پروژه مقاومت به خوردگی برای 3 نوع فولاد میکروآلیاژی و 2 نوع فولاد ساده تقویت شده

چکیده :

در این پروژه مقاومت به خوردگی برای 3 نوع فولاد میکرو آلیاژی و 2 نوع فولاد ساده تقویت شده ارزیابی می شود . فولاد میکروآلیاژ محتوی غلظتی از کرم و مس و فسفر به مقدار کم می باشد . که گران و مهم تر از کاربرد فولاد معمول تقویت شده می باشد. مقدار فسفر فولاد میکروآلیاژ از مقداری که استاندارد ASTM‌  اجازه می دهد تجاوز می کند و دیگر فولاد میکروآلیاژی ما محدوده نرمالی از فسفر را دارا می باشد. این 3 نوع فولاد میکروآلیاژی ، یکی از فولادهای معمولی عملیات حرارتی پذیرند که توسط پروسه های دمایی به شکل کوئینچ کردن و تمپر کردن برروی فولاد که مستقیماً پس از نورد می‌باشدو برروی دیگر فولاد معمولی نورد گرم انجام شده است .در مطالعه این پروژه متوجه می شویم که خورده شدن فولاد میکروآلیاژی فقط نصف سرعت خوردگی فولاد تقویت شده معمولی می باشد. اگر فولادها پوشش های epoxy داشته باشند کاهش نرخ نسبی خوردگی تا یک دهم می باشد .

در این پروژه آزمایش های سریع‌ای بر روی فولادها انجام می شود ، پتانسیل خوردگی،ماکروسل خوردگی و 3  آزمایشBench scale :

Southern Exposure  وCracked Beam و G109. برای ارزیابی فولاد از پتانسیل خوردگی و سرعت خوردگی استفاده می‌‌کنیم. برای خاصیت مکانیکی فولاد از آزمایش های خمشی و کشش استفاده می کنیم . نتایج نشان می دهد که پتانسیل خوردگی این 5 فولاد تقریباً تمایل یکسانی به خورده شدن دارند . در آزمایش Bench – Scale فولاد میکروآلیاژ با محتوی فسفری منظم (CRT ) پایین‌ترین خسارت خوردگی را از خود نسبت به فولاد معمولی نشان می دهد .

اگرچه در آزمایش G109 فولاد CRT مقاومت به خوردگی بیشتری از خود نسبت به فولاد ساده نشان میدهد . در آزمایش Cracked beam بعد از 70 هفته فقط 4% خسارت خوردگی در فولاد معمولی داریم . در آزمایش Southern exposure فولاد CRT نسبت به فولاد معمولی از یک دوره مناسب11% خسارت خوردگی داریم .

خاصیت مکانیکی فولاد میکروآلیاژی مشابه دیگر فولادهای ساده می باشد و فسفر زیاد تأثیری روی خاصیت مکانیکی ندارد.

فصل اول

مقدمه

1-خوردگی

1-1-تعریف  خوردگی

خوردگی را تخریب یا فاسد شدن یک ماده در اثر واکنش با محیطی که در آن قراردارد تعریف می کنند و بعضی ها اصرار دارند که این تعریف بایستی محدود به ‌فلزات باشد . ولی بایستی برای حل این مسئله هم فلزات و هم غیر فلزات را در نظر بگیریم .

مثلاً‌تخریب رنگ و لاستیک بوسیله نور خورشید یا مواد شیمیایی ، خورده شدن جداره کوره فولاد سازی ، و خوره شدن یک فلز جامد بوسیله مذاب یک فلز دیگر و حتی خورد شدن فولادی که در داخل تیرهای بتنی برق قرار دارد تماماً خوردگی نامیده می شوند.

