فولادهای نانوساختار TWIP – نقش فناوری نانو در صنایع فولاد

فناوری نانو فناوری است که در آن می‌توان در ابعاد اتمی و ملکولی کار کرد و دستگاه‌ها، سیستم‌هایی ساخت که بتوانند در مقیاس یک میلیاردم متر کار کنند. با استفاده از این فناوری می‌توان در ابعاد بسیار ریز دستکاری‌هایی در ساختار مواد انجام داد که یا منجر به بهبود خواص شده و یا خواص جدید ایجاد شود.

• فولادهای نانوساختار

فولاد یکی از پرکاربردترین مواد در دنیاست. جایگاه ویژه این ماده در بین سایر مواد به دلیل در دسترس بودن، قابلیت بازیافت و امکان ساخت در گستره وسیعی از قطعات با خواص منحصربه‌فرد است.

در حال حاضر با گسترش فناوری نانو توجه ویژه‌ای به پتانسیل‌های فولاد در صنایع مدرن شده است و تعداد زیادی از مؤسسات مطرح دنیا تحقیقات خود را در زمینه فولادهای نانوساختار دنبال می‌کنند. تمرکز بسیاری از تحقیقات، تلاش برای دست‌کاری فولاد در مقیاس نانومتری با استفاده از روش‌های ابداعی جدید و روش‌های آلیاژسازی نو است.

فولاد واژه‌ای برای نشان دادن استحکام است. دو روش برای رسیدن به استحکام بسیار بالا در فلزات وجود دارد. روش اول کاهش اندازه دانه است. پروفسور برنر[1] در سال 1956 با این روش توانست استحکام کششی فولاد را به شدت افزایش دهد[2]. روش دوم برای رسیدن به استحکام بسیار بالا، ایجاد مقدار بسیار زیادی از نقص‌ها در چیدمان اتم های فلز است. به عنوان مثال از سیم فولادی به همین روش برای استحکام‌بخشی تایر اتومبیل، سیم‌های گالوانیزه شده در پل‌های معلق و سیم‌های کابل برق استفاده می‌شود. در حقیقت کابل‌های معلق بزرگ‌ترین پل معلق جهان یعنی پل آکاشی [2] که در سال 1988 در ژاپن ساخته شد، از همین سیم‌های فولادی نانوساختار با استحکام 1800 مگا پاسکال ساخته‌شده است[1].

 

شکل1: فولاد یکی از پرکاربردترین ماده در دنیاست.

 

مسئله اساسی برای استفاده از ظرفیت وسیع فولادهای نانوساختار، تولید اجزای بزرگی از فولاد نانوساختار است که خواص بهتر و قیمت تمام شده کمتری داشته باشند. برای رسیدن به این هدف شیوه‌های جدیدی ابداع شده‌اند تا بتوان فولادهای نانوساختار را تولید کرد.

 

• فولادهای TWIP نانوساختار

فولادهای TWIP(twinning-induced plasticity steel) که به فولاد توییپ موسوم هستند، دسته‌ای از فولادهای مرسوم  هستند که تغییر شکل آنها با دو سازوکار لغزش در جهت نقص های اتمی و همچنین لغزش در جهت چیدمان‌های اتمی به نام دوقلویی اتفاق می افتد.

• خواص فولادهای TWIP نانوساختار و مزایا

فولادهای TWIP دارای مقادیر زیادی منگنز ( 15 تا 30 درصد) هستند که باعث می شود فولاد در دمای اتاق خاصیت متفاوتی داشته باشد. دوقلویی‌های ایجاد شده ساختاری ایجاد می‌کنند که منجر به محکم شدن فولاد می‌شود. فولادهای TWIP بر خلاف سایر فولادها هر دو خاصیت استحکام بالا و انعطاف پذیری را همزمان دارند. استحکام کششی آن بسیار بالا است و توانایی آن در تغییر شکل می‌تواند تا 95% برسد[4-3].

شکل2: بیشترین تغییر طول در شکست برحسب استحکام کششی بیشینه برای انواع فولاد. فولاد TWIP استحکام کششی و تغییر طول زیادی نسبت به سایر فولادها دارد[1].

 

توانایی تغییر شکل بسیار بالا یکی دیگر از خواص فولاد نانوساختار TWIP است که موجب می‌شود در شرایط بحرانی بتواند انرژی ناشی از تصادف یک خودرو را در بدنه خودرو جذب کند.

 

شکل 3: میزان انرژی جذب‌شده توسط فولادهای مرسوم در ساخت بدنه خودرو برحسب J/mm³ [6].

 

تنها کافیست از طریق فرایندهایی مانند پرس، تغییر شکل در این فولاد به 25/0 درصد برسد تا دوقلویی‌های بیشتری ایجاد  شوند و استحکام افزایش یابد.

شکل 4: نمونه اولیه ساختار قطعه اتومبیل از فولاد TWIP که با پرس شکل‌دهی شده است[7].

 

بعد از پرس کردن استحکام خستگی نیز در فولادهای TWIP می‌تواند افزایش بسیار زیادی پیدا کند.

 

 

• انواع فولاد‌های TWIP نانوساختار

به‌طورکلی دو نوع آلیاژ برای فولادهای پرمنگنز وجود دارد: آلیاژ Fe-Mn-C با درصد کربن بالای تا %7/0 و آلیاژ Fe-Mn-Al-Si با میزان کربن بسیار کمتر. هر دو نوع این آلیاژ دارای عنصر آلیاژی اصلی منگنز با غلظت بین 15 تا 30 درصد هستند[5].

• کاربرد فولادهای نانوساختار TWIP در صنایع مختلف

در سال 2006 تولید کل فولاد دنیا 24/1 میلیارد تن بوده است. ساخت فولاد منجر به مصرف 93% کل تولید منگنز دنیا می‌شود. فولاد TWIP جز فولادهایی است که درصد منگنز بالایی دارد. همان‌طور که در شکل زیر مشخص است فولاد کم‌کربن و [3]HSLA 94% تولید را به خود اختصاص داده‌اند که 72% منگنز را مصرف می‌کنند. همچنین نشان داده شده است که فولاد‌های پرمنگنز (که فولاد TWIP جزئی از آن‌هاست) تنها %5/4 تولید فولاد را به خود اختصاص داده‌اند اما 23% منگنز را مصرف می‌کنند[8].

شکل5: تولید فولاد در سال 2006 و مصرف منگنز با انواع مختلف فولاد[8].

 

تعداد مقالات علمی مرتبط با فولاد نانوساختار TWIP

تعداد پتنت‌های تازه ثبت‌شده مرتبط با فولاد نانوساختار TWIP

 

 

شکل6: تعداد مقالات (منبع سایت اسکو پوس) و تعداد پتنت‌های تازه ثبت‌شده مرتبط با فولاد نانوساختار TWIP ( منبع سایت پتنت‌های رایگان[4]([3].

 

طبق پایگاه جهانی ثبت اختراع اسپیس نت[5] تعداد ثبت اختراع‌های انجام‌شده در سال‌های 2011 تا 2013 درزمینه‌ی فولادهای نانوساختار TWIP، 29 اختراع هست و نمودار زیر تعداد این اختراعات به تفکیک سال انتشار نشان می‌دهد.

شکل7: تعداد اختراع‌های ثبت ‌شده در سال‌های 2011 تا 2013 درزمینه‌ی فولادهای نانوساختار TWIP[9].

 

در سال 2005 صنایع اتومبیل‌سازی Arcelor and ThyssenKrupp Stahl Auto که دو تأمین‌کننده عمده فولاد صنایع اتومبیل‌سازی اروپا هستند، تصمیم گرفتند تلاش خود را بر روی توسعه و گسترش فولادی از خانواده جدید فولاد منگنزدار (15 تا 30 درصد) متمرکز کنند[4-3].

در دهه‌های گذشته خودروها تغییرات زیادی کرده‌اند. یک خودرو از مواد مختلف زیادی ساخته‌شده است اما ساختار اصلی ( که به‌عنوان بدنه خام[6] BIW شناخته می‌شود) معمولاً از فولادی ساخته‌شده است که به یکدیگر پرس و جوش داده شده‌اند تا ساختار یکپارچه ایمن محکم، سفت و ایمنی ساخته شود. تقریباً 99/99% خودروها در جهان با فولاد ساخته می‌شوند و درصد باقیمانده از آلومینیوم و درصد کمتری از کامپوزیت‌های فیبر کربن ساخته می‌شوند.

درصورتی‌که در ساخت بدنه یک خودرو با استفاده از ورقه‌های فولادی سبک‌تر وزن خودرو تا 10 درصد سبک‌تر شود، مصرف متوسط سوخت 3 تا 7 درصد کاهش‌یافته و تولید گاز CO₂ ، 13 درصد کم می‌شود.

