فولاد TWIF

**فولاد TWIP** () که با نام **فولاد پلاستیسیته ناشی از دوقلویی** نیز شناخته می‌شود، دسته‌ای از فولادهای آستنیتی است که می‌تواند هم از طریق لغزش نابجایی‌های منفرد و هم از طریق دوقلویی مکانیکی روی سیستم {111}γ ⟨112⟩γ تغییر شکل دهد. آن‌ها دارای خواص مکانیکی فوق‌العاده‌ای در دمای اتاق هستند که ترکیبی از استحکام بالا (استحکام کششی نهایی تا ۸۰۰ مگاپاسکال) و شکل‌پذیری (ازدیاد طول تا شکست تا ۱۰۰٪) بر اساس ظرفیت کارسختی بالا است.
بندانگشتی|دو گزینه برای آلیاژ FCC برای جذب انرژی ناشی از بارگذاری استرس: TWIP و TRIP.
فولادهای TWIP عمدتاً دارای محتوای بالای منگنز (بالای ۲۰٪ وزنی) و مقادیر کمی از عناصری مانند کربن ({111} متوالی انجام می‌شود.

## تاریخچه
اولین فولاد مبتنی بر پلاستیسیته ناشی از دوقلویی مکانیکی در سال ۱۹۹۸ کشف شد که استحکام ۸۰۰ مگاپاسکال با ازدیاد طول کل بالای ۸۵٪ داشت. این مقادیر با دمای تغییر شکل، نرخ کرنش و ترکیب شیمیایی متفاوت است.

محققان نشان داده‌اند که افزایش کارسختی ناشی از تقسیم دانه‌های آستنیت، عامل اصلی مؤثر در ازدیاد طول کلی فولادهای TWIP است که در آنها کرنش مکانیکی دوقلویی سهم نسبتاً کمی دارد.

## مکانیسم‌های سخت‌شدن
رفتار کارسختی فولادهای TWIP توسط اثر دینامیکی هال-پچ کنترل می‌شود، که در آن فاصله مؤثر مانع ریزساختاری در طول تغییر شکل پلاستیک به طور مداوم کاهش می‌یابد. مرزهای دانه و دوقلویی‌های تغییر شکل هر دو به عنوان موانعی برای لغزش نابجایی عمل می‌کنند، بنابراین فاصله مشخصه مانع L با سهم ترکیبی اندازه دانه d و فاصله دوقلویی تغییر شکل t تعیین می‌شود:

\frac{1}{L} = \frac{1}{d} + \frac{1}{t}
بندانگشتی|نمودار شماتیک دوقلو به عنوان مانع
در طول کرنش، دوقلویی‌های تغییر شکل در ماتریس آستنیتی هسته‌زایی کرده و ضخیم می‌شوند. با افزایش کسر حجمی دوقلویی، فاصله متوسط دوقلویی t کاهش می‌یابد. از آنجا که L به مجموع معکوس d و t بستگی دارد، تشکیل مرزهای دوقلویی جدید به تدریج مقیاس طول ریزساختاری مؤثر را اصلاح می‌کند و منجر به افزایش تنش جریان و نرخ بالای کارسختی مشخصه فولادهای TWIP می‌شود.

نابجایی‌ها در مرزهای دانه و دوقلو جمع می‌شوند و توده‌هایی را تشکیل می‌دهند که باعث ایجاد تنش برگشتی در مقابل جریان پلاستیک بیشتر می‌شوند. سهم تنش برگشتی را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

\sigma_b = M\mu b \frac{n}{L}

که در آن M ضریب تیلور، \mu مدول برشی، b بردار برگرز نابجایی‌ها و n تعداد نابجایی‌های ذخیره شده در موانع است. در مدل هندسی انباشتگی که برای فولادهای TWIP توسعه داده شده است، کرنش مداوم منجر به ذخیره تدریجی نابجایی‌ها در مرزهای دانه و دوقلویی می‌شود، به طوری که هم تعداد نابجایی‌های انباشته شده n و هم چگالی مؤثر مانع 1/L با کرنش افزایش می‌یابد. رشد همزمان n و کاهش L باعث ایجاد استحکام دینامیکی قوی هال-پچ در طول تغییر شکل می‌شود.

به طور کلی، سخت‌شدن در فولادهای TWIP ناشی از تولید مداوم دوقلویی‌های تغییر شکل، کاهش مرتبط با فاصله موانع و ایجاد تنش برگشتی ناشی از تجمع نابجایی‌ها در مرزهای دانه و دوقلویی است. این ریزساختار در حال تکامل، فولادهای TWIP را قادر می‌سازد تا نرخ سخت‌شدن کرنش بالایی را در کرنش‌های بزرگ حفظ کنند.