2-1- محیط های خورنده :

عملاً‌کلیه محیط ها خورنده هستند،‌لکن شدت خورندگی آنها متفاوت است . مثالهایی در این مورد عبارتند از : هوا ، رطوبت  آبهای تازه ، مقطر،‌نمکدار و معدنی . اتمسفرهای روستائی، شهری،‌صنعتی ، بخار و گازهای دیگر مثل کلر- آمونیاک –سولفور هیدروژن ، دی اکسید گوگرد وگازهای سوختنی، اسیدهای معدنی مثل اسید کلریدریک، سولفوریک و نیتریک، اسیدها‌ی‌آلی مثل اسید نفتیک‌، استیک و فرمیک، قلیائی ها ، خاکها ، طلاها، روغنهای نباتی و نفتی و انواع و اقسام محصولات غذائی، بطور کل مواد «‌معدنی » خورنده تر از مواد «‌آلی » می باشند. مثلاً‌خوردگی در صنایع نفت بیشتر در اثر کلرور سدیم ، گوگرد ، اسید سولفوریک و کلریدریک و آب است تا بخاطر روغن ، نفت و بنزین .کاربرد درجه حرارتهای فشارهای بالا در صنایع شیمیایی باعث امکان پذیر شدن فرآیندهای جدید با بهبود فرآیندها قدیمی شده است ، به عنوان مثال ( راندمان بالاتر ) سرعت تولید بیشتر ، یا تقلیل قیمت تمام شده . این مطلب همچنین در مورد تولید انرژی از جمله انرژی هسته‌‌ای ، صنایع فضائی و تعداد بسیار زیادی از روشها و فرآیندها صادق است . درجه حرارتها و فشارهای بالاتر معمولاً باعث ایجاد شرایط خوردگی شدیدتر می گردند بسیاری از فرآیندها و عملیات متداول امروزه بدون استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی غیر ممکن یاغیر اقتصادی می باشند.

زنگ لفظی است که برای آلیاژ های آهنی به کار برده می شود. زنگ از اکسیدهای آهن تشکیل شده و معمولاً‌اکسید نیتریک هیدراته است . موقعی که در یک آگهی تجاری ادعا می شود که یک آلیاژ غیر آهنی زنگ نمی زند ، ادعایی بیش نیست و لکن بدان معنی نسبت که آن فلز خورده نخواهد شد

3-1- فولادهای کم آلیاژی:

فولادهای کربنی با یک یا چند عنصر کرم ، نیکل ، مس ، مولیبدن ، فسفر وانادیم، به مقادیر چند درصد یا کمتر از فولاد کم آلیاژی می نامند. مقادیر بالا از عناصر الیاژی معمولاً برای خواص مکانیکی و سختی پذیری است . از نقطه نظر مقاومت در برابر خوردگی محدوده تا ماکزیمم 2 درصد بیشتر مورد توجه است . در این محدوده  استحکام فولادها بالاتر از فولادهای ساده کربنی بوده ولی مهمترین  خاصیت آنها مقاومت خیلی بهتر در برابر خوردگی آتمسفری است .گاهی اوقات در محیط های آبی نیز این فولادها دارای مزایائی می باشند

1-3-1- اثرات افزودنی های میکرو آلیاژ کننده :

این بخش بر روی فولادهای پرلیت – فریت میکروآلیاژ شده تاکید کرده است ، که از افزودنی های عناصر آلیاژ کننده مثل نیوبیوم و وانادیوم برای بالا بردن کربن و یا محتواهای منگنز استفاده می کند ( و به این ترتیب توانایی حمل بار بالا می رود ) بررسی های گسترده در طول دهه 1960 بر روی اثرات نیوبیوم و وانادیوم روی خصوصیات مواد یا مصالح درجه ساختمانی باعث کشف این موضوع گردید که مقادیر کم نیوبیوم، وانادیوم هر کدام (10/0% ) فولادهای استاندارد کربن – منگنز را بدون تداخل با بعمل آوری بعدی مستحکم و قوی می سازند مقدار کربن نیز می تواند کم شود تا هم قابلیت جوش را بالا ببرد و هم چقرمگی را ، چون اثرات مقاومت دهندگی نیوبیوم و وانادیوم بخاطر کاهش در استحکام ناشی از کاهش در مقدار کربن جبران می شوند .

