آنالیز حرارتی در صنعت فولاد

دستگاه‌های آنالیز حرارتی در صنعت فولاد

آنالیز حرارتی به روش‌هایی گفته می‌شود که تغییرات خواص فیزیکی یا شیمیایی مواد را تحت شرایط کنترل‌شده دما بررسی می‌کند. در صنعت فولاد، این دستگاه‌ها برای بهینه‌سازی فرآیندهای حرارتی، شناسایی فازها، کنترل کیفیت و توسعه آلیاژهای جدید استفاده می‌شوند. اين روش به وسيله دستگاه‌هاي مختلفي صورت مي‌پذيرند كه هريك در ادامه شرح داده شده‌اند.

دستگاه سنجش تفاضلی گرماسنجی (DSC)

دستگاه (Differential Scanning Calorimetry) DSC یکی از ابزارهای کلیدی در آنالیز حرارتی فولاد است که برای مطالعه تغییرات انرژی (گرمای جذب شده یا آزادشده) در حین فرآیندهای حرارتی استفاده می‌شود. این دستگاه با دقت بالا، امکان شناسایی انتقال فازها، واکنش‌های شیمیایی و تغییرات ساختاری در فولاد را فراهم می‌کند.

1. اصول عملکرد دستگاه  DSC

نحوه عملكرد دستگاه به شرحي است كه در ادامه آمده است:

1. نمونه و مرجع:

نمونه فولاد و یک ماده مرجع بی‌اثر (مانند اکسید آلومینیوم) درون دو ظرف مجزا قرار می‌گیرند. هر دو ظرف تحت یک برنامه دمایی یکسان (گرمایش یا سرمایش کنترلشده) قرار می‌گیرند.

• اندازه‌گیری اختلاف گرمایی:

دستگاه اختلاف گرمای مورد نیاز برای حفظ دمای یکسان بین نمونه و مرجع را اندازه‌گیری می‌کند. اگر نمونه گرما جذب کند (مثلاً در ذوب یا تجزیه)، دستگاه انرژی بیشتری به آن می‌دهد. اگر نمونه گرما آزاد کند (مثلاً در تبلور یا اکسیداسیون)، دستگاه انرژی کمتری به آن می‌دهد.

•  خروجی داده:

نتایج به صورت نمودار گرمای جریان یافته (Heat Flow) بر حسب دما نمایش داده می‌شوند. پیک‌های گرماگیر (Endothermic) یا گرمازا (Exothermic) در نمودار نشان‌دهنده رویدادهای حرارتی هستند.

کاربردهای DSC در صنعت فولاد

از جمله مواردي كه از اين روش در صنعت فولاد استفاده مي‌شود مي‌توان موارد زير را نام برد:

1. شناسایی دمای انتقال فاز

از دماهاي انتقال فازي كه بايد شناسايي شود مي توان اشاره كرد به:

•  شناساييAc1 كه دمای شروع تشکیل آستنیت از فریت است.شناسايي Ac3 كه  دمای تکمیل تبدیل فریت به آستنیت است.Ms  و  Mf كه  دمای شروع و پایان تشکیل مارتنزیت در حین کوئنچ است.بررسی عملیات حرارتی

از جمله عمليات‌هاي حرارتي مهم مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

• عمليات بازپخت  (Annealing): اين عمليات شامل تحلیل بازیابی ساختار و کاهش تنش‌های پسماند است.
• عمليات کوئنچ  (Quenching): اين عمليات به بررسي سرعت تشکیل مارتنزیت و تأثیر آن بر سختی مي‌پردازد.
• عمليات تمپرینگ  (Tempering):عملياتي كه شامل ارزیابی آزادسازی تنش و تغییرات ریزساختار است.
  • مطالعه رفتار ذوب و انجماد

از اين دستگاه و روش در در فولادهای ریخته‌گری برای تعیین دمای ذوب و الگوی انجماد و همچنين شناسایی ناخالصی‌های غیرفلزی (مثل سولفیدها) که بر رفتار انجماد تأثیر می‌گذارند، استفاده می‌شود.

• تحلیل پدیده‌های سطحی

به منظور بررسی اکسیداسیون سطحی فولاد در دماهای بالا و همچنين آناليز تشکیل لایه‌های کاربیدی در فولادهای پرآلیاژ از اين روش استفاده مي‌شود.

• بهینه‌سازی آلیاژها

به منظور ارزیابی تأثیر عناصر آلیاژی (مانند نیکل، کروم، مولیبدن) بر پایداری فازها و همچنين طراحی فولادهای پیشرفته مثل فولادهای دوفازی (TRIP)  از اين روش استفاده مي‌شود.

