجه به این که فولادهای پیشرفته تمام این ویژگی‌ها را به صورت همزمان ارائه می‌دهند، می‌توانند جایگزین خوبی برای آلیاژهای گران قیمت باشند. همچنین در بسیاری از موارد، به کارگیری قطعات یکپارچه فولاد پیشرفته نیاز به اتصال چندین قطعه با ویژگی‌های مختلف را رفع می کند. در حالی که این نوع فولاد طی سال‌های اخیر در صنعت خودرو به شدت مورد توجه قرار ‌گرفته‌اند، در سایر صنایع هم جایگاه خود را به دست آورده‌اند.

ویژگی‌های ایمنی تصادف فولادهای با مقاومت بالا، آن‌ها را به گزینه‌ ای ایده آل در سیستم‌های حمل و نقل ریلی تبدیل کرده است. همچنین با توجه به خواص منحصر به فرد فولاد AHSS از جمله استحکام بالا و وزن سبک، عملکرد موتور و شاخص‌های سرعت را نه تنها برای خودرو بلکه برای هواپیماها، کشتی و قطارها هم بهبود می‌بخشد. استفاده از فولادهای با استحکام بالای پیشرفته برای ساخت خودرو و سایر وسایل حمل و نقل، با کاهش مصرف سوخت نقش موثری هم در صرفه جویی انرژی خواهند داشت. به این ترتیب، برخی از مهمترین کاربردهای فولاد پیشرفته مقاومت بالا در خودروسازی و سایر صنایع، شامل موارد زیر می‌باشند:

• صنعت خودروسازی؛ در حال حاضر، بیشترین کاربرد فولادهای پیشرفته مربوط به صنعت خودرو است. ستون‌ها، ریل‌های سقف، قاب‌های اکستنشن، چرخ‌ها، قفسه ایمنی، بخش‌های مختلف بدنه، درها و صندلی رایج‌ترین قطعات خودرو هستند که با فولاد پیشرفته تولید می‌شوند. ورقی که برای خودروها استفاده می‌گردد، معمولاً ورق های St هستند. این ورق‌ها روی اندود می‌شود و به صورت ورق گالوانیزه مورد استفاده قرار می‌گیرند. 
• سیستم‌های حمل و نقل ریلی
• صنایع دریایی و کشتی سازی
• هوافضا و ساخت هواپیما
• ساخت تجهیزات حوزه انرژي

به طور معمول، فولادهایی که دارای سطوح مقاومت تسلیم ۵۵۰ مگاپاسکال یا بالاتر باشند، به عنوان فولاد پیشرفته مقاومت بالا شناخته می‌شوند. این فولادها ممکن است از نظر نسل، در گروه نسل اول، دوم یا سوم قرار بگیرند. ویژگی‌ها و خواص هر یک از این فولادها مانند ترکیب شیمیایی و ریزساختار با هم تفاوت دارد. از این رو کاربردهای متفاوتی هم داشته و برای برآورده سازی نیازهای مختلف در صنعت خودروسازی یا صنایع دیگر، به کار گرفته می‌شوند. بنابراین آشنایی با ویژگی‌ها و خواص گریدهای مختلف فولاد استحکام بالای پیشرفته در هر نسل، جهت انتخاب بهترین گزینه ممکن برای هر مورد مصرف، حائز اهمیت است. بر اساس یک دسته بندی کلی، مهمترین انواع فولاد پیشرفته عبارتند از:

1. فولاد دو فازی (DP)
2. فولاد فاز پیچیده یا چند فازی (CP)
3. فولاد مارتنزیتی (MS)
4. فولاد سخت شده با فشار (PHS) یا گرم (HF)
5. پلاستیکی ناشی از تبدیل (TRIP)
6. پلاستیسیته ناشی از دوقلو (TWIP)
7. فولادTBF
8. فولاد Q&P

