دیاگرام شفلر و کاربردهای آن

اگر تا به حال با چالش جوشکاری دو گرید مختلف استیل روبرو شده‌ باشید، می‌دانید که سردرگمی در مورد خواص ناحیه جوش و پیش بینی نادرست آن، می تواند نگرانی برای هر مهندس یا متخصص جوش باشد. دیاگرام شفلر (Schaeffler Diagram) یا شفلر-دیلانگ، به عنوان راهنما و کلید حل این معما در دنیای جوشکاری استیل مطرح است. با مطالعه این مطلب از استیل رخ که در آن به ارائه روش استفاده از دیاگرام شفلر و کاربردهای آن پرداخته شده است، می‌توانید با اطمینان خاطر، خواص ناحیه جوش را پیش بینی کرده و تا حدود زیادی خیالتان از این بابت آسوده شود.

آنتون شفلر و ویلیام دیلانگ چه کسانی بودند؟

آنتون شفلر متولد 19 ژوئن 1919 در میلواکی آمریکا نامی شناخته شده در دنیای مهندسی مواد و جوشکاری است. او که تا سال 1944 در میلواکی تحصیل کرد،در سال‌های 1942 تا 1944 مدرک کارشناسی ارشد خود را دریافت کرد. شفلر پس از فارغ التحصیلی در شرکتی فعال در حوزه عملیات حرارتی، کنترل‌های شیمیایی و متالوگرافی مشغول به کار شد.

این شرکت به طور تخصصی در تولید الکترودهای جوشکای نیز فعالیت داشت. شفلر با عضویت در انجمن مواد آمریکا (ASM) و چاپ حدود 70 مقاله علمی، جایگاه خود را به عنوان یک محقق برجسته تثبیت نمود. اما نقطع عطف کاری کارنامه او، در سن 76 سالگی رقم خورد.

شفلر با توسعه دیاگرامی موسوم به دیاگرام شفلر، اولین کسی بود که توانست تعادل آستنیت-فریت را در فلزات جوشکاری شده پیش بینی کند. این نمودار که هنوز هم به عنوان یکی از مهم‌ترین نمودارهای مهندسی مواد شناخته می‌شود، انقلابی در دنیای جوشکاری استیل ایجاد کرد.

ویلیام تامسون دیلانگ نیز متالورژ دیگری بود که اصلاحاتی بر دیاگرام شفلر انجام داد، و تاثیر عنصر نیتروژن را در این دیاگرام اضافه کرد. نیتروژن به عنوان یکی از پایدارکننده‌های فاز آستنیت شناخته می‌شود و حضور آن در ترکیب شیمیایی می‌تواند بر تشکیل این فاز اثرات موثری داشته باشد. یکی دیگر از کارهای مهم دیلانگ، معرفی عدد فریت بود.

شفلر با استفاده از متالوگرافی میزان فریت را در فلز جوشکاری شده تعیین می‌کرد در صورتی که دیلانگ با استفاده از میزان مغناطیسی بودن استیل، عدد فریت را محاسبه می‌کرد. با تلاش‌های این دو دانشمند برجسته، جوشکاری استیل به سطحی از دقت و پیش‌بینی‌پذیری ارتقا یافت که پیش از آن غیرقابل تصور بود. تا جایی که امروزه، دیاگرام شفلر به عنوان یکی از ابزارهای ضروری در جعبه ابزار هر مهندس جوش و متالوژی شناخته می‌شود.

بیشتر بخوانید: آلیاژ هستلوی چیست؟

دیاگرام شفلر، نقشه‌راهی برای درک ریزساختار جوشکاری استیل

همانطور که گفتیم دیاگرام شفلر برای پیش بینی ریزساختار حاصل از جوشکاری، مورد استفاده قرار می‌گیرد. جوشکاری دو قطعه با گریدهای مختلف در صنعت بسیار رایج است. همچنین علاوه بر آن، استفاده از فیلرمتال با گریدی متفاوت نسبت به فلز پایه نیز موردی مرسوم می‌باشد . در تمامی موارد گفته شده، پیش بینی ریزساختار حاصل از جوشکاری را با استفاده از این دیاگرام، به راحتی امکان‌پذیر است.

چه عیوبی ممکن است در ناحیه جوش به وجود آید؟

هنگامی که دو گرید مختلف به یکدیگر جوش داده می‌شوند، ساختار باید از نظر متالورژیکی پایدار باشد. در برخی از ترکیبات، امکان تشکیل ساختار بین فازی وجود داردکه این ترکیبات بین فازی شکننده و ترد هستند و در صورت تشکیل در ناحیه جوشکاری شده، خواص مکانیکی خط جوش را بسیار کاهش می‌دهند. بهترین راه برای جلوگیری از تشکیل این فازها استفاده از فیلرمتال مناسب برای فرآیند جوشکاری است.

در طول فرآیند جوشکاری، با توجه به ساختار به وجود آمده در ناحیه مد نظر، امکان رخ دادن عیوب مختلفی وجود دارد. ریزساختار آستنیتی به شدت مستعد ترک گرم است و یا در ریزساختار مارتنزیتی احتمال تشکیل ترک سرد ناشی از هیدروژن وجود دارد. با استفاده از دیاگرام شفلر و شناخت فاز تشکیل شده در ناحیه جوش، می‌توان درک بهتری نسبت به فرآیند جوشکاری داشت و تا حد ممکن در برابر این پیامدها، اقدامات لازم را انجام داد.

روش استفاده از دیاگرام شفلر

عناصر آلیاژی مختلف در استنلس استیل یا فولاد ضدزنگ، می‌توانند اثرات مختلفی بر ریزساختار داشته و هرکدام پایدارکننده یک فاز باشند. دو عنصر کروم و نیکل که به عنوان عناصر آلیاژی اصلی آلیاژهای استیل شناخته می‌شوند، به ترتیب پایدارکننده فریت و آستنیت هستند. عناصر دیگر نیز برخی پایدارکننده فریت و برخی دیگر پایدارکننده آستنیت می‌باشند. به همین دلیل در دیاگرام شفلر از دو عبارت کروم معادل و نیکل معادل استفاده می‌شود. کروم معادل بیانگر تمام عناصری است که سبب پایداری فاز فریت می‌شوند و نیکل معادل نماینده عناصری است که فاز آستنیت را پایدار می‌کنند. هرکدام این این عناصر با توجه به میزان تاثیر بر پایداری این فازها، با ضریبی در فرمول کروم و نیکل معادل آورده شده‌اند. فرمول‌های کروم و نیکل معادل به صورت زیر تعریف می‌شود:

Cr_eq = Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb

Ni_eq = Ni + 30C + 0.5Mn

برای توضیح روشن‌تر روش کار با دیاگرام شفلر و کاربرد آن در ادامه مثالی آورده شده است. در این نمونه دو گرید با ترکیب‌های شیمیایی مختلف را به یکدیگر جوش داده و ریزساختار ناحیه جوش را پیش بینی می‌کنیم. لازم به ذکر است که دو گرید متفاوت با یک فیلرمتال به یکدیگر جوش داده شده‌اند.

فولاد کربنی با ترکیب: کربن 0.25%، سیلیسم 0.3%و منگنز 1%

استیل داپلکس با ترکیب: کربن 0.03%، سیلیسم 0.5%، منگنز 1.5%، کروم 22%، نیکل: 5% و مولیبدن: 3%.

فیلرمتال داپلکس با ترکیب: کربن 0.02%، سیلیسم 0.5%، منگنز 1.5%، کروم 23%، نیکل 9% و مولیبدن 3%.

برای استفاده از دیاگرام شفلر و تعیین ریزساختار حاصل باید مراحل زیر را انجام داد:

با استفاده از معادلات کروم و نیکل معادل، این دو عدد را ابتدا برای فولاد کربنی محاسبه می‌کنیم. عدد کروم معادل برابر 0.45 و عدد نیکل معادل 8 می‌شود. این نقطه را روی دیاگرام شفلر علامت گذاری کرده و آن را با P1 مشخص می‌کنیم.

همین کار را برای استیل داپلکس (فولاد داپلکس) انجام می‌دهیم که عدد کروم معادل آن برابر 25.9 و نیکل معادلش برابر 6.65 می‌شود. این نقطه را نیز بر روی دیاگرام شفلر با P2 علامت‌گذاری می‌نماییم.

حال نوبت این محاسبات برای فیلرمتال است، کروم معادل برای فیلرمتال عدد 26.75 و نیکل معادل برابر 10.35 خواهد بود. این نقطه را نیز بر روی نمودار با حرف F نمایش می‌دهیم.

با فرض اینکه ناحیه جوش از 15% فولاد کربنی، 15% استیل داپلکس و 70% از فیلرمتال تشکیل شود ریزساختار ناحیه جوش را با استفاده از دیاگرام شفلر تعیین می‌کنیم. در ابتدا نقاط P1 و P2 را به یکدیگر وصل کرده و چون میزان فولاد کربنی و استیل داپلکس یکسان است، نقطه میانی این خط را مشخص می‌کنیم. از نقطه میانی به سمت نقطه F حرکت می‌کنیم از آنجا سهم فیلرمتال در تشکیل ناحیه جوش 70% است، 30%در امتداد این خط نزدیک به نقطه F ریزساختار ناحیه جوش را نشان می‌دهد که این نقطه را با W مشخص کردیم.

با توجه به خطوط مشخص شده بر روی دیاگرام شفلر، ریزساختار حاصل شامل 20 تا 40% فریت است و مابقی ساختار را آستنیت تشکیل خواهد داد. نزدیک بودن ریزساختار به ساختار آستنیت، فریت و مارتنزیت سبب می‌شود تا دستورالعملی برای جوشکاری تعیین شود تا سهم فلز پایه در ناحیه جوش کمتر شود. چرا که در این حالت در صورتی که مقدار بیشتری از فلز پایه در ناحیه جوش باشد، احتمال ایجاد ترک در خط جوش افزایش می‌یابد.

نکته مهم درباره جوشکاری گریدهای داپلکس

با وجود مزایا و کاربردهای فراوان دیاگرام شفلر، نکته‌ای حائز اهمیت در مورد آن وجود داردکه باید در هنگام استفاده از آن مد نظر قرار داد. این دیاگرام برای گریدهای داپلکس استیل که به تازگی معرفی شده‌اند، به طور دقیق پاسخگو نیست. علت آن نیز عدم در نظر گرفتن تاثیر نیتروژن در ساختار نهایی است. به همین دلیل در مواردی که در فلزات پایه و یا فیلرمتال، مقدار قابل توجهی از نیتروژن وجود داشته باشد، نمی‌توان با اطمینان کامل از دیاگرام شفلر استفاده کرد. از این رو در این موارد، اتکا به دیاگرام شفلر به تنهایی کافی نبوده و برای پیش‌بینی دقیق ریزساختار استیل‌های داپلکس، بایستی از روش‌های جایگزین دیگری نیز استفاده نمایید.

جهت دریافت خدمات، خرید ورق استیل و دیگر اقلام استیل، با کارشناسان ما در استیل رخ در تماس باشید.

سخن آخر

با تسلط بر دیاگرام شفلر، مهندسان جوش و متالورژی می‌توانند گامی بلند در جهت دستیابی به نتایج باکیفیت و قابل اعتماد بردارند. پیش‌بینی دقیق ریزساختار، کلید جلوگیری از بروز عیوب مخرب مانند ترک خوردگی، کاهش چقرمگی و افت استحکام در خط جوش است.

با این حال، نباید فراموش کرد که دیاگرام شفلر، مانند هر ابزار دیگری، محدودیت‌هایی نیز دارد که در بالا به برخی از آن‌ها اشاره شد. درک صحیح از این ابزار و استفاده از روش‌های جایگزین در صورت نیاز، می‌تواند به نتایجی قابل اعتماد و درخشان در دنیای جوشکاری استیل منتج شود. به یاد داشته باشید، جوشکاری استیل مثل هنری دقیق و ظریف است که با تسلط بر دانش و تجربه در آن می‌توان به نتایج بسیار با کیفیتی دست یافت.