چه عواملی باعث شکننده شدن فولاد می‌شوند؟

فولاد یکی از بنیادی ترین مواد مهندسی در جهان است؛ ماده ای که از پل های غول پیکر گرفته تا تیغه های ظریف جراحی را می سازد. با این حال، قدرت واقعی فولاد فقط در استحکام بالای آن خلاصه نمی شود، بلکه در تعادل میان چقرمگی (Toughness) و نرمی (Ductility) نهفته است. زمانی که این تعادل از بین برود، فولاد می تواند شکننده شود؛ به این معنا که به جای تغییر شکل تدریجی، ناگهان و بدون هشدار ترک بخورد و بشکند.

شما می توانید به مراجعه به صفحه https://samentejarat.com/heat-treatment-steels/mo40/ در وب سایت ثامن تجارت قیمت فولاد mo40 را مشاهده کنید.

شناخت شرایطی که فولاد را شکننده می کند، برای مهندسان و طراحان سازه حیاتی است. شکست ناگهانی فولاد در دمای پایین، یا تحت تأثیر ترکیب شیمیایی نادرست، می تواند فاجعه هایی بزرگ را رقم بزند؛ از غرق شدن کشتی ها در دوران جنگ جهانی دوم تا شکست تیرهای فولادی پل ها در سرما.

چرا شناخت رفتار شکنندگی فولاد اهمیت دارد؟

رفتار شکست فولاد نه تنها به طراحی ایمن سازه ها کمک می کند، بلکه در انتخاب آلیاژ، روش تولید و عملیات حرارتی نیز نقش تعیین کننده دارد. در صنایع حساس مانند هوافضا، نفت و گاز یا ساخت کشتی، حتی ترک های میکروسکوپی می توانند مسیر یک شکست فاجعه بار را هموار کنند.

درک عوامل مؤثر بر شکنندگی، یعنی پیشگیری از خسارت های میلیاردی و حفظ جان انسان ها.

عوامل مؤثر بر شکنندگی فولاد

دما و شکنندگی (Transition Temperature)

یکی از مهم ترین پارامترها در رفتار فولاد، دمای بحرانی شکست ترد (DBTT) است. این دما نقطه ای است که در آن، فولاد از حالت نرم و چقرمه به حالت شکننده تغییر فاز رفتاری می دهد. در دماهای بالاتر از DBTT، فولاد انرژی بیشتری جذب می کند و به صورت نرم می شکند، اما در دماهای پایین تر، انرژی جذب شده کاهش یافته و شکست ناگهانی رخ می دهد.

در دماهای بسیار پایین، حرکت نابجایی ها در ساختار بلوری فولاد دشوار می شود و به جای تغییر شکل پلاستیک، ترک ها بدون هشدار رشد می کنند. این همان پدیده ای است که در کشتی های Liberty در جنگ جهانی دوم باعث شکستن بدنه در آب های سرد اقیانوس اطلس شد.

برای مشاهده قیمت فولاد ck45 می توانید وارد صفحه https://samentejarat.com/heat-treatment-steels/ck45/ در سایت ثامن تجارت شوید و خرید خود را با مشاوره رایگان کارشناسان ثامن تجارت انجام دهید.

در مقابل، در دماهای بالا فولاد رفتاری نرم تر دارد و تمایل به شکست چقرمه ای نشان می دهد. به همین دلیل، طراحی سازه های فولادی در مناطق سرد نیازمند انتخاب فولادهایی با DBTT پایین تر است.

ترکیب شیمیایی فولاد

ترکیب شیمیایی، پایه گذار رفتار مکانیکی فولاد است.

وجود کربن در مقادیر بالا، سختی و استحکام را افزایش می دهد اما در عوض چقرمگی را کاهش می دهد. فولادهای پرکربن معمولاً در دماهای پایین شکننده ترند.

منگنز به عنوان عنصر آلیاژی، موجب افزایش چقرمگی می شود و اثرات منفی گوگرد را خنثی می کند. نیکل نیز یکی از مؤثرترین عناصر برای کاهش دمای انتقال شکنندگی است و به همین دلیل در فولادهای مقاوم به سرما استفاده می شود.

در مقابل، گوگرد و فسفر عناصر نامطلوبی هستند که در مرزدانه ها جمع می شوند و مسیر رشد ترک را هموار می کنند. حتی مقدار بسیار ناچیز این ناخالصی ها می تواند رفتار فولاد را به شدت شکننده کند.

عملیات حرارتی و ریزساختار

ریزمیکروساختار فولاد، تعیین کننده اصلی نوع شکست است. عملیات حرارتی مانند نرماله سازی، تمپرینگ و کوئنچینگ می توانند تعادل میان فازهای مارتنزیت، پرلیت و فریت را تغییر دهند.

فولاد کوئنچ شده بدون تمپر، معمولاً ساختاری مارتنزیتی دارد که اگرچه سخت است، اما بسیار شکننده است. در مقابل، عملیات تمپرینگ با بازپخش کربن، چقرمگی را افزایش می دهد.

هرچه ریزدانه تر باشد، انرژی لازم برای شروع ترک بیشتر می شود و مقاومت فولاد در برابر شکست افزایش می یابد. بنابراین، کنترل دقیق عملیات حرارتی و ساختار دانه ها، کلید جلوگیری از شکنندگی است.

تنش های پسماند و فرآیندهای تولید

در فرآیندهایی مانند جوشکاری، نورد سرد یا شکل دهی پلاستیک، تنش های پسماند درون فولاد ایجاد می شوند. این تنش ها در ظاهر نامرئی اند اما در عمل، همانند بمب های ساکت درون سازه عمل می کنند.

وقتی سازه در معرض بارهای خارجی قرار می گیرد، این تنش های داخلی با تنش های اعمال شده جمع می شوند و در نقاط بحرانی، ترک های ریز را آغاز می کنند. در ادامه، ترک ها با سرعت زیاد رشد می کنند و شکست ترد به وقوع می پیوندد.

استفاده از پیش گرمایش در جوشکاری و بازپخت (Stress Relieving) پس از نورد، از روش های مؤثر برای کاهش این تنش ها است.

انواع شکنندگی در فولاد

شکنندگی ترد (Brittle Fracture)

شکست ترد معمولاً بدون تغییر شکل ظاهری و به صورت ناگهانی رخ می دهد. سطح شکست در این نوع شکست براق و بلوری است و مسیر رشد ترک معمولاً مستقیم است.

شما می توانید در صفحه ی https://samentejarat.com/heat-treatment-steels/ck55/ قیمت روز فولاد ck55 را مشاهده کنید و خرید خود را با مشاوره رایگان کارشناسان ثامن تجارت انجام دهید.

در مقابل، شکست نرم یا Ductile Fracture با تغییر شکل پلاستیک زیاد همراه است و سطح شکست زبر و مات دارد. تفاوت میان این دو نوع شکست، تفاوت میان هشدار و فاجعه است؛ یکی آرام و قابل پیش بینی، دیگری ناگهانی و ویرانگر.

شکنندگی ناشی از هیدروژن (Hydrogen Embrittlement)

یکی از خطرناک ترین انواع شکنندگی، نوعی است که توسط اتم های هیدروژن ایجاد می شود. این اتم های کوچک در حین فرآیندهایی مانند آبکاری، جوشکاری یا سرویس در محیط های مرطوب وارد شبکه بلوری فولاد می شوند.

هیدروژن در نواحی پرتنش تجمع می یابد و با تضعیف پیوندهای فلزی، باعث گسترش سریع ترک ها می شود.

برای جلوگیری از این پدیده، باید از پخت هیدروژن (Baking) پس از آبکاری، استفاده از پوشش های محافظ و خشک نگه داشتن محیط بهره برد.

شکنندگی ناشی از فازها و رسوبات

در فولادهای آلیاژی، تشکیل فازهای خاص مانند کاربید کروم، نیترید آلومینیوم یا فاز سیگما می تواند موجب تردی بین دانه ای شود. این فازها در مرزدانه ها رسوب می کنند و پیوستگی ساختاری فولاد را از بین می برند.

برای مثال، فولادهای زنگ نزن در دماهای بین ۴۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتی گراد ممکن است دچار پدیده ای به نام Sensitization شوند که در آن کاربید کروم تشکیل شده و مقاومت به خوردگی و چقرمگی هر دو کاهش می یابد.

روش های جلوگیری از شکنندگی فولاد

• انتخاب فولاد با ترکیب آلیاژی مناسب و محتوای کنترل شده از نیکل و منگنز

• انجام عملیات حرارتی بهینه برای کنترل اندازه دانه و ریزساختار

• طراحی سازه ها به گونه ای که تنش های متمرکز کاهش یابند

• استفاده از بازرسی های غیرمخرب (NDT) مانند التراسونیک یا رادیوگرافی برای شناسایی ترک های پنهان پیش از بهره برداری

سوالات متداول

آیا همه فولادها در دمای پایین شکننده می شوند؟

خیر، فولادهای آلیاژی حاوی نیکل یا منگنز می توانند در دماهای بسیار پایین نیز چقرمه باقی بمانند.

چگونه می توان DBTT فولاد را کاهش داد؟

با کاهش اندازه دانه ها، افزودن عناصر آلیاژی مناسب و حذف ناخالصی ها می توان دمای بحرانی شکنندگی را پایین آورد.

آیا عملیات حرارتی همیشه باعث افزایش چقرمگی می شود؟

خیر، اگر عملیات حرارتی نادرست انجام شود (مثلاً کوئنچ سریع بدون تمپرینگ)، فولاد حتی شکننده تر هم می شود.