فولاد ضد زنگ نانوساختار: مرزهای جدید در استحکام بدون از دست دادن شکل‌پذیری

برای بیش از یک قرن، متالوژیست ها یک واقعیت سرسختانه را پذیرفته اند: قوی تر کردن فولاد تقریباً همیشه آن را شکننده تر می کند. این "پارادوکس{1}}استحکام شکل پذیری" سقف عملکرد هر محصول فولاد ضد زنگ، از ایمپلنت های جراحی گرفته تا اجزای هواپیما را محدود کرده است.

فولاد ضد زنگ نانوساختار در حال تغییر این معادله است. با مهندسی ساختار کریستالی داخلی در مقیاس نانومتر، محققان و سازندگان به قدرت تسلیم 800 تا 2000 مگاپاسکال دست یافته اند که دو تا پنج برابر بیشتر از گریدهای معمولی است، در حالی که مقادیر کشیدگی بین 15 تا 40 درصد را حفظ کرده اند. این بدان معناست که قطعات را می‌توان نازک‌تر، سبک‌تر و قوی‌تر کرد، بدون اینکه سختی‌ای که از خرابی ناگهانی و فاجعه‌بار جلوگیری می‌کند قربانی شود.

این مقاله بررسی می‌کند که فولاد ضد زنگ نانوساختار چیست، چگونه کار می‌کند، چگونه تولید می‌شود، کجا بهتر از نمرات معمولی است، و چه چالش‌هایی پیش از رسیدن به جریان اصلی صنعتی باقی می‌ماند.

فولاد ضد زنگ نانوساختار چیست؟

فولاد ضد زنگ نانوساختار، فولاد ضد زنگی است که ساختار دانه داخلی آن در ابعاد{0} نانومتری (معمولا زیر 100 نانومتر) پالایش شده است، در حالی که شکل پذیری و مقاومت در برابر خوردگی قابل توجهی را حفظ می کند.

هر فلزی از نواحی کریستالی میکروسکوپی به نام "دانه" تشکیل شده است. در فولاد ضد زنگ معمولی، این دانه‌ها معمولاً 10 تا 100 میکرومتر، تقریباً عرض یک موی انسان است. فولاد ضد زنگ نانوساختار این دانه‌ها را به میزان 1000 یا بیشتر کوچک می‌کند و تراکم فوق‌العاده بالایی از مرزهای دانه ایجاد می‌کند.

مرزهای دانه رابط بین بلورهای مجاور هستند. آنها به عنوان موانعی برای حرکت جابجایی، مکانیسم میکروسکوپی که توسط آن فلزات تحت تنش تغییر شکل می دهند، عمل می کنند. مرزهای دانه بیشتر به معنای موانع بیشتر است که به معنای مقاومت بیشتر در برابر تغییر شکل و در نتیجه استحکام بالاتر است.

تمایز کلیدی:فولاد ضد زنگ نانوساختار همان ترکیب شیمیایی را مانند گریدهای معمولی حفظ می کند. فولادهای زنگ نزن 304، 316L یا 17-4 PH که قبلاً می دانید می توانند نانوساختار باشند. تفاوت کاملاً در معماری داخلی نهفته است، نه شیمی آلیاژ. این بدان معناست که مقاومت در برابر خوردگی، جوش پذیری و زیست سازگاری اساساً بدون تغییر باقی می مانند.

طبق تحقیقات منتشر شده درعلم و مهندسی مواد الففولاد زنگ نزن 316 لیتری نانوکریستالی تولید شده از طریق تغییر شکل پلاستیکی شدید، به اندازه دانه تقریباً 70 نانومتر، با قدرت تسلیم بیش از 1400 مگاپاسکال، بیش از چهار برابر 316 لیتر معمولی آنیل شده (تقریباً 310 مگاپاسکال) دست یافت.

چگونه پالایش دانه فولاد ضد زنگ را تقویت می کند؟

پالایش دانه، فولاد ضد زنگ را طبق رابطه هال تقویت می‌کند-رابطه پچ: با کاهش اندازه دانه، استحکام تسلیم متناسب با ریشه مربع معکوس قطر دانه افزایش می‌یابد، با دانه‌های نانومقیاس بهبود استحکام 2 تا 5 برابر نسبت به مواد معمولی.