خصوصیات مکانیکی فولادهای کم آلیاژ دارای استحکام بالای میکرو آلیاژ شده ، فقط در صورت افزایش عناصر میکرو آلیاژ کننده حاصل می شوند . لازمه ی وجود آستنیت که به اثرات پیچیده طرح آلیاژ و تکنیک های نورد کاری بستگی دارد ،  نیز یک فاکتور مهم در تصفیه دانه ای فولادهای کم آلیاژ دارای استحکام بالای نورد گرم است . تصفیه دانه ای در صورت وجود آستنیت با روش های نورد کاری کنترل شده ، باعث چقرمگی بالا و استحکامهای تسلیم زیاد در رنج 345 تا 620 مگا پاسکال(ksi 90 تا 50) می شود. ]1[

این توسعه فرآیندهای نوردکاری کنترل شده همراه با طرح آلیاژ، سطوح استحکام تسلیم بالایی را تولید کرده است که با پایین آمدن تدریجی مقدار کربن توام می باشد بسیاری از فولادهای کم آلیاژ دارای استحکام بالا میکروآلیاژ شده اختصاصی ، مقادیر کربن به کمی 60/0% و یا حتی کمتر دارند ، با این حال هنوز می توانند استحکام تسلیم حدود 485 مگا پاسکال (ksi 70) را توسعه داده و ایجاد نمایند . استحکام تسلیم بالا  ، با اثرات ترکیبی اندازه دانه ریز ایجاد شده و در طول نورد کاری گرم کنترل شده و استحکام دهندگی رسوب حاصل می شود که این خصوصیت ناشی از حضور وانادیوم ، نیوبیوم و تیتانیوم است .

2-3-1- انواع گوناگون فولادهای فریت – پرلیت میکروآلیاژ شده عبارتند از :

1-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم

2-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم

     3-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم – نیوبیوم

4-2-3-1- فولادهای مولیبدن – نیوبیوم

5-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم – نیتروژن

6-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده تیتانیوم

7-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم – تیتانیوم

8-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده تیتانیوم – وانادیوم

این فولادها ممکن است شامل عناصر دیگری هم باشند تا مقاومت خوردگی بالایی داشته باشند و مقاومت محلول جامد را بالا برده و قابلیت سخت کاری زیادی را در بر بگیرند(اگر محصولات تغییر شکل غیر از فریت – پرلیت بهینه باشند) ]1[.

1-2-3-1- فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم :

تهیه و توسعه فولادهای حاوی وانادیوم مدت کوتاهی پس از تهیه فولادهای هوازدگی رخ می‌دهد و محصولات نورد شده صاف با بیش از 10/0%  وانادیوم بطور وسیعی در شرایط نورد گرم بکار می روند فولادهای حاوی وانادیوم نیز در شرایط نورد کنترل شده ، نرمال شده و یا کوئنچ و تمپر شده بکار می روند .

وانادیوم با تشکیل ذرات رسوب ریز ( با قطر 5  الی 100 نانومتر ) V (CN) در فریت در طول سرد سازی پس از نورد گرم به قوی ساختن کمک می کند . این رسوبات وانادیوم ، که به پایداری رسوبات نیوبیوم نیستند ، محلول در همه دماهای عادی نورد کاری هستند که برای ایجاد فریت دانه ریز مفید می باشند (بخش فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم  در این تحقیق را مشاهده نمایید)  قوی ساختن به وسیله وانادیوم ، بین 5تا 15 مگا پاسکال ( ksi 2 و 7/0 ) در هر 01/0 ترکیب شیمیایی وانادیوم است و این حد متوسط به مقدار کربن و سرعت سرد سازی حاصل از نورد گرم بستگی دارد ( و بنابراین به ضخامت مقطع نیز بستگی دارد ) سرعت سرد سازی که با دمای نورد گرم و ضخامت مقطع معین می شود برروی قوی ساختن سطح رسوب در فولاد 15/0% وانادیوم تاثیر می گذارد که در شکل 1-1 نشان داده شده است .

