الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي

يُعدّ الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي أحد أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الخمسة (إلى جانب الفولاذ الفريتي ، والمارتنسيتي ، والثنائي، والمصلّد بالترسيب ). ^{[ 1 ]} يتميز هذا الفولاذ ببنيته البلورية الأساسية، وهي الأوستنيت ( مكعب مركزي الوجوه ). لا يمكن تقوية هذا النوع من الفولاذ بالمعالجة الحرارية، وهو غير مغناطيسي في الأساس. ^{[ 2 ]} تُكتسب هذه البنية بإضافة كمية كافية من العناصر المثبتة للأوستنيت، مثل النيكل والمنغنيز والنيتروجين. ^{[ 3 ]} تنتمي عائلة سبائك إنكولوي إلى فئة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الفائق. ^{[ 4 ]} تُوفّر مقاومة التآكل بفضل النسبة العالية من الكروم المُضاف، والذي يُشكّل طبقة واقية من أكسيد الكروم _{الثلاثي ( Cr₂O₃} ) على السطح المكشوف عند تفاعل الكروم مع أكسجين الهواء. ^{[ 3 ]}

خلال الحرب العالمية الثانية ، تم اختراع مخطط شيفلر بواسطة أنطون شيفلر، الذي كان آنذاك عالم معادن ناشئًا يعمل لدى شركتين أمريكيتين لتصنيع أقطاب اللحام، وهما شركة هارنيشفجر وشركة إيه أو سميث . ^{[ 5 ]}

تُقسم الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية إلى مجموعتين فرعيتين: سلسلة 300 وسلسلة 200. في سلسلة 300، تُكتسب البنية الأوستنيتية بشكل أساسي بإضافة النيكل. أما في سلسلة 200، فتُكتسب البنية بإضافة المنغنيز والنيتروجين، مع كمية ضئيلة من النيكل. وهذا ما يجعل سلسلة 200 خيارًا اقتصاديًا من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المصنوع من النيكل والكروم.

تُعدّ الفولاذات المقاومة للصدأ من سلسلة 300 المجموعة الفرعية الأكبر. وأكثر أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي شيوعًا، بل وأكثرها شيوعًا على الإطلاق، هو النوع  304، المعروف أيضًا باسم 18/8 أو A2.  يُستخدم النوع 304 على نطاق واسع في صناعة أدوات الطبخ، وأدوات المائدة، ومعدات المطابخ.  ويأتي النوع 316، المعروف أيضًا باسم A4، في المرتبة الثانية من حيث شيوع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. تحتوي بعض أنواع سلسلة 300، مثل النوع  316، على نسبة من الموليبدينوم لتعزيز مقاومتها للأحماض وزيادة مقاومتها للتآكل الموضعي (مثل التنقر والتآكل الشقوقي ).

إن إضافة نسبة أعلى من النيتروجين في سلسلة 200 تمنحها قوة ميكانيكية أعلى من سلسلة 300. ^{[ 10 ]}

سبيكة 20 (كاربنتر  20) هي فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي يتميز بمقاومة ممتازة لحمض الكبريتيك الساخن والعديد من البيئات العدائية الأخرى التي قد تُلحق الضرر  بالفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 316. تُظهر هذه السبيكة مقاومة فائقة لتشقق التآكل الإجهادي في حمض الكبريتيك المغلي بتركيز 20-40%. تتمتع سبيكة 20 بخصائص ميكانيكية ممتازة، كما أن وجود النيوبيوم فيها يقلل من ترسب الكربيدات أثناء اللحام.

يمكن استخدام الأنواع المقاومة للحرارة في درجات حرارة مرتفعة، عادةً ما تزيد عن 600 درجة مئوية (1100 درجة فهرنهايت) . ^{[ 11 ] [ 12 ]}  

يجب أن تقاوم هذه المواد التآكل (عادةً الأكسدة) وأن تحتفظ بالخصائص الميكانيكية، وخاصة القوة (إجهاد الخضوع) ومقاومة الزحف .

تُعزى مقاومة التآكل في الغالب إلى الكروم، مع إضافة السيليكون والألومنيوم. لا يُظهر النيكل مقاومة جيدة في البيئات المحتوية على الكبريت. ويتم التغلب على ذلك عادةً بإضافة المزيد من السيليكون والألومنيوم اللذين يُشكلان أكاسيدًا شديدة الاستقرار. كما تُساهم العناصر الأرضية النادرة، مثل السيريوم، في زيادة استقرار طبقة الأكسيد.

يتم استخدام النوعين  309 و 310 ^{[ 13 ]} في تطبيقات درجات الحرارة العالية التي تزيد عن 800 درجة مئوية (1500 درجة فهرنهايت) .  

ملاحظة: لا تحتفظ الفولاذات المقاومة للصدأ الفريتية بالقوة عند درجات الحرارة المرتفعة ولا تستخدم عندما تكون القوة مطلوبة.

يمكن فحص الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي باستخدام اختبار غير متلف يعتمد على طريقة فحص الاختراق الصبغي، ولكن ليس على طريقة فحص الجسيمات المغناطيسية . كما يمكن استخدام اختبار التيار الدوامي .

لا يُعتبر الفولاذ من الدرجة EN  1.4980 (المعروف أيضًا باسم A286) فولاذًا مقاومًا للحرارة بشكل دقيق في المعايير، ولكنه يحظى بشعبية كبيرة نظرًا لمزيجه من القوة ومقاومة التآكل. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

يُستخدم في درجات حرارة تشغيل تصل إلى 700 درجة مئوية (1300 درجة فهرنهايت) في تطبيقات مثل:  

• صناعة الطيران والفضاء (الموحدة في معايير AMS  5731 و AMS  5732 و AMS  5737 و AMS 5525)، 
• توربينات الغاز الصناعية ،
• قطع غيار السيارات (قطع غيار التوربو)، إلخ.