طراحان و دانشمندان همیشه تلاش خود را در ساخت موادی متمرکز کرده‌اند که وزن فولاد مورد استفاده در خودرو را کمتر کرده و ایمنی سرنشینان را افزایش دهد. فولاد‌ها TWIP با داشتن وزن کمتر نسبت به سایر فولاد‌ها (و داشتن استحکام بالا) امتیاز ویژه‌ای دارند. قابلیت تغییر شکل بسیار زیاد آن می‌تواند این فولاد را به گزینه مناسبی برای استفاده در صنایع خودروسازی تبدیل کند. علاوه بر آن قابلیت جذب نیروی ناشی از تصادفات ایمنی سرنشینان را تضمین می‌کند. در شکل زیر قسمت های اصلی شاسی خودرو که نیاز به داشتن استحکام بالا را دارند، با رنگ زرد نشان داده شده است. این قسمت‌ها می بایست هم استحکام بالا داشته باشند و هم از فولادی استفاده شود که وزن کمی داشته باشد. فولاد TWIP فولادیست که در این قسمت ها استفاده شده است.

شکل8: استفاده از فولاد نانوساختار TWIP در مناطقی که استحکام زیادی لازم دارد(مناطق زرد رنگ) می‌تواند ایمنی سرنشینان را افزایش دهد[16].

 

شرکت پوسکو[7] با استفاده از فولادهای نانوساختار TWIP ساخت اجزای پیچیده خودرو را راحت‌تر کرده است. با استفاده از فولاد TWIP در اجزای پیچیده خودرو هم فرایند ساخت ساده تر و هزینه کمتر شده و هم استحکام و ایمنی خودرو حفظ می شود.

شکل9: شرکت فیات نسل جدید خودروهای فوق سبک خود را با نام پاندا معرفی کرده است. استفاده از فولاد نانوساختار TWIP در این خودرو‌ها به دلیل قابلیت بالای جذب انرژی آن‌ها لرزش‌های ناشی از حرکت خودرو را ، حذف کرده است[10].

 

همچنین در تجهیزات هوافضا که وزن قطعه فاکتوری مهم است، فناوری نانو کمک می­کند تا بتوان با بالا بردن استحکام و خواص مکانیکی، وزن را کاهش داد. برای نمونه، آلیاژهای نانوساختار در مهندسی، طراحی و ساخت موتورهای صنعت هوانوردی[8] به کار می­رود. در شکل زیر موتور جت شرکت Rolls-Royce نشان داده‌شده است. بخش­های مرکزی کمپرسور (رنگ نارنجی) این موتورها از فولادهای نانوساختار ساخته شده است. بخش­ دیگر کمپرسور و فن این موتور از آلیاژ تیتانیوم (آبی‌رنگ)، و بخش­های دمابالای محفظه احتراق از آلیاژهای سوپرآلیاژ نیکل ساخته شده است (قرمزرنگ)[11].

شکل10:  موتور جت شرکت Rolls-Royce، بخش­­های قرمز، آبی و نارنجی به ترتیب از جنس فلزات نیکل، تیتانیوم و فولادهای نانوساختار ساخته شده است[11].

شرکت خودروسازی هیوندا که پیش از این با استفاده از  شیشه‌های آب‌گریز پا به عرصه فناوری نانو گذاشته بود، با ثبت 5 اختراع در مورد فولاد نانوساختار TWIP  در پایگاه ثبت اختراع آمریکا، در سایت خود[12] اعلام کرده است که برای افزایش کارایی، قابلیت اعتماد مصرف‌کنندگان و کاهش مصرف سوخت خودرو از نانو موادی با وزن بسیار کم و فنّاوری مدیریت انرژی بر پایه فناوری نانو استفاده کرده است.

فعالیت‌های انجام‌شده در داخل کشور:

با توجه به جدید بودن موضوع فولاد نانوساختار TWIP در داخل کشور فعالیتی عملی در این حوزه مشاهده نشد. اما چاپ مطالبی در شماره 912 خبرنامه فولاد شرکت فولاد مبارکه اصفهان در رابطه با فولاد نانوساختار TWIP نشان از علاقه‌مندی تحقیقات صنایع فولاد کشور به این نوع فولاد است.

