فولادهای دو فازی (Dual-phase steels) گروهی از فولادهای کم آلیاژی هستند که بدلیل خواص مکانیکی ویژه کاربردهای زیادی در تولید قطعات خودرو دارند .
انواع فولادهای دو فازی
فولادهای دو فازی عضوی از خانواده فولادهای پیشرفته استحکام بالا (Advanced High-Strength Steel (AHSS)) هستند. این فولادها به دو گروه فولادهای دو فازی فریتی- مارتنزیتی (Ferritic-Martensitic Dual Phase (FMDP) steels) و فولادهای دو فازی فریتی- بینیتی (Ferritic-Bainitic Dual Phase (FBDP) steels) تقسیم می‌شوند. در واقع، این فولادها ترکیبی از مارتنزیت یا بینیت سخت و فریت نرم هستند و با انجام عملیات آنیل در محدوده بحرانی (بالای دمای A۱ و زیر دمای A۳) یا فرآیند نورد کنترل شده، تولید می‌شوند[۱].
در حقیقت، در حین تبدیل آستنیت به مارتنزیت یا بینیت، نابجایی‌های متحرک در مجاورت دانه‌های فریت ایجاد شده و باعث کاهش استحکام تسلیم می‌شوند. یکی از تعابیر موجود برای مقادیر کار سختی بالا و در نتیجه مقادیر استحکام کششی و درصد ازیاد طول بالا، در طی تغییر شکل فولادهای دو فازی، مفهوم نابجایی توسط اشبی (Ashby) است. این نابجایی‌ها با هدف ایجاد تغییر شکل در مارتنزیت سخت و فریت نرم تولید می‌شوند. شکل زیر فرآیند عملیات حرارتی مناسب برای تولید فولادهای دو فازی، شامل ریزساختارهای فریت- مارتنزیت و فریت- بینیت، را نشان می‌دهد[۱]. تعداد فولادهای دو فازی فریتی- مارتنزیتی بسیار بیشتر از فولادهای دو فازی فریتی- بینیتی است؛ به همین دلیل در ادامه بیشتر به این گروه پرداخته شده است.
شماتیکی از فرآیند عملیات حرارتی برای دستیابی به ریزساختار (a) فریت- بینیت و (b) فریت- مارتنزیت[۱].
فولادهای دو فازی به وسیله سرد کردن سریع یک فولاد با کربن متوسط، شامل وانادیم یا مولیبدن، تهیه می‌شوند. در این فولادها ناحیه‌ای از آستنیت به اضافه فریت تشکیل شده و بدلیل وجود عناصر مولیبدن و وانادیم آستنیت به جزیره‌هایی از مارتنزیت در زمینه فریت (در دمای اتاق) تبدیل می‌شود. بسته به محتوی آلیاژ، جزیره‌های مارتنزیت می‌توانند شامل آستنیت باقی مانده باشند. آستنیت باقی مانده، آستنیتی است که در پایین دمای انتقال، باقی مانده است. بنابراین این فولادها شامل دو فاز مارتنزیت و آستنیت (بعنوان فاز ثانویه) که ترکیب MA نامیده می‌شود، هستند.
ویژگی منحصر به فرد این فولادها، پیوستگی رفتار تسلیم در طی تغییر شکل است؛ یعنی، در طی تغییر شکل، نقطه تسلیمی وجود ندارد. این ویژگی باعث افزایش ازدیاد طول یکنواخت و کار سخت شدن می‌شود؛ بنابراین استحکام اجزاء یا قطعاتی که از فولاد دو فازی ساخته شوند، در طول عملیات تغییر شکل (فرم دهی)، افزایش می‌یابد[۲]. شکل زیر ریزساختار فولادهای دو فازی با سختی مارتنزیت مختلف بعد از نورد با کرنش حقیقی ۱/۸۱ را نشان می‌دهد[۳].
ریزساختار فولادهای دو فازی بعد از تغییر شکل حقیقی εA=۰.۴, εB=۱.۰, εC=۱.۸۱: (۱) مارتنزیت تمپر نشده (اچ شده با لوپرا)، (۲) مارتنزیت تمپر شده در دمای ۴۰۰ درجه سانتی گراد (اچ شده توسط نایتال)[۳].
خواص مکانیکی فولادهای دو فازی
فولادهای دو فازی با استحکام و قابلیت شکل پذیری بالا شامل کار سختی بالا، ازدیاد طول یکنواخت بالا (UE) و نسبت استحکام تسلیم/ استحکام کششی (YS/TS) پایین، شناخته می‌شوند. این ویژگی‌ها با پارامترهای مختلف فازهای اصلی، فریت و مارتنزیت، کنترل می‌شوند[۳].
