1.0چگالی فولاد ضد زنگ
1.1مقدمه‌ای بر چگالی فولاد ضد زنگ
چگالی فولاد ضد زنگ به جرم موجود در واحد حجم اشاره دارد. معمولاً بین ... ۷.۵ و ۸.۰ گرم بر سانتی‌متر مکعب (یا ۷۵۰۰–۸۰۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب, ۰.۲۷–۰.۲۹ پوند بر اینچ مکعب) ، آن را به یکی از خواص فیزیکی کلیدی مواد فولاد ضد زنگ تبدیل می‌کند. مقدار دقیق آن بسته به نوع و ترکیب آلیاژ متفاوت است.
فولاد ضد زنگ یک فولاد آلیاژی پرکاربرد است که حداقل حاوی ... کروم 10.5%با عناصر اضافی مانند کربن، سیلیکون، منگنز، نیکل، مولیبدن، تیتانیوم، و مس بسته به کاربرد مورد نظر آن اضافه می‌شود. این عناصر آلیاژی نه تنها آن را تعیین می‌کنند مقاومت در برابر خوردگی, استحکام مکانیکی، و شکل پذیری، بلکه مستقیماً بر آن تأثیر می‌گذارد چگالی.
در طراحی مهندسی و کنترل کیفیت، چگالی یک پارامتر حیاتی است برای تخمین وزن، محاسبات ظرفیت بار و ارزیابی هزینه مواد استفاده می‌شود. درک چگالی گریدهای مختلف فولاد ضد زنگ به اطمینان از دقت کمک می‌کند. انتخاب مواد و طراحی سازه.
1.2چگالی فولاد ضد زنگ 304 و 316
- تراکم فولاد ضد زنگ 304: ≈ ۷.۹۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب (۷۹۳۰ کیلوگرم بر متر مکعب یا ۰.۲۸۶ پوند بر اینچ مکعب)
فولاد ضد زنگ آستنیتی 304 رایج‌ترین نوع فولاد ضد زنگ آستنیتی است. چگالی آن کمی بیشتر از گریدهای فریتی و مارتنزیتی (مانند 403)، کمی کمتر از 316، کمتر از مس و بیشتر از آلومینیوم و فولاد کربنی است. - چگالی فولاد ضد زنگ 316: ≈ ۷.۹۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب (۷۹۸۰ کیلوگرم بر متر مکعب یا ۰.۲۸۸ پوند بر اینچ مکعب)
در مقایسه با فولاد ضد زنگ 304، فولاد ضد زنگ 316 حاوی مقدار بیشتری از ... نیکل و مولیبدن، و در نتیجه چگالی کمی بالاتر است.
1.3نمودار جدول چگالی فولاد ضد زنگ
| نوع فولاد ضد زنگ | چگالی (گرم بر سانتی‌متر مکعب) | چگالی (کیلوگرم بر متر مکعب) | چگالی (پوند بر اینچ مکعب) |
| 201 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 202 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 301 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 302 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 303 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 304 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 304 لیتر | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 304LN | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 305 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 321 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 309S | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 310S | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 316 | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| ۳۱۶ لیتر | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 316Ti | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 316LN | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 317 | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| ۳۱۷ لیتر | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 347 | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| ۹۰۴ لیتر | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 2205 | 7.8 | 7800 | 0.282 |
| S31803 | 7.8 | 7800 | 0.282 |
| S32750 | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| 403 | 7.75 | 7750 | 0.28 |
| 410 | 7.75 | 7750 | 0.28 |
| 410S | 7.75 | 7750 | 0.28 |
| 416 | 7.75 | 7750 | 0.28 |
| 431 | 7.75 | 7750 | 0.28 |
| ۴۴۰آ | 7.74 | 7740 | 0.28 |
| ۴۴۰ درجه سانتیگراد | 7.62 | 7620 | 0.275 |
| 420 | 7.73 | 7730 | 0.28 |
| 439 | 7.7 | 7700 | 0.278 |
| 430 | 7.7 | 7700 | 0.278 |
| ۴۳۰ درجه فارنهایت | 7.7 | 7700 | 0.278 |
| 434 | 7.74 | 7740 | 0.28 |
| 444 | 7.75 | 7750 | 0.28 |
| 405 | 7.72 | 7720 | 0.279 |
*این چگالی‌ها در شرایط استاندارد دما و فشار ارائه شده‌اند.
1.4نمودار چگالی رایج‌ترین فولادها
| نوع فولاد | درجه | عناصر آلیاژی اصلی (علاوه بر آهن و کربن) | چگالی (گرم بر سانتی‌متر مکعب) | چگالی (کیلوگرم بر متر مکعب) | چگالی (پوند بر اینچ مکعب) |
| فولاد کربنی | کربن کم | – | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| کربن متوسط | – | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| کربن بالا | – | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| فولاد آلیاژی | 4140 | کروم، مولیبدن | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| 4340 | کروم، نیکل، مولیبدن | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| 8620 | کروم، نیکل، مولیبدن | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| فولاد ضد زنگ | 304 | کروم 18%، نیکل 8% | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 316 | Cr 16–18%، Ni 10–14%، Mo | ۷.۹۸ – ۸.۰۰ | ۷۹۸۰ – ۸۰۰۰ | ۰.۲۸۸ – ۰.۲۸۹ | |
| 410 | کروم ۱۱.۵–۱۳.۵۱TP3T | ۷.۷۵ – ۷.۸۰ | ۷۷۵۰ – ۷۸۰۰ | ۰.۲۸۰ – ۰.۲۸۲ | |
| 430 | کروم ۱۶–۱۸۱TP3T | 7.70 | 7700 | 0.278 | |
| فولاد ابزار | دی۲ | کروم، مو، وی | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| اچ۱۳ | کروم، مو، وی | 7.80 | 7800 | 0.282 | |
| ام۲ | مو، غرب، شمال | ۸:۰۰ – ۸:۳۰ | ۸۰۰۰ – ۸۳۰۰ | ۰.۲۸۹ – ۰.۳۰۰ | |
| فولاد با سرعت بالا | تی۱ | غرب، مو، وی | 8.50 | 8500 | 0.307 |
| ام۴۲ | مو، کبالت، وست، کروم | 8.30 | 8300 | 0.300 | |
| فولاد هوازدگی | A242 | کروم، نیکل | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| A588 | کروم، نیکل | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| فولاد سازه‌ای | A36 | – | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| A992 | V یا Nb | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| فولاد ماراجینگ | 250 | نیکل، کبالت، مو، تیتانیم | 8.10 | 8100 | 0.293 |
| 300 | نیکل، کبالت، مو، تیتانیم | 8.10 | 8100 | 0.293 | |
| فولاد ضد زنگ دوبلکس | 2205 | Cr 22%، Ni 5%، Mo 3% | 7.80 | 7800 | 0.282 |
| فولاد سوپر دوبلکس | 2507 | Cr 25%، Ni 7%، Mo 4% | 7.80 | 7800 | 0.282 |
| فولاد سیلیکونی | دانه گرا | سی ~3% | 7.65 | 7650 | 0.276 |
| فولاد فنر | 5160 | کروم ~۰.۷–۰.۹۱TP3T | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| 1095 | – | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| فولاد هادفیلد | – | منگنز ~12%، سیلیسیم | 7.87 | 7870 | 0.285 |
| فولاد برش آزاد | 12L14 | سرب، گوگرد | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| فولاد نیتروژنی | – | ن | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| فولاد الکتریکی | غیر جهت‌دار | سی ۲–۳.۵۱TP3T | 7.65 | 7650 | 0.276 |
| فولاد برودتی | نیکل 9% | نیکل 9% | 8.00 | 8000 | 0.289 |
| فولاد HSLA | – | عناصر آلیاژی مختلف | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| UHSS (مقاومت فوق العاده بالا) | – | آلیاژسازی با Nb، Ti و غیره | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| فولاد گالوانیزه | – | پوشش روی | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| فولاد بور | – | ب | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| فولاد ریلی | – | کروم، منگنز | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| میلگرد فولادی | – | – | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| فولاد آی اف | – | تیتانیوم یا نیوبیوم | 7.85 | 7850 | 0.284 |
1.5تبدیل چگالی فولاد ضد زنگ: کیلوگرم بر متر مکعب، گرم بر سانتی‌متر مکعب و پوند بر اینچ مکعب
| واحد | توضیحات | فرمول تبدیل |
| کیلوگرم بر متر مکعب | کیلوگرم بر متر مکعب | ۱ کیلوگرم بر متر مکعب = ۰.۰۰۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب = ۱۰۰۰ گرم بر متر مکعب = ۰.۰۰۰۰۳۶۱۲۷ پوند بر اینچ مکعب |
| گرم بر سانتی‌متر مکعب | گرم بر سانتی‌متر مکعب | ۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب = ۱۰۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب = ۰.۰۳۶۱۲۷ پوند بر اینچ مکعب |
| پوند/اینچ مکعب | پوند بر اینچ مکعب | ۱ پوند بر اینچ مکعب = ۲۷۶۸۰ کیلوگرم بر متر مکعب = ۲۷.۶۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب |
2.0فولاد ضد زنگ دوپلکس و چگالی منحصر به فرد آن
تراکم: تقریباً ۷.۷–۷.۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب، کمتر از فولاد ضد زنگ آستنیتی به دلیل وجود فریت، که چگالی کمتری دارد.
2.1نمای کلی
فولاد ضد زنگ دوبلکس ترکیبی است آستنیت و فریت تقریباً به نسبت مساوی. این ساختار دو فازی ارائه می‌دهد استحکام بالا و عالی مقاومت در برابر ترک خوردگی ناشی از خوردگی تنشی، و آن را برای کاربردهای دشوار ایده‌آل می‌کند.
2.2ترکیب
نمرات رایج مانند UNS S31803 و S32205 شامل:
- کروم ۲۱–۲۳۱TP3T
- نیکل ۴.۵–۶.۵۱TP3T
- مولیبدن ۲.۵–۳.۵۱TP3T
این عناصر مقاومت در برابر خوردگی و نسبت استحکام به وزن را بهبود می‌بخشند، مناسب برای شیمیایی, نفت و گاز، و دریایی محیط‌ها.
2.3مزایای کلیدی
- دو برابر بازدهی قدرت از فولادهای ضد زنگ استاندارد
- اجازه می‌دهد برای مواد نازک تر، کاهش هزینه و وزن
- خوب جوش پذیری و رسانایی حرارتی
- انبساط حرارتی کمترمناسب برای سیستم‌های فشار بالا و خورنده
3.0مقایسه چگالی انواع فولاد ضد زنگ
فولاد ضد زنگ آستنیتیگریدهایی مانند 304 و 316 چگالی حدود 7.9 گرم بر سانتی‌متر مکعب دارند. این گریدها که عمدتاً از کروم و نیکل تشکیل شده‌اند، غیرمغناطیسی، بسیار مقاوم در برابر خوردگی و بسیار شکل‌پذیر هستند. چگالی بالاتر آنها، آنها را برای کاربردهای دریایی، شیمیایی و سایر کاربردهای با دوام بالا ایده‌آل می‌کند.
فولاد ضد زنگ فریتیگریدهایی مانند ۴۳۰ و ۴۰۹ چگالی کمی پایین‌تری دارند، معمولاً ۷.۷ تا ۷.۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب. با کروم بیشتر و نیکل کمتر، مغناطیسی هستند و در برابر ترک خوردگی ناشی از خوردگی تنشی مقاوم‌ترند، برای سیستم‌های اگزوز خودرو و کاربردهای حساس به وزن مناسب‌ترند.