رابطه بین اندازه دانه و استحکام یکی از-به خوبی تثبیت شده‌ترین اصول در متالورژی است که توسط معادله هال-پیچ توصیف شده است:

قدرت تسلیم=قدرت پایه + k / (قطر دانه)

به زبان ساده: هر بار که قطر دانه را نصف می‌کنید، استحکام تقریباً 1.4 (ریشه دوم 2) افزایش می‌یابد. اندازه دانه را از 50 میکرومتر به 50 نانومتر کاهش دهید، ضریب 1000، و افزایش قدرت نظری بسیار زیاد می شود.

اینجوری بهش فکر کن هنگامی که یک فلز تحت فشار قرار می گیرد، اتم ها از طریق فرآیندی به نام "حرکت دررفتگی" در امتداد صفحات کریستالی از کنار یکدیگر می لغزند. مرزهای دانه ها، مرزهای بین دانه ها، این مسیرهای لغزشی را قطع می کنند. دانه های کوچکتر به معنای مرزهای بیشتر در واحد حجم است که موانع بیشتری را برای غلبه بر نابجایی ایجاد می کند.

چرا فولاد ضد زنگ به ویژه مزایای زیر را دارد:هال-ضریب تقویت پچ (k) برای فولاد زنگ نزن آستنیتی در مقایسه با فلزات دیگر نسبتاً بالا است. این بدان معناست که فولاد ضد زنگ از کاهش اندازه دانه مشابه نسبت به آلومینیوم یا مس استحکام بیشتری به دست می آورد، به همین دلیل است که فولاد ضد زنگ نانوساختار چنین پیشرفت های چشمگیری را نشان می دهد.

تحقیقات دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو نشان داد که فولاد ضد زنگ نانوکریستالی 301 با اندازه دانه تقریباً 50 نانومتر استحکام کششی بیش از 1600 مگاپاسکال دارد، در مقایسه با تقریباً 750 مگاپاسکال برای همان آلیاژ با اندازه دانه‌های معمولی.

چرا تقویت متعارف شکل پذیری را قربانی می کند؟

روش‌های مقاوم‌سازی مرسوم (سخت کاری، تقویت محلول جامد و سخت‌سازی بارشی) با جلوگیری از حرکت نابجایی، استحکام را افزایش می‌دهند، اما همین انسدادها همچنین از تغییر شکل پلاستیکی کنترل‌شده که به فلزات شکل‌پذیری می‌دهد، جلوگیری می‌کند و یک رابطه معکوس بین استحکام و ازدیاد طول ایجاد می‌کند.

برای درک قدرت-معادل انعطاف پذیری، جمعیتی از مردم را تصور کنید که سعی می کنند از یک راهرو عبور کنند. در یک فلز نرم، راهرو شفاف است: اتم‌ها به راحتی از کنار یکدیگر می‌لغزند و به فلز اجازه می‌دهند کشیده و تغییر شکل دهند (شکل‌پذیری بالا) اما مقاومت کمی در برابر تغییر شکل (استحکام کم) ارائه می‌کنند. روش های متداول استحکام بخشی مانند اضافه کردن مبلمان به راهرو است. هرچه موانع بیشتری اضافه کنید، عبور از آن سخت‌تر می‌شود (مقاومت بیشتر)، اما همچنین جریان هموار برای جمعیت سخت‌تر می‌شود (شکل‌پذیری کمتر).

سه مکانیسم اصلی تقویت کننده معمولی همه به این ترتیب عمل می کنند:

سخت کاری (کار سرد):خم شدن یا غلتاندن فلز در دمای اتاق، درهم‌رفتگی‌هایی را ایجاد می‌کند که جلوی حرکت بیشتر را می‌گیرد. فولاد ضد زنگ 304 نورد سرد می تواند به 1،{4}} مگاپاسکال استحکام تسلیم برسد، اما ازدیاد طول از 60٪ به کمتر از 10٪ کاهش می یابد.

تقویت محلول جامد:افزودن عناصر آلیاژی مانند نیتروژن یا مولیبدن، اعوجاج‌های مقیاس اتمی- در شبکه کریستالی ایجاد می‌کند که مانع حرکت نابجایی می‌شود. محتوای آلیاژ بالاتر به معنای استحکام بالاتر اما کاهش شکل پذیری است.

