فولاد تریپ چیست؛ خواص و کاربردهای آن
دانشمندان به هر پدیده‌ای نگاه تحلیلی دارند؛ آن‌ها تلاش می‌کنند تا در هر ساختاری چالش ایجاد کرده و شکل بهینه‌تری از آنچه در حال رخ دادن است، ایجاد کنند. این طرز نگاه در تمام سطوح علم جریان دارد، دانشمندان علم پزشکی ساختار بدن را مطالعه می‌کنند، دانشمندان علم مکانیک که حرکت ماده و نیروهای وارد بر آن را مطالعه می‌کنند و هر رشته‌ای که فکرش را بکنید، دانشمندان آن علم، همواره در حال تغییردادن و بهتر کردن شرایط موجود هستند که اگر این چنین نبود زندگی با کیفیت امروزی مواجه نبود.
اجزا تشکیل‌دهنده زندگی در قرن بیست و یکم بیش از آن است که بتوان شمارش کرد. شما اگر به زندگی خود نگاه ریزبینانه‌ای داشته باشید، با انبوهی از مواد پلاستیکی، چوبی، سرامیکی و فلزی مواجه خواهید شد که هر کدام روش ساخت متفاوتی دارند. تصدیق خواهید کرد که نوع ساختار این ابزارها در طول سالیان گذشته تغییر کرده است. به طور مثال یک تلویزیون در طول سالیان گذشته چه از نظر فیزیکی و چه تکنولوژی تفاوت کرده است. اما گاه این تفاوت‌ها را ما متوجه نمی‌شویم، مثلا در مورد قاشق و چنگال شاید شکل و ظاهر بدنه تغییر نکرده باشد اما ساختار فیزیکی و شیمیایی و روش ساخت آن با گذشته بسیار متفاوت شده است.
این نوع از تغییرات که با نگاه دانشمندان آغاز شده است و دچار چالش شده، بیش از هر جای دیگر در صنایع فولادی اتفاق افتاده است. نیاز صنعت، به فولادهای با کیفیت و مقاوم‌تر موجب تغییر نوع تولید و ساخت شده است. چیزی که از چشم ما پنهان بوده اما وجود دارد. فولاد تریپ نوعی فولاد کم آلیاژی است. از این فلز به دلیل مقاومت مکانیکی و چقرمگی، در صنایع اتومبیل‌سازی استفاده می‌شود. در این مقاله شما را با فولاد تریپ، خواص فیزیکی و مکانیکی آن، ساختار، انواع و کاربردهای ملموس آن آشنا خواهیم کرد.
یکی از دلایلی که فولاد تریپ (TRIP) در صنعت اتومبیل‌سازی، تغییر شکل بالای این فولاد است که موجب می‌شود، ارگونومی ماشین بهینه شده و در نتیجه با سرعت و شتاب بالاتری حرکت کند، بدون آنکه مصرف سوخت تغییری کند.
فولاد تریپ (TRIP) چیست؟
فولاد تریپ یا TRIP Steel که مخفف عبارت Transformation Induced Plasticity Steel بوده، به معنای فولاد تغییر شکل یافته ناشی از تغییر دما است. این فولاد در گروه فولادهای کم‌آلیاژ شکل می‌گیرد و خواص مکانیکی این نوع از آلیاژ چقرمگی بالا است که در فولاد تریپ نیز دیده می‌شود. گفتنی است که در بازار محصولات فولادی بسته به خواص مکانیکی قیمت انواع ورق متفاوت خواهد بود؛ پس ورق‌های حاصل از فولاد تریپ نیز با توجه به خواص مطلوب خود که در ادامه توضیح داده می‌شود، در صنایعی همچون اتومبیل‌سازی، قیمت منحصربه‌فرد خود را دارند.
می‌توان گفت که تریپ به دلیل دفرمه شدن فولاد کم‌آلیاژ در زمان حرارت‌دهی شکل می‌گیرد. تمام اجسام از جمله فولاد به دلیل دو اتفاق دفرمه می‌شوند:
- بر اثر تنش
- بر اثر تغییر شکل
در استیل تریپ دفرمه شدن فولاد براثر تغییر شکل بوده که ناشی از تغییر شکل پلاستیکی فولاد در فاز آستینتی شدن شکل می‌گیرد. این تغییر شکل از آنجا شروع می‌شود که فولاد تا دمای ۷۲۷ درجه سانتی‌گراد دارای ساختار BCC است. با تغییر دما و بالا رفتن تا ۹۱۲ درجه سانتی‌گراد فولاد تغییر ساختار می‌دهد و به شکل FCC در می‌آید. در این حرارت دادن فولاد از فاز فریت به فاز آستینتی وارد می‌شود. در فولاد تریپ آستنیت در طول تغییر شکل به مارتنزیت تبدیل می‌شود که تغییر شکل پلاستیکی خواهد بود.
بنابراین فولاد تریپ نوعی از آلیاژ فولاد است که دارای ساختار چند فازی فریت، بینیت و مقداری آستینت است که در ساختار خود کمی مارتنزیت نیز دارد. حداقل آستنیت باقی‌مانده در این فولاد پنج درصد بوده که در فاز اولیه فریت جداسازی شده است. این که چرا آستینیت باقی می‌ماند، به دلیل وجود عنصر سیلیسیوم است. فولادهای کم‌آلیاژ شامل عنصر سیلیسم است؛ سلیسیم اجازه نمی‌دهد که در طول تشکیل بنیتیت بالایی، سمنتیت رسوب کند، برای همین آستنیت در فولاد TRIP باقی بماند.
فولاد تریپ حاصل گرمادهی دوباره فولادهای کم‌آلیاژ است که دارای ریزساختار متفاوتی شامل آلوتروپیک فریت، بینیت خالی از کاربید و باقی مانده آستینیت است. وجود آستینت باعث استحاله مارتینزیتی در زمان تغییر طول شکل شده و باعث می‌شود ناپایداری پلاستیک به تاخیر بیفتد. این تاخیر موجب می‌شود فولاد به کارسخت تبدیل شود و فولاد تریپ به وجود بیاید.
خواص فیزیکی و مکانیکی فولاد تریپ
برای نشان دادن خواص فیزیکی و مکانیکی فولاد تریپ هیچ روشی بهتر از نمودار تنش کرنش نیست. در نمودار تنش کرنش که مشاهده می‌کنید، فولادهای تریپ یکی از انواع فولاد است که نسبت به دیگر آلیاژهای فولادی مقدار بیشتری سخت‌کاری دارد. سخت‌کاری که به سخت کردن سطحی نیز معروف است نوعی روش تولید است که در آن به‌وسیله عملیات حرارتی سطح قطعه تولیدی را سخت می‌کنند به شکلی که ترکیب شیمیایی قطعه تغییر نمی‌کند. سخت‌کاری موجب تولید فولادی با سختی سطح مناسب در کنار چقرمه بودن دانست. سخت شدن کار زیاد را می‌توان به Effect TRIP نسبت داد.
اثر تریپ چیست؟
گفته شد که تشکیل استیل تریپ به دلیل شکل‌دهی است؛ این شکل‌دهی در زمان ایجاد مارتنیزیت شکل می‌گیرد و به آن اثر ترتیب گفته می‌شود. مارتنزیت حاصل سرد شدن ناگهانی فولاد آستینیتی است، به شکلی که سفت شدن به دماغه پرلیتی نرسد؛ در این صورت اتم‌های کربن نمی‌توانند میل به سمنتیت شدن پیدا کنند، برای همین ساختار کریستالی نخواهند داشت.
فرآیند اثر تریپ، موجب سخت شدن فولاد خواهد شد. پس یکی از خواص مکانیکی فولاد تریپ که بر اثر فرآیند ساخت به وجود می‌آید، سخت‌کاری استیل تریپ است. دیگر خواص مکانیکی این فولاد عبارت است از:
شکل‌پذیری بیشتر نسبت به دیگر انواع فولاد
به دلیل این که ریزساختار فولاد دارای خاصیت سخت‌کاری است، شکل‌پذیری آن نیز بسیار بالا خواهد بود. پخت سخت‌شوندگی، یکی دیگر از ویژگی‌های فولاد TRIP است. این خاصیت یک تکنیک پیشرفته برای تولید فولادهای کم‌کربن است. برای داشتن کربن کافی در مرحله پخت سخت‌شوندگی، یک فرآیند بهینه‌سازی آنیل نیاز است. آنیل‌کاری نیز یک عملیات حرارتی است که در آن گرم کردن فولاد به طور آهسته و بالاتر از دمای بحرانی و زیر نقطه ذوب انجام می‌شود. این دما دمای آنیل خواهد بود که بسته به نوع فولاد و درصد سیلیسیم متفاوت است.