• نمونه‌های کاربردی DSC در فولاد
• در ساخت فولادهای کربنی: استفاده از اين روش به اين صورت استفاده است كه در شناسایی دمای Ac1 و Ac3 برای تنظیم پارامترهای عملیات حرارتی به كار گرفته مي‌شود. همچنين در بررسی تأثیر نرخ گرمایش/سرمایش بر تشکیل فاز پرلیت یا بینیت نيز اين روش كارايي بالايي دارد.
• در ساخت فولادهای زنگ‌نزن: استفاده از اين روش به اين صورت است كهدر بررسي تشکیل فاز سیگما (σ) که باعث تردی فولاد می‌شود قابل استفاده است. همچنين اين روش تحلیل پایداری آستنیت در دمای محی را نيز ارائه مي‌دهد.

• در ساخت ابزارهای فولادی: ازاين روش بهمنظورارزیابی تشکیل کاربیدهايي مانند WC یا TiC و تأثیر آنها بر سختی فولاد استفاده مي‌شود.

• مزایای DSC در مقایسه با روش‌های دیگر

از مزاياي استفاده از اين روش به صورت خلاصه مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

• دقت بالا: اين روش قادر به تشخیص تغییرات انرژی حتی در مقادیر کم است.
• سرعت: در اين روش امکان انجام تست در بازه دمایی وسیع (از ۱۵۰- تا ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد) وجود دارد.
• تفسیر کمی: در اين روش مي‌توان محاسبه دقیقي از آنتالپی (ΔH) و دمای انتقال فاز داشت.

• محدودیت‌های DSC

از محدوديت‌هاي استفاده از اين روش به صورت خلاصه مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

• نیاز به نمونه کوچک: در اين روش معمولاً نمونه‌ها به وزن ۵ تا ۲۰ میلی‌گرم محدود می‌شوند.
• حساسیت به نرخ گرمایش: نتایج اين روش ممکن است تحت تأثیر سرعت گرمایش/سرمایش قرار گیرند.
• عدم توانایی در شناسایی فازهای ناپایدار: در اين روش ممكن است برخی فازهای گذرا تشخیص داده شوند.

دستگاه آنالیز گرمایی وزنی (TGA)

دستگاه آنالیز گرمایی وزنی یا Thermogravimetric Analysis (TGA)  یکی از ابزارهای مهم در آنالیز حرارتی مواد است که تغییرات وزن نمونه را در پاسخ به تغییر دما یا زمان اندازه‌گیری می‌کند. از این دستگاه در صنعت فولاد به منظور بررسی پدیده‌هایی مانند اکسیداسیون، کربن‌زدایی، تجزیه و تشکیل فازها استفاده می‌شود. دقت بالای این دستگاه باعث می‌شود امکان مطالعه رفتار فولاد در شرایط دمایی مختلف فراهم شود و به عنوان یک روش کمی و کیفی در کنترل کیفیت و تحقیق و توسعه به کار گرفته شود. 

1. اصول عملکرد دستگاه TGA

عملکرد این دستگاه به طور کلی شامل 4 مرحله است که در ادامه شرح داده شده است:

1. نمونه‌گیری و آماده‌سازی

در این مرحله باید نمونه فولاد به صورت پودر یا قطعه کوچک (معمولاً ۵ تا ۲۰ میلی‌گرم) درون یک بوته  (Crucible)قرارگیرد. بوته استفاده شده در این روش معمولاً از جنس آلومینا، پلاتین یا کوارتز ساخته می‌شود تا در دماهای بالا پایدار باشد.

• برنامه‌ریزی دمایی

در این مرحله نمونه باید تحت یک برنامه دمایی کنترل‌شده (گرمایش یا سرمایش) قرار گیرد. به طور مثال نرخ گرمایش معمولاً بین ۱ تا ۲۰ درجه سانتیگراد بر دقیقه تنظیم می‌شود.

• اندازه‌گیری تغییرات وزن

در این مرحله دستگاه با استفاده از یک ترازوی حساس  با دقتی در محدوده میکروگرم، تغییرات وزن نمونه را در حین گرمایش ثبت می‌کند. حال داده‌های ثبت شده به صورت نمودار، وزن بر حسب دما یا زمان، نمایش داده می‌شوند.

• اتمسفر کنترل‌شده

این دستگاه می‌تواند در اتمسفرهای مختلف (مانند نیتروژن، هوا یا آرگون) کار کند. انتخاب اتمسفر به نوع واکنشی که در حال بررسی است مثلاً اکسیداسیون در هوا یا تجزیه در نیتروژن، بستگی دارد.

• انواع دستگاه TGA

به طور کلی دستگاه TGA به 3 دسته کلی تقسیم می‌شود که شامل موارد زیر است:

1. TGA استاندارد

از این نوع برای اندازه‌گیری تغییرات وزن در دماهای بالا (تا ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد) استفاده می‌شود. کاربرد اصلی این دسته در بررسی و مطالعه بر روی اکسیداسیون، کربن‌زدایی و تجزیه فولاد است.