سخت شدن بارش:عملیات حرارتی باعث ایجاد ذرات ریز در داخل فلز می‌شود و دررفتگی‌ها را به هم می‌چسبانند. فولاد زنگ نزن 17-4 PH سخت شده بارندگی به قدرت تسلیم 1170 مگاپاسکال می رسد اما با کشیدگی تنها 3 تا 15 درصد.

در هر سه مورد، مکانیسمی که استحکام ایجاد می کند، فرآیندهای تغییر شکلی که مسئول شکل پذیری هستند را نیز محدود می کند. این پارادوکس اساسی است که طراحی متالورژیک را برای بیش از یک قرن محدود کرده است. استحکام{2}}معادل شکل‌پذیری یک محدودیت مهندسی نیست. این یک نتیجه فیزیکی از نحوه عملکرد تقویت معمولی است.

چگونه فولاد نانوساختار استحکام-تعادل شکل‌پذیری را می‌شکند؟

فولاد نانوساختار تا حدی از طریق سه مکانیسم (لغزش مرز دانه، دوقلوی تغییر شکل، و حساسیت نرخ کرنش افزایش یافته) به اضافه یک رویکرد معماری چهارم (توزیع اندازه دانه دووجهی) که در کنار هم مسیرهای انعطاف پذیری را فراهم می کند که هم در فلزات معمولی استحکام طولانی و هم به طور همزمان معنادار نیست، استحکام را می شکند.

استحکام{0}}معادل شکل‌پذیری «اورست علم مواد» نامیده می‌شود، که فتح آن به ظاهر غیرممکن است. فولاد نانوساختار به طور کامل معاوضه را از بین نمی برد، اما مرز عملکرد را به طور چشمگیری تغییر می دهد و به ترکیبی از استحکام و شکل پذیری دست می یابد که قبلا غیرممکن تصور می شد. در اینجا نحوه کار آن است.

مکانیسم 1: لغزش مرز دانه

در فلزات معمولی، تغییر شکل پلاستیک عمدتاً از طریق حرکت نابجایی درون دانه‌ها اتفاق می‌افتد. اما زمانی که دانه ها بسیار کوچک هستند (زیر حدود 100 نانومتر)، مکانیسم متفاوتی فعال می شود: لغزش مرز دانه. در این مقیاس، دانه‌های کامل می‌توانند در مرزهای خود از کنار یکدیگر بلغزند، انرژی را جذب کرده و شکل‌پذیری را بدون نیاز به حرکت نابجایی از طریق یک شبکه به شدت تقویت‌شده فراهم می‌کنند.

مکانیسم 2: دوقلوزایی تغییر شکل

فولادهای زنگ نزن آستنیتی نانوساختار می توانند در طول تغییر شکل، دوقلوهای نانومقیاس، آینه{0}}ساختارهای کریستالی تصویری را تشکیل دهند. این دوقلوها هم به عنوان عناصر تقویت کننده (شبیه به مرزهای دانه) و هم به عنوان مجرای تغییر شکل پلاستیک عمل می کنند و به فلز اجازه می دهند بدون شکستگی تغییر شکل دهند. این اثر «دوقلویی-القای پلاستیسیته» (TWIP) به ویژه در فولادهای زنگ نزن با-منگنز بالا و-نیتروژن بالا مشخص است.

مکانیسم 3: افزایش حساسیت نرخ کرنش

فلزات نانوکریستالی حساسیت نرخ کرنش بالاتری از خود نشان می دهند، به این معنی که استحکام آنها تحت بارگذاری سریع با سرعت بیشتری افزایش می یابد. این ویژگی یک حاشیه ایمنی را فراهم می کند: تحت تغییر شکل آهسته و کنترل شده، فلز به صورت پلاستیکی جریان می یابد (قابلیت شکل). تحت ضربه ناگهانی، در برابر تغییر شکل (قدرت) مقاومت می کند. این رفتار دوگانه در برنامه های کاربردی-مقاوم در برابر خرابی و ضربه- بسیار مطلوب است.