شکل زیر کرنش محاسبه شده در مارتنزیت را بعنوان فاکتوری از تغییر شکل نمونه نشان می‌دهد. خط چین‌ها به کرنش‌های برابر در فریت و مارتنزیت زمانی که m=εM/εF=۱ مربوط می‌شوند[۳]. مقادیر کمی کرنش‌ها در مارتنزیت، با استفاده از تحلیل کننده‌های تصاویر و نرم افزارهای پیشرفته بر طبق روش پیشنهادی گورلند (Gurland) محاسبه می‌شوند.
رابطه تغییر شکل مارتنزیت تمپر نشده (A) و تمپر شده در دمای ۴۰۰ درجه سانتی گراد (B) و تغییر شکل کلی نمونه؛ ۱: محاسبات بدون کسر چرخش؛ ۲: محاسبات با در نظر گرفتن سهم چرخش دانه مارتنزیت[۳].
در فولاد دو فازی تمپر شده در دمای ۴۰۰ درجه سانتی گراد، کرنش مارتنزیت εM بطور متوالی با افزایش کرنش کلی نمونه (ε) افزایش می‌یابد. برای مارتنزیت تمپر نشده در ε<1 حداکثر کرنش مارتنزیت ۲/۰ کرنش کل است، به این معنی که مارتنزیت مستحکم‌تر پایین‌تر از m قرار دارد. شکل زیر رابطه بین نرخ کار سختی مارتنزیت، Km، و استحکام کششی فریت را بر اساس معادلات رگرسیون شناخته شده برای ترکیبات مختلف فولادهای دو فازی نشان می‌دهد. با افزایش استحکام کششی فریت، Km کاهش می‌یابد؛ اما رابطه مستقیمی بین این دو وجود ندارد[۳].
رابطه بین استحکام کششی فریت در فولاد دو فازی و نرخ کار سختی مارتنزیت (Km)[3].
شکل زیر رابطه بین نرخ کار سختی و اندازه ذره مارتنزیت را نشان می‌دهد. تنش سیلان و نرخ کار سختی با کاهش اندازه ذرات اجزای مارتنزیت- آستنیت (M-A)، افزایش می‌یابد. افزایش نرخ کار سختی نسبت به تنش سیلان بیشتر است. کاهش اندازه ذرات اجزای M-A بطور قابل توجهی نرخ کار سختی را نسبت به تنش سیلان افزایش داده، در نتیجه حداکثر کرنش یکنواخت و شکل پذیری را نیز افزایش می‌دهد[۴].
رابطه بین نرخ کار سختی در Ɛ=۰.۲۰ و اندازه ذرات مارتنزیت. Fv و λM-A به ترتیب کسر حجمی و فاصله بین ذره‌ای از اجزای مارتنزیت- آستنیت (M-A) هستند[۳].
شکل زیر اثر کسر حجمی مارتنزیت بر استحکام کششی فولاد دو فازی Cr-Mn-Si-B با مقادیر مختلفی از کربن را نشان می‌دهد. استحکام تسلیم فولادهای دو فازی مستقل از استحکام ذاتی مارتنزیت است. درصد کربن در مارتنزیت هیچ تاثیری روی نرخ استحکام دهی فولادهای دو فازی توسط مارتنزیت ندارد.
اثر کسر حجمی مارتنزیت روی استحکام کششی فولاد دو فازی Cr-Mn-Si-B با محتوی کربن مختلف: دایره- فولاد با ۰۷/۰ درصد کربن؛ مثلث- ۱۰/۰ درصد کربن؛ مربع ۱۸/۰ درصد کربن؛ اشکال پر شده ریزساختار کاملا مارتنزیتی و خط‌چین‌ها محاسبات با استفاده از قانون مخلوط را نشان می‌دهد[۳].
یکی از بزرگترین مزیت‌های فولادهای دو فازی، انعطاف پذیری بالا در مقدار مشخصی از استحکام است. شکل زیر اثر کسر حجمی مارتنزیت بر درصد ازدیاد طول را نشان می‌دهد. طبق شکل با افزایش کسر حجمی مارتنزیت، درصد ازدیاد طول به تدریج کاهش می‌یابد[۳].
اثر کسر حجمی مارتنزیت بر درصد ازدیاد طول یکنواخت فولاد Cr-Mn-Si-B با مقادیر مختلفی از کربن: دایره- فولاد با ۰/۰۷ درصد کربن؛ مثلث- ۰/۱۰ درصد کربن؛ مربع ۰/۱۸ درصد کربن[۳].
