تردی ۴۷۵ درجه

[بندانگشتی|[پراش الکترونی پس‌پراکنده|نقشه‌ی پراش الکترون بازپخشی(EBSD) از فولاد زنگ‌نزن دوگانه‌ی سخت‌شده با عمر ۱۲۸ ساعت، که در آن فاز فریت ماتریس را تشکیل داده و دانه‌های آستنیت به صورت پراکنده در آن توزیع شده‌اند. کسر حجمی فاز فریت ۵۸٪ است.]]
[بندانگشتی|نقشه‌ی EBSD با حذف دانه‌های آستنیت (سفید). نوار مقیاس ۵۰۰ میکرومتر است. رنگ‌ها نشان‌دهنده‌ی جهت بلوری بوده و از [شکل قطب|نگاره‌ی قطب معکوس در گوشه‌ی پایین سمت راست گرفته شده‌اند. ]]
فولادهای زنگ‌نزن دوپلکس (Duplex Stainless Steels) خانواده‌ای از آلیاژها با ریزساختار دوفازی هستند که از ترکیب هر دو فاز آستنیت (ساختار بلوری مکعبی وجوه‌پُر) و فریت (ساختار بلوری مکعبی مرکزپُر) تشکیل شده‌اند. این خانواده از فولادها در مقایسه با سایر انواع فولاد زنگ‌نزن، خواص مکانیکی برتر، مقاومت به خوردگی بسیار بالا و چقرمگی (تافنس) خیره‌کننده‌ای از خود نشان می‌دهند. با این وجود، فولادهای زنگ‌نزن دوپلکس ممکن است تحت شرایط خاصی مستعد پدیده‌ای مخرب به نام تردشدگی ۴۷۵ درجه سلسیوس (۸۸۷ درجه فارنهایت) شوند که تحت عنوان پیرسختی فولادهای زنگ‌نزن دوپلکس نیز شناخته می‌شود. این پدیده در واقع یک فرآیند پیرسازی (Aging) است که منجر به از دست رفتن شدید پلاستیسیته (قابلیت شکل‌پذیری) در این آلیاژها می‌شود؛ به‌ویژه زمانی که فولاد در محدوده دمایی ۲۵۰ تا ۵۵۰ درجه سلسیوس (۴۸۰ تا ۱٬۰۲۰ درجه فارنهایت) قرار گیرد. در این محدوده دمایی خاص، یک فرآیند جدایش فازی خودبه‌خودی (تجزیه اسپینودال) در فاز فریت رخ می‌دهد. طی این واکنش، فاز فریت به نانوفازهای مجزای غنی از آهن و غنی از کروم تفکیک می‌شود، در حالی که خواص مکانیکی فاز آستنیت تغییری نمی‌کند. این نوع تردی ناشی از سختی‌رسانی رسوبی است که باعث ترد شدن ماده و افزایش تمایل آن به ترک‌خوردن می‌گردد.

## فولاد ضد زنگ دوپلکس
فولاد دوپلکس نوعی از فولاد زنگ‌نزن است که از یک ریزساختار دوفازی شامل فازهای آستنیت (ساختار مکعبی وجوه‌پُر یا FCC) و فریت (ساختار مکعبی مرکزپُر یا BCC) تشکیل شده است. این ساختار دوفازی باعث می‌شود که فولاد دوپلکس ترکیبی از خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی را ارائه دهد که به‌مراتب برتر از فولادهای زنگ‌نزن تمام‌آستنیتی یا تمام‌فریتی به‌تنهایی است.فاز آستنیتی باعث ایجاد شکل‌پذیری (Ductility) مطلوب، چقرمگی بالا و مقاومت عالی در برابر خوردگی، به‌ویژه در محیط‌های اسیدی و حاوی کلرید می‌شود. در مقابل، فاز فریتی استحکام بالا، مقاومت عالی در برابر خوردگی تنشی (SCC) و مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای و شیاری را فراهم می‌کند. به همین دلیل، این فولادها به‌طور گسترده در صنایع نفت و گاز فراساحلی (برای سیستم‌های لوله‌کشی، چندراهه‌ها، رایزرها و غیره) و در صنایع پتروشیمی به شکل خطوط لوله و مخازن تحت فشار استفاده می‌شوند.در ریزساختار فولاد دوپلکس، نسبت فازهای آستنیت و فریت لزوماً با هم برابر نیست. در مواردی که آلیاژ به صورت فریت منجمد می‌شود، با کاهش دما به حدود ۱٬۰۰۰ درجه سلسیوس (۱٬۸۳۰ درجه فارنهایت)، بخشی از آن به آستنیت تبدیل می‌گردد. این فولادها در مقایسه با فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی، دارای محتوای کروم بالاتر (۲۰–۲۸٪)، مولیبدن بیشتر (تا ۵٪)، نیکل کمتر (تا ۹٪) و ۰٫۰۵ تا ۰٫۵۰٪ نیتروژن هستند.از نظر کریستالوگرافی، فاز آلفا (\alpha) همان فاز فریتی با ساختار BCC گروه فضا Im3m  و پارامتر شبکه ۲.۸۶۶ آنگستروم است که دارای یک سیستم دوقلویی {112} و سه سیستم لغزش {110}، {112} و {123} است؛ اگرچه سیستم لغزش آخر به‌ندرت فعال می‌شود. فاز گاما (\gamma) نیز فاز آستنیتی با ساختار FCC و Fm3m گروه فضایی  پارامتر شبکه ۳.۶۶ آنگستروم است که معمولاً حاوی مقادیر بیشتری از نیکل، مس و عناصر بین‌نشین مانند کربن و نیتروژن است.تغییر شکل پلاستیک در آستنیت آسان‌تر از فریت رخ می‌دهد.  در حین تغییر شکل، نوارهای لغزش مستقیم در دانه‌های آستنیت تشکیل شده و به مرز دانه‌های فریت-آستنیت گسترش می‌یابند و به لغزش فاز فریت کمک می‌کنند. نوارهای لغزش خمیده نیز به دلیل تغییر شکل توده‌ای-دانه‌ای فریت تشکیل می‌شوند.  تشکیل نوارهای لغزش نشان‌دهنده لغزش یک‌سو متمرکز بر روی سطوح خاصی است که باعث تمرکز تنش می‌گردد.