مکانیسم 4: توزیع اندازه دانه دووجهی

برخی از موفق ترین فولادهای زنگ نزن نانوساختار از توزیع اندازه دانه "دو وجهی"، مخلوطی عمدی از دانه های در مقیاس نانو و در مقیاس میکرو استفاده می کنند. دانه‌های نانومقیاس استحکام را ایجاد می‌کنند، در حالی که دانه‌های ریز مقیاس شکل‌پذیری مبتنی بر نابجایی- ارائه می‌کنند. این رویکرد معماری که توسط محققان آکادمی علوم چین نشان داده شده است، به استحکام تسلیم بالای 1000 مگاپاسکال با ازدیاد طول بیش از 30 درصد دست یافت.

چه روش های تولیدی فولاد ضد زنگ نانوساختار را تولید می کنند؟

پنج مسیر تولید اولیه فولاد ضد زنگ نانوساختار عبارتند از تغییر شکل پلاستیکی شدید (ECAP، HPT، ARB)، رسوب الکترونی، متالورژی پودر با تف جوشی پلاسمای جرقه ای، و پردازش ترمومکانیکی پیشرفته، که هر کدام معاوضه های متفاوتی را در کنترل اندازه دانه، هندسه محصول، مقیاس پذیری و هزینه ارائه می دهند.

تولید دانه های نانومقیاس در فولاد زنگ نزن نیاز به مجبور کردن مواد از طریق تغییر شکل شدید یا کنترل هسته و رشد در طول انجماد دارد. هیچ روش واحدی در سطح جهانی برتر نیست. هر کدام جایگاه خود را دارند.

تغییر شکل شدید پلاستیکی (SPD)

تکنیک های SPD فلز را بدون تغییر شکل کلی آن در معرض کرنش های پلاستیکی عظیم قرار می دهد. تغییر شکل شدید دانه های موجود را به زیردانه های نانومقیاس تکه تکه می کند. انواع اصلی عبارتند از:

• ECAP (برابر-فشردن زاویه ای کانال):می تواند میله ها و میله های نانوساختار حجیم مناسب برای کاربردهای ساختاری تولید کند. اندازه دانه تقریباً به 70 نانومتر می رسد.
• HPT (پیچش فشار بالا):نمونه‌های دیسکی{0}}شکل را با بهترین اندازه دانه (تا حدود 30 نانومتر) تولید می‌کند، اما محدود به هندسه‌های کوچک است.
• ARB (باندینگ رول انباشته):می تواند مواد ورق نانوساختار را تولید کند، که آن را از نظر صنعتی مرتبط تر می کند.

رسوب الکتریکی

رسوب الکتریکی، اتم فلز را-به-از حمام الکترولیتی رشد می‌دهد و پوشش‌های نانوکریستالی با اندازه دانه‌هایی به کوچکی 10 تا 50 نانومتر تولید می‌کند. این روش برای لایه‌های نازک و پوشش‌های روی اجزای موجود ایده‌آل است اما نمی‌تواند مواد ساختاری حجیم تولید کند.

متالورژی پودر با زینترینگ پلاسمای جرقه ای (SPS)

پودر نانو کریستالی تولید می شود (معمولاً از طریق آسیاب گلوله ای یا تراکم گاز بی اثر) و سپس با استفاده از SPS که فشار و جریان الکتریکی پالسی را به طور همزمان اعمال می کند، یکپارچه می شود. SPS پودر را در دماهای پایین‌تر و زمان‌های کوتاه‌تر نسبت به پخت معمولی یکپارچه می‌کند و نانوساختار را حفظ می‌کند. این مسیر می تواند اجزای شکل نزدیک به-شبکه- را تولید کند.

پردازش ترمومکانیکی پیشرفته

این رویکرد از ترکیب‌های کنترل شده با دقت تغییر شکل سرد و بازپخت برای دستیابی به دانه‌های بسیار ریز یا در مقیاس نانو در مواد حجیم استفاده می‌کند. این روش مقیاس‌پذیرترین روش صنعتی است که با زیرساخت‌های نورد و آهنگری موجود سازگار است، اگرچه معمولاً اندازه دانه‌هایی در محدوده 100 تا 1000 نانومتر تولید می‌کند (بجای نانوکریستالی واقعی).

جدول 1.مقایسه روش‌های ساخت فولاد ضد زنگ نانوساختار.

