فولاد چند فازی (فولاد پیچیده) چیست و چه کاربردی دارد؟

فولاد چند فازی (multiple Phase Steels) نوعی از فولادهای پیشرفته با مقاومت بالا است که استحکام کششی و انعطاف پذیری بالایی دارد. فولاد چند فازی که با عنوان فولاد پیچیده (Complex Phase steel/ به اختصار CP steels) هم شناخته می‌شود. این آلیاژ در ترکیب شیمیایی خود، چند فاز نرم و سخت دارد. با تغییر درصد و حجم هر یک از فازها، ویژگی‌های آلیاژ تغییر خواهد کرد. فاز نرم در فولادهای پیچیده شامل فریت و بینیت بوده و بخش عمده ساختار را تشکیل می‌دهند. مارتنزیت، آستنیت باقی مانده و در برخی موارد پرلیت، فاز سخت CP steels هستند.

فاز سخت در ماتریس فریتی – بینیتی پراکنده می‌شود. ترکیب شیمیایی و ریزساختار فولادهای چند فازی تا حد زیادی مشابه با فولاد تریب است. مهمترین تفاوت آن‌ها، وجود یک سری عناصر جدید در ترکیب نمونه پیچیده فولاد شامل نیوبیوم (Nb)، تیتانیوم (Ti) و یا وانادیم (V) می‌باشد. اضافه کردن این عناصر به ترکیب شیمیایی فولادهای فاز پیچیده، استحکام و مقاومت آن‌ها را به میزان قابل توجهی تقویت خواهد کرد.

همانند فولادهای معمولی، فولاد CP نیز با دو روش نورد گرم و نورد سرد تولید می‌شود و محصول نهایی در هر روش از نظر بسیاری از ویژگی‌های با هم تفاوت دارند. برای مثال، ضخامت فولادهایی که در فرایند نورد گرم تولید می‌گردد نسبت به فولادهای نورد سرد بیشتر است. به همین خاطر، فولادهای پیچیده تولید شده با روش نورد گرم عمدتا برای تولید قطعات ساختاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. نمونه‌های نورد سرد این نوع فولاد در چهار نوع A، B، C و D وجود دارند. هر یک از این چهار نوع کاربردهای خاص خود را دارند. به منظور محافظت از فولاد فاز پیچیده در برابر خوردگی، در موارد لازم می‌توان آن را روی اندود کرد. به این ترتیب، ورق گالوانیزه و سایر مقاطع گالوانیزه تولید می‌شود.

MPS به دلیل استحکام کششی بالا، انعطاف پذیری مناسب و وزن سبک، در صنایع مختلف به کار گرفته می‌شود. اما بیشترین موارد استفاده آن ها، مربوط به بخش‌های مختلف صنعت خودروسازی است.

فولادهای پیچیده خود گروهی از فولادهای پیشرفته مقاوت بالا هستند. می‌توان آن‌ها را بر اساس فاکتورهای مختلف دسته بندی کرد. این آلیاژ در حالت کلی با دو روش نورد گرم و نورد سرد ایجاد می‌شود. آن‌هایی که در فرایند نورد گرم تولید می‌شوند، معمولا ضخامت بالاتری نسبت به محصولات نورد سرد دارد. فولادهای CP که به روش نورد سرد تولید می‌شوند، دارای چند نوع مختلف بوده و هر یک از نظر ضخامت و سایر ویژگی‌ها با هم متفاوتند. البته  فولادهای CP را بر اساس میزان استحکام کششی نیز دسته بندی می‌کنند، اما دسته بندی از نظر نورد سرد رایج‌تر است. به طور کلی، انواع فولادهای CP که با روش نورد سرد تولید می‌شوند، عبارتند از:

• فولاد پیچیدۀ نوع A
• فولاد نوع B
• فولاد نوع C
• فولاد پیچیدۀ نوع D

فولاد CP نوع A

متداول ترین نوع فولادهای CP نورد سرد، در گروه A قرار می‌گیرند. این نمونه‌ها دارای تعادلی مناسب بین استحکام و انعطاف پذیری بوده و در واقع درجه سختی خیلی زیادی ندارند. به همین خاطر، گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای عمومی محسوب می‌شوند.

فولاد نوع B

نمونه بعدی فولاد چند فازی نورد سرد، با عنوان فولاد نوع B شناخته می‌شود. این نوع نسبت به نمونه قبل دارای استحکام بیشتری است. از فولادهای نوع B برای ساخت قطعات با فشار بالا مانند چرخ دنده‌ها یا شفت‌ها استفاده می‌شود. این نوع فولاد از استحکام بالا و مقاومت به سایش کاملا مناسبی برخوردار است.

 فولاد چند فازی نوع C

میزان استحکام و سختی در فولاد نوع C نسبت به دو نمونه قبل بیشتر بوده و عمدتا در برابر بارگذاری ضربه بسیار مقاوم است. از آن به منظور ساخت قطعات و تجهیزات حیاتی مانند کلاه ایمنی یا زره بدن استفاده می‌گردد.