شکل زیر نسبت استحکام کششی به درصد ازدیاد طول در فولادهای دو فازی را نشان می‌دهد. فولادهای دو فازی استحکام تسلیم بسیار بالایی دارند (طبق شکل)[۵].
نسبت استحکام تسلیم به درصد ازدیاد طول فولادهای دو فازی[۵].
برگشت فنری فولادهای دو فازی
این فولادها در حین تغییر شکل خاصیت الاستیک دارند؛ این رفتار اثر برگشت فنری (Spring-back effect) نامیده می‌شود. بازگشت فنری، مشکل اصلی این فولادها در فرآیندهای تولید اجزای سازنده‌ی مورد نیاز در صنعت خودروسازی است (مخصوصا مشکلات ابعادی در قطعات سازنده‌ی مورد نیاز خودرو‌ها). از این رو نیاز است تا تغییرات ریزساختاری در طی مراحل تشکیل قطعات فلزی بررسی شود.
به کمک این بررسی، می‌توان دقیقا رفتار مکانیکی و ریزساختاری مواد را بعد از در معرض قرار گرفتن این اثر، مورد بررسی قرار داد. در ادامه اثر برگشت فنری دو فولاد از این گروه، شامل فولادهای دو فازی ۶۰۰ و ۷۸۰، که در صنعت خودرو سازی بسیار پر کاربرد هستند، بررسی شده است. مشخصات مکانیکی اثر برگشت فنری با آزمون خمش مکانیکی، که Air Bending نامیده می‌شود، بررسی شد. نتایج آزمون نشان داد که فولاد دو فازی ۷۸۰ بالاترین نرخ بازگشت فنری را دارد. علت این رویداد، استحکام مکانیکی بالای این فولاد بدلیل پدیده هال- پچ (Hall-Petch) است. بر طبق نتایج آزمون، فولاد دو فازی ۷۸۰، در طی تغییر شکل مقدار انرژی بالاتری را جذب می‌کند؛ در نتیجه اثر بازگشت فنری بیشتری دارد[۶].
کاربرد فولادهای دوفازی
فولادهای دو فازی در کاربردهایی مانند رینگ‌ها و دیسک‌های چرخ اتومبیل بکار می‌روند. بدلیل ویژگی جذب انرژی بالای فولادهای دو فازی، از آن‌ها برای ایمن‌سازی در موقعیت‌های بحرانی اتومبیل‌ها استفاده می‌شود تا در صورت تصادف از سرنشینان محافظت کند[۲]. در شکل زیر نمونه‌هایی از کاربرد فولادهای دو فازی در اجزای مختلف خودرو، بطور کامل قابل مشاهده است.
نمونه‌هایی از اجزای خودرو، تولید شده با فولادهای دو فازی[۳].
فولادهای دو فازی گروه مهمی از فولادهای کم آلیاژی هستند که با استفاده از عملیات آنیل و نورد کنترل شده تولید می‌شوند. این فولادها از لحاظ ریزساختاری به دو نوع فولاد دو فازی فریتی- مارتنزیتی و فریتی- بینیتی تقسیم می‌شوند. خواص ویژه این فولادها شامل کار سختی و ازدیاد طول بالا است که آن‌ها را برای کاربرد در موقعیت‌های ایمنی خودرو مناسب می‌سازد.
[۱] M. M. Karimi and S. Kheirandish, “Comparison of Work Hardening Behaviour of Ferritic-Bainitic and Ferritic-Martensitic Dual Phase Steels,” vol. 80, no. 2, ۲۰۰۹.
[۲] Myer kutz, Handbook of Materials Selection. .
[۳] N. Fonstein, “Dual-phase steels**Every effort has been made to trace copyright holders and to obtain their permission for the use of copyright material. The publisher apologizes for any errors or omissions in the acknowledgments printed in this book and would be great,” in Automotive Steels, Elsevier, 2017, pp. 169–۲۱۶.
[۴] N. Lanzillotto and F. B. Pickering, “Structure-property dual-phase steels relationships in,” vol. 16, no. August, 1982.
[۵] “http://www.nationalmaterial.com/introduction-dual-phase-steels/.” .
[۶] E. Aparecida, “COMPARISON OF SPRINGBACK EFFECT OF THE DUAL PHASE STEELS 600 AND ۷۸۰ FUNCTION TO MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES,” ۲۰۱۵.