## تأثیر انرژی نقص انباشتگی
در فولادهای آستنیتی Fe-Mn-C و Fe-Mn-(Al,Si)، انرژی نقص انباشتگی (SFE) جدایی نابجایی‌های جزئی شاکلی را کنترل می‌کند و در نتیجه تعیین می‌کند که آیا تغییر شکل توسط تشکیل ε-مارتنزیت (TRIP)، دوقلویی مکانیکی (TWIP) یا لغزش نابجایی کنترل می‌شود. SFE پایین، مسیر مارتنزیتی γ (fcc) → ε (hcp) را تقویت می‌کند، در حالی که SFE متوسط، ضخیم شدن دوقلویی‌های تغییر شکل را ترجیح می‌دهد. افزایش SFE، دوقلویی شدن را بیشتر سرکوب می‌کند و لغزش نابجایی را به عنوان حالت تغییر شکل غالب ارتقا می‌دهد.

### SFE پایین: رژیم غالب TRIP
وقتی SFE پایین است، گسل‌های انباشته گسترده از نظر انرژی مطلوب هستند و توالی‌های hcp محلی به راحتی تشکیل می‌شوند و استحاله مارتنزیتی γ→ε را تقویت می‌کنند. بنابراین تغییر شکل تحت سلطه اثر TRIP است.

### SFE متوسط: رژیم غالب TWIP
در SFE متوسط، گسل‌های انباشته پایدار می‌مانند اما مانع هسته‌زایی برای ε-مارتنزیت افزایش می‌یابد. نابجایی‌های جزئی شاکلی می‌توانند به طور متوالی در صفحات {111} مجاور جوانه بزنند و تشکیل و ضخیم شدن دوقلوهای تغییر شکل را ممکن سازند که مشخصه اثر TWIP است.

### SFE بالا: رژیم لغزش-نابجایی
وقتی SFE به اندازه کافی بالا می‌رود، جداسازی قطعات شاکلی کاهش می‌یابد، لغزش متقاطع آسان‌تر می‌شود و تغییر شکل عمدتاً توسط لغزش نابجایی مسطح یا موجی به جای دوقلویی یا تشکیل ε-مارتنزیت کنترل می‌شود. مطالعات تجربی روی فولادهای کاملاً آستنیتی Fe-Mn-Al-C با SFE بالا، دوقلویی تأخیری یا سرکوب‌شده و غلبه لغزش نابجایی را در طول تغییر شکل کششی نشان می‌دهد.

### SFE نزدیک مرز TRIP-TWIP: شرایط همزیستی
وقتی SFE نزدیک به آستانه تبدیل γ→ε قرار دارد، TRIP و TWIP ممکن است همزمان وجود داشته باشند. در چنین شرایط نیمه‌پایدار، هم هسته‌زایی ε-مارتنزیت به کمک نقص انباشتگی و هم دوقلویی تغییر شکل از نظر انرژی رقابتی هستند. دوقلویی‌های تغییر شکل ممکن است یا به عنوان مکان‌های هسته‌زایی برای ε-مارتنزیت عمل کنند یا مانع رشد آن شوند و هم‌افزایی پایدار TWIP-TRIP را در همان دانه ممکن سازند.

چنین همزیستی معمولاً مستلزم موارد زیر است:
بندانگشتی|400x400پیکسل|مقایسه افزایش انرژی انباشتگی-گسل تحت تنش برشی در TWIP و در TRIP.

* SFE نزدیک مرز TRIP-TWIP، که نیروهای محرکه مشابهی را برای ε-مارتنزیت و دوقلویی تغییر شکل فراهم می‌کند.
* پایداری متوسط آستنیت، که از تبدیل کامل γ→ε زودرس یا سرکوب کامل ε-مارتنزیت جلوگیری می‌کند.
* تنش یا نرخ کرنش اعمالی کافی برای فعال کردن هر دو لغزش نابجایی جزئی و هسته‌زایی ε-مارتنزیت ناشی از نقص در چیدمان.
* برهمکنش‌های دوقلویی-مارتنزیت، که در آن مرزهای دوقلویی می‌توانند به عنوان موانع یا مکان‌های هسته‌زایی برای تبدیل فاز عمل کنند.