انواع فولاد تریپ و خصوصیات مکانیکی آن‌ها
فولاد تریپ در انواع مختلفی تولید می‌شود که پرکاربردترین آن‌ها عبارت است از:
- Steel TRIP 450/800
- Steel TRIP 400/700
- نمونه ۱: درصد شکستگی بعد از کشیدگی با استفاده از نمونه‌ای به طول اولیه ۸۰ میلی‌متر در استاندارد EN
- نمونه ۲: درصد شکستگی بعد از کشیدگی با استفاده از نمونه‌ای به طول اولیه۵۰ میلی‌متر در استاندارد ASTM
- نمونه ۳: درصد شکستگی بعد از کشیدگی با استفاده از نمونه‌ای به طول اولیه ۵۰ میلی‌متر در استاندارد JIS
همانطور که مشاهده می‌شود خواص مکانیکی تریپ‌ها متفاوت از یکدیگر است و این خواص به موارد زیر بستگی دارد:
- پایداری آستنیت که اثر تریپ را مشخص می‌کند و این پایداری آستنیت به ترکیب شیمیایی، اندازه و شکل دانه بستگی دارد.
- خصوصیت ذاتی فازهای تشکیل‌دهنده که شامل ریزساختار، مورفولوژی و درصد عناصر است.
- نسبت مراحل تولید که هر فاز در چه مرحله‌ای تشکیل شده است.
ریزساختارهای فولاد TRIP
کمی قبل توضیح داده شد که ۵ درصد حجم فولاد تریپ از باقی‌مانده آستنیت است که جداسازی آن در فاز اول فریت انجام شده است، ولی بقیه ریزساختارهای فولاد TRIP بینیت و مارتنزیت را شامل می‌شود. گفتنی است که این فولاد از مقدار بیشتری کربن نسبت به فولادهای دوفاز بهره می‌برند تا مقدار کربن کافی برای تثبیت فاز آستنیت باقی‌مانده به زیر دمای محیط به‌دست آورند.
فازهای سخت دوم در فریت نرم در حین تغییر شکل، پراکنده شده و باعث افزایش سرعت سخت شدن کار در فولادهای DP می‌شوند. با این‌حال، در مورد فولادهای TRIP، افزایش کرنش به‌تدریج آستنیت حفظ شده را به مارتنزیت تبدیل می‌کند و سرعت سخت‌کاری در سطوح کرنش بالاتر می‌رود.
همانطور که در جدول بالا مشاهده می‌شود، نمودار تنش-کرنش سه نوع فولاد مقایسه شده است. نرخ سخت‌کار شدن اولیه فولاد TRIP، کمتر از فولاد DP است، اما سرعت سخت شدن در فولاد تریپ در سطوح کرنش بالاتر از فولاد DP است و در نتیجه مقاومت بیشتری در برابر تنش خواهد داشت. فولادهای تریپ به طور قابل توجهی در سخت‌کاری نسبت به فولاد HSS بالاتر هستند و خاصیت کشسانی معمولی دارند.
تاثیر کربن بر ساختار فولاد تریپ
میزان کربن در فولاد تریپ با هدف تثبیت فاز آستنیت باقی‌مانده زیر دمای محیط، بسیار بیشتر از فولادهای DP است. مقدار بالاتر سیلسیم یا آلومینیوم باعث تشکیل فریت بینیت می‌شود. از این رو این عناصر به حفظ مقدار کربن مورد نیاز آستینیت باقی‌مانده کمک می‌کنند و با استفاده از عناصری مانند آلومینیوم و سیلسیم می‌توان از رسوب کاربید جلوگیری کرد.
نحوه تولید فولاد تریپ
فولاد تریپ با عملیات حرارتی تولید می‌شود. نورد سرد و گرم، گالوانیزه عمقی گرم از روش‌های تولید آن است و خواص مکانیکی این فولاد به نوع عملیات حرارتی بستگی دارد. با هم یکی از روش‌های تولید فولاد TRIP را مرور می‌کنیم. مراحل تولید فولاد تریپ به روش نورد سرد فولاد کم‌آلیاژ به ضخامت یک میلی‌متر به شرح زیر است:
- آنیل کردن ورق فولاد کم‌آلیاژ نورد سرد در دمای بین ۶۲۵ تا ۶۷۵ درجه سانتی‌گراد بین ۴۵ تا ۹۰ دقیقه
- خنک‌سازی ورق فولاد آنیل شده با سیستم خنک‌کننده تا دمای اتاق خنک
- بازپخت ورق فولاد کم‌آلیاژ در دمای ۷۶۰ تا ۹۳۰ درجه سانتی‌گراد
- کاهش مجدد دمای فولاد آنیل‌شده تا ۴۶۰ درجه سانتی‌گراد (به این ترتیب به آستینیت اجازه می‌دهد تا به بینیت هم‌دما برسد.)
نمودار تولید فولاد TRIP به طور تقریبی به شکل زیر است:
تفاوت فولاد TRIP و TWIP
فولاد تیوپ نوعی فولاد تقویت شده است که در آن درصد منگنز بالا بوده و این یکی از تفاوت‌های فولاد تریپ با فولاد تویپ به شمار می‌رود. در نوع تریپ که به فولاد کم‌آلیاژ معروف است، درصد آلیاژ بسیار کم است.
تفاوت‌های دیگر فولادTRIP و فولاد تیوپ عبارت‌اند از:
- در فولاد تریپ، آستینیت که در خنک‌سازی پایدار است، تحت فشار دچار تغییر فاز مارتنزیت می‌شود؛ در حالی که در فولادهای TWIP مکانیزم غالب دوقلوسازی بدون تغییر فاز است.
- مقاومت فولاد تویپ نسبت به فولاد TRIP کمتر است.
- شکل‌پذیری فولاد TWIP نسبت به فولاد تریپ بالاتر است.
کاربردهای فولاد تریپ
بر اساس آنچه در مقالات و محتواهای بسیار زیاد عنوان شده است، کاربرد فولاد تریپ به صنعت خودروسازی برمی‌گردد. در دهه ۸۰ میلادی شرکت NIPPON Steel تحقیقات گسترده‌ای روی این فولاد انجام داد. برای این شرکت سال‌ها طول کشید تا بتواند شرکت‌های خودروسازی را مجاب به استفاده از فولاد تریپ کند. این شرکت دلایل ذکر شده را به این شکل عنوان کرده است:
- یکی از دلایلی که استیل تریپ در صنعت اتومبیل‌سازی پذیرفته شد، تغییر شکل بالای این فولاد است که موجب می‌شود، ارگونومی ماشین بهینه شده و در نتیجه با سرعت و شتاب بالاتری حرکت کند، بدون آنکه مصرف سوخت تغییری کند. در واقع ورق استفاده شده در ساخت ماشین که از فولاد تریپ با امکان خمکاری بالا، دارای وزن کمتری نسبت به دیگر فولادهای آلیاژی است که در نهایت وزن نهایی ماشین را کاهش می‌دهد، برای همین مصرف سوخت در ماشین کاهش پیدا می‌کند.
- در هنگام تصادفات، خودرو باید انرژی بالایی جذب نماید برای همین از فولاد تریپ به دلیل کارسختی بالا، در هنگام تصادف برای قسمت‌هایی مانند داشبورد استفاده می‌شود.
ورق‌های فولاد تریپ و کاربرد آن
همانطور که قبلا نیز اشاره شد فولاد تریپ با روش‌های مختلف عملیات حرارتی تولید می‌شود. گوناگونی این روش‌ها منجر به تولید ورق‌های فولادی تریپ خواهد شد.
رایج‌ترین ورق‌های فولادی تریپ عبارت است از:
- TRIP350/600: این نوع از ورق‌های فولادی، در چارچوب ریل‌ها استفاده می‌شود، ضمن آنکه برای استحکام‌بخشی به اجزای مختلف اتومبیل این ورق به کار گرفته می‌شود.
- TRIP400/700: در ماشین دو شاسی به نام crash box وجود دارد که اجزا ضد تصادف گفته می‌شود. این دو شاسی در جلو و آخر ماشین قرار می‌گیرند و از ورق تریپ ساخته می‌شوند که در هنگام تصادف جمع می‌شود، اما موجب خسارت جانی نمی‌شود.
- TRIP450/800: برای ساخت ریل‌های سقف و پنل داشبورد از ورق فولادی تریپ ۴۵۰/۸۰۰ استفاده می‌شود.
- TRIP600/980: قاب صندلی اتومبیل، ریل سقف، محفظه نگهدارنده موتور، ریل جلو و عقب کاملا از ورق استیل تریپ استفاده می‌شود.
فولاد تریپ، انتخابی درست برای خودروسازان
امروزه استفاده از فولاد تریپ رو به گستردگی است، شرکت‌های ساخت خودرو متوجه شده‌اند که استفاده از این نوع فولاد می‌تواند هزینه‌های تولید را کاهش دهد. فولاد تریپ دارای دو ویژگی خاص استحکام و انعطاف‌پذیری بالا است، از این رو بسیاری از سازندگان خودرو، استفاده از این ورق فولادی را به‌صرفه دانسته و بهره‌گیری از این فولاد را کارا و مقرون‌به‌صرفه می‌دانند. ورق‌های فولادی با ضخامت‌های مختلف تولید می‌شود که به دلیل طولانی و از حوصله خارج بودن بحث به آن ورود نکردیم.اگر شما مخاطب گرامی اطلاعاتی از ابعاد و ضخامت‌های ورق فولادی تریپ دارید، برای ما و دیگر دوستان دانش خود را به اشتراک بگذارید. این کار باعث هم‌افزایی دانش و بالارفتن سطح علمی تمام مخاطبان خواهد شد.