## پیرسختی با تجزیه اسپینودال
بندانگشتی|شکاف میسسیبیلیته محاسبه‌شده نیم‌پایدار در سامانه دوتایی آهن-کروم
فولاد زنگ‌نزن دوگانه ممکن است چقرمگی محدودی داشته باشد که ناشی از اندازه دانه درشت فریتی آن و نیز تمایل آن به سخت‌شدگی و تردشدگی (یعنی کاهش شکل‌پذیری) در محدوده دمایی ۲۵۰ تا ۵۵۰ درجه سلسیوس (۴۸۲ تا ۱۰۲۲ درجه فارنهایت)، به ویژه در دمای ۴۷۵ درجه سلسیوس (۸۸۷ درجه فارنهایت)، است. در این محدوده دمایی، تجزیه اسپینودال محلول جامد فوق‌اشباع فریت به فاز نانومقیاس غنی از آهن (}\acute{\alpha) و فاز نانومقیاس غنی از کروم (\alpha*)، همراه با رسوب‌گذاری فاز G رخ می‌دهد. این امر فاز فریت را به یک محل ترجیحی برای آغاز ترک‌های ریز تبدیل می‌کند. دلیل این است که فرآیند پیری، دو قل شدن تغییرشکل فریت  {112}<111>* \sum3*را در نرخ کرنش آهسته و دمای اتاق تحت تغییرشکل کششی یا فشاری تشویق می‌کند که از محل‌های تمرکز تنش موضعی  و نیز مرزهای والد-دو قلو، با ناهم‌راستایی ۶۰ درجه (به داخل یا خارج)، جوانه می‌زند. این مرزها برای جوانه‌زنی ترک‌های شکافت مناسب هستند.تجزیه اسپینودال به فرآیند جدایش خودبه‌خودی یک فاز به دو فاز منسجم از طریق نفوذ سربالایی (یعنی حرکت از ناحیه‌ای با غلظت کمتر به ناحیه‌ای با غلظت بیشتر که منجر به ضریب نفوذ منفی* {\partial^2G\over\partial x^2}*می‌شود) اشاره دارد. این فرآیند بدون وجود سد هسته‌زنی رخ می‌دهد، زیرا فاز از نظر ترمودینامیکی ناپایدار است (یعنی در ناحیه شکاف میسسیبیلیته، منطقه* }\acute{\alpha+\alpha در شکل). در این رابطه G انرژی آزاد گیبس بر مول محلول و ترکیب است. این فرآیند باعث افزایش سختی و کاهش خاصیت مغناطیسی می‌شود. شکاف میسسیبیلیته ناحیه‌ای در نمودار فازی را توصیف می‌کند که در زیر نقطه ذوب هر ترکیب قرار دارد و در آن فاز جامد به دو فاز پایدار و جدا از هم تقسیم می‌شود.برای رخ دادن تردی دمای ۴۷۵ درجه سلسیوس، محتوای کروم باید از ۱۲٪ بیشتر باشد. افزودن نیکل، تجزیه اسپینودال را با ترویج تشکیل فاز نانومقیاس غنی از آهن تسریع می‌کند. نیتروژن، توزیع کروم، نیکل و مولیبدن در فاز فریت را تغییر می‌دهد اما از تجزیه فاز جلوگیری نمی‌کند. سایر عناصر مانند مولیبدن، منگنز و سیلیسیم بر تشکیل فاز نانومقیاس غنی از آهن تأثیری ندارند. با این حال، منگنز و مولیبدن به فاز نانومقیاس غنی از آهن مهاجرت می‌کنند، در حالی که نیکل به فاز نانومقیاس غنی از کروم مهاجرت می‌کند.

