خواص مکانیکی آلیاژهای استیل

استنلس استیل به عنوان یکی از پرکاربردترین آلیاژهای فولادی، به جهت مقاومت بالا در برابر خوردگی و خواص مکانیکی مطلوب، در صنایع بسیار متنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرد. همانطور که می‌دانید استنلس استیل به طیف وسیعی از آلیاژهای پایه آهن اشاره دارد که هر کدام از این آلیاژها بسته به نوع  عناصر تشکیل دهنده آن، خواص، ویژگی‌ها‌ و کاربردهای متفاوتی نیز دارند. مطالعه و بررسی خواص مکانیکی گریدهای مختلف استنلس استیل، همواره جهت انتخاب گرید مناسب برای مهندسان مهم است. طراحان برای دستیابی به محصولات با کیفیت و عملکرد مطلوب لازم است در انتخاب مواد مواردی از این دست را مد نظر قرار دهند. از این رو در این مطلب قصد داریم به طور جامع خواص مکانیکی گریدهای مختلف استنلس استیل را بررسی کنیم.

خواص مکانیکی آلیاژهای استیل (Mechanical properties of Stainless steels alloyes)

خواص مکانیکی به ویژگی‌هایی مانند استحکام کششی (Tensile Strength)، استحکام تسلیم (Yield Strength)، درصد ازدیاد طول (Elongation) و سختی (Hardness) اشاره دارد که کاملا به ترکیب شیمیایی این دسته از آلیاژها وابسته است. به طوری کهبا تغییر درصد عناصر آلیاژی، می‌توان گریدهای مختلفی با خواص مکانیکی متفاوت تولید کرد. البته علاوه بر ترکیب شیمیایی، شرایط تولید و عملیات حرارتی نیز می‌تواند سبب تغییر در خواص مکانیکی گریدهای مختلف استنلس استیل شود که در ادامه این مطلب، شرح تاثیر آنها نیز آمده است.

پیش از بررسی جدول مربوط به خواص مکانیکی آلیاژهای استیل، در زیر به بررسی تأثیر برخی از عناصر آلیاژی مهم بر خواص مکانیکی آلیاژهای استیل می‌پردازیم:

کروم  (Chromium)

• مقاومت به خوردگی: این عنصر با تشکیل یک لایه اکسیدی محافظ و غیرفعال روی سطح آلیاژ، مقاومت به خوردگی آن را افزایش می‌دهد.
• سختی: افزایش درصد کروم، سختی استنلس استیل را افزایش می‌دهد.
• شکل‌پذیری: با افزایش درصد کروم، شکل‌پذیری استنلس استیل کاهش می‌یابد.

نیکل  (Nickel)

• مقاومت به خوردگی: نیکل به همراه کروم، مقاومت به خوردگی بین‌دانه‌ای را بهبود می‌بخشد.
• استحکام: در برخی گریدها، نیکل به افزایش استحکام کمک کند.
• شکل‌پذیری: نیکل باعث افزایش قابلیت شکل‌پذیری و چقرمگی استنلس استیل می‌شود.

کربن  (Carbon)

• مقاومت به خوردگی: کربن اضافی می‌تواند باعث کاهش مقاومت به خوردگی بین‌دانه‌ای شود.
• استحکام: افزایش درصد کربن، استحکام استنلس استیل را افزایش می‌دهد.
• شکل‌پذیری: با افزایش درصد کربن، شکل‌پذیری کاهش می‌یابد.

مولیبدن  (Molybdenum)

• مقاومت به خوردگی: مولیبدن مقاومت به خوردگی، به ویژه در محیط‌های حاوی کلرید، را بهبود می‌بخشد.
• استحکام: مولیبدن به افزایش استحکام و سختی کمک می‌کند.

سایر عناصر آلیاژی

از جمله عناصر آلیاژی دیگری که به استنلس استیل اضافه می‌شوند تا خواص خاصی را بهبود بخشند، تیتانیوم، نیوبیوم و نیتروژن هستند:

• تیتانیوم و نیوبیوم: این عناصر با تشکیل کاربیدهای پایدار، از تشکیل کاربیدهای کروم در مرز دانه‌ها جلوگیری کرده و مقاومت به خوردگی بین‌دانه‌ای را افزایش می‌دهند.
• نیتروژن: نیتروژن به افزایش استحکام و سختی استنلس استیل کمک می‌کند.

در جدول زیر خواص مکانیکی برخی از گریدهای پرکاربرد استنلس استیل ارائه شده است:

جدول خواص مکانیکی آلیاژهای استیل

گرید	نوع	کد UNS	حداقل استحکام کششی(Mpa)	حداقل استحکام تسلیم(Mpa)	درصد ازدیاد طول (%)	سختی
						Rockwell B (HRB)	Brinell (HB)
201	آستنیتی	S20100	515	260	40	95	217
202	آستنیتی	S20200	620	260	40	–	241
301	آستنیتی	S30100	515	205	40	95	217
302HQ	آستنیتی	S30430	450	205	70	–	–
303	آستنیتی	S30300	–	–	–	–	262
304	آستنیتی	S30400	515	205	40	92	201
304L	آستنیتی	S30403	485	170	40	92	201
304H	آستنیتی	S30409	515	205	40	92	201
304N	آستنیتی	S30451	550	240	30	95	217
309S	آستنیتی	S30908	515	205	40	95	217
310H	آستنیتی	S31009	515	205	40	95	217
310S	آستنیتی	S31008	515	205	40	95	217
316	آستنیتی	S31600	515	205	40	95	217
316L	آستنیتی	S31603	485	170	40	95	217
316H	آستنیتی	S31609	515	205	40	95	217
316N	آستنیتی	S31651	550	240	35	95	217
316Ti	آستنیتی	S31635	515	205	40	95	217
317L	آستنیتی	S31703	515	205	40	95	217
321	آستنیتی	S32100	515	205	40	95	217
347	آستنیتی	S34700	515	205	40	92	201
904L	آستنیتی	N08904	490	220	35	90	–
252MA	آستنیتی	S30815	600	310	40	95	217
4565 S	آستنیتی	S34565	795	415	35	100	241
409	فریتی	S40910	380	207	20	95	207
3Cr12	فریتی	S41003	455	275	18	20 HRC	223
3Cr12Ti	فریتی		460	300	18	–	220
430	فریتی	S43000	450	205	22	89	180
430F	فریتی	S43020	552	380	25	–	262
F20S	فریتی		510	360	29	78	–
444	فریتی	S44400	415	275	20	96	217
446	فریتی	S44600	450	276	20	–	219
2101	داپلکس	S32101	680	480	30	–	290
2304	داپلکس	S32304	600	400	25	32HRC	290
2205	داپلکس	S32250	620	450	25	31HRC	293
329	داپلکس	S32900	620	485	15	28HRC	269
2507	داپلکس	S32750	795	550	15	32HRC	310
2507Cu	داپلکس	S32520	770	550	25	–	310
Zeron100	داپلکس	S32760	750	550	25	–	270
410	مارتنزیتی	S41000	480	275	16	–	–
416	مارتنزیتی	S41600	517	276	30	—	262
420	مارتنزیتی	S42000	655	345	25	–	241
431 (H&T)	مارتنزیتی	S43100	850-1000	635	11		248-302
440C	مارتنزیتی	S44004	758	448	14	–	269
630 (H900)	رسوب سخت	S17400	1310	1170	10	Min 40HRC	Min 388
631 (CH900)	رسوب سخت	S17700	1585	–	–	–	–

 

عوامل اثرگذار بر خواص مکانیکی آلیاژهای استیل

• شرایط تولید:

دمای فرآیندهایی مانند نورد گرم یا سرد و یا عملیات حرارتی، می‌تواند روی خواص مکانیکی آلیاژهای استیل‌ تاثیر مستقیم داشته باشد. فرآیند نورد می‌تواند سبب بهبود خواص مکانیکی و سختی سطحی ورق نهایی شود (انجام فرآیند نورد سبب ریزدانه شدن و به تبعیت از آن افزایش استحکام می‌گردد). همچنین دمای انجام این فرآیند نیز روی خواص آن موثر است. البته گفتنی است که ورق نورد گرم کیفیت سطحی و استحکام کمتری نسبت به ورق نورد سرد دارد. به غیر از فرآیند تولید، در برخی از محصولات تولید شده، انجام عملیات حرارتی برای دستیابی به قابلیت شکل‌پذیری بهتر نیز، خواص مکانیکی را تغییر می‌دهد.

• عملیات حرارتی:

از آن‌ جا که پس از شکل‌دهی، مقداری تنش پسماند درون قطعات باقی‌ می‌ماند، عملیات آنیلینگ یا تنش‌زدایی می‌تواند این انرژی را آزاد سازد. فرآیند آنیل سبب کاهش استحکام و بهبود شکل‌پذیری می‌شود.

همچنین در برخی از گریدهای استیل که قابلیت افزایش استحکام با عملیات حرارتی را دارند، فرآیند کوئنچ و تمپر برای آن‌ها سبب افزایش استحکام می‌شود. این عملیات اغلب برای گریدهای مارتنزیتی مورد استفاده قرار می‌گیرد چرا که این گریدها، می‌توانند با تشکیل مارتنزیت، استحکام بالاتری را ارائه دهند.

• شرایط ساخت نمونه برای آزمون:

یکی دیگر از مسائل مورد توجه در مورد خواص مکانیکی انواع گریدهای استنلس استیل، ناهمسان بودن این خواص در جهات مختلف است. هنگامی ‌که فرآیند نورد روی ورق استیل صورت می‌گیرد، خواص مکانیکی برای نمونه‌هایی که در جهت نورد هستند با نمونه‌هایی که عمود بر راستای نورد هستند متفاوت است. سه جهت RD، TD و DD جهاتی هستند که ساخت نمونه برای آزمون از این جهات صورت می‌گیرد. این جهات به صورت زیر تعریف می‌شوند:

• RD یا Rolling Direction: جهتی است که فرآیند نورد در آن جهت صورت گرفته است.
• TR یا Transverse Direction: جهت عمود بر جهت نورد یا مقطع عرضی است.
• DD یا Diagonal Direction: مقطعی با زاویه 45 درجه نسبت به جهت نورد است.

