استنلس استیل دوپلکس دارای میکرو ساختاری از ترکیب آستنیتی و فریتی است که هدف تولید این ریز ساختار معمولاً تولید ترکیب 50/50 آستنیت/فریت است، در آلیاژهای صنعتی درصد60/40 نیز قابل قبول است. آن‌ها با کروم بالا (19–32 درصد) و مولیبدن (تا 5 درصد) و درصد نیکل پایین‌تر از فولاد ضدزنگ آستنیتی مشخص می‌شوند. فولاد ضدزنگ دوپلکس استحکامی در حدود دوبرابر استنلس استیل آسنتیتی خواهند داشت. میکرو ساختار ترکیبی آن‌ها مقاومت به ترک ناشی از خوردگی توسط کلراید بیشتری نسبت به فولاد ضدزنگ آستنیتی نوع 304 و 316 فراهم می‌کند.در استنلس استیل دوپلکس می توانیم با درصد آلیاژی پایین تر از مقادیر استنلس استیل در گرید های آستنیتی و  فریتی به خواص آن ها برسیم. این خواص و هزینه پایین تر در کاربرد های مهندسی بسیار به صرفه تر است.

این گرید ها بر اساس مقدار آلیاژ و میزان مقاومت به خوردگی در گروه های مختلف دسته بندی می شوند.

 

فولاد زنگ‌نزن مارتنزیتی را بعنوان استنلس استیل مهندسی نیز می گویند ، این استنلس استیل ها طیف وسیعی از خواص را در خود دارند، از آن بعنوان استنلس استیل ابزاری و مقاوم به خزش نیز یاد می شود.

استنلس استیل مارتنزیتی به 4 دسته  تقسیم می شوند:

• گریدهای آهن-کروم-کربن: اولین گریدی از مارتنزیت ها که استفاده شد این گرید بود، هم اکنون نیز از آن بعنوان یک گرید مقاوم در برابر سایش نام برده می شود و کاربرد گسترده ای در کاربرد ها مهندسی دارد.
• گریدهای آهن-کروم-نیکل-کربن: در این گرید مقداری نیکل افزوده می شود و جایگزین کربن آن می شود.این دسته سختی و مقاومت به خوردگی به مراتب بالاتری نسبت به بقیه گرید ها دارد.
• گریدهای پیرسخت‌کاری شونده: گرید EN 1.4542 (با نام PH 17-4 نیز شناخته می شود)،این گرید دو ویژگی اصلی سخت شدن مارتنزیی و پیر سخت کاری را همزمان با هم دارند.استفاده اصلی آن در صنایع هوافضا می باشد، صنایعی که نیاز به استحکام بالا و چقرمگی خوب دارند از این گرید استفاده می کنند.این گرید شناخته شده ترین گرید مارتنزیتی استنلس استیل است.
• گرید مقاوم در برابر خزش: در این گرید مقادیری کبالت ، بور ، نایوبیم و وانادیوم افزوده شده است تا استحکام و مقاومت خزشی افزایش یابد. که این میزان خزش در حدود 650 درجه سلسیوس افزایش می یابد.

 

 

استنلس استیل فریتی دارای یک ریزساختار فریتی مانند فولاد کربنی است ساختار کریستالی آن مکعبی در مرکز مکعب (body-centered cubic) محسوب می‌شود و حاوی 10/5 تا 27 درصد کروم و مقدار خیلی جزئی نیکل یا بدون نیکل است.بدلیل اضافه شدن کروم و باقی ماندن آن در تمام دماهای کاری استنلس ، این گرید مانند گرید استنلس استیل آستنیتی با عملیات حرارتی سخت کاری نمی شوند.همچنین این گرید را نمیتوان با کارسرد تقویت کرد. استنلس استیل فریتی مانند فولاد کربی خاصیت مغناطیسی دارد(بگیر است).