فولاد ضد زنگ نانوساختار چگونه با گریدهای معمولی مقایسه می شود؟

فولادهای زنگ نزن نانوساختار 2 تا 5 برابر مقاومت تسلیم همتاهای معمولی خود دارند در حالی که 50 تا 70 درصد شکل‌پذیری خود را حفظ می‌کنند، با بهترین انواع نانوساختار که به مقاومت تسلیم 800 تا 2000 مگاپاسکال و مقادیر ازدیاد طول 15 تا 40 درصد می‌رسند، ترکیب‌هایی که به سادگی قابل پردازش نیستند.

جدول زیر داده های معرف گریدهای معمولی و نانوساختار انواع فولاد ضد زنگ رایج را خلاصه می کند. همه انواع نانوساختار ترکیب شیمیایی مشابهی با همتایان معمولی خود دارند.

جدول 2.خواص مکانیکی گریدهای فولاد ضد زنگ معمولی در مقابل نانوساختار داده‌های جمع‌آوری‌شده از-مطالعات بازبینی‌شده در علوم و مهندسی مواد A، Acta Materialia و Scripta Materialia.

مشاهدات کلیدی

1. ضرب قدرت:316L نانوساختار تقریباً 4 برابر قدرت تسلیم 316L آنیل شده، قابل مقایسه با نمرات بارندگی{3}}سخت شده یا بیشتر از آن است.
2. حفظ شکل پذیری:در حالی که ازدیاد طول کاهش می یابد، گریدهای نانوساختار همچنان 15 تا 22 درصد کشیدگی را حفظ می کنند که برای اکثر کاربردهای ساختاری کافی است. 304 معمولی نورد سرد در سطوح مقاومت مشابه، ازدیاد طول کمتر از 5% را نشان می‌دهد.
3. بدون نیاز به تغییرات آلیاژی:گریدهای نانوساختار موجود در جدول دارای ترکیب شیمیایی مشابه با همتایان معمولی خود هستند. بهبود عملکرد کاملاً از مهندسی ریزساختار ناشی می شود.
4. مقاومت در برابر خوردگی ثابت:از آنجایی که ترکیب شیمیایی بدون تغییر است، لایه اکسید غیرفعال که به فولاد ضد زنگ مقاومت خوردگی آن را می دهد به طور یکسان روی سطوح نانوساختار شکل می گیرد. مطالعات نشان داده‌اند که 316L نانوساختار به دلیل چگالی بالاتر مرزهای دانه‌ای که مکان‌های هسته‌زایی بیشتری را برای فیلم غیرفعال فراهم می‌کند، مقاومت خوردگی برابر یا کمی بالاتر از خود نشان می‌دهد.

چه کاربردهایی بیشترین سود را از فولاد ضد زنگ نانوساختار دارند؟

کاربردهای اصلی فولاد ضد زنگ نانوساختار، اجزای ساختاری هوافضا، ایمپلنت‌های زیست پزشکی، ابزارهای حفره‌ای نفت و گاز، و سبک‌سازی خودرو، بخش‌هایی است که تقاضای همزمان برای استحکام بالا، شکل‌پذیری بالا، مقاومت در برابر خوردگی و کاهش وزن، هزینه‌های بالای مواد را توجیه می‌کند.

هوافضا

سازه‌های هواپیما و فضاپیما به موادی نیاز دارند که برای جلوگیری از شکستگی‌های شکننده فاجعه‌آمیز، نسبت‌های استحکام-به-وزن بالا را با انعطاف‌پذیری کافی ترکیب کنند. فولاد ضد زنگ نانوساختار دارای قدرت تسلیم قابل مقایسه با آلیاژهای تیتانیوم با هزینه کمتر و مقاومت در برابر خوردگی عالی است. کاربردهای خاص شامل اجزای ارابه فرود، بست ها و دیواره های مخازن تحت فشار است. آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی ایالات متحده فولاد ضد زنگ نانوساختار را برای پانل های ساختاری خودروهای مافوق صوت بررسی کرده است، جایی که ترکیبی از استحکام و پایداری حرارتی بسیار مهم است.

ایمپلنت های زیست پزشکی

ایمپلنت های جراحی (مفاصل لگن، صفحات استخوانی، پیچ های دندانی) به استحکام برای تحمل بارهای فیزیولوژیکی، شکل پذیری برای جلوگیری از شکستگی ناگهانی و زیست سازگاری برای جلوگیری از پس زدن بافت نیاز دارند. فولاد ضد زنگ 316 لیتری نانوساختار، قدرت تسلیم بالای 1000 مگاپاسکال (در مقابل تقریباً 290 مگاپاسکال برای 316 لیتر معمولی) را ارائه می‌کند که به ایمپلنت‌های کوچک‌تر و کمتر تهاجمی اجازه می‌دهد. محتوای کروم بدون تغییر همان زیست سازگاری و مقاومت در برابر خوردگی را حفظ می کند که 316L را به آلیاژ استاندارد ایمپلنت تبدیل کرده است. محققان MIT نشان داده‌اند که استنت‌های 316 لیتری نانوساختار را می‌توان 40 درصد نازک‌تر از استنت‌های معمولی ساخت و در عین حال استحکام شعاعی معادل را حفظ کرد و امکان تحویل آسان‌تر از طریق کاتترهای کوچک‌تر را فراهم کرد.

نفت و گاز

ابزارهای سوراخ در استخراج نفت و گاز با فشارهای شدید، محیط های خورنده (H2S، CO2، کلریدها) و سایش مکانیکی مواجه هستند. فولاد ضد زنگ نانوساختار استحکام تسلیم بالا را با مقاومت در برابر خوردگی ترکیب می‌کند و آن را برای لوله‌ها، پوشش‌ها و اجزای شیر ایده‌آل می‌کند. حساسیت نرخ کرنش افزایش یافته همچنین مقاومت در برابر ضربه را برای اجزای جلوگیری از فوران ایجاد می کند.

سبک سازی خودرو

کاهش وزن خودرو به طور مستقیم باعث بهبود بهره وری سوخت و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای می شود. فولاد ضد زنگ نانوساختار، استفاده از مواد ورق گیج نازک‌تر- را برای پانل‌های بدنه و اعضای ساختاری در حالی که قابلیت ضربه را حفظ می‌کند، ممکن می‌سازد. یک مطالعه توسط فدراسیون اروپا برای حمل و نقل و محیط زیست تخمین زده است که جایگزینی فولادهای معمولی با انواع{3}}استحکام بالا در ناوگان خودرو می‌تواند وزن خودرو را 15 تا 25 درصد کاهش دهد، مصرف سوخت را 5 تا 8 درصد کاهش دهد.

محدودیت های فعلی فولاد ضد زنگ نانوساختار چیست؟

سه محدودیت اصلی فولاد ضد زنگ نانوساختار عبارتند از ناپایداری حرارتی در دماهای بالا، مقیاس پذیری محدود روش های تولید، و ناکافی بودن داده های مهندسی طولانی مدت، چالش هایی که در حال حاضر با وجود خواص استثنایی مواد، پذیرش گسترده صنعتی را محدود می کنند.

علیرغم نتایج آزمایشگاهی چشمگیر، موانع متعددی مانع از تسلط فولاد ضد زنگ نانوساختار بر بازار امروز می شود.

محدودیت 1: ناپایداری حرارتی

دانه های نانومقیاس از نظر ترمودینامیکی ناپایدار هستند زیرا حاوی انرژی اضافی ذخیره شده در چگالی بالای مرزهای دانه هستند. در دماهای بالا، این انرژی باعث رشد دانه می شود و باعث درشت شدن نانوساختار و از بین رفتن مزیت استحکام می شود. برای اکثر فولادهای زنگ نزن نانوساختار، رشد دانه قابل توجهی در حدود 0.4 تا 0.5 برابر دمای ذوب مطلق آغاز می شود، که مربوط به حدود 500 تا 600 درجه سانتیگراد برای گریدهای آستنیتی است. این سقف دما، کاربردها را به محیط‌های با دمای متوسط ​​محدود می‌کند و جوشکاری را پیچیده می‌کند، که به طور موضعی مواد را در معرض دمایی بسیار فراتر از آستانه رشد دانه قرار می‌دهد.

