مقالات تجارت آلیاژ مقالاتی از فلزات پرکاربرد
فولاد یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین مواد مهندسی در جهان است. استحکام بالا، شکل‌پذیری مناسب، مقاومت مکانیکی مطلوب، و هزینه تولید نسبتاً پایین، باعث شده فولاد به‌عنوان ستون اصلی بسیاری از صنایع از ساختمان و پل گرفته تا بدنه کشتی، خودرو، خطوط لوله و تجهیزات صنعتی شناخته شود.
با این حال، فولاد همیشه هم رفتاری قابل پیش‌بینی ندارد. در شرایط خاص، ممکن است این ماده مقاوم به‌طور ناگهانی و بدون تغییر شکل محسوس بشکند. این پدیده که به آن تردی یا شکنندگی فولاد (Steel Brittleness) گفته می‌شود، یکی از چالش‌های اساسی در طراحی سازه‌ها و قطعات فولادی است. شکست ناگهانی فولاد می‌تواند منجر به فروپاشی فاجعه‌بار شود، به‌ویژه در سازه‌هایی که در دماهای پایین یا تحت بارهای ضربه‌ای کار می‌کنند.
پرسش کلیدی این است:
چه زمانی فولاد ترد می‌شود و چه عواملی در این پدیده نقش دارند؟ برای پاسخ به این سؤال باید دما، ساختار بلوری، ترکیب شیمیایی، نرخ بارگذاری و عوامل محیطی را با دقت بررسی کرد.
تردی و چقرمگی فولاد
تردی (Brittleness) به ویژگی‌ای گفته می‌شود که در آن ماده پیش از آن‌که تغییر شکل قابل‌توجهی پیدا کند، می‌شکند. در مقابل، چقرمگی (Toughness) بیانگر توانایی ماده در جذب انرژی و تغییر شکل پیش از گسیختگی است.
در فولاد، رفتار ترد زمانی بروز می‌کند که اتم‌ها در شبکه کریستالی نتوانند به‌راحتی جابه‌جا شوند یا لغزش‌های پلاستیکی (Slip) رخ دهد. این حالت معمولاً در دمای پایین یا زمانی که نقص‌های ساختاری و تنش‌های داخلی وجود دارند، اتفاق می‌افتد. در چنین شرایطی فولاد به‌جای خم شدن یا تغییر شکل، ناگهان می‌شکند.
برای مطالعه بیشتر: سخت کاری فولاد چیست؟
دمای انتقال از چقرمگی به تردی (DBTT)
یکی از عوامل اصلی در شکنندگی فولاد، دمای انتقال دوشکستی یا دمای گذار از رفتار چقرمه به ترد است که با نام DBTT (Ductile-to-Brittle Transition Temperature) شناخته می‌شود.
در دماهای بالاتر از DBTT، فولاد انرژی زیادی را پیش از شکست جذب می‌کند و رفتار چقرمه دارد. اما در دماهای پایین‌تر از این نقطه، توانایی جذب انرژی کاهش یافته و شکست به‌صورت ناگهانی و شکننده اتفاق می‌افتد.
به عنوان مثال، در فولادهای فریتی (ساختار BCC)، کاهش دما باعث افزایش تنش تسلیم (Yield Stress) می‌شود؛ در حالی که مقاومت در برابر گسترش ترک چندان افزایش نمی‌یابد. وقتی تنش تسلیم از مقاومت شکست پیشی بگیرد، فولاد قبل از اینکه تغییر شکل دهد، می‌شکند.
در مقابل، فولادهای آستنیتی (ساختار FCC) معمولاً DBTT مشخصی ندارند و در دماهای پایین هم چقرمگی خود را حفظ می‌کنند، به همین دلیل از فولاد زنگ‌نزن آستنیتی در محیط‌های سرد مانند مناطق قطبی استفاده می‌شود.
تأثیر ترکیب شیمیایی و عناصر آلیاژی
ترکیب شیمیایی نقش بسیار مهمی در رفتار مکانیکی فولاد دارد.
افزایش کربن (C) معمولاً سختی را بالا می‌برد اما چقرمگی را کاهش می‌دهد.
وجود فسفر (P) و گوگرد (S) در فولاد باعث تمرکز تنش در مرز دانه‌ها شده و رشد ترک را آسان‌تر می‌کند، در نتیجه فولاد شکننده‌تر می‌شود.
در مقابل، افزودن منگنز (Mn) و نیکل (Ni) می‌تواند دمای انتقال تردی را پایین آورده و چقرمگی را افزایش دهد.
فولادهای حاوی مولیبدن (Mo) و وانادیوم (V) نیز در صورت عملیات حرارتی مناسب، ترکیب ایده‌آلی از سختی و مقاومت به شکست نشان می‌دهند.
ساختار میکروسکوپی و اندازه دانه‌ها
رفتار ترد یا چقرمه فولاد تا حد زیادی به ریزساختار (Microstructure) آن وابسته است. فولادهایی با دانه‌های ریزتر معمولاً مقاوم‌تر در برابر شکست ترد هستند، زیرا مرزهای زیاد میان دانه‌ها مسیر رشد ترک را مسدود می‌کند. برعکس، دانه‌های درشت سبب تمرکز تنش در نقاط خاص می‌شوند.
همچنین وجود فازهای سخت مانند کاربیدها (Carbides) می‌تواند رفتار فولاد را شکننده‌تر کند. برای کنترل ساختار و جلوگیری از تردی، عملیات حرارتی‌هایی نظیر نرماله کردن (Normalizing) یا تمپر کردن (Tempering) به کار می‌رود.
نقش نرخ بارگذاری (Loading Rate)
سرعت وارد شدن نیرو نیز یکی از عوامل کلیدی در ترد شدن فولاد است. وقتی نیرو به‌آرامی اعمال شود، فولاد فرصت کافی برای تغییر شکل پلاستیک دارد. اما در بارگذاری‌های سریع یا ضربه‌ای، مثل انفجار، تصادف یا بار ناگهانی، ماده زمان کافی برای واکنش ندارد و به‌صورت شکننده می‌شکند.
به همین دلیل در آزمون‌های صنعتی مانند تست ضربه چارپی (Charpy Impact Test) بررسی می‌شود که فولاد در چه دمایی و با چه انرژی‌ای می‌شکند.
عوامل محیطی مؤثر بر تردی فولاد
محیط کاری فولاد تأثیر زیادی بر رفتار آن دارد. چند مورد مهم عبارت‌اند از:
شکنندگی هیدروژنی (Hydrogen Embrittlement): نفوذ اتم‌های هیدروژن به داخل فولاد باعث تضعیف پیوندهای بین‌اتمی و کاهش مقاومت به شکست می‌شود.
پیری بین‌دانه‌ای (Temper Embrittlement): تجمع عناصر مضر مانند فسفر در مرز دانه‌ها پس از عملیات حرارتی می‌تواند باعث تردی فولاد شود.
شکنندگی داغ (Hot Shortness): در دمای بالا، سولفور در مرز دانه‌ها ذوب شده و فولاد را شکننده می‌کند.
خوردگی و اکسیداسیون: تماس با محیط‌های مرطوب یا اسیدی می‌تواند باعث تضعیف ساختار سطحی و شروع ترک شود.
مثال‌های واقعی از شکست ترد فولاد
کشتی‌های Liberty در جنگ جهانی دوم: فولاد بدنه‌ی این کشتی‌ها در آب‌های سرد اقیانوس اطلس در اثر دمای پایین شکننده شد و چندین مورد شکست ناگهانی رخ داد.
خطوط لوله در مناطق قطبی: در سرمای شدید، فولادهای معمولی بدون آلیاژهای نیکل یا منگنز چقرمگی خود را از دست داده و ترک‌های طولی ایجاد می‌کنند.
پل‌ها و سازه‌های فولادی در زمستان: کاهش دما و وجود تنش‌های متمرکز باعث شکست ناگهانی اتصالات جوشی و قطعات فولادی می‌شود.
نتیجه‌گیری
فولاد ماده‌ای مقاوم است، اما در شرایط خاص می‌تواند رفتار ترد از خود نشان دهد. این رفتار معمولاً زمانی رخ می‌دهد که فولاد در دمای پایین‌تر از دمای انتقال تردی (DBTT) قرار گیرد، یا ساختار و ترکیب آن به‌گونه‌ای باشد که توانایی جذب انرژی کاهش یابد.
عوامل اصلی مؤثر بر شکنندگی فولاد عبارت‌اند از:
- کاهش دما و عبور از نقطه DBTT
- افزایش کربن یا وجود ناخالصی‌هایی مثل فسفر و گوگرد
- ساختار دانه‌ای درشت یا فازهای شکننده
- بارگذاری سریع و ضربه‌ای
- نفوذ هیدروژن یا شرایط محیطی خورنده
برای جلوگیری از شکست ترد، لازم است فولاد مناسب با شرایط کاری انتخاب شود، عملیات حرارتی به‌درستی انجام گیرد و آزمایش‌های ضربه‌ای در دماهای مختلف انجام گردد.
به زبان ساده، فولاد زمانی شکننده می‌شود که نتواند پیش از شکست، انرژی کافی برای تغییر شکل جذب کند و شناخت این شرایط، کلید ایمنی در طراحی سازه‌های فولادی است.