تقاضای بالا و ایجاد نیازهای جدید در صنعت خودرو، منجر به گسترش تلاش‌های تحقیقاتی برای توسعه AHSS و دستیابی به اهداف عملکردی مورد نیاز گردید. در نتیجه، طی دو دهه اخیر، انواع مختلفی از AHSS با ترکیبات شیمیایی و ریزساختارهای پیچیده و منحصر به فرد، تولید و توسعه یافته‌اند. خودروسازان سال‌ها است که از فولادهای با مقاومت بالا جهت ساخت بخش‌های مختلف خودروهایشان استفاده می‌کنند. در طول این مدت، معایب هر نسل فولاد، شناسایی شده و با بهبود فرایندهای تولید، خواص کلی نسل بعدی بهبود یافته است. به این ترتیب، انواع مختلفی از فولادهای با استحکام بالا و شکل پذیری مناسب ایجاد شده است. این فولادها در عین حال، الزامات مربوط به عملکرد تصادف، خستگی، چقرمگی، سختی و دیگر ویژگی‌ها را هم برآورده می‌سازد. به طور کلی، فولادهای پیشرفته مقاومت بالا از نظر نسل به سه دسته مختلف تقسیم می‌شوند که هر یک ویژگی‌های خاصی را ارائه می‌دهند.

1. نسل اول AHSS: نسل اول با اضافه کردن عناصر آلیاژی به فولادهای کم کربن (مثل ورق سیاه St37) ساخته می‌شوند. این نسل الانگیشن پایین و استحکام بالایی دارد.
2. نسل دوم AHSS: این نسل از فولادهای پیشرفته مقاومت بالا، الانگیشن و استحکام بالایی دارد. هزینه بالا ودشواری اتصال آن به سایر انواع فولاد، از چالش های AHSS نسل دوم است.
3. نسل سوم AHSS: استحکام و الانگیشن مشابه به نسل دو است. اما از چالش‌های هزینه و اتصال در آن خبری نیست. همچنین خواص کششی و چکش خواری مناسب داشته و در کنار کاهش قابل توجه وزن، ماده اولیۀ کاملا مناسبی برای صنعت خودروسازی محسوب می‌شود.

نسل جدید فولادهای مقاومت بالا یعنی فولاد پیشرفته، ویژگی‌های منحصر به فردی دارد. ویژگی هایی که آن‌ها را به گزینه‌‌ای مناسب برای استفاده در صنایع گوناگون به ویژه خودروسازی تبدیل کرده است. البته می‌توان گفت  که پیشرفت و توسعه فولادهای AHSS تا حد زیادی متاثر از نیازها و الزامات جدید در صنعت خودرو است. زیرا بیش از هر حوزه و صنعت دیگری، فولاد با استحکام بالای پیشرفته برای ساخت قطعات و بخش‌های مختلف خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد. از این رو، ویژگی‌های آن هم به سمتی حرکت کرده که بتواند به شکلی مناسب پاسخ گوی نیازهای موجود در صنعت خودروسازی باشد. در همین راستا، فولاد پیشرفته مقاومت بالا با طی کردن مراحل توسعه، به یک سری ویژگی‌ها و خواص فوق العاده مناسب مکانیکی و شیمیایی دست یافته است.

1. ویژگی های فیزیکی و مکانیکی
2. ویژگی های شیمیایی

به منظور افزایش ایمنی خودرو، افزایش سرعت و بهبود عملکرد موتور، باید از فولادی با ویژگی‌های خاص استفاده شود که بتواند مجموعه خواص مورد نیاز را در کنار هم ارائه دهد. فولادهای با استحکام بالای پیشرفته با وزن سبک، استحکام بالا و انعطاف پذیری مناسب، به خوبی این مجموعه خواص را فراهم کرده و نسبت به فولادهای سنتی مزیت کامل دارند. به این ترتیب، تعدادی از مهمترین ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی فولادهای پیشرفته که آن‌ها را به گزینه ای مناسب برای استفاده در صنعت خودرو و سایر صنایع مشابه تبدیل کرده، عبارتند از:

1. استحکام فوق العاده بالا
2. وزن سبک
3. انعطاف پذیری و شکل پذیری عالی

1- استحکام فوق العاده بالا

از جمله ویژگی‌های بسیار مهم فولاد AHSS، می‌توان به قدرت و استحکام بالا اشاره کرد. این نوع فولاد در گریدهای مختلف، استحکام کششی بین ۵۹۰ تا ۲۰۰۰ مگاپاسکال ارائه می‌دهند. در حالی که حداکثر قدرت و استحکام کششی فولادهای نسل قبل یعنی فولاد با مقاومت بالا (HSS) نزدیک به ۸۰۰ مگاپاسکال است. فولادهای معمولی و سنتی هم به مراتب استحکامی کمتر از این مقادیر ارائه خواهند داد. به همین خاطر، استفاده از فولاد پیشرفته مقاومت بالا این امکان را می‌دهد که بسته به مورد مصرف، استحکام لازم را در بالاترین میزان ممکن ایجاد کنید. این خاصیت باعث شده تا برای مستحکم سازی بخش‌های مختلف خودرو و افزایش ایمنی سرنشینان، فولادهای با استحکام بالای پیشرفته به یک ماده بی رقیب تبدیل شوند.