## ترکیبات
فولادهای TWIP معمولاً حاوی غلظت‌های زیادی از منگنز هستند زیرا حفظ ساختار آستنیتی مبتنی بر سیستم سه‌تایی Fe-Mn-Al و کنترل انرژی نقص انباشتگی (SFE) آلیاژهای پایه آهن بسیار مهم است.
[بندانگشتی|ازدیاد طول کل و یکنواخت فولاد TWIP Fe-55Mn-3Al-3Si به عنوان تابعی از دمای آزمایش. نرخ کرنش ε = 10-4 s-1.3]
افزودن آلومینیوم به فولادهای TWIP با منگنز بالا و آهن به این دلیل است که SFE را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و بنابراین آستنیت را در برابر تبدیل‌های فازی که می‌توانند در آلیاژهای Fe-Mn در طول تغییر شکل رخ دهند، پایدار می‌کند. علاوه بر این، آستنیت را با سخت‌کاری محلول جامد تقویت می‌کند.

### خواص
فولادهای TWIP آستنیتی پرمنگنز، استحکام بالا را با شکل‌پذیری قابل توجه ترکیب می‌کنند که نتیجه توانایی آنها در تحمل مقادیر زیادی تغییر شکل یکنواخت از طریق تشکیل مداوم دوقلوهای تغییر شکل است. این ترکیب، این فولادها را قادر می‌سازد تا انرژی مکانیکی قابل توجهی بیشتری نسبت به فولادهای با استحکام بالای معمولی جذب کنند، که فولاد TWIP را برای اجزای ایمنی خودرو، مخازن برودتی، زره‌ها و کاربردهای ساختاری تخصصی امیدوارکننده می‌کند. فولادهای TWIP همچنین توزیع کرنش پایدار را حفظ کرده و شروع گلویی‌شدن را به تأخیر می‌اندازند و به عملکرد قابل اعتماد تحت بارگذاری دینامیکی کمک می‌کنند.
[بندانگشتی|استحکام کششی 0.2% نمونه و نهایی فولاد Fe–55Mn–3Al–3Si wt% TWIP به عنوان تابعی از دمای آزمایش؛ ε = 10−4 s−1.3]
مزایا

فولادهای TWIP چندین ویژگی مکانیکی مفید ارائه می‌دهند:

* **ظرفیت جذب انرژی بالا**، ناشی از کارسختی پایدار در حین تغییر شکل.
* **ازدیاد طول یکنواخت زیاد** که به اجزای سازه اجازه می‌دهد بدون محلی شدن زودرس تغییر شکل دهند.
* **تعادل خوب استحکام-شکل‌پذیری**، بهبود مقاومت در برابر ضربه و امکان استراتژی‌های کاهش وزن.
* **رفتار تغییر شکل پایدار**، که به حالت‌های شکست قابل اعتماد در سازه‌های مهندسی کمک می‌کند.

## چالش‌های توسعه آلیاژ
اگرچه فولادهای TWIP خواص مکانیکی جذابی دارند، اما عوامل متعددی طراحی و توسعه صنعتی گریدهای جدید TWIP را پیچیده می‌کنند:

* **کنترل دقیق انرژی نقص انباشتگی (SFE)** برای اطمینان از دوقلویی پایدار مورد نیاز است؛ تغییرات کوچک در محتوای Mn، Al یا C می‌تواند تعادل بین مکانیسم‌های TRIP، TWIP و لغزش نابجایی را تغییر دهد.
* **حساسیت به دما**، زیرا دوقلویی تغییر شکل در دماهای بالا سرکوب می‌شود و بازه‌های پردازش یا سرویس قابل استفاده را محدود می‌کند.
* **مبادلات آلیاژسازی**، که در آن تنظیماتی که SFE را تنظیم می‌کنند ممکن است بر قابلیت ریخته‌گری، جوش‌پذیری یا ملاحظات هزینه تأثیر منفی بگذارند.
* **چالش‌های پردازش**، زیرا کنترل اندازه دانه و مورفولوژی دوقلویی در مقیاس صنعتی برای دستیابی به خواص ثابت در اجزای بزرگ ضروری است.

این ملاحظات، استراتژی‌های فعلی توسعه آلیاژ را هدایت می‌کنند که بر تعادل ترکیب، SFE، قابلیت تولید و عملکرد برای سفارشی‌سازی فولادهای TWIP برای کاربردهای ساختاری خاص تمرکز دارند.

## منابع

* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر
رده:آلیاژهای فولاد