 

 

در جداول زیر به بررسی و مقایسه ویژگی‌های برخی از گریدها در شرایط مختلف تولید پرداخته‌ شده است:

جدول خواص مکانیکی آلیاژهای استیل (گریدهای آستنیتی استنلس استیل بسته به شرایط تولید)

گرید	استاندارد EN	شرایط تولید	ضخامت  (mm)	0.2% – Proof Strength (min Mpa)	1% – Proof Strength (min MPa)a	استحکام کششی (Mpa)
304	1.4301	تسمه نورد سرد	6	230	260	540-750
304	1.4301	تسمه نورد گرم	13.5	210	250	520-720
304	1.4301	ورق نورد گرم	75	210	250	520-720
304L	1.4307	تسمه نورد سرد	6	220	250	520-700
304L	1.4307	تسمه نورد گرم	13.5	200	240	520-700
304L	1.4307	ورق نورد گرم	75	200	240	500-700
316	1.4401	تسمه نورد سرد	6	240	270	530-680
316	1.4401	تسمه نورد گرم	13.5	220	260	530-680
316	1.4401	ورق نورد گرم	75	220	260	520-670
316L	1.4404	تسمه نورد سرد	6	240	270	530-680
316L	1.4404	تسمه نورد گرم	13.5	220	260	530-680
316L	1.4404	ورق نورد گرم	75	220	260	520-670

 

جدول خواص مکانیکی آلیاژهای استیل (گریدهای فریتی استنلس استیل بسته به شرایط تولید)

گرید	استاندارد EN	شرایط تولید	ضخامت (mm)	0.2% – Proof Strength (min MPa) (نمونه طولی)	0.2% – Proof Strength (min MPa) (نمونه عرضی)	استحکام نهایی (Mpa)
409	1.4512	تسمه نورد سرد	8	210	220	380-560
409	1.4512	تسمه نورد گرم	13.5	210	220	380-560
430	1.4016	تسمه نورد سرد	8	260	280	430-600
430	1.4016	تسمه نورد گرم	13.5	240	260	430-600
430	1.4016	ورق نورد گرم	25	240	260	430-600
439	1.4510	تسمه نورد سرد	8	230	240	420-600
439	1.4510	تسمه نورد گرم	13.5	230	240	420-600
4509	1.4509	تسمه نورد سرد	8	230	250	430-630

 

جدول خواص مکانیکی آلیاژهای استیل (گریدهای مارتنزیتی استنلس استیل در شرایط مختلف تولید)

گرید	استاندارد EN	شرایط تولید	عملیات حرارتی	ضخامت	0.2% – Proof Strength (max Mpa)	Tensile Strength (max MPa)
420	1.4031	تسمه نورد سرد	کوئنچ و تمپر	3	–	–
420	1.4031	تسمه نورد سرد	آنیل	8	–	760
420	1.4031	تسمه نورد گرم	آنیل	13.5	–	760

 

نکته: اگر تسمه مورد آزمایش عرضی کمتر از 300 میلی‌متر داشته باشد، مقادیر آزمایش شده برای آن‌ها باید به صورت زیر اصلاح شود:

• تنش تسلیم 2 درصد، 15 مگاپاسکال کمتر در نظر گرفته شود.
• ازدیاد طول در حالت فک ثابت، 5 درصد کمتر در نظر گرفته شود.
• ازدیاد طول در حالت فک متناسب 2 درصد کمتر در نظر گرفته شود.

تنش تسلیم 0.2 درصد، معیاری برای تعیین استحکام تسلیم ماده است. برای به دست آوردن این عدد، باید از نقطه 0.2 درصد از محور کرنش، خطی موازی قسمت الاستیک رسم کرد. محل برخورد این خط با نمودار را تنش تسلیم 0.2 درصد می‌نامند. این عدد در طراحی‌ها به عنوان معیاری برای تسلیم در نظر گرفته می‌شود و میزان بار اعمالی روی قطعات نباید از این عدد تجاوز کند. هر چند برای تغییرشکل باید تنشی بالای استحکام تسلیم به آن وارد شود.

سخن آخر

از آنجا که گریدهای استنلس استیل تنوعی گسترده و خواص مکانیکی متفاوتی دارند، در پروسه طراحی و ساخت قطعات استنلس استیلی، استحکام و خواص مکانیکی، پارامترهای مهمی هستند که با دانستن آن‌ها می‌توان بازده فرآیند تولید و عمر مفید قطعات ساخته شده را بهبود بخشید.

همچنین درک درست از تأثیر عوامل متعدد از جمله ترکیب شیمیایی، فرآیندهای تولید (نورد گرم و سرد، عملیات حرارتی) و ریز ساختار بر خواص مکانیکی همچون استحکام تسلیم، استحکام کششی، درصد ازدیاد طول و سختی، به مهندسین متالوژی و طراحان امکان می‌دهد تا با انتخاب مناسب از بین گریدهای مختلف این دسته از آلیاژهای فولادی، موفقیت پروژه‌های مهندسی در صنایع مختلف را تضمین نمایند.