## شناسایی میکروسکوپی
بندانگشتی|تحول ریزساختاری تحت معادله کاهن–هیلیارد، که نشان‌دهنده رشد دانه‌بندی و جدایش فازی متمایز است.
با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری تفنگ گسیل میدانی (FEG-TEM)، ساختار مدوله‌شده در مقیاس نانومتر فریت تجزیه‌شده آشکار شد که در آن فاز نانومقیاس غنی از کروم تصویر روشن‌تر و فاز غنی از آهن تصویر تیره‌تری ارائه می‌داد. همچنین مشخص شد که این فازهای نانومقیاس مدوله‌شده با افزایش زمان پیرشدن، درشت‌تر می‌شوند. فازهای تجزیه‌شده ابتدا به شکل‌های گرد نامنظم و بدون آرایش خاصی ظاهر می‌شوند، اما با گذشت زمان فاز نانومقیاس غنی از کروم، شکل صفحه‌ای به خود گرفته و در جهت‌های  هم‌راستا می‌شود.
بندانگشتی|تغییر سختی (اندازه‌گیری شده با استفاده از فروشور الماس ویکرز و بیان شده به عدد هرمی ویکرز، HV) بر حسب زمان پیرشدن ۲، ۴، ۸، ۱۶، ۳۲، ۶۴ و ۱۲۸ ساعت برای فاز فریت در آلیاژ سوپر دوگانه Zeron 100. فرورفتگی در ۱۱ نقطه با فاصله زیاد از یکدیگر در هر نمونه پیرشده ایجاد شده است.

## پیامدها
تجزیه اسپینودال به دلیل ناهماهنگی بین فازهای نانومقیاس غنی از کروم و آهن، تنش داخلی و تغییرات مدول الاستیک، سبب افزایش سختی‌رسانی ماده می‌شود. تشکیل رسوب‌های منسجم، یک کرنش برابر اما مخالف القا می‌کند که انرژی آزاد سامانه را بسته به شکل رسوب و خواص کشسانی ماتریس و رسوب افزایش می‌دهد. در اطراف یک ناهمگنی کروی، اعوجاج کاملاً هیدرواستاتیک است. رسوب‌های فاز G عمدتاً در مرز دانه‌ها ظاهر می‌شوند  و فازی غنی از نیکل، تیتانیوم و سیلیسیم هستند،  اما کروم و منگنز ممکن است جایگاه‌های تیتانیوم را جایگزین کنند. رسوب‌های فاز G در طول پیرشدن درازمدت رخ می‌دهند، با افزایش محتوای نیکل در فاز فریت تشویق می‌شوند  و مقاومت به خوردگی را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهند. این رسوب‌ها دارای ریخت‌شناسی بیضی‌گون، ساختار FCC (Fm3m) و پارامتر شبکه ۱۱.۴ آنگستروم هستند ، با قطری کمتر از ۵۰ نانومتر که با افزایش زمان پیرشدن بزرگ‌تر می‌شود.بدین ترتیب، تردی ناشی از ممانعت/قفل شدن نابجایی‌ها توسط ماتریس تجزیه‌شده به روش اسپینودال  و کرنش اطراف رسوب‌های فاز G است، یعنی آرامش تنش داخلی از طریق تشکیل جو کاتریل.علاوه بر این، سختی فریت با افزایش زمان پیرشدن افزایش می‌یابد، در حالی که سختی فاز شکل‌پذیر آستنیت تقریباً بدون تغییر باقی می‌ماند  که به دلیل نفوذپذیری سریع‌تر در فریت نسبت به آستنیت است. با این حال، آستنیت دستخوش بازتوزیع جانشینی عناصر شده که خوردگی گالوانیکی بین دو فاز را افزایش می‌دهد.

## راه حل
عملیات حرارتی ۵۵۰ درجه سلسیوس می‌تواند تجزیه اسپینودال را معکوس کند اما بر رسوب‌های فاز G تأثیری ندارد. تجزیه اسپینودال ماتریس فریت را می‌توان با اعمال جریان الکتریکی پالسی خارجی به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای معکوس کرد.بارگذاری چرخه‌ای، تجزیه اسپینودال را سرکوب می‌کند  و پرتودهی آن را تسریع می‌کند اما ماهیت تجزیه را از یک شبکه به‌هم‌پیوسته فازهای نانومقیاس مدوله‌شده به جزایر مجزا تغییر می‌دهد.

## جستارهای وابسته

* فولادهای زنگ‌نزن دوپلکس
* انرژی آزاد گیبس
* تجزیه اسپینودال
* قشه‌ی پراش الکترون بازپخشی(EBSD)
* میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی

## منابع

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر
رده:آلیاژها
رده:آهن
رده:آلیاژهای آهنی