2- وزن سبک از مشخصه های فولاد پیشرفته مقاومت بالا

وزن سبک و بسیار پایین تر فولاد مقاومت بالای پیشرفته نسبت به فولادهای سنتی، ویژگی مناسب دیگر این نوع فولاد محسوب می‌شود. به این صورت که هنگام استفاده از دو نمونه فولاد سنتی و پیشرفته برای دستیابی به مقاومتی یکسان، وزن نمونه پیشرفته می‌تواند تا ۳۵ درصد پایین تر باشد. این همان خاصیت منحصر به فردی است که صنعت خودروسازی به آن نیاز دارد. زیرا فولاد پیشرفته با ایجاد استحکام مناسب همراه با کاهش وزن، امکان افزایش سرعت خودرو را به میزان قابل توجهی فراهم می‌سازد. از سوی دیگر، کاهش وزن موجب کاهش مصرف سوخت گردیده و برای مصرف کننده هم مزیت ایجاد می‌کند. اکثر کارخانه‌های مطرح خودروساز دنیا جهت پایین آوردن وزن خودروهایشان، از فولادهای AHSS استفاده می‌کنند. اگر چه هنوز هم خودروهای زیادی عمدتا در کشورهای در حال توسعه مانند ایران، از فولاد کربنی ساده تولید می‌شوند.

3- انعطاف پذیری و شکل پذیری عالی

فولاد با مقاومت بالای پیشرفته در کنار استحکام بالا و وزن سبک، از انعطاف پذیری بالایی هم برخوردار است. به این ترتیب، امکان ساخت تجهیزاتی مستحکم با اشکال پیچیده را فراهم می‌سازد. خاصیت شکل پذیری فولادهای پیشرفته باعث شده تا برای ساخت بسیاری از قطعات و تجهیزات خودرو مانند اعضای متقاطع، ستون‌ها، اکستنشن‌های قابل، ریل‌های سقف و چرخ‌ها گزینه مناسبی باشند. مهمترین دلیل انعطاف پذیری این نوع فولاد، وجود فاز آستنیت باقی مانده در ریزساختار آن می‌باشد که با تبدیل به مارتنزیت، شکل پذیری خوبی ایجاد می‌کند. البته بسته به ترکیب و ریزساختار، گریدهای مختلف فولاد پیشرفته مقاومت بالا در خاصیت شکل پذیری متفاوتی هستند. برای مثال، برخی از این فولادها ریزساختار دقیق تر و انعطاف پذیری لبه بیشتری دارند. به این ترتیب، احتمال خرابی، شکست و ترک خوردگی میکرو در قطعاتی با لبه‌های برش خورده را کاهش می‌دهند.

فولادهای پیشرفته عمدتا با فزودن عناصر آلیاژی به فولادهای کم کربن و تحت فرایندهای پیچیده و با کنترل دما، تولید می‌شوند. این نوع فولاد معمولا در ساختار خود دارای چند فاز مختلف شامل مارتنزیت، فریت، آستنیت و بینیت می‌باشد. از این رو بسته به نوع فرایند تولید، میزان عناصر آلیاژی، تعداد فازها و حجم هر یک، گریدهای مختلف فولاد AHSS ویژگی‌های شیمیایی مختلفی از خود بروز می‌دهند. با وجود این، فولادهای پیشرفته از نظر بسیاری از ویژگی‌های شیمیایی نسبت به فولادهای معمولی برتری دارند. الانگیشن، استحکام کششی، استحکام تسلیم، قابلیت چکش خواری، تنش کششی و تا حدودی مقاومت در برابر خوردگی، مهمترین ویژگی‌های شیمیایی برتر این نوع فولاد محسوب می‌شوند. البته هر کدام از این ویژگی‌ها ممکن است در نوع خاصی از فولاد پیشرفته، بیشتر مشاهده شود. برای مثال، میزان طویل شدگی فولادهای پیشرفته نسل اول نسبت به نسل دوم و سوم پایین‌تر است.