• TGA ترکیبی با سنجش تفاضلی گرماسنجی یا TGA-DSC

در این نوع از دستگاه TGA علاوه بر تغییرات وزن، تغییرات انرژی (گرمای جذب‌شده یا آزادشده) نیز اندازه‌گیری می‌شود. کاربرد این دسته مطالعه همزمان واکنش‌های شیمیایی و تغییرات فازی در فولاد است.

2,2,3. ترکیبی با طیف‌سنجی جرمی یا TGA-MS

به کمک این مدل می‌توان گازهای حاصل از تجزیه نمونه را شناسایی و تحلیل کرد. از جمله می‌توان به بررسی تشکیل گازهای فرار مانند CO2 در حین تجزیه فولاد اشاره کرد.

کاربردهای TGA در صنعت فولاد

از کاربردهای این روش و دستگاه در صنعت فولاد می‌توان به 5 کاربرد زیر اشاره کرد:

1. بررسی اکسیداسیون

به کمک این دستگاه می‌توان تشکیل اکسیدهای سطحی مانندFeO ،  Fe2O3و Fe3O4 در دمای بالا را تحلیل کرد. به علاوه آن ارزیابی مقاومت فولادهای زنگ‌نزن در برابر اکسیداسیون نیز می‌تواند با این روش انجام پذیرد.

• 2. کربن‌زدایی (Decarburization)

از جمله دیگر کاربردهای این دستگاه استفاده از آن در کربن‌زدایی است که به کمک آن می‌توان کاهش کربن سطحی در حین عملیات حرارتی را اندازه‌گیری کرد و همچنین تأثیر کربن‌زدایی بر خواص مکانیکی (مانند سختی و استحکام) را مورد بررسی قرار داد.

• 3. تجزیه و تشکیل فازها

بررسی و تحلیل تجزیه کاربیدها یا نیتریدها در فولادهای پرآلیاژ از دیگر کاربردهای این دستگاه در صنعت فولاد است. همچنین به کمک این دستگاه می‌توان تشکیل فازهای بین فلزی (مانند سیگما فاز) که باعث تردی فولاد می‌شوند را شناسایی کرد.

• 4. تحلیل پایداری حرارتی
• مقاومت فولاد در برابر خزش (Creep) در دمای بالا از جمله موارد مهمی است که به این روش قابل بررسی و ارزیابی است. همچنین به کمک آن می‌توان تأثیر عناصر آلیاژی (مانند نیکل، کروم و مولیبدن) بر پایداری فولاد را مورد بررسی و تحلیل قرار داد.

این دستگاه در کنترل کیفیت فولاد به این صورت کاربرد دارد که به شناسایی ناخالصی‌های غیرفلزی (مانند اکسیدها یا سولفیدها) در فولاد و همچنین بررسی تأثیر فرآیندهای تولید (مانند نورد یا جوشکاری) بر ترکیب شیمیایی فولاد، کمک می‌کند.

4.2. مزایای دستگاه TGA

از مزاياي استفاده از اين روش به صورت خلاصه مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

• دقت بالا: این روش قادر به اندازه‌گیری تغییرات وزن در حد میکروگرم است.
• محدوده دمایی وسیع: این دستگاه امکان کار در دماهای بالا (تا ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد) را دارد.
• انعطاف‌پذیری:  این دستگاه این قابلیت را دارد که در اتمسفرهای مختلف (هوا، نیتروژن، آرگون) کار می‌کند.
• تفسیر کمی:  به کمک این روش امکان محاسبه دقیق درصد کاهش وزن و سرعت واکنش وجود دارد.
• ترکیب با سایر روش‌ها:  به منظور تحلیلی جامع‌تر این دستگاه امکان استفاده همزمان با DSC یا MS را دارد.

5.2. محدودیت‌های دستگاه TGA

از محدوديت‌هاي استفاده از اين روش به صورت خلاصه مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

• نیاز به نمونه کوچک: در این روش اندازه نمونه محدود به چند میلی‌گرم است که ممکن است نماینده کل ماده نباشد.
• حساسیت به نرخ گرمایش: در این روش این امکان وجود دارد که نتایج تحت تأثیر سرعت گرمایش/سرمایش قرار گیرند.
• عدم توانایی در شناسایی فازهای ناپایدار: دراین روش ممکن است برخی فازهای گذرا را نتوان تشخیص داد.
• هزینه بالا: دستگاه‌های پیشرفته‌ای مانند TGA-MSهزینه‌های خرید و نگهداری بالایی دارند.

دستگاه دیلاتومتری (Dilatometry) 

دیلاتومتری یک روش آزمایشگاهی برای اندازه‌گیری تغییرات ابعادی مواد (مانند انبساط یا انقباض) در پاسخ به تغییرات دما یا زمان است. این روش با ثبت دقیق تغییرات طول نمونه در حین گرمایش یا سرمایش، اطلاعات ارزشمندی درباره رفتار حرارتی و تبدیل فازهای مواد ارائه می‌دهد. در صنعت فولاد، این تