متالوگرافی فولاد چیست؟

متالوگرافی، علم مطالعه ساختار فیزیکی و اجزای فلزات یا همان ریزساختار فلزات است و یکی از مهم ترین ابزارهای مهندسان متالورژی در تحلیل خواص فلزات محسوب می شود. بررسی متالوگرافی معمولاً با استفاده از میکروسکوپ نوری یا میکروسکوپ الکترونی انجام می گیرد و اطلاعات دقیقی درباره فازهای تعادلی و غیرتعادلی، روش تولید و عملیات انجام شده روی قطعه، و پارامترهای کمی مانند اندازه دانه ها یا میزان آخال های موجود در آلیاژ ارائه می دهد.

در این فرآیند، سطح فلز ابتدا با روش هایی مانند آسیاب، سنباده زنی، پولیش و اچ کردن آماده می شود و پس از پرداخت مناسب، برای آنالیز زیر میکروسکوپ قرار می گیرد. این تحلیل ها به مهندسان کمک می کند تا کیفیت و عملکرد فولاد را به صورت دقیق ارزیابی کنند.

یکی از مهم ترین عوامل تعیین کننده خواص فولاد، غلظت کربن موجود در آن است. فولادهای معمولی، آلیاژهای آهن-کربن هستند که به دلیل تنوع خواص و قابلیت های فراوان، بیش از 98 درصد از کل آلیاژهای آهن تولیدشده را تشکیل می دهند.

اگر شما در صنعت فولاد فعالیت می کنید و به دنبال سفارش قطعات فولادی با کیفیت از یک کارگاه مدرن و مجهز هستید، پیشنهاد می کنیم همین حالا به صفحه ریخته گری چیست ؟ مراجعه کنید. در این صفحه به صورت جامع درباره قیمت ریخته گری فولاد، خدمات ارائه شده و شرایط سفارش در مجموعه آوانگارد توضیح داده شده است.

ریزساختار فولاد و تأثیر آن بر خواص فیزیکی و شیمیایی

ساختار درونی یک ماده، یا همان ریزساختار، نقش تعیین کننده ای در تمامی خواص فیزیکی و شیمیایی آن ایفا می کند. فولاد ضد زنگ از این نظر با سایر انواع فولاد متفاوت است، زیرا حاوی عناصر آلیاژی مانند نیکل، کروم و سایر افزودنی ها است. این ترکیب خاص باعث می شود فولاد ضد زنگ مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی و شرایط محیطی سخت از خود نشان دهد.

فولاد به دلیل خواص مکانیکی برجسته و قیمت نسبتاً پایین، همواره یکی از پرمصرف ترین و کلیدی ترین فلزات در صنایع مختلف محسوب می شود. عملکرد مکانیکی فولاد به شدت به ریزساختار آن وابسته است؛ توزیع، شکل و اندازه فازها در ریزساختار، تعیین کننده نحوه رفتار مواد در شرایط عملیاتی است. بسته به روش ریخته گری و عملیات حرارتی، ریزساختار فولاد می تواند شامل فازهایی مانند فریت، سمنتیت، آستنیت، پرلیت و مارتنزیت باشد.

در ادامه، از دیدگاه متالوگرافی به بررسی فولاد پرداخته و هر یک از این فازها و ریزساختارها را به صورت تخصصی توضیح خواهیم داد.

فریت؛ یکی از ریزساختارهای مهم فولاد

فریت، یکی از ریزساختارهای اصلی فولادهای فریتی است و در متالوگرافی فولاد نقش بسزایی دارد. این ساختار که با نام آهن آلفا (α-Fe) نیز شناخته می شود، یک محلول جامد با آهن به عنوان عنصر اصلی و ساختار کریستالی مکعبی بدنه است. فولادهای فریتی معمولاً کمتر از 0/10 درصد کربن دارند و محتوای کروم آن ها بیش از 12 درصد است.

فولاد ضد زنگ فریتی از نظر ساختار دانه ای و ترکیب شیمیایی با دیگر انواع فولاد ضد زنگ تفاوت دارد. این دسته از فولادها به عنوان یک کلاس از آلیاژهای ضد زنگ کروم تعریف می شوند و به صورت ذاتی قابل سخت شدن با عملیات حرارتی نیستند. سختی این فولادها تنها با نورد سرد افزایش می یابد.

محدوده ترکیبی این فولادها به شرح زیر است:

• کروم: 10.5 تا 30درصد
• کربن: کمتر از 0.06 درصد

از مهم ترین گریدهای فولاد ضد زنگ فریتی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• فولاد ضد زنگ 409
• فولاد ضد زنگ 430
• فولاد ضد زنگ 430LI
• فولاد ضد زنگ 434
• فولاد ضد زنگ 439
• فولاد ضد زنگ 442
• فولاد ضد زنگ 444
• فولاد ضد زنگ 446

این فولادها به دلیل مقاومت عالی در برابر خوردگی و پایداری ساختاری، در صنایع مختلفی همچون خودروسازی، صنایع نفت و گاز، تجهیزات آشپزخانه و قطعات صنعتی کاربرد گسترده دارند.

سمنتیت؛ کاربید آهن و نقش آن در ریزساختار فولاد

در اکثر آلیاژهای آهن-کربن، کربن عمدتاً به صورت کاربید آهن (Fe₃C) وجود دارد که با نام سمنتیت نیز شناخته می شود. سمنتیت یکی از اجزای کلیدی در ریزساختار فولاد و آهن به شمار می آید و به دلیل محتوای کربن با درصد بالا، حتی تغییرات کوچک در میزان کربن آهن، تغییرات قابل توجهی در غلظت سمنتیت ایجاد می کند.

در فرآیندهای ذوب و ریخته گری، سمنتیت در آهن مذاب محلول است و این موضوع یکی از دلایل انباشته شدن کربن در محصول حاصل از کوره بلند برای احیای سنگ آهن محسوب می شود. این ویژگی به نوعی مزیت است، زیرا نقطه ذوب مخلوط آهن و سمنتیت به حدود 1100 درجه سانتیگراد کاهش می یابد و امکان انباشته شدن محصول در پایه کوره را در دماهای پایین تر از 1535 درجه سانتیگراد فراهم می کند.

سمنتیت دارای ساختار کریستالی متعامد است و ماده ای سخت و شکننده محسوب می شود. به همین دلیل، در متالوگرافی فولاد و آهن، سمنتیت معمولاً به عنوان عنصر سرامیکی سخت شناخته می شود و نقش مهم و فراوانی در تعیین خواص مکانیکی و ساختاری فولاد ایفا می کند.

آستنیت؛ ساختاری از فولاد با مقاومت پایین

آستنیت یکی از ریزساختارهای مهم فولاد است که دارای ساختار کریستالی مکعبی با مرکز وجهی (FCC) می باشد. این فاز در سیستم آهن-کربن (Fe-C) بالاتر از دمای یوتکتوئید 723 درجه سانتیگراد تشکیل می شود. دمای یوتکتوئید، حداقل دمایی است که در آن یک ماده به صورت یک فاز محلول جامد منفرد وجود دارد و عناصر آلیاژی به طور کامل در ماتریس محلول می شوند.

در آستنیت، عناصر آلیاژی بسته به اندازه اتمی و ظرفیت الکتریکی در مکان های بینابینی یا جانشینی در ساختار FCC آهن قرار می گیرند. اگر آستنیت تحت سرد شدن آهسته قرار گیرد و دمای آن به زیر 723 درجه سانتیگراد برسد، تحت یک تبدیل آلوتروپیک به فریت و سمنتیت (α-Fe + Fe₃C) ناپایدار می شود. با این حال، افزودن عناصری مانند نیکل و منگنز می تواند فاز آستنیت را تا دمای اتاق تثبیت کند، در حالی که عناصری مانند سیلیکون، مولیبدن و کروم باعث ناپایداری آن و افزایش دمای یوتکتوئید می شوند.

از لحاظ ویژگی های میکروسکوپی، آستنیت معمولاً با مرزهای دوقلو قابل شناسایی است و این ساختار با میکروسکوپ نور بازتابی مشاهده می شود. آستنیت قابلیت جاسازی عناصر آلیاژی در ماتریس خود را دارد و به همین دلیل از اهمیت بالایی در تعیین خواص مکانیکی فولاد برخوردار است.

برخی از خواص مکانیکی آستنیت عبارتند از:

• مقاومت پایین
• هدایت حرارتی کم، هرچند ضریب انبساط حرارتی آن نسبتا بالاست
• افزایش استحکام با شکل دهی سرد، که البته منجر به کاهش قابلیت ماشینکاری می شود

در دمای حدود 1670 درجه فارنهایت، آستنیت به فریت باز می گردد. فریت تشکیل شده در دمای بالا، به فریت دلتا و فریت تشکیل شده در دمای پایین، به فریت آلفا معروف است، که هر دو ساختاری مشابه فریت معمولی دارند.

پرلیت؛ ریزساختار لایه ای فولاد ضد زنگ

پرلیت یکی از ریزساختارهای مهم فولاد ضد زنگ است که به صورت مخلوطی از فریت و سمنتیت تشکیل می شود. در فولادهای کربنی که به آرامی خنک می شوند، پرلیت به شکل لایه ها یا نوارهای مجزا ظاهر می شود و یک ساختار دو فازی ایجاد می کند. در این ساختار، لایه های سمنتیت که سخت و شکننده هستند، بین لایه های فریت که نرم و انعطاف پذیرند قرار گرفته اند.

ترکیب تقریبی پرلیت شامل حدود 88 درصد فریت و 12 درصد سمنتیت است. این ساختار به دلیل سختی و استحکام بالای خود، در کاربردهای متنوع صنعتی و مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد، از جمله:

• ساخت ابزارهای برش
• تولید سیم های با مقاومت بالا
• ساخت چاقو و میخ

پرلیت یک ساختار لایه ای یا صفحه ای است که شبکه ای متناوب از فریت آلفا و سمنتیت را تشکیل می دهد. این ریزساختار، تنها در شرایط خاص حرارتی و ریخته گری شکل می گیرد و به دلیل ساختار لایه ای خود، مقاومت بالایی در برابر سایش و فشار دارد.

به علاوه، پرلیت نسبت به فولادهای آهنی خالص، مقاوم تر و سبک تر است و کاربردهای ویژه ای دارد. از این ریزساختار برای تولید سیم ها و کابل های با مقاومت مکانیکی بالا استفاده می شود و در ساخت برخی پل ها نقش مهمی ایفا می کند. همچنین پرلیت به عنوان ماده ای عایق در فناوری تبرید نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

مارتنزیت؛ سخت ترین ریزساختار فولاد

مارتنزیت سخت ترین و مقاوم ترین شکل در ساختار کریستالی فولاد به شمار می رود. این ریزساختار با توجه به ترکیب شیمیایی فولاد، عملیات حرارتی و فرآیند پیری، قابلیت سخت شدن و تقویت بالایی دارد. به همین دلیل، فولاد مارتنزیتی به گزینه ای ایده آل برای تولید شیرآلات صنعتی، ابزارهای مکانیکی، قطعات توربین، ابزار پزشکی و سایر محصولاتی که نیاز به سختی و دوام بالا دارند، تبدیل شده است.

ترکیب شیمیایی معمول فولاد مارتنزیتی شامل:

• کروم: 11.5 تا 18 درصد
• کربن: حدود 1.2 درصد
• نیکل: میزان کمتر برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی
• سایر عناصر آلیاژی مانند منگنز، نیکل و مولیبدن

فولاد ضد زنگ مارتنزیتی به دلیل استحکام بالا، دوام و مقاومت قابل توجه در برابر خوردگی، یکی از محبوب ترین گزینه ها در صنایع مختلف مهندسی و تولید قطعات حساس و پرکاربرد است.

جدول ریزساختارهای فولاد ضد زنگ

ریزساختار	ترکیب شیمیایی تقریبی	ویژگی ها	کاربردها
فریت	کروم 10.5–30٪، کربن کمتر از 0.06	غیرقابل سخت شدن با عملیات حرارتی، مقاومت خوب در برابر خوردگی، نرم و انعطاف پذیر	صنایع خودروسازی، تجهیزات خانگی، قطعات صنعتی
سمنتیت (Fe₃C)	کربن 6.69 در ترکیب	سخت و شکننده، ساختار سرامیکی، نقش مهم در استحکام فولاد	افزایش سختی و مقاومت فولاد، قطعات صنعتی و ابزار دقیق
آستنیت	نیکل و منگنز تثبیت کننده، سیلیکون/کروم/مولیبدن ناپایدارکننده	مقاومت پایین، هدایت حرارتی کم، قابلیت افزایش استحکام با شکل دهی سرد، فاز FCC	فولادهای ضد زنگ آستنیتی برای تجهیزات غذایی، پزشکی، لوله ها و تانک ها
پرلیت	فریت ~88٪، سمنتیت ~12٪	ساختار لایه ای، سخت و مستحکم، مقاوم در برابر سایش	ابزار برش، سیم های مقاوم، چاقو، میخ، کابل ها و کاربردهای ساختمانی
مارتنزیت	کروم 11.5–18٪، کربن ~1.2، نیکل و منگنز	سخت ترین ریزساختار، قابلیت سخت شدن با عملیات حرارتی، مقاومت بالا و دوام	شیرآلات صنعتی، ابزارهای مکانیکی، قطعات توربین، ابزار پزشکی و محصولات سخت کار

مراحل انجام آزمایش متالوگرافی فولاد

آزمایش متالوگرافی فولاد یکی از روش های اصلی برای بررسی ریزساختار فلزات است و شامل چند مرحله کلیدی می باشد:

1. برش و آماده سازی نمونه

در اولین مرحله، قطعه فولادی در ابعاد مناسب برای قرار گرفتن در دستگاه برش زده می شود. سطح نمونه باید کاملاً تمیز از روغن، براده و هر ماده اضافی باشد تا مشاهده زیر میکروسکوپ به درستی انجام شود. همچنین، ناهمواری های اولیه سطح گرفته می شود تا نمونه آماده مراحل بعدی شود.

2. سنباده زنی و پولیش نمونه

برای آماده سازی نمونه جهت بررسی میکروسکوپی، ابتدا سنباده زنی مرحله ای انجام می شود. در این فرآیند:

• از سنباده های شماره پایین برای لایه برداری اولیه استفاده می شود.
• در مراحل بعد، سنباده ها به تدریج نرم تر و با شماره بالاتر انتخاب می شوند.
• نمونه در هر مرحله 90 درجه چرخانده می شود تا خطوط سنباده قبلی محو شوند.

پس از سنباده زنی، نمونه شسته شده و به مرحله پولیش وارد می شود تا سطح به آینه ای و صیقلی تبدیل شود. تکنیک های رایج پولیش عبارتند از:

• استفاده از اکسید آلومینیوم
• الکتروپولیش
• کاربید سلیکون

3. اچ کردن (حکاکی سطح)

سطح نمونه پس از پولیش صیقلی است و بدون اچ کردن، ریزساختار قابل مشاهده نیست. در این مرحله، نمونه در محلول اسیدی یا باز ضعیف قرار می گیرد تا خوردگی سطحی ایجاد شود. این خوردگی معمولاً در مرز دانه ها سریع تر رخ می دهد و باعث نمایان شدن مرزها و جزئیات ریزساختار می شود.

پس از اچ کردن، نمونه شسته و خشک می شود و سپس برای بررسی میکروسکوپی آماده است.

ساختار متالوگرافی فولادها؛ کلید فهم فولادهای ضد زنگ

همان طور که اشاره شد، در متالوگرافی از میکروسکوپ برای تحلیل چارچوب ساختاری و عناصر فلزات استفاده می شود. بررسی ریزساختار فولاد به پژوهشگران و مهندسان کمک می کند تا با توجه به خواص هر ریزساختار، فولاد ضد زنگ مناسب را برای کاربردهای حساس و حیاتی مانند صنعت خودروسازی، هوافضا و تولید ابزارهای دقیق انتخاب کنند. علاوه بر این، آزمایش متالوگرافی نقش کلیدی در توسعه مواد جدید و بهبود عملکرد فولادها دارد.

مجموعه آوانگارد با بهره گیری از تیم متخصص در زمینه متالورژی و تجهیزات پیشرفته، بستری کامل برای ارائه خدمات مدلسازی، ریخته گری چدن، ریخته گری فولاد و ریخته گری استیل فراهم کرده است. برای دریافت اطلاعات بیشتر و مشاوره تخصصی، می توانید با کارشناسان آوانگارد تماس بگیرید و از خدمات حرفه ای این مجموعه بهره مند شوید.

می توانید پادکست (مقاله صوتی) مقاله را نیز گوش کنید، همچنین فایل پاور پوینت مقاله نیز قابل دانلود است.

🏢 شرکت هلدینگ بازرگانی صنعتی آوانگارد – پیشرو در تأمین و تولید قطعات ریخته گری در خاورمیانه 🌍

📞 شماره تماس:  00989120228576
🌐 وب سایت:  Avangardholding.com