فولاد ضد زنگ مارتنزیتیگریدهایی مانند ۴۱۰ و ۴۲۰ نیز بین ۷.۷ تا ۷.۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب هستند. این فولادها حاوی کربن بیشتری هستند که پس از عملیات حرارتی، سختی بالایی را ایجاد می‌کند. اگرچه مقاومت کمتری در برابر خوردگی دارند، اما نسبت استحکام به وزن بسیار خوبی را برای ابزارها، تیغه‌ها و قطعات تحت تنش بالا ارائه می‌دهند.
4.0عوامل مؤثر بر چگالی فولاد ضد زنگ
چگالی فولاد ضد زنگ مقدار ثابتی نیست - بر اساس چندین عامل کلیدی متفاوت است:
4.1ترکیب آلیاژ
چگالی تا حد زیادی به نوع و نسبت عناصر آلیاژی بستگی دارد:
- آهن (Fe): عنصر پایه، چگالی پایه را تعیین می‌کند.
- کروم (Cr): حدود ۷۱۹۰ کیلوگرم بر متر مکعب؛ چگالی کلی را کمی کاهش می‌دهد.
- نیکل (Ni): حدود ۸۹۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب؛ محتوای بالاتر، چگالی را افزایش می‌دهد.
- مولیبدن (Mo): حدود ۱۰۲۸۰ کیلوگرم بر متر مکعب؛ افزایش قابل توجه چگالی.
- عناصر دیگر (مثلاً کربن، نیتروژن، منگنز، سیلیکون) اثرات جزئی دارند اما ممکن است در گریدهای با عملکرد بالا حیاتی باشند.
4.2تغییر دما
با افزایش دما، انبساط حرارتی باعث افزایش حجم و کاهش چگالی می‌شود.
- به طور متوسط، چگالی به ازای هر ۱۰۰ درجه سانتیگراد افزایش، حدود ۰.۴۱TP3T کاهش می‌یابد.
- دمای بسیار بالا یا بسیار پایین می‌تواند هم بر چگالی و هم بر عملکرد مواد تأثیر بگذارد.
4.3شرایط فشار
- فشار بالا ساختار اتمی را فشرده می‌کند و چگالی را افزایش می‌دهد.
- فشار کم (مثلاً خلاء) می‌تواند باعث انبساط جزئی و کاهش چگالی شود.
این اثرات باید در محیط‌های فشار بالا یا خلاء در نظر گرفته شوند.
4.4تخلخل
- تخلخل به حفره‌ها یا شکاف‌های داخلی در ماده اشاره دارد.
- تخلخل بالاتر، حجم مؤثر فلز را کاهش می‌دهد و چگالی را پایین می‌آورد.
- فرآیندهایی مانند پودر متالورژی یا پخت و پز ممکن است تخلخل ایجاد کند.
4.5فرآیند تولید
- پارامترهایی مانند دمای کوره, نرخ خنک‌کننده, توالی آلیاژسازی، و گرما درمان می‌تواند بر ریزساختار و چگالی نهایی تأثیر بگذارد.
- کنترل بهینه فرآیند، خواص پایدار و ثابت مواد را تضمین می‌کند.
5.0چگونه چگالی فولاد ضد زنگ بر عملکرد تأثیر می‌گذارد
چگالی فولاد ضد زنگ نه تنها نشان دهنده فشردگی ساختار اتمی آن است، بلکه بر خواص فیزیکی و مکانیکی مختلفی نیز تأثیر می‌گذارد:
- استحکام کششیفولاد ضد زنگ با چگالی بالاتر معمولاً به دلیل ساختار اتمی متراکم‌تر، استحکام کششی بیشتری ارائه می‌دهد و مقاومت در برابر شکستگی تحت کشش را بهبود می‌بخشد.