محدودیت 2: مقیاس پذیری تولید

موثرترین روش‌های نانوساختار، HPT و ECAP، محصولات کوچک یا هندسی محدود تولید می‌کنند. ECAP می تواند میله ها و میله ها را تولید کند اما ورق نازک تولید نمی کند. HPT در اصل یک تکنیک آزمایشگاهی است. مقیاس پذیرترین روش، پردازش ترمومکانیکی، دانه های بسیار ریز (100 تا 1000 نانومتر) را به جای دانه های نانوکریستالی واقعی، با بهبود ویژگی های کمتر چشمگیر تولید می کند. هیچ روش واحدی در حال حاضر اندازه دانه ریز، هندسه دلخواه و توان عملیاتی بالا را ترکیب نمی کند.

محدودیت 3: شکاف داده های مهندسی

در حالی که صدها مطالعه آزمایشگاهی فولاد ضد زنگ نانوساختار را مشخص کرده‌اند، پایگاه‌های اطلاعاتی مهندسی جامعی که خستگی طولانی‌مدت، خزش، ترک خوردگی تنشی و عملکرد جوش را پوشش می‌دهند، هنوز در حال توسعه هستند. کدهای طراحی سازه (ASME، ASTM، Eurocode) هنوز شامل گریدهای نانوساختار نمی شوند، به این معنی که مهندسان باید مواد را از طریق{2}}آزمایش ویژه پروژه، یک مانع پرهزینه و وقت گیر{3}} واجد شرایط کنند.

تولید فولاد ضد زنگ نانوساختار چقدر مقرون به صرفه است؟

هزینه های فعلی تولید فولاد ضد زنگ نانوساختار بین 3 تا 10 برابر پردازش های معمولی است، اما حق بیمه هزینه با صرفه جویی در مواد جبران می شود (بخش های نازک تر برای عملکرد معادل) و پیش بینی می شود که با افزایش ظرفیت ابزار SPD و SPS به طور قابل توجهی کاهش یابد و به طور بالقوه به 1.5 تا 2 برابر ضریب هزینه در 5 سال برسد.

اقتصاد فولاد ضد زنگ نانوساختار به روش تولید، حجم تولید و ارزش عملکرد در کاربرد مورد نظر بستگی دارد.

محرک های هزینه جاری

روش های SPD به تجهیزات تخصصی (ECAP قالب ها، سندان های HPT) با توان عملیاتی کم نیاز دارند. یک پاس ECAP واحد در مقایسه با نورد مداوم ورق معمولی، یک نوار را در یک زمان پردازش می کند.

تجهیزات SPS گران هستند (500,000 تا 2,000,000 دلار برای واحدهای تولید{5}) و یک جزء را در هر چرخه پردازش می‌کنند.

تولید پودر نانوساختار (فرز گلوله ای) انرژی- فشرده و آهسته است.

جبران هزینه از طریق کاهش مواد

از آنجایی که فولاد نانوساختار 2 تا 5 برابر استحکام بیشتری دارد، مواد کمتری برای ظرفیت باربری یکسان- مورد نیاز است. قطعه ای که به 10 میلی متر 316 لیتر معمولی (قدرت تسلیم 290 مگاپاسکال) نیاز دارد، ممکن است تنها به 3 میلی متر 316 لیتر نانوساختار (قدرت تسلیم 1100 مگاپاسکال) نیاز داشته باشد. حتی با 5 برابر هزینه هر کیلوگرم، هزینه مواد برای قطعه ممکن است کمتر باشد، و کاهش وزن باعث صرفه جویی بیشتر در سطح سیستم{14}}در بهره وری سوخت، هزینه های حمل و نقل و نیروی کار نصب می شود.

کاهش هزینه پیش بینی شده

تحلیلگران صنعت در موسسه پردازش مواد پروژه می‌گویند که با افزایش ظرفیت SPD و بلوغ روش‌های پردازش ترمومکانیکی، هزینه‌های فولاد ضد زنگ نانوساختار می‌تواند به ۱.۵ تا ۲ برابر هزینه‌های معمولی ظرف یک دهه کاهش یابد. در این سطح، صرفه جویی در مواد ناشی از کاهش ضخامت مقطع باعث می شود که نمرات نانوساختار برای طیف وسیع تری از کاربردها رقابتی- باشد.

آینده فولاد ضد زنگ نانوساختار چیست؟

آینده فولاد ضد زنگ نانوساختار به سه پیشرفت همگرا اشاره دارد: ادغام با تولید افزودنی، یادگیری ماشینی{0}}آلیاژ هدایت شده و طراحی فرآیند، و ظهور معماری های چند مقیاسی ترکیبی{1}. این روندها در کنار هم، احتمالاً طی 10 تا 15 سال آینده، نمرات نانوساختار را از کاربردهای خاص به پذیرش صنعتی اصلی منتقل خواهند کرد.

روند 1: یکپارچه سازی ساخت افزودنی

تولید افزودنی (چاپ سه بعدی) فولاد ضد زنگ، به ویژه همجوشی بستر پودر لیزری (L-PBF)، به طور طبیعی به دلیل سرعت انجماد بسیار سریع (10^5 تا 10^6K/s) ریزساختارهای بسیار ظریفی تولید می کند. تحقیقات در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور نشان داد که فولاد ضد زنگ 316 لیتری ساخته شده با مواد افزودنی به استحکام تسلیم 400 تا 600 مگاپاسکال با ازدیاد طول 30 تا 50 درصد می رسد که از مواد معمولی از طریق ترکیبی از دانه های ریز و ساختارهای نابجایی سلولی پیشی می گیرد. با تکامل فرآیندهای افزایشی، دستیابی به اندازه دانه های نانوکریستالی واقعی در اجزای چاپ شده به طور فزاینده ای امکان پذیر می شود و به طور بالقوه آزادی هندسی چاپ سه بعدی را با مزایای خاصیت نانوساختار ترکیب می کند.

روند 2: یادگیری ماشین-طراحی هدایت شده

هوش مصنوعی و یادگیری ماشین با بهینه‌سازی پارامترهای پردازش (دما، کرنش، نرخ کرنش) و شناسایی ترکیب‌های آلیاژی که پایداری اندازه دانه را افزایش می‌دهند، توسعه فولادهای ضد زنگ نانوساختار را تسریع می‌کنند. پروژه Google DeepMind GNoME نشان داد که یادگیری ماشینی می تواند مواد کریستالی پایدار جدیدی را در مقیاس کشف کند. رویکردهای مشابهی برای پیش‌بینی اینکه کدام افزودنی‌های آلیاژی (مانند پراکندگی‌های اکسیدی در مقیاس نانو) می‌توانند مرزهای دانه‌ها را سنجاق کرده و از درشت شدن حرارتی جلوگیری کنند، اعمال می‌شوند.

گرایش 3: معماری های چند مقیاسی ترکیبی-

امیدوارکننده‌ترین پیشرفت‌های نزدیک- شامل مواد «ناهم ساختار»، فلزات با گرادیان‌های عمدی یا توزیع‌های دووجهی اندازه دانه است. یک جزء ممکن است دارای یک لایه سطحی نانوبلوری برای مقاومت در برابر سایش و خوردگی، یک سطح زیرین{2}}دانه‌دار بسیار ریز برای استحکام، و یک هسته دانه‌دار معمولی- برای شکل‌پذیری و چقرمگی باشد. این معماری‌ها را می‌توان با استفاده از تجهیزات صنعتی موجود (تصفیه ساییدگی مکانیکی سطح، عملیات حرارتی القایی) تولید کرد و ترکیب‌هایی را ارائه کرد که به مواد نانوساختار همگن نزدیک یا فراتر می‌رود.

چشم انداز صنعت

تولیدکنندگان عمده فولاد ضد زنگ، از جمله Outokumpu، Sandvik، و ArcelorMittal، برنامه‌های تحقیقاتی فعالی در زمینه فولاد ضد زنگ بسیار ریز-دانه‌دار و نانوساختار دارند. پیش‌بینی می‌شود که بازار جهانی فولاد ضد زنگ{2}}استحکام بالا تا سال 2030 به 45 میلیارد دلار برسد و نمرات نانوساختار سهم رو به رشدی را نشان دهد. با کاهش هزینه‌های تولید و جمع‌آوری داده‌های مهندسی، فولاد ضد زنگ نانوساختار به جای یک کنجکاوی تحقیقاتی، به یک پیشنهاد استاندارد تبدیل می‌شود.