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل (1-1)- اثر میزان سرد کاری روی افزایش استحکام تسلیم ناشی از قوی ساختن رسوب در یک فولاد 15/0 درصد وانادیوم ]1[

در سرعت های سرد سازی بالا بیشتر ذرات (CN) V در محلول باقی می ماند و بنابراین بخش کوچکتری از ذرات (CN) V رسوب کرده و قوی ساختن نیز کاهش می یابد در مورد یک ضخامت مقطع داده شده و محیط سرد سازی  ، سرعت های سرد سازی می توانند با افزایش یا کاهش دما قبل ازسرد سازی به ترتیب افزایش یافته و یا کاهش یابند. افزایش دما باعث بزرگتر شدن اندازه دانه ای آستنیت می شود در حالیکه کاهش دمای نورد کاری را دشوار تر می سازد .

مقدار منگنز نیز بر روی استحکام دادن فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم تاثیر می گذارد اثر منگنز روی فولاد وانادیوم نورد شده گرم در جدول (2-1) نشان داده شده است با افزایش 9/0 درصد منگنز که ناشی از قوی ساختن محلول جامد است . قوی کردن رسوب وانادیوم نیز افزایش می یابد چون منگنز دمای تغییر شکل آستنیت به فریت را پایین می آورد به این ترتیب باعث پراکندگی رسوب ریزتر می شود . این اثر منگنز روی قوی ساختن رسوب بزرگتر از اثرش در فولادهای نیوبیوم است با اینحال استحکام مطلق در یک فولاد نیوبیوم دارای Mn 2/1 % فقط حدود 50 مگا پاسکال (ksi 7) کمتر از فولاد وانادیوم است اما در سطح آلیاژی بسیار کمتری است ( یعنی nb 06/0 % در برابر 14/0% وانادیوم ) سومین عاملی که روی استحکام فولادهای وانادیوم تاثیر می گذارد اندازه دانه ای فریت تولید شده بعد از سرد سازی از دمای آستنیت کننده است . اندازه های دانه ای فریت ریزتر (که نه تنها باعث استحکام های تسلیم بالاتر شده بلکه چقرمگی و شکل پذیری را نیز بالا می برند) می توانند با دماهای تغییر شکل کمتر آستنیت به فریت و یا با شکل گیری اندازه های دانه ای آستنیت ریز تر قبل از تغییر شکل تولید شوند پایین آوردن دمای تغییر شکل که روی قوی ساختن سطح رسوب تاثیر می گذارد می تواند با افزودن آلیاژ و یا با سرعت های سردسازی افزایش یافته ایجاد شود  در مورد یک سرعت سرد سازی داده شده تصفیه اندازه دانه فریت و تصفیه اندازه دانه آستنیت در طول نورد کاری صورت می گیرد .

اندازه دانه آستنیت فولادهای نورد گرم با تبلور مجدد و رشد دانه ای آستنیت در طول نورد کاری معین می شود فولادهای نورد گرم وانادیوم معمولاً دستخوش نوردکاری قراردادی قرار می گیرند اما با نورد کنترل شده تبلور مجدد تولید می شود. با نورد کاری قراردادی فولادهای وانادیوم قوی ساختن مناسب رسوب را تهیه کرده و قوی ساختن نسبتاً کمی را از تصفیه دانه ایجاد می کنند استحکام تسلیم حداکثر فولادهای وانادیوم نورد گرم قراردادی با 25/0 درصد کربن و 087/0 درصد وانادیوم حدود 450 مگا پاسکال (ksi  65) است . حد عملی استحکام های تسلیم برای فولاد میکرو آلیاژ شده وانادیوم نورد گرم حدود 415 مگا پاسکال (ksi  60) است حتی وقتی تکنیک های نورد کاری کنترل شده بکار روند .