فولاد چندفازی نوع D

فولاد نوع D نسبت به سایر نمونه‌های فولاد فاز پیچیده نورد سرد، دارای بالاترین سطح انعطاف پذیری و شکل پذیری می‌باشد. از این نوع فولاد عمدتا در بخش‌هایی که نیاز به سطح بالایی از تغییر شکل وجود دارد، استفاده می‌شود. برای مثال، ساخت پانل‌های بدنه خودرو با فولاد نوع D بسیار متداول است. البته قبل از استفاده از آن لازم است که فرایند اسید شویی فولاد بر روی صفحات فولادی صورت گیرد.

فولاد پیچیده یا همان فولاد چند فازی دارای مجموعه‌‌ای از ویژگی‌هاست که آن را برای استفاده در صنایع مختلف به ویژه خودروسازی مناسب کرده است. پیشرفت تکنولوژی ایجاب می‌کند که خودروهای تولیدی ایمن و کم هزینه باشند و در تولیدشان، مسائل زیست محیطی نیز رعایت شود. به کارگیری فولادهای فاز پیچیده در ساخت خودرو، موجب افزایش استحکام قطعات و بخش‌های مختلف گردیده و در عین حال، وزن را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، جذب انرژی بال در این آلیاژ فولاد، آن را به ماده‌ای مناسب برای ساخت بخش‌هایی تبدیل کرده است در هنگام تصادف، مستعد آسیب هستند. به طور کلی، فولادهای چند فازی دارای یک سری ویژگی‌ها و مشخصات منحصر به فرد شیمیایی، مکانیکی و فیزیکی هستند. این ویژگی‌ها، آن‌ها را از سایر انواع فولادهای پیشرفته مقاومت بالا متمایز کرده و موجب کاربرد فراوان شان در صنعت خودروسازی گردیده است.

عناصر مورد استفاده در ترکیب شیمیایی و همچنین ریزساختارها، عوامل اصلی تعیین خواص و ویژگی‌های تمامی فولادها محسوب می‌شوند. هر یک از این دو عامل در ادامه توضیح داده شده است.

الف- عناصر شیمیایی فولادهای فاز پیچیده

نوع عناصر موجود در ساخت هر ماده ای، تأثیر اصلی را در تعیین ویژگی‌های کلی آن دارد. نوعِ عناصر مورد استفاده در ساخت فولاد چند فازی شباهت زیادی به فولاد تریپ دارد. آنچه که موجب تفاوت بین این دو می شود، وجود عناصری مانند نیوبیوم (Nb) تیتانیوم (Ti) و وانادیم (V) است. این عناصر در فولادهای CP وجود دارد اما تریپ فاقد آن هاست. Nb، Ti و V موجب تقویت فولادهای چند فازی می‌گردد. منگنز، کربن، سیلیسیم، فسفر و گوگرد نیز از دیگر عناصر موجود در ترکیب شیمیایی فولادهای پیچیده هستند. در این میان، منگنز و سیلیسیم با درصد بیشتری نسبت به دیگر عناصر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

عناصر خاص موجود در ترکیب فولادهای فاز پیچیده (نیوبیوم، تیتانیوم و وانادیم) با درصد پایین‌تری از عناصر کروم (Cr)، مولیبدن (Mo) و آلومینیوم (Al) به کار گرفته می‌شوند. تغییر نوع و درصد هر یک از عناصر مذکور در ریزساختار فولادهای چند فازی، موجب تفاوت در خواص و ویژگی‌های آن‌ها می‌گردد.

ب- ریز ساختار فولادهای CP

فولاد CP دارای چند فاز نرم و سخت می‌باشد. این دو فاز، انعطاف پذیری و استحکام بالا را به صورت همزمان در این آلیاژ ایجاد می‌کند.

بینیت و فریت فاز نرم را تشکیل می‌دهند و درصد عمده ترکیب را شامل می‌شوند. وجود مقدار قابل توجهی از بینیت و فریت در ریزساختار فولادهای فاز پیچیده، منجر به افزایش انعطاف پذیری و شکل پذیری مناسب آن‌ها گردیده است.

مارتنزیت، آستنیت باقی مانده و گاها پرلیت، فاز سخت فولادهای چند فازی را تشکیل می‌دهند. میزان فاز سخت در ترکیب این نوع فولاد، چه به لحاظ درصدی و چه به لحاظ حجمی، کمتر است. می‌توان گفت که فاز سخت در ماتریسی از بینیت و فریت پراکنده شده است. در آلیاژهای فولادی، فاز سخت خواصی مانند استحکام و مقاومت بالا را موجب می‌شود. در حالت کلی،

• فریت: ۵۰ تا ۶۰ درصد.
• بینیت: ۲۵ تا ۴۰ درصد.
• آستنیت باقی مانده: ۵ تا ۱۵ درصد
• مارتنزیت و پرلیت درصد جزئي از ترکیب فولادهای چند فازی را تشکیل می‌دهند.