تُعزى البنية المجهرية المكعبة ذات المراكز الوجهية (FCC) للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي إلى إضافة النيكل (انظر المرجع ^{[ 17 ]} ). في الظروف الجوية العادية، تكون البنية البلورية للحديد مكعبة ذات مراكز جسمية (BCC)، والمعروفة أيضًا باسم حديد ألفا أو الفريت . عند درجة حرارة أعلى من 910  درجة مئوية (1183  كلفن) تقريبًا، تتغير البنية البلورية إلى حديد غاما ذي المراكز الوجهية، أو الأوستنيت . في المقابل، يحافظ النيكل على بنية بلورية مكعبة ذات مراكز وجهية بغض النظر عن درجة الحرارة. ^{[ 17 ]} وبالتالي، فإن إضافة النيكل أثناء عملية صهر الفولاذ المقاوم للصدأ تُجبر البنية البلورية للمعدن على البقاء في تكوين مكعب ذي مراكز وجهية أثناء تبريده. ويستمر هذا الاستقرار عند جميع درجات الحرارة، ولذلك لا يمكن تقوية الفولاذ الأوستنيتي بالحرارة، لأنه يحتفظ بنفس البنية البلورية حتى درجة حرارة التصلب.

يُعدّ نزع الكربون ، أي إزالة معظم الكربون من السبيكة، جزءًا أساسيًا من إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي . نظرًا لبنيته المكعبة المتمركزة على الوجوه (FCC) المفتوحة، يذوب الكربون في الأوستنيت بسهولة بالغة، مما يؤدي إلى تراكمه داخل المعدن أثناء التبريد. ^{[ 18 ]} تُنتج ذرات الكربون بسهولة الكربيدات من الكروم المُسبَّك، مُتشكّلةً على هيئة رواسب داخل المعدن. ^{[ 3 ]} في حين أن الرواسب مرغوبة لتقوية بعض أنواع الفولاذ لقدرتها على إعاقة الانخلاعات (عيوب الشبكة البلورية) وإجبارها على الصعود بدلًا من الانزلاق، ^{[ 19 ]} إلا أن تكوّن الكربيدات قد يؤدي إلى استنزاف الكروم من طبقة _Cr₂O₃ الواقية للمعدن. ^{[ 3 ]} _{يُضعف هذا الطبقة الواقية، وهي عملية تتفاقم مع انخفاض الحماية ،} مما يسمح للتآكل بإحداث المزيد من الضرر. يمكن تثبيط تكوّن الكربيدات الضارة بإضافة عناصر تُفضّل تكوّن الكربيدات، مثل التيتانيوم أو النيوبيوم، لأنها ترتبط بالكربون بدلًا من الكروم. ^{[ 3 ]}

The FCC structure of austenite confers ductility to stainless steel, as the slip planes permit dislocations to move easily via the glide mechanism.^[20] When worked at cold temperatures or subjected to mechanical stresses beyond the yield point, austenitic steels will work harden, as dislocations formed within the crystal structure compound upon one another. Additionally, misalignment of crystalline structures results in the formation of body-centered tetragonal (BCT) martensite, a significantly harder crystal structure of steel.^[3] The misalignment of the differing crystal structures will harden the metal further, as dislocations are unable to pass through the high strain area of the material. While this increases tensile strength, the material thus worked will lose much of its ductility, becoming brittle and susceptible to rapid failure if the ultimate yield strength is exceeded. The material may be returned to its original austenitic FCC structure via solution heat treatment, allowing dynamic recrystallization of the structure to release the strain present in BCT grains and the reformation of FCC structures.^[3]

Under long term stress, austenitic stainless steels are subject to creep, or slow deformation over time as dislocations move through the crystal structure. The deformation mechanisms occurring are dependent on both applied stress as well as temperature.^[19] An example of this process may be seen in the deformation map below for Alloy 316, a commonly used austenitic stainless steel.

Even at low temperatures, long term application of stress can cause the movement of dislocations via diffusion.^[21] Above temperatures of approximately 480 °C (753 K), deformation becomes plastic as power-law creep occurs, with glide becoming predominant. The transition to climb-plus-glide power law creep is however not distinct, due to the temperature at which austenite forms; at this point, dynamic recrystallization of the metal begins, and creep of the material will accelerate as the steel rapidly becomes more malleable. As a result, these steels are usually not recommended for use above 700 °C for structural purposes,^[19] and 870 °C (1143 K) is usually considered the upper practical limit for high-temperature austenitic steels .

عندما تقترب المادة من درجة انصهارها، يبدأ تركيبها البلوري بالتحول إلى شكل سائل غير منتظم. تُعرف هذه الدرجة بدرجة حرارة التصلب/السيولة، حيث تكون المادة في حالة صلبة جزئيًا ومنصهرة جزئيًا. تبلغ درجة حرارة السيولة لسبيكة 316 حوالي 1375  درجة مئوية، وتنصهر تمامًا عند حوالي 1400  درجة مئوية. ^{[ 22 ]}

• الفولاذ المقاوم للصدأ
  • الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج – الفولاذ المقاوم للصدأ الذي يحتوي على كل من الطور الأوستنيتي والطور الفريتي 
  • الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي – نوع من الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكروم ومنخفض الكربون 
  • الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي – أحد أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الخمسة 

• الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي Jean H. Decroix et al.