تردی فولادهای آستنیتی

تردی فاز سیکما و پدیده حساس شدن دو شکل غالب از مکانیزم های تردی هستند که در فولادهای آستنیتی اتفاق می‌افتد. تردی ناشی از حساس شدن اشاره می کند به خوردگی بین دانه ای که ناشی از تهی شدن کروم از نواحی مجاور به مرزدانه است که در بخش قبلی بحث شد. تردی فاز سیکما اثرات قابل مشخصی بر فاز سیکما روی مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی دارد. اثرات فاز سیکما روی خواص خوردگی بسیار شدیدتر از محیط‌های تحت اکسیداسیون است، اما به نظر می‌رسد این مشکل وقتی که فاز سیکما در مرزدانه های رسوب می‌کند شدیدتر شود[43].

 مشخص شده است که فاز سیکما روی فولاد زنگ نزن حتی وقتی به صورت میکروسکوپی قابل حل نیست، نیز ایجاد مشکل می‌کند. وقتی فولادهای آستنیتی کم کربن، حاوی مولیبدن مانند 316L یا گریدهای پایدار شده از 321 و 347 در معرض دمای 675 درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرند، در محیط HNO₃  و همچنین بعضی اوقات در محیط‌های Fe₂(SO4)₃-H₂SO₄ مستعد به خوردگی بین دانه ای  می‌شوند. مهمترین خاصیت دمای محیط که نشان دهنده مستعد بودن فولاد به تردی فاز سیکما است، استحکام ضربه است. یک تحقیق روی فولاد آستنیتی 310 نشان داد که کاهش شدیدی در تافنس ضربه ناشی از تردی فاز سیکما رخ می‌دهد. با افزایش زمان نگهداری[1] در محدوده دمایی 760-870 درجه سانتی‌گراد، یک کاهش در استحکام ضربه به بزرگی 85% مشاهده می‌شود. بیشترین اثر ناشی از تردی ناشی از فاز سیکما، در دمای محیط است[44].

 شکل ‏4‑12 منحنی TTT رسم شده توسط بارکیک[2] را نشان می‌دهد. شکل رسوب سیکما از فولاد زنگ نزن Fe-17Cr-12Ni-2.5Mo-0.Ti  را نشان می­دهد که در آن دماغه منحنی کمی پایین‌تر از دمای 800 درجه سانتی‌گراد است. این مواد انتظار می‌رود که حساس‌تر از فولاد 304 باشند زیرا این فولاد حاوی مولیبدن و تیتانیوم است، اما مشخصات آن به نظر شبیه فولاد ژاپنی HR3C است که مستعد به تردی می‌باشد. به علاوه جدایش ناخالصی به مرزدانه و مکانیزم های استحکام دهی که در بالا شرح داده شد همه  یا بخشی از آن‌ها موجب تردی همراه با کاهش تافنس و داکتیلیتی در فولاد های آستنیتی می‌شود. پورتشر[3] گزارش داده است که رسوب M₂₃C₆در مرزدانه در یک فولاد آستنیتی 17Cr-14Niکه موجب تأمین مکان‌هایی برای جوانه زنی حفره می‌شود، باعث تردی مواد می‌شود. ساموئل[4] و همکارانش متوجه شدند که رسوب کاربیدهای مرزدانه ای در فولاد 316 با افزایش زمان پیرسازی  موجب کاهش پیشرو نده در داکتیلیتی و انرژی ضربه می‌شود. تردی هیدروژنی معمولاً مربوط به فولادهای فریتی می‌باشد و فولادهای آستنیتی به دلیل نفوذ کم و حلالیت بالا هیدروژن در ساختار FCC، به تردی هیدروژنی کمتر حساس هستند[44].

 

به هر حال شکست ترد به همراه تردی هیدروژنی در فولادهای آستنیتی که در محیط‌های خشن قرار دارند، نیز مشاهده می‌شود. هرمس[5] و همکارانش چند آزمایش تردی هیدروژنی که به صورت باردار کردن کاتدی همراه با نرخ کرنش کم را روی فولاد 316L انجام دادند. آن‌ها متوجه شدند که در این وضعیت فولاد دچار کاهش شدید داکتیلیتی به همراه تردی ناشی از ترک های چندتایی بدلیل حضور هیدروژن می‌شود.

در اجزاء فولادهای آستنیتی نیروگاه های هسته ای، تردی تابش نوترون پس از قرار گرفتن در تابش طولانی مشاهده می‌شود. تردی تابش نوترون می‌تواند موجب کاهش شدید در تافنس شود. چهار دلیل اصلی برای تردی ناشی از تابش به شرح زیر هستند[45]:

1-سخت کردن ناشی از تابش، که ناشی از رسوب فاز ثانویه به خاطر تشعشع است. عیوب نقطه ای یا خطی ناشی از تشعشع به دلیل مقدار زیاد انرژی که در زمینه ایجاد می‌کنند، مکان‌های مناسب برای جوانه زنی فاز ثانویه است. به علاوه جاهای خالی و بین نشین ها که با بمباران نوترونی در ساختار بلورین ایجاد می‌شوند، نفوذ اتم محلول را افزایش می‌دهند. این عوامل می توانند رسوب فاز ثانویه را تسریع بخشد.

2-جدایش ناخالصی در مرزدانه که به خاطر تشعشع رخ می‌دهد. تشعشع می‌تواند سبب ایجاد گرادیان در غلظت اتم‌های بین نشین و جاهای خالی و یا گرادیان پیچیده غلظتی عیوب نقطه ای بین مرزدانه و ناحیه مجاور شود که نتیجه آن جدایش است.

3-متورم شدن در اثر حفره که این موضوع به افزایش حجم اجزاء به خاطر رشد حفرات اشاره دارد. بیشتر نابجایی‌ها و اتم‌های بین نشین که با تابش نوترونی ایجاد می‌شوند با روش ادغام دوباره[6] از بین می‌روند. عیب‌های باقیمانده از تغییرات میکرو ساختاری برای ایجاد حالت پایدارتر دوباره تغییر آرایش می‌دهند. اتم‌های بین نشین برهم کنش قوی با نابجایی‌ها دارند و تمایل دارند که به سمت نابجایی‌ها حرکت کنند. جاهای خالی باقیمانده نمی‌توانند با ادغام با اتم‌های بین نشین از بین بروند و این وضعیت منجر به جوانه زنی حفرات و میکروحفرات می‌شود. در وضعیت‌های مشخص، این میکروحفرات می‌توانند رشد کنند و بزرگ‌تر شوند و موجب تردی شوند.

4-تردی هلیوم. نوترون در اثر واکنش‌های هسته ای با بور می‌تواند ذرات آلفا تولید کند و گازهای هلیوم شکل می‌گیرد. به دلیل اینکه هلیوم حلالیت بسیار کمی در فلزات دارد، تمایل شدیدی به ایجاد حباب‌های هلیوم وجود دارد پس یعنی تخلخل‌ها با گاز هلیوم پر می‌شوند. مکان‌های جوانه زنی ترجیحی مانند نابجایی‌ها، فصل مشترک رسوب و از همه مهم‌تر مرزدانه ها هستند. با افزایش دمای عملکردی ماده و دزهای نوترونی بالا، تردی هلیوم ممکن است برای فولادهای آستنیتی نیروگاه های هسته ای از همه مهم‌تر باشد.

---

[1] holding time

[2]Barcik

[3]Purtscher

[4]Samuel

[5]Herms

[6]Recombination.