با تغییر در حجم و  درصد هر یک از فازهای نرم یا سخت، خواص و ویژگی‌های کلی فولاد تغییر پیدا می‌کند. برای مثال در صورت افزایش حجم فاز نرم، انعطاف پذیری و شکل پذیری افزایش می‌یابد. با بالا بردن درصد حجمی فاز سخت، استحکام و مقاومت بهبود می‌یابد. با توجه به این موضوع، امکان کنترل خواص و ویژگی‌های فولاد پیچیده از طریق کنترل فازهای نرم و سخت وجود دارد. این موضوع به ویژه برای ساخت فولاد مورد نیاز جهت استفاده در صنعت خودروسازی و تولید قطعات این حوزه، اهمیت زیادی دارد.

فولادهای فاز پیچیده در کنار خواص شیمیایی مناسب، ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی مناسبی هم ارائه می‌دهند. این ویژگی‌ها عمدتا از خواص شیمیایی و ریزساختار فولاد چند فازی نشأت می‌گیرند و موجب کاربرد فراوان آن در صنایع گوناگون به ویژه حوزه خودروسازی گردیده اند. زیرا در صنعت خودروسازی نیاز به استحکام، شکل پذیری و وزن سبک در کنار هم، به شدت احساس می‌شود. فولادهای فاز پیچیده تمامی این خواص را به صورت یک جا ارائه می‌دهند. از این رو، به صورت گسترده در ساخت بدنه و قطعات خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ویژگی‌ها و خواص مکانیکی فولاد پیچیده، به صورت زیر است.

1. استحکام و مقاومت بالا
2. انعطاف پذیری و شکل پذیری مناسب
3. جوش پذیری پیشرفته

1- استحکام و مقاومت بالا

فولادهای پیچیده دارای استحکام و مقاومت بالایی هستند که این خاصیت تا حد زیادی از فاز سخت موجود در ترکیب اصلی شان نشأت می‌گیرد. همچنین وجود عناصری مانند نیوبیوم (Nb) تیتانیوم (Ti) و وانادیم (V) در ریزساختار این نوع فولاد، اثر قابل توجهی در تقویت استحکام آن دارد. فولاد چند فازی در مقایسه با فولاد دو فازی با مقاومت کششی یکسان، حداقل استحکام تسلیم بالاتری ارائه می‌دهد. در واقع، فولادهای CP نسبت به فولادهای دو فازی نسبت استحکام تسلیم به استحکام کششی بالاتری دارند. علاوه بر این، نسبت به سایش و پارگی مقاومت بالایی داشته و می‌توانند بار بیشتری را تحمل کنند.

2- انعطاف پذیری و شکل پذیری مناسب

خاصیت مناسب بعدی فولاد فاز پیچیده، انعطاف پذیری بالا و شکل پذیری عالی آن است. این ویژگی مربوط به فاز نرم فولاد بوده و هر چه میزان فریت و بینیت در ترکیب آن بیشتر باشد، انعطاف پذیری بالاتری هم ارائه می‌شود. منعطف بودن این نوع فولاد باعث می‌شود تا راحت تر و سریع تر بتوان آن را به اشکال مد نظر تبدیل کرد. از طرف دیگر، این تبدیل شکل منجر به شکست و آسیب دیدگی فولاد نخواهد شد. در نتیجه، صرفه جویی در زمان تولید و بهبود کیفیت محصول تولیدی را به دنبال دارد. به طور کلی، فولاد چند فازی به دلیل انعطاف پذیری عالی جهت فرم دهی کششی، شکل دهی به صورت رول، خمشی و انبساط سوراخ دار، مناسب است.

3- جوش پذیری پیشرفته از مشخصه های فولاد چند فازی

ترکیب شیمیایی و ریزساختار فولاد پیچیده به گونه ای است که خاصیت جوش پذیری آن را هم بهبود می‌دهد. به این ترتیب، امکان جوشکاری این نوع فولاد با اعمال درجه‌های پایین تری از حرارت هم وجود دارد. این موضوع ریسک اعوجاج و آسیب به فولاد حین عملیات جوش را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. از این رو امکان جوش دهی فولاد CP به یکدیگر یا سایر گریدهای رایج فولادی به راحتی وجود دارد. اگر چه جوشکاری برای سایر موارد با مقاومت پایین تر را باید با استفاده از تنظیمات مناسب انجام داد.

فولادهای چند فازی علاوه بر استحکام بالا و انعطاف پذیری مناسب، دارای خاصیت سخت کاری بالا در کرنش کم هستند. همچنین از استحکام خستگی و جذب انرژی بالا، پتانسیل سخت شدن پخت و مقاومت بالایی در برابر سایش برخوردارند. عملیات حرارتی فولاد چند فازی نورد گرم در دمای ۵۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتی گراد می‌تواند نقطه تسلیم آن را تا ۱۰۰ مگا پاسکال افزایش دهد. استحکام کششی و مقاومت گریدهای مختلف این نوع فولاد بین ۷۸۰ تا ۱۴۷۰ مگا پاسکال متغییر است. ازیاد طول یا الانگیشن آن‌ها هم تنوع زیادی داشته و بین ۵ تا ۳۰ درصد خواهد بود.