- سختیمواد چگال‌تر، اتم‌های فشرده‌تری دارند که منجر به سختی بالاتر و مقاومت بهتر در برابر فرورفتگی، خراش و تغییر شکل می‌شود.
- شکل‌پذیریفولاد ضد زنگ با چگالی کمتر، انعطاف‌پذیرتر است و به آن اجازه می‌دهد بدون شکستن کشیده شود - ایده‌آل برای کاربردهایی که نیاز به تغییر شکل قابل توجه دارند.
- مقاومت در برابر خوردگیریزساختار متراکم‌تر، مسیر نفوذ مواد خورنده را کاهش می‌دهد و مقاومت در برابر خوردگی را، به ویژه در محیط‌های سخت، افزایش می‌دهد.
- شکل پذیریفولادهای با چگالی کمتر و آرایش اتمی آزادتر، خم شدن، کشش عمیق و قالب‌گیری آسان‌تری دارند و همین امر آنها را برای قطعات پیچیده یا دقیق مناسب می‌کند.
- جوش پذیریفولاد ضد زنگ با چگالی بالا به دلیل نیروهای بین مولکولی قوی‌تر، عموماً به انرژی بیشتری برای ذوب شدن نیاز دارد و جوشکاری آن را دشوارتر می‌کند. انواع با چگالی کمتر معمولاً راحت‌تر جوشکاری می‌شوند.
- قابلیت ماشینکاریفولادهای با چگالی بالا سخت‌تر و الاستیک‌تر هستند که باعث افزایش مقاومت برشی و سایش ابزار می‌شود. فولادهای با چگالی کمتر، ماشینکاری آسان‌تر و کارآمدتری دارند.
- پایداریفولاد ضد زنگ با چگالی بالاتر اغلب استحکام و دوام بیشتری دارد که منجر به عمر طولانی‌تر، تعویض کمتر و بهبود بهره‌وری منابع می‌شود.
6.0نقش چگالی فولاد ضد زنگ در کاربردهای عملی
- محاسبه وزنچگالی کلید محاسبه وزن مصالح است (وزن = چگالی × حجم)، که بر هزینه‌های حمل و نقل و طراحی بار سازه تأثیر می‌گذارد.
- انتخاب موادچگالی‌های مختلف نیازهای مختلفی را برآورده می‌کنند - فولاد با چگالی بالاتر برای قطعات با استحکام بحرانی، فولاد با چگالی کمتر برای طرح‌های سبک.
- تخمین قدرتچگالی به تخمین استحکام و سختی مکانیکی کمک می‌کند و به انتخاب مواد در ساخت و ساز، ماشین آلات و مخازن تحت فشار کمک می‌کند.
- ارزیابی مقاومت در برابر خوردگیچگالی بالاتر اغلب نشان دهنده ریزساختار فشرده‌تر است که مقاومت در برابر خوردگی گاز یا مایع را بهبود می‌بخشد.
- طراحی عملکرد حرارتیچگالی بر رسانایی حرارتی و ظرفیت گرمایی تأثیر می‌گذارد، که برای مبدل‌های حرارتی و سیستم‌های حرارتی مهم است.
- تحلیل شناوری و پایداریدر محیط‌های سیال مانند سازه‌های دریایی یا مخازن، از چگالی برای تحلیل شناوری و پایداری استفاده می‌شود.
- تنظیمات پارامتر ماشینکاریچگالی متغیر بر نیروهای برش، انتخاب ابزار و روش‌های خنک‌کاری در طول تولید تأثیر می‌گذارد.
- شبیه‌سازی و مدل‌سازی سازه‌هامقادیر دقیق چگالی در FEA یا CAD برای اطمینان از نتایج شبیه‌سازی قابل اعتماد بسیار مهم هستند.
- بازیافت و ارزیابی منابعچگالی به ارزیابی ارزش مواد و بهره‌وری منابع در بازیافت و تحلیل چرخه عمر کمک می‌کند.
مراجع:
https://www.thyssenkrupp-materials.co.uk/density-of-stainless-steel