مقایسه عملکرد خزشی ۳۰۴ و ۳۱۶

مقایسه عملکرد خزشی ۳۰۴ و ۳۱۶

• بازدید:42
• کامنت:0
• چهار شنبه, 26 شهریور 1404

چکیده:

فولادهای زنگ نزن آستنیتی به دلیل پایداری ریزساختاری و مقاومت به اکسیداسیون، از گزینه های اصلی برای کاربردهای دما بالا در صنایعی مانند نیروگاه های برق، پتروشیمی و aerospace محسوب میشوند. در این میان، گریدهای ۳۰۴ و ۳۱۶ پرکاربردترین آنها هستند. با این حال، انتخاب بین این دو آلیاژ برای خدمت تحت بار و دمای بالا مستلزم درک عمیق از رفتار خزشی آنها است. این مقاله به مقایسه سیستماتیک مکانیزم های خزش و عملکرد این دو گرید تحت شرایط مختلف دما و تنش میپردازد. عامل کلیدی تمایز، وجود عنصر مولیبدن (Mo) در گرید ۳۱۶ است که نقش تعیین کنندهای در بهبود مقاومت به خزش از طریق مکانیزم های مختلف ایفا میکند. نتایج نشان میدهد که برتری گرید ۳۱۶ در دماهای بالا و تنش های پایین کاملاً مشهود است، اگرچه در شرایط خاصی ممکن است گرید ۳۰۴ اقتصادی تر باشد.

۱. مقدمه

خزش به تغییر شکل پلاستیک و زمان بندی ماده تحت بار ثابت و در دمای بالا (معمولاً بالاتر از ۰.۴ تا ۰.۵ نقطه ذوب بر حسب کلوین) اطلاق میشود. منحنی خزش به طور کلاسیک شامل سه ناحیه است: خزش اولیه (با نرخ کاهشی)، خزش ثانویه یا حالت پایدار (با نرخ کم و تقریباً ثابت) و خزش ثالثیه (با نرخ افزایشی که به شکست منجر میشود). برای مهندسان، نرخ خزش حالت پایدار (ِ$\dot{\epsilon}_s$) و زمان تا شکست (t_f) پارامترهای طراحی حیاتی هستند.
فولادهای ۳۰۴ و ۳۱۶ هر دو آستنیتی بوده و پایه کربنی پایینی دارند. ترکیب شیمیایی اصلی آنها کروم (۱۸-۲۰%) و نیکل (۸-۱۲%) است. تمایز کلیدی، افزودن ۲-۳% مولیبدن در گرید ۳۱۶ است. این تفاوت به ظاهر کوچک، تأثیر شگرفی بر خواص مکانیکی در دمای بالا، به ویژه مقاومت به خزش، دارد.

۲. مکانیزمهای خزش و تأثیر مولیبدن

در دماهای بالا، تغییر شکل دیگر از طریق حرکت نابجایی ها در صفحات لغزشی نیست، بلکه مکانیزم های نفوذمحور (Diffusion-controlled) غالب میشوند. دو مکانیزم اصلی عبارتند از:
•    خزش منتشر دروندان های (Dislocation Climb): نابجایی ها با کمک نفوذ اتم ها، بر موانع غلبه کرده و از سر راه خود "بالا میروند".
•    خزش منتشر مرزدانه ای (Grain Boundary Diffusion): تغییر شکل در امتداد مرزدانه ها رخ میدهد.
مولیبدن در گرید ۳۱۶ به چند طریق بر این مکانیزم ها تأثیر میگذارد:
۱. استحکام بخشی محلولی (Solid Solution Strengthening): اتم های مولیبدن که از نظر اندازه با ماتریس آهن-نیکل-کروم ناسازگاری دارند، در شبکه کریستالی آستنیت حل شده و میدان های تنش اطراف خود ایجاد میکنند. این میدان های تنش، حرکت نابجایی ها و نفوذ اتم ها را مختل کرده و هم مکانیزم خزش منتشر و هم خزش مرزدانه ای را با مشکل مواجه می سازند. این اثر در دماهای بالا بسیار پایدارتر از استحکام بخشی ناشی از کارسرد است.
۲. تثبیت ساختار:
۳. کاهش نرخ نفوذ (Diffusion Rate): اعتقاد بر این است که مولیبدن نرخ نفوذ کلی اتم ها در ماتریس آستنیت را کاهش میدهد. از آنجایی که خزش یک پدیده وابسته به نفوذ است، کاهش نرخ نفوذ مستقیماً منجر به کاهش نرخ خزش حالت پایدار (ِ$\dot{\epsilon}_s$) میشود.

۳. مقایسه عملکرد خزشی ۳۰۴ و ۳۱۶

مطالعات متعدد و داده های صنعتی به وضوح برتری گرید ۳۱۶ را در اکثر شرایط دمایی بالا تأیید می کنند:
•    نرخ خزش حالت پایدار (ِ$\dot{\epsilon}_s$): در یک دمای معین (مثلاً ۷۰۰ درجه سانتیگراد) و تحت یک تنش یکسان، نرخ خزش گرید ۳۱۶ به طور قابل توجهی کمتر از گرید ۳۰۴ است. این به دلیل موانع قویتری است که اتم های مولیبدن سر راه حرکت نابجایی ها ایجاد میکنند.
•    زمان تا شکست (t_f): برای یک سطح تنش معین، گرید ۳۱۶ زمان بسیار طولانی تری تا رسیدن به شکست تحمل میکند. این امر مستقیماً با نرخ خزش پایین تر آن مرتبط است. نمودارهای Stress-Rupture که تنش را بر حسب زمان تا شکست در یک دمای ثابت نشان میدهند، به وضوح منحنی گرید ۳۱۶ را در بالای منحنی گرید ۳۰۴ قرار میدهند.
•    مقاومت در برابر تغییر شکل: قطعات ساخته شده از گرید ۳۱۶ تحت شرایط خزش، تغییر شکل ناخواسته (Strain) کمتری را در طول عمر سرویس خود تجربه میکنند. این یک پارامتر طراحی حیاتی برای اتصالات، لوله ها و محفظه های تحت فشار است.

۴. محدودیتها و ملاحظات اقتصادی

اگرچه گرید ۳۱۶ از نظر تکنیکی برتر است، اما مواردی وجود دارد که گرید ۳۰۴ ممکن استمورد توجه باشد:
•    دماهای بسیار بالا (>900°C): در این دماها، effects ناشی از اکسیداسیون و strength افت کلی مواد میتواند بر مزیت مولیبدن غلبه کند. در برخی موارد، هر دو آلیاژبا آلیاژهای مبتنی بر نیکل (مانند اینکونل) جایگزین شوند.
•    تنش های بسیار بالا: در ناحیه خزش اولیه و تحت تنش های بسیار بالا، تفاوت بین دو آلیاژ ممکن است کمتر مشهود باشد، زیرا مکانیزم های تغییر شکل سریعتر غالب میشوند.
•    هزینه: گرید ۳۱۶ به دلیل وجود مولیبدن، всегда گرانتر از گرید ۳۰۴ است. برای کاربردهایی که دما و تنش در محدوده متوسطی قرار دارند و الزامات عمر خزشی بسیار سختگیرانه نیست، استفاده از گرید ۳۰۴ میتواند یک انتخاب اقتصادی به صرفه باشد.

۵. نتیجه گیری

به طور خلاصه، وجود ۲-۳% مولیبدن در فولاد زنگ نزن ۳۱۶، آن را به گزینه ای برتر نسبت به گرید ۳۰۴ برای کاربردهای خزش در دمای بالا تبدیل میکند. این برتری ناشی از مکانیزم استحکام بخشی محلولی قوی است که حرکت نابجایی ها و نرخ نفوذ را مهار میکند و در نتیجه منجر به کاهش نرخ خزش حالت پایدار و افزایش زمان تا شکست میشود.
انتخاب نهایی بین این دو آلیاژ همواره یک(Trade-off) بین عملکرد (عمر طولانیتر و تغییر شکل کمتر تحت خزش) و هزینه است. برای قطعات حیاتی که failure آنها catastrophic است یا نیاز به عمر سرویس بسیار طولانی دارند، سرمایه گذاری روی گرید ۳۱۶ کاملاً توجیه پذیر است. با این حال، برای کاربردهای با دمای پایینتر یا با عمر طراحی کوتاه تر، گرید ۳۰۴ میتواند performance کافی را با هزینه کمتر ارائه دهد. درک دقیق شرایط بارگذاری و دمایی سرویس، کلید انتخاب ماده optimum است.