خواص و ویژگی‌های منحصر به فرد فولاد استحکام بالای پیشرفته، مزایای فراوانی برای آن ایجاد کرده است. به همین خاطر، این محصول به صورت گسترده در صنعت خودروسازی مورد استفاده است. همچنین، به شکل محدودتر در برخی صنایع مهم مانند هوافضا، حمل و نقل ریلی، انرژی، دریایی و کشتی سازی مورد کاربرد دارد. اما در کنار این مزایا، تولید و استفاده از فولادهای AHSS چالش‌های خاص خود را دارند. به منظور استفاده از این نوع فولاد، باید شناخت کاملی از مزایا و کاستی‌ها داشته و آن‌ها را با دقت بررسی کنید. مقایسه مزایا و چالش‌های موجود این امکان را فراهم می‌کند که بسته به نوع کاربرد و مورد مصرف، برای استفاده از فولاد پیشرفته به عنوان جایگزینی برای فولادهای ساده کربنی، تصمیم گیری کنید.

مزیت ها

مزیت آلیاژ فولاد پیشرفته نسبت به فولادهای سنتی به حدی زیاد است که در اکثر موارد، تصمیم گیری برای استفاده از آن‌ها را ساده می‌کند. این مزیت‌ها به‌خصوص در صنعت خودروسازی بسیار کاربردی بوده و به راحتی چالش‌های موجود را خنثی می‌کند. مهمترین مزایای AHSS در ادامه بیان شده است.

• قدرت و استحکام بالاتر
• انعطاف پذیری و شکل پذیری عالی
• چقرمگی و قابلیت چکش خواری
• استحکام تسلیم بالا
• وزن سبک و نسبت وزن به مقاومت فوق العاده مناسب
• تنش کششی بالا
• دوام و طول عمر زیاد
• جذب انرژی بالا
• امکان ساخت قطعات مستحکم و پیچیده

چالش‌های فولاد مقاومت بالای پیشرفته

اگر چه توسعه نسل جدید فولادهای با استحکام بالا یعنی AHSS مزایای زیادی ایجاد می‌کند، اما چالش‌هایی را هم به همراه دارد. زیرا کار با این نوع فولاد و قطعاتی که با استفاده از آن ساخته می‌شوند، مستلزم تغییراتی در طراحی و فرایند تولید است. استحکام فوق العاده بالای فولادهای پیشرفته در کنار مکانیسم‌های پیچیده آسیب، شکست و حساسیت‌های موجود نسبت به ترک خوردگی، مهمترین منبع چالش‌های استفاده از این نوع فولاد به شمار می‌آيند. به طور کلی، مهمترین کاستی‌ها و چالش‌های فولاد مقاومت بالای پیشرفته، عبارتند از:

• سایش ابزار کار: افزایش استحکام و شکل پذیری فولادهای با استحکام بالای پیشرفته، مستلزم افزایش محتوای آلیاژی آن‌ها است. در همین راستا، برای شکل‌دهی آن‌ها، به اعمال نیروی بیشتری نیاز است.فشار و نیروی زیاد منجر به سایش سریع‌تر و خرابی ابزار کار و قالب‌ها می‌گردد.
• جوش پذیری: گرمایش و سرمایش سریعی که طیّ فرایند جوشکاری رخ می‌دهد، بر ساختارهای کربن و محتوای آلیاژی فولادهای پیشرفته، تاثیر منفی می‌گذارد.
• افزایش هزینه‌ها: به دلیل استفاد از عناصر آلیاژی گران قیمت با درصدهای بالا در ترکیب فولاد پیشرفته، هزینه تولید و استفاده از این نوع فولاد هم افزایش می‌یابد. به همین خاطر، استفاده از نسل سوم فولادهای پیشرفته که مقادیر قابل توجه منگنز در ترکیب دارند، بسیار محدود است.
• دشوار شدن تعیین دقیق ابعاد نهایی قطعه که به دلیل الانگیشن و برگشت فنری بالای فولادهای AHSS است.
• ریز ترک‌های موضعی که به عنوان ترک لبه ایجاد می‌شوند، به دلیل عدم شکل پذیری موضعی ایجاد می‌شوند. احتمال رخداد این ترک‌ها برای گریدها‌ی با مقامت بسیار بالا، وجود دارد.