استنلس استیل فریتی معمولا به 4 دسته اصلی تقسیم بندی می شوند :

• گروه 1 :  10 تا 14 درصد کروم و عدد معادل به خوردگی  (PREN, Pitting resistance Equivalent Number = %Cr + 3.3 %Mo+16 %N) آن در نزدیک به 10 است، معمولا در شرایطی که  مقدار کمی خوردگی در سطح برای سیستم کاری مشکلی نخواهد داشت مورد استفاده قرار می گیرد.گریدهای معمول (EN 1.4003) AISI 403 و AISI 409Cb (EN A/4601) است که کاربرد اصلی آن در لوله‌های اگزوز خودرو می باشد.
• گروه 2 : که حاوی 14 تا 18 درصد کروم و با عدد PREN حدود 16 است. معروف‌ترین گرید آن AISI 430 (EN 1.4017) است. از این گرید نباید در جوشکاری ها استفاده کرد، زیرا رشد دانه در منطقه آسیب دیده حرارتی (HAZ) جوش باعث ترد شدن و خوردگی می شود.
• گروه 3 : به گروه 2 بسیار شباهت دارد، افزودن مقادیر کمی Nb, Ti و/یا Zr ، این مساله خاصیت جوشکاری را افزایش میدهد دلیل آن هم این است که این عناصر کمک میکنند تا کاربید ته نشین شود با این عمل از رشد دانه ها و ترد شدن جوش جلوگیری میکند.
• گروه 4 : گریدهای این گروه را می‌توان «فوق آهنی» نامید که دارای مقادیر بیشتری Mo، و/یا Cr می‌باشد. عدد PREN آن‌ها بالای 18 است، که آن‌ها را برابر یا بهتر از (EN 1.4301) AISI 304 می‌کند. شناخته شده‌ترین گرید این خانواده AISI 434 و 444 (به ترتیب EN 1.4113 و EN 1.4521) است.

گریدهای با مقاومت الکتریکی بالا Fri-Cr-Al شامل گروه‌های ذکر شده نمی‌شود، زیرا آن‌ها را برای مقاومت در برابر اکسید شدن در دمای بالا طراحی کرده‌اند.

بررسی دقیق تر ریز ساختاراستنلس استیل ها

پنج دسته اصلی از استنلس استیل ها وجود دارد که عمدتاً توسط ساختار کریستالی (بلورین) آن‌ها طبقه‌بندی می‌شوند:

استنلس استیل آستنیتی   

                                         

استنلس استیل آستنیتی (Austenitic) بزرگترین خانواده از خانواده استنلس استیل ها هستند، حدود دو سوم از تولیدات استنلس استیل متعلق به این خانواده است.میکرو ساختار این خانوده از استنلس ها  آستنیتی می باشد که در ساخار مکعبی آن ساختار  fcc  دارند، برای حفظ ریزساختار آستنیتی در تمام دماها از ناحیه کرایوژنیک تا نقطه ذوب این ریزساختار با نیکل و یا منگنز و نیتروژن کافی آلیاژ سازی می شوند.بدلیل این که در همه دماها دارای یک نوع ریزساختار یکسان است از این رو فولاد زنگ‌نزن آستنیتی قابل سخت‌کاری از طریق عملیات حرارتی نیست.

استنلس استیل های آستنیتی به دو زیرگروه سری 200 و سری 300 تقسیم می شوند :

• سری 200

50 سال است که تلاش های زیادی در جهت جایگزینی منگنز به جای نیکل موجود در استنلس استیل آستنیتی در حال انجام است.هدف این تلاش ها حذف اثر قیمت نیکل بر روی قیمت نهایی استنلس استیل ها است. نتیجه این تلاش‌ها فولادهای زنگ‌نزن سری 200 بوده‌است.البته برای پایدارتر کردن فاز آستنیتی به آن مقداری نیتروژن اضافه می کنیم این عمل نیز می تواند استحکام بالایی که در محیط های کاری از این گرید مورد نیاز است را انتظار داشت. از مس نیز برای افزایش پایداری فاز آستنیتی و همچنین افزایش خواص کارسرد در این گرید از استنلس استیل استفاده می‌گردد.

استفاده از نیتروژن باعث شده که استحکام تسلیم سری 200 نسبت به سری 300 نزدیک به 50 واحد بیشتر باشد اما چون نیکل در میزان کمتری در مقایسه با استنلس استیل سری 300 دارند لذا مقاومت به خوردگی آ|ن کمت از سری 300 بوده و همین دلیل و دلایل دیگری باعث شده است تا ازین فولاد در آمریکا و اروپا در چندین سال اخیر استفاده ی زیادی نشود.

• سری 300

 

استنلس استیل سری 300 فولادهای آلیاژی کروم-نیکل می باشند،که ساختار آستنیتی آن به طور تقریبی تماما بدلیل وجود نیکل می باشد. در بعضی از گریدهای با درصد آلیاژِ بالاتری هستند برای کاهش میزان نیکل از نیتروژن  استفاده می شود.استنلس استیل های سری 300 بزرگ ترین و پر کاربردترین خانواده استنلس استیل ها هستند. معروف ترین و محبوب ترین گرید آن 304 است.که با نام فولاد 18/8 یا 18/10 نیز شناخته می‌شود که در آن 18%کروم و 8 یا 10% نیکل استفاده می‌شود.دومین استنلس استیل کاربردی در این خانواده 316 است.افزودن 2 % مولیبدن به آن باعث شده که مقاومت به خوردگی در برابر اسیدها و همچنین مقاومت به خوردگی ناحیه ای که معمولا توسط یون های کلر رخ می دهد به میزان قابل توجهی کاهش یابد.

 

استنلس استیل (Stainless Steel) که Inox نیز خوانده می‌شود، آلیاژی از فولاد می‌باشد، که اصلی‌ترین عناصر تشکیل دهنده آن آهن، کروم و نیکل است که کمترین میزان کروم در آن 10/5 درصد و بیشترین درصد  کربن آن 1/2 درصد می‌باشد.

استنلس استیل ها بلافاصله پس از قرار گیری در محیط کاری با تشکیل یک لایه اکسیدی در سطح خود که به شدت به سطح زیرین چسبیده است در برابر خوردگی رویین می شوند و می توانند تا مقادیر بسیار بالایی در محیط های اسید و خورنده در برابر اکسایش یا کاهش مقاومت نشان دهند.این لایه اکسیدی که به شدت به سطح زیرین خود می چسبد پس از تشکیل مانع تماس لایه های زیرین خود با اکسیژن یا محیط خورنده میشود.

اگر در ساختار استنلس استیل میزان 10/5 درصد کروم داشته باشیم می توانیم رفتار پایداری در فرآیند غیر فعال سازی از فلز انتظار داشته باشیم.در این شرایط حتی اگر خراشی روی سطح اتفاق بیوفتد فلز می تواند خود را ترمیم کند.اگر گرید انتخاب شده برای محیط کاری مناسب با پارامترهای کاری باشد فلز میتواند خود را ترمیم کند در غیر این صورت شکست غیر فعالی رخ میدهد و استنلس استیل خورده می شود.

استنلس استیل به خاطر مقاومت در برابر خوردگی خود بسیار مورد توجه هستند که این خاصیت با افزایش میزان کروم افزایش می‌یابد. افزودن عنصر مولیبدن باعث افزایش مقاومت به خوردگی استنلس ها می باشد در مقابل اسیدهای کاهنده و در برابر خوردگی در محلول‌های اکسید کننده کلرایدی می‌شود.به همین دلیل، انواع مختلفی از استنلس استیل با درصد مختلف کروم و مولیبدن برای مطابقت با محیطی که آلیاژ باید تحمل کند وجود دارد.مقاومت استنلس استیل به خوردگی و زنگ زدگی، نیاز به نگهداری کم و درخشش بالا، آن را تبدیل به یک ماده مناسب در بسیاری از محیط ها که در آن هم نیاز به استحکام بالا و  مقاومت به خوردگی بالا است کرده‌است.

استنلس استیل به شکل ورق، صفحه، میله، سیم و لوله ساخته می‌شود تا در : وسایل آشپزی، کارد و چنگال، دستگاه‌های جراحی، لوازم خانگی بزرگ؛ مصالح ساختمانی، تجهیزات صنعتی (برای مثال در کارخانجات کاغذ، کارخانه‌های شیمیایی، تصفیه خانه آب)؛ و مخازن ذخیره آب و مخازن مواد شیمیایی و محصولات غذایی (به عنوان مثال، تانکرهای مواد شیمیایی و تانکرهای کامیونی) استفاده گردد.

اصلی ترین خواص استنلس استیل ها : مقاومت خوب در برابر خوردگی(اسیدی ، کاهنده)، راحتی تمیز و استریل نمودن با بخار و عدم نیاز به پوشش دادن سطحی، استفاده از استنلس استیل را در آشپزخانه‌های تجاری و صنعتی متداول کرده‌است.

 

نقش میکرو ساختار

در دماهای بالا ریز ساختار در تعیین استحکامات و مقاومت های استنلس استیل ها اهمیتی ندارد اما اگردرست انتخاب شود ممکن است در برخی محیط های کاری مفید واقع شوند :

• فولادهای فریتی: بهترین دمای کاری برای استنلس استیل ها فریتی تا دمای 250 درجه سلسیوس است.این فولاد در دمای 475 درجه سلسیوس ترد می شوند.این نکته در مورد فولادهای زنگ‌نزن کروم پایین 10/5 تا 12/5 درصد چندان مهم نیست و دما می‌تواند بعضی اوقات به 575 درجه سلسیوس نیز برسد. استنلس استیل با درصد آلیاژ بالا با درصد کروم 23 تا 27 درصد،مقاومت بسیار خوبی در دماهای بالا از خود نشان می دهند.

 

 

• استنلس استیل مارتنزیتی: در استاندارد EN 10088-1 و EN 10302 استنلس استیل مارتنزیتی در دسته فولادهای مقاوم به خزش قرار گرفته‌اند. با این حال به دلیل اینکه مقدار کروم آن‌ها خیلی بالا نیست (حداکثر 12/5%) استنلس استیل مارتنزیتی جزو فولادهای مقاوم به گرما نیستند و فقط در جاهایی استفاده می‌شوند که نیاز به استحکام نهایی بالا، استحکام خزش و خستگی بالا، به علاوه مقاومت مناسب در برابر خوردگی مد نظر باشد و ماکزیمم دما 650 درجه سلسیوس باشد از آن‌ها استفاده می‌شود. کاربرد اصلی استنلس استیل مارتنزیتی کم کربن و کربن-متوسط معمولا در توربین‌های بخار، موتورهای جت و توربین‌های گاز می باشد.

 

• استنلس استیل آستنیتی: این گرید از استنلس استیل ها در کنار آلیاژهای پایه-نیکل بهترین ترکیب مقاومت به خوردگی دما-بالا و استحکام مکانیکی دما-بالا را ارائه می‌دهند. در محیط های با دما بالا، استنلس استیل آستنیتی دما-بالا بهترین انتخاب هستند.

 

• فولادهای دوپلکس: در حالت بازپخت شده‌ استحکام تسلیم آن‌ها در محدوده 550 تا 690 مگاپاسکال است که به‌طور چشمگیری بیشتر از هر دو نوع فولادهای فریتی و آستنیتی است. ماکزیمم دمای کاری آن‌ها معمولاً 300 درجه سلسیوس است.با این حال استفاده از این فولادها در دماهای بالا به دلیل تردی و افت شدید استحکام مکانیکی پیشنهاد نمی‌شود. 

 

• فولادهای پیر سخت شده: این فولادها آلیاژهای کروم-نیکل هستند که در حالت سخت شده در دماهای بالای 425 درجه سلسیوس به دلیل افت شدید استحکام توصیه نمی‌شوند.

 

 

---

 

مزیت استنلس های آستنیتی در دماهای خیلی پایین در مقایسه با استنلس های فریتی

استنلس استیل در دماهای کرایوژنیک

در دماهای خیلی پایین فولادهای آستنیتی استحکام خود را حفظ می‌کنند اما فولادهای فریتی، مارتنزیتی و دوپلکس تمایل به ترد شدن پیدا می‌کنند. فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی را می‌توان به عنوان «فولادهای کرایوژنیک» طبقه‌بندی کرد.

از میان استنلس استیل آستنیتی برخی به صورت گسترده‌ای در تجهیزاتی که در دماهای زیر صفر کار می‌کنند استفاده می‌شوند. این دماها می‌تواند حتی به دمای جوش هلیوم یعنی منفی 269 درجه سلسیوس نیز برسد.

پرکاربردترین فولادهای زنگ‌نزن در کاربردهای کرایوژنیک (دماهای مادون سرد) فولادهای نوردشده (wrought) آستنیتی 304 و 304L هستند، در حالیکه استفاده از فولادهای 316 یا 316L و 321و 347 نیز در صورت در دسترس بودن متداول است. برای کاربرد در دماهای زیر 200 درجه سلسیوس معمولاً از انواع پایدار-نشده (non-stabilized) استفاده می‌شود.