سامانه ثبت پایان‌نامه‌ها و رساله‌های ایران (ایرانداک) 7 پایان‌نامه مرتبط با فولادهای نانوساختار TWIP را نشان می‌دهد. از این تعداد 4 اثر مربوط به سال 1393 و بقیه در سال‌های 1390،1388 به انجام رسیده‌اند. در این فعالیت‌ها  6 پایان‌نامه مربوط به مقطع کارشناسی ارشد و 2 رساله مربوط به مقطع دکتری هست[13].

شکل11: تعداد پایان‌نامه‌های ثبت‌شده در سامانه ثبت پایان‌نامه‌ها و رساله‌های ایران به تفکیک سال ثبت[13].

 

 

• جمع‌بندی:

فولادهای نانوساختار TWIP دسته جدیدی از فولادها هستند که با داشتن مقدار زیادی (15 تا 30 درصد) منگنز در دمای اتاق ریزساختار آستنیتی خود را حفظ می‌کنند و می‌توانند با داشتن استحکام بالا و وزن کم، انعطاف‌پذیری بالایی از خود نشان دهند. این فولادهای نانوساختار با داشتن قابلیت بالا در جذب انرژی گزینه‌ی بسیار مناسبی برای استفاده در صنایع خودروسازی به شمار می‌روند. در حال حاضر تحقیقات و کاربردهای صنعتی این نوع فولاد در ایران در مقایسه با کشور‌های توسعه‌یافته بسیار کمتر است که از دلایل آن می‌توان به جدید بودن این نوع فولاد و انعطاف بیشتر صنایع مختلف در کشور‌های توسعه‌یافته، نسبت به ایران دانست.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• مراجع

[1] Manufacturing, Engineering & Technology, Fifth Edition, Serope Kalpakjian and Steven R. Schmid. ISBN 0-13-148965-8. © 2006 Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ.

[2] www.nanowerk.com

[3] R. Pla-Ferrando S. Sánchez-Caballero, M.A. Selles, A.V. Martínez-Sanz, TWIP/TRIP STEELS. FUTURE TRENDS IN AUTOMOTIVE INDUSTRIES, ANNALS of the ORADEA UNIVERSITY. Fascicle of Management and Technological Engineering, Volume X (XX), 2011, NR3

[4] www.wikipedia.org

[5] D. Keil, M. Zinke and H. Pries, WELDABILITY OF NOVEL Fe-Mn HIGH-STRENGTH STEELS FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS, Revue de Métallurgie, 2006, no. 6, pp. 293-302.

[6] B. C. De Cooman, Kwang-geun Chin and Jinkyung Kim (2011). High Mn TWIP Steels for Automotive Applications, New Trends and Developments in Automotive System Engineering, Prof. Marcello Chiaberge (Ed.), ISBN: 978-953-307-517-4, InTech, Available from: http://www.intechopen.com/books/new-trends-and-developments-in-automotive-system-engineering/high-mn-twip-steels-for-automotive-applications

[7] Scott C, Guelton N, Allain S, Faral M. Rev Métall – CIT 2006;103:293

[8] O. Bouaziz, S. Allain, C.P. Scott, P. Cugy, D. Barbier, High manganese austenitic twinning induced plasticit steels: A review of the microstructure properties relationships, Current Opinion in Solid State and Materials Science 15 (2011) 141–168.

[9] http://worldwide.espacenet.com

[10] www.posco.co.kr

[11] Hicks, M.A and M.C Thomas (2003) Advances in Aeroengine Materials presented at Parsons   Conference, Dublin, 2003.

[12] http://worldwide.hyundai.com/WW/Innovation/Technology/NewTechnology/index.html

[13] www.irandoc.org

[14] B. C. De Cooman, O. Kwon and K.-G. Chin, “State of the knowledge on TWIP steel,” J. Mater. Sci. Technol, vol. 28, no. 5, 2012.

[15] www.edu.nano.ir

[16] https://noppa.lut.fi/noppa/opintojakso/bk20a2100/luennot/kertausluento_a.pdf

 

 

[1] Brenner

[2] Akashi Strait Bridge

[3] High-strength low-alloy steel

[4] www.freepatentsonline.com

[5] http://worldwide.espacenet.com/

[6] Body in White (BIW)

[7] POSCO (Pohang Iron and Steel Company)

[8] Aviation engines

 

 

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

• شرکت توسعه نانوفناوری افشار

بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================