فولادهای با استحکام فوق العاده بالا ( Ultrahigh – strength steel , Maraging steel ) از گروه فولادهای آلیاژی هستند که استحکام بسیار بالایی دارند .

انواع فولادهای با استحکام فوق العاده بالا

به طور کلی چهار گرید از فولادها هستند که با استحکام بین ۱.۴ و ۲.۵ گیگا پاسکال تولید می‌شوند . این گریدها شامل ۱۸ Ni ( 200 ) ، ۱۸ Ni ( 250 ) ، ۱۸ Ni ( 300 ) و ۱۸ Ni ( 350 ) هستند [۱] . در ادامه متن توضیحات مختصری در خصوص این گریدها ارائه شده است .

خواص فولادهای با استحکام فوق العاده بالا

فولاد ماراجینگ ( Maraging Steel )

این فولادها استحکام فوق العاده بالایی دارند ؛ چرا که استحکام تسلیم آن‌ها تحت عملیات حرارتی به حدود ۲.۵ گیگا پاسکال می‌رسد . علاوه بر این ، فولادهای ماراجینگ انعطاف پذیری و چقرمگی بالایی دارند [۱] . اجزای سازنده فولاد ماریجینگ در جدول زیر ارائه شده است [۲و۱] .

ترکیب شیمیایی فولادهای ماراجینگ [۲و۱] .

• 

اعداد داخل پرانتز در گریدهای فولادهای ماریجینگ نشان دهنده استحکام تسلیم اسمی ( Nominal yield strength ) بر حسب ksi است . همه فولادهای ماراجینگ باید تحت عملیات حرارتی قرار بگیرند تا خواص مطلوب در آن‌ها ایجاد شود . چرخه عملیات حرارتی فولاد ماریجینگ برای گریدهای ۱۸ Ni ( 200 ) ، ۱۸ Ni ( 250 ) و ۱۸ Ni ( 300 ) شامل انجام عملیات حرارتی محلول جامد ( Solution treatment ) در دمای ۸۲۰ درجه سانتی گراد و به مدت ۱ ساعت ( در هر میلی متر ضخامت ) است . مرحله بعدی عملیات حرارتی فولادهای با استحکام فوق العاده بالا ، شامل سرد شدن در دمای اتاق و سپس اعمال عملیات پیر سازی در دمای ۴۸۰ درجه سانتی گراد و به مدت ۴ ساعت است .

زمان پیر سازی گرید ۱۸ Ni ( 350 ) طولانی‌تر و برابر با ۱۲ ساعت است . به دنبال سرد شدن آستنیت موجود در دمای ۸۲۰ درجه سانتی گراد ، یک ریز ساختار مارتنزیتی ایجاد می‌شود . انجام عملیات پیر سازی فولادهای با استحکام فوق العاده بالا ، باعث تشکیل رسوباتی از ترکیبات بین فلزی مانند Ni_۳Mo می‌شود . این رسوبات استحکام زمینه مارتنزیتی را افزایش می‌دهند [۱] .

سیم تار ( Music Wire )

یکی از مستحکم‌ترین محصولات فولادی که به صورت تجاری موجود است ، سیم تار است . استحکام کششی این سیم‌ها می‌تواند به حدود ۵ گیگا پاسکال برسد . سیم تار در اصل همان فولاد SAE / AISI 1080 است . میله‌های SAE / AISI 1080 برای دستیابی به استحکام فوق‌العاده بالا ، در طی فرآیندی همدما به پرلیت ریز که Patenting نامیده می‌شوند ، تبدیل می‌شوند .

این میله‌ها ( فولادهای با استحکام فوق العاده بالا ) توسط قالب مخصوص تحت کشش سرد ( Cold drawn ) قرار می‌گیرند تا قطر میله‌ها کاهش یابد و سیم تولید شود . نیروهای اعمالی توسط فرآیند نورد سرد ، باعث ایجاد جهت‌گیری‌های ترجیحی ( Preferred orientation ) یا بافت رشته‌ای ( Fiber texture ) در دانه‌های فریت و سمنتیت می‌شود . این سیم‌ها در سازه‌های موسیقی کاربرد دارند و می‌توان آن‌ها را تحت کشش بالایی قرار داد تا نت‌های موسیقی خاصی را تولید کنند . سیم‌های با استحکام فوق‌العاده بالا برای تقویت لاستیک‌های اتومبیل نیز استفاده می‌شود [۱] .

ماشینکاری فولادهای ماریجینگ

فولادهای با استحکام فوق العاده بالا بدلیل محتوای کربن پایین ، قابلیت ماشینکاری خوبی دارند . فولادهای ماراجینگ پیر سازی نشده ، می‌توانند بدون ترک خوردگی تا ۹۰ درصد تحت نورد سرد قرار بگیرند [۲] .

جوشکاری فولادهای مارایجینگ

فولادهای ماراجینگ قابلیت جوشکاری خوبی دارند ، اما پس از آن باید تحت عملیات پیر سازی قرار بگیرند تا خواص اصلی به منطقه متاثر از حرارت ( Heat affected zone ) بازگردانده شود [۲] .

هنگامی که استیل های با استحکام فوق العاده بالا تحت عملیات پیر سازی مجدد قرار می‌گیرند ، تغییرات ابعادی بسیار کمی دارند ، بنابراین اغلب به ابعاد نهایی خود ماشینکاری می‌شوند . بدلیل محتوای بالای آلیاژ ، فولادهای ماراجینگ سختی پذیری بالایی دارند . از آنجایی که در طی سرد شدن این فولادها ، مارتنزیت‌های FeNi انعطاف پذیر تشکیل می‌شوند ، ترک‌ها یا وجود ندارند یا بسیار جزئی هستند . فولادهای با استحکام فوق‌العاده بالا را می‌توان نیتروژن دهی کرد تا سختی آن‌ها افزایش یابد ؛ همچنین می‌توان پولیش کرد تا پرداخت سطحی خوبی در آن‌ها ایجاد شود .

فولاد ماراجینگ غیر زنگ نزن مقاومت متوسطی در برابر خوردگی دارد و در برابر خوردگی تنشی ( Stress corrosion ) و تردی هیدروژنی ( Hydrogen embrittlement ) مقاومت می‌کند . مقاومت به خوردگی می‌تواند توسط آبکاری کادمیوم ( Cadmium plating ) و فسفاته کاری ( Phosphating ) افزایش یابد [۲] .

خواص فیزیکی فولادهای با استحکام فوق العاده بالا

دانسیته ۸.۱ g/cm³ ، متوسط گرمای ویژه در بازه دمایی ۰ تا ۱۰۰ درجه سانتی گراد ۴۵۲ J/kg.K ، نقطه ذوب ۱۴۱۳ °C ، رسانایی حرارتی ۲۵.۵ W/m.K ، متوسط ضریب انبساط حرارتی ۱۱.۳×۱۰^−۶ ، استحکام کششی تسلیم ۱۴۰۰ – ۲۴۰۰ MPa ، استحکام کششی نهایی ۱.۶ – ۲.۵ GPa ( برخی گریدها تا ۳.۵ GPa ) ، ازدیاد طول در هنگام شکست حداکثر تا ۱۵ درصد ، چقرمگی شکست K_IC حداکثر تا ۱۷۵ MPa.m^​۱⁄_۲ ، مدول یانگ ۲۱۰ GPa ، مدول برشی ۷۷ GPa ، سختی فولاد پیر سختی شده گرید ۲۰۵ برابر با ۵۰ HRC ، گرید ۳۰۰ برابر با۵۴ HRC  و گرید ۳۵۰ برابر با ۵۸ HRC [2] .

کاربرد فولادهای با استحکام فوق العاده بالا

سیم‌های با استحکام فوق‌العاده بالا در ساخت سیم‌های تار و گیتار و همچنین برای تقویت لاستیک‌های اتومبیل مورد استفاده قرار می‌گیرد . این فولادها علاوه بر این در کاربردهایی که نیاز به عملکرد فوق‌العاده دارند نظیر قطعات موشک و هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرند [۱] .

فولادهای با استحکام فوق العاده بالا برای استفاده از اجزای موتور ( مانند میل لنگ و چرخ دنده‌ها ) و گیره‌های شلیک سلاح‌های اتوماتیک ( که در سیکل‌های گرمایی مختلف تحت بار قابل توجهی هستند ) ، مناسب‌اند . انبساط یکنواخت و قابلیت تراش بالای این فولادها قبل از پیر سازی ، باعث می‌شود که فولاد‌های ماراجینگ در قالب‌ها و اجزای خطوط مونتاژ که تحت سایش بالایی هستند ، مورد استفاده قرار گیرند [۲] .  

سایر فولادهای با استحکام فوق العاده بالا مانند آلیاژهای AerMet بدلیل محتوای بالای کاربید ، قابل ماشینکاری نیستند . برخی از شمشیرهای مورد استفاده در ورزش شمشیر بازی از فولاد ماراجینگ ساخته شده‌اند . فولاد ماراجینگ زنگ نزن در چارچوب‌های دوچرخه و سرهای چوب‌ گلف استفاده می‌شود . این ماده همچنین در ساخت ابزارهای جراحی و سرنگ‌های زیر پوستی کاربرد دارد ، اما برای تیغه‌های جراحی مناسب نیست ؛ چرا که کمبود کربن باعث می‌شود لبه برش خوبی نداشته باشند . شکل زیر برخی از کاربردهای فولادهای با استحکام فوق‌العاده بالا را نشان می‌دهند [۲] .

• 

برخی از کاربردهای فولاد ماراجینگ [۲] .

سازنده آمریکایی سازهای موسیقی ساز ، Ernie Ball ، نوع خاصی از رشته‌های گیتار الکتریکی را از فولادهای با استحکام فوق العاده بالا ساخته است و ادعا می‌کند که این آلیاژ خروجی و Tonal response را افزایش می‌دهد . تولید ، واردات و صادرات فولاد ماراجینگ توسط برخی از کشورها ، مانند ایالات متحده ، به دقت مورد نظارت مقامات بین المللی قرار می‌گیرد ؛ چرا که این فولادها برای استفاده در سانتریفیوژهای گازی مورد استفاده در غنی سازی اورانیوم ، مناسب هستند [۲] .

استیلهای ماریجینگ فولادهایی هستند که استحکام فوق‌العاده‌ای دارند . بدلیل این ویژگی خاص ، این فولادها در کاربردهای خاص مانند ساخت موشک ، هواپیما ، سانتریفیوژ ، شمشیرها و غیره استفاده می‌شوند . فولادهای ماراجینگ پیر سخت نشده قابلیت ماشینکاری بالا ، قابلیت جوشکاری خوب و چقرمگی شکست عالی دارند .

منابع

[۱]         Myer kutz, Handbook of Materials Selection. .

[۲]         “https://en.wikipedia.org/wiki/Maraging_steel.” .