فولاد تریپ (TRIP Steels) چیست؟

 

فولادهای تریپ یا TRIP (Transformation induced plasticity)، نسل پیشرفته و جدیدی از فولادهای کم آلیاژ هستند که به واسطه خواص مکانیکی جالب توجهی که دارند، در سال‌های اخیر نظر محققین و مهندسین را به خود جلب نموده‌اند.

این دسته از فولادها به جهت ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی خاص، قابلیت تغییر فاز مارتنزیتی در حین تغییر شکل پلاستیسیته را دارا هستند. تغییر فاز ایجاد شده منجر به افزایش استحکام و نیز چقرمگی همزمان فولاد می‌شود که از این جهت آن را برای کاربردهای مختلفی از جمله صنایع خودروسازی، ساختمانی و انرژی مناسب می‌سازد. در این مقاله قصد داریم به بررسی جامعی از ریزساختارهای این دسته از فولادها تا کاربردهای آنها بپردازیم.

فولاد تریپ و تاریخچه توسعه آن

توسعه فولادهای TRIP به دهه‌های اخیر بازمی‌گردد. به عبارتی دهه 1960، آغاز تحقیقات روی این نوآوری مهم در صنعت بود. در آن زمان محققان متوجه شدند که با کنترل ترکیبات شیمیایی فولاد و عملیات حرارتی، می‌توانند فولادهایی با ریزساختار خاص تولید نمایند که در آن، آستنیت پایدار در دمای محیط وجود داشته باشد. این آستنیت در حین تغییر شکل پلاستیسیته، به مارتنزیت تبدیل می‌شد و باعث افزایش استحکام فولاد می‌گردید.

با پیشرفت‌های تکنولوژیکی در زمینه متالورژی، این فولادها به صورت تجاری تولید و در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گرفتند. همچنین  با توجه به تمایل صنایع به تولید محصولات سبک‌تر‌ و ایمن‌تر، فولادهای TRIP به عنوان گزینه‌ای مناسب برای پاسخگویی به این نیازها مطرح شدند. امروزه نیز با پیشرفت تکنولوژی تولید فولاد، امکان تولید فولادهای TRIP با خواص مکانیکی دقیق‌ و متنوع‌ فراهم شده است.

 

فولاد تریپ (TRIP Steel) چیست؟

همانطور که در مقدمه آمد، فولاد تریپ نوعی فولاد کم آلیاژ است که مقاومت و استحکام بالایی دارند. کلمه تریپ در نام این نوع از فولادها، مخفف عبارت (Transformation Induced Plasticity) است و اشاره به تحریک‌پذیری این فولاد نسبت به تغییرشکل آن دارد . به عبارتی این آلیاژ در هنگام وارد آمدن فشار به آن و در شروع تغییر شکل، دچار تغییرات ریزساختاری شده و فاز زمینه آن از آستنیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود. در ادامه مکانیزم کامل این تحریک‌پذیری را توضیح خواهیم داد.

پدیده تریپ چیست و چگونه رخ می‌دهد؟

این پدیده به معنای تشکیل ساختار مارتنزیتی از آستنیت باقی‌مانده در اثر تغییر شکل فولاد است. لازم به ذکر است که بین تغییر فاز ناشی از اعمال تنش و تغییر فاز ناشی از شکل‌دهی، تفاوت زیادی وجود دارد. در فولادهای تریپ، این تغییر فاز بر اثر شکل‌دهی رخ می‌دهد. در این آلیاژ برای تغییر فاز از آستنیت به مارتنزیت لازم است کرنشی بالاتر از کرنش بحرانی به ماده اعمال شود که پس از اعمال آن، تبدیل ریزساختار آستینیتی به مارتنزیت به سرعت اتفاق می‌افتد.

همانطور که می‌دانید، فولاد فاز مارتنزیت نسبت به آستنیت استحکام بالاتری دارد و زمانی که این پدیده در فولاد تریپ رخ می‌دهد، میزان استحکام آن نیز افزایش می‌یابد و از این رو به نیروی بیشتری برای ادامه تغییر شکل آن نیاز خواهد بود. البته این سخت شدن به صورت موضعی است و دقیقا در مناطقی که در حال تغییرشکل هستند، اتفاق می‌افتد.

یکی از کاربردهای اصلی این نوع از فولاد ساخت بدنه در صنعت خودروسازی است. این دسته از فولادها به دلیل قابلیت جذب انرژی بالا در هنگام تغییر شکل راه‌کاری بسیار هوشمندانه برای ساخت بعضی قطعات هستند. از آنجا که بحث تصادف و میزان استحکام و جذب انرژی توسط سازه و بدنه، موضوعی حساس در طراحی خودرو است، فولاد تریپ توانسته به عنوان راه‌کاری مهندسی به جای فولادهای سنتی نقش مهمی در ساخت قطعات سازه و بدنه خودرو بازی کند.

در اتومبیل‌ها، به هنگام بروز تصادف، استحکام قسمت‌های ساخته شده از این نوع فولاد، که در حال تغییرشکل هستند افزایش می‌یابد و این عامل سبب می‌‌شود تا بدنه خودرو انرژی حاصل از تصادف بیشتری را جذب نموده و انتقال این نیرو به سرنشینان به حداقل برسد.

ریزساختار فولاد تریپ

فولاد تریپ  متشکل از دانه‌های آستنیت باقی‌مانده سخت و بینیت (Bainite) فاقد کاربید در یک زمینه فریتی است. میزان آستنیت در این ساختار حداقل 5 تا 15 درصد حجمی آن است. ریزساختار فریتی این آلیاژ  نیز در حدود 50 تا 55 درصد است و میزان بینیت آن نیز بین 30 تا 35 درصد متغییر است. همین ریزساختار پیچیده است که به فولاد TRIP خواص مکانیکی منحصربه‌فردی بخشیده است.

محتوای آلومینیوم، سیلیکون و کربن در این آلیاژ سبب می‌شود تا فاز آستنیت در آن بیشتر شود. محتوای سیلیکون و کربن می‌توانند پایداری فاز آستنیت را در دمای محیط افزایش دهند. تغییرات ریزساختاری فولاد تریپ با میزان عناصر آلیاژی آن در ارتباط است به‌ طوری ‌که با تنظیم میزان محتوای کربن می‌توان سطح کرنشی که در آستنیت شروع به تبدیل به مارتنزیت می‌کند را کنترل کرد.

در سطوح کم کربن در ساختار فولاد تریپ، تبدیل آستنیت به مارتنزیت بلافاصله پس از تغییر شکل آغاز می‌شود که در این صورت شکل‌پذیری و سرعت کارسختی آن در طول تغییر شکل بهبود می‌یابد. در سطوح بالای کربن نیز تغییر فاز آستنیت به مارتنزیت در کرنش‌هایی بالاتر از کرنش مورد نیاز برای فرآیندهای شکل‌دهی رخ می‌دهد و در واقع تبدیل آستنیت به مارتنزیت در تغییر شکل‌های شدید رخ می‌دهد.

ترکیب شیمیایی فولاد تریپ

فولاد تریپ آلیاژی هیپویوتکتوئید است که عناصر کربن، منگنز، سیلسیوم و آلومینیوم در ساختار آن به عنوان عناصر آلیاژی وجود دارند. میزان کربن این آلیاژ بین 0.1 تا 0.4 متغیر است و سیلیسیوم آن نیز  حدودا 1 تا 2 درصد می‌رسد. علاوه بر این در ترکیب شیمیایی فولاد تریپ حدود 1 تا 2 درصد نیز منگنز وجود دارد. مقادیر اندکی نیز آلومینیوم و فسفر برای بهبود استحکام به آن افزوده می‌شود که مقادیر این دو عنصر در برابر سایر عناصر ناچیز است.

خواص مکانیکی گریدهای مهم فولاد TRIP

گریدهای مختلفی از فولاد TRIP وجود دارد که هر کدام از آنها با توجه به ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی، خواص مکانیکی متفاوتی دارند. برخی از مهم‌ترین گریدهای فولاد TRIP عبارتند از:

1. TRIP 780:

به جهت استحکام کششی بالا و شکل‌پذیری خوب، یکی از پرکاربردترین گریدهای فولاد TRIP است. از این گرید در ساخت قطعاتی مانند تقویتی ستون‌ها و درها، ریل سقف و دیاق و تقویتی سپر خودرو استفاده می‌شود.

2. TRIP 690:

این گرید ترکیبی از استحکام بالا و چقرمگی است. از آن در ساخت قطعاتی که به استحکام بالا و نیز قابلیت جذب انرژی نیاز دارند، مثل تقویتی ستون‌های جلو، وسط و عقب خودرو استفاده می‌شود.

3. TRIP 600:

این گرید نسبت به دو گرید قبلی چقرمگی بالاتری دارد و در عین حال استحکام کششی مناسبی نیز ارائه می‌دهد. از آن در ساخت قطعاتی که در معرض ضربه‌های شدید هستند، مانند ریل‌های قطار و برخی از قطعات صنعتی استفاده می‌شود.

4. TRIP 800:

این گرید جدیدترین و قوی‌ترین گرید فولاد TRIP است که استحکام کششی بسیار بالایی دارد. از آن در ساخت قطعاتی که به استحکام فوق‌العاده نیاز دارند، مانند تجهیزات نظامی استفاده می‌شود. در جدول زیر خواص مکانیکی این گریدهای مهم آورده شده است:

 

جدول خواص مکانیکی گریدهای 600، 690، 780 و 800 فولاد تریپ

متریال	TRIP 600	TRIP 780	TRIP 690	TRIP 800
گرید	BR400/590TR	HCT780T	HCT690T	BR450/780TR
استحکام نهایی (Mpa)	705	780	690	915
استحکام تسلیم (Mpa)	500	450-570	400-520	585.8
ازدیاد طول (%)	24	21	23	17.5

 

 عملیات حرارتی فولاد تریپ چگونه است؟

قطعات فولاد تریپ با فرآیند شکل‌دهی و کشش تولید می‌شود که در طی آن، مقداری از فاز آستنیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود. برای تولید این آلیاژ مراحل زیر را انجام می‌دهند:

1. در مرحله اول فولاد تریپ را در دمای 760 تا 780 درجه سانتی‌گراد گرم می‌کنند. در این دما فولاد در ناحیه دو فازی قرار دارد. ورق نورد سرد شده، دچار تبلور مجدد می‌شود و کربن موجود در قطعه در فاز آستنیت حل می‌گردد.
2. پس از این دما قطعه‌ها را در محدوده دمایی بینیت (تا دمای 400 درجه سانتی‌گراد) خنک می‌کنند تا از تشکیل فاز پرلیت در آن جلوگیری کنند.
3. در محدوده دمایی 400 تا 450 درجه سانتی‌گراد، به صورت ایزوترمال قطعات را خنک می‌کنند و تبدیل به فاز بینیت رخ می‌دهد. مقادیر بالای آلومینیوم و سیلیکون به عنوان عناصر آلیاژی، مانع از تشکیل سمنتیت می‌شود. آستنیت به بینیت فریتی تبدیل می‌شود و سپس آستنیت غنی از کربن تشکیل می‌گردد.

 

 

خواص و ویژگی‌های فولاد تریپ

فولاد تریپ با توجه به ریزساختار چندفازی و همچنین تغییر ریزساختار در اثر تغییر شکل، خواص و کاربردهای منحصر به فردی دارد که در ادامه به آن‌ها خواهیم پرداخت:

• استحکام بالا:

فولاد تریپ به روش‌های نورد گرم و نورد سرد تولید می‌شود و می‌توانند استحکامی بین 500 تا 800 مگاپاسکال را ارائه دهند.

• نرخ کار سختی بیشتر:

در مقایسه با فولادهای پیشرفته با استحکام بالا (AHSS)، فولاد تریپ نرح کارسختی بیشتری در سطوح بالای کرنش را از خود به نمایش می‌گذارد.

• شکل‌پذیری مناسب:

فولاد تریپ دارای استحکام کششی بالایی است و برای فرآیند کشش عمیق گزینه مناسبی می‌باشد. از این جهت که تغییر فازهای موضعی سبب شکل‌پذیری خوب آن می‌شود. این عامل می‌تواند از تمرکز تنش و تغییرشکل به صورت موضعی جلوگیری کند و میزان داکتلیته آن را به طرز چشمگیری افزایش دهد.

• دارای قابلیت سخت شدن با فرایند پخت (Bake Hardening):

با انجام این فرآیند روی فولاد تریپ می‌توان استحکام تسلیم آن را تا 70 مگاپاسکال افزایش داد.

کاربردهای فولاد تریپ 

فولاد تریپ به دلیل ویژگی‌های خاص و قابل توجه در صنایع مختلفی کاربرد دارد که از آن جمله موارد زیر هستند:

• تولید قطعات پیچیده صنایع به دلیل قابلیت شکل‌دهی به خصوص کشش عمیق، است که برای این مهم، گریدهای تریپ 600 و تریپ 780 برای شکل‌دهی به این روش مناسب می‌باشند.
• همچنین به دلیل قابلیت جذب انرژی در این نوع از فولاد، از آن در صنایع نظامی نیز برای کاربردهای ویژه‌ای استفاده می‌شود.
• در صنعت خودروسازی نیز که اصلی‌ترین و مهم‌ترین کاربرد این آلیاژ است، از آن جهت بهبود رفتار سازه خودرو در تصادف و بخصوص جذب مناسب انرژی همراه با استحکام، استفاده می‌گردد.

 

برای این کاربردها از گریدهای TRIP 350/600،  TRIP 400/700 و TRIP 600/900 استفاده می‌شود. گرید TRIP 350/600 برای قسمت قاب‌های طولی و عرضی و قطعات تقویتی بدنه خودرو استفاده می‌شود. گرید TRIP 400/700 نیز برای ساخت سازه جلو خودرو و بخصوص crash box بسیار مناسب است. از Trip 600/980 نیز برای ساخت پایه دسته موتور، قطعات فوقانی ستون وسط، قطعات عرضی جلو و عقب و ریل سقف خودرو استفاده می‌شود.

سخن آخر

فولاد تریپ را می‌توان از دسته آلیاژهای هوشمند و یک متریال مهندسی نوینِ دارای پتانسیل بالا دانست. با توجه به مزایای متعدد این فولاد و با پیشرفت هر روزه تکنولوژی برای کنترل بیشتر ریزساختار این فولادها انتظار می‌رود در آینده نزدیک شاهد توسعه آلیاژهایی جدید با خواص ویژه‌تر و کاربردهای بیشتر آن در صنایع مختلف باشیم.

در انتها از آنجایی که انتخاب گرید مناسب فولاد TRIP به عوامل مختلفی مانند کاربرد قطعه، محدودیت‌های تولید، طراحی قطعه، شرایط کاری، هزینه و… بستگی دارد، پیشنهاد می‌شود، برای انتخاب بهترین گرید این دسته از آلیاژهای فولادی، حتما با یک متخصص مهندسی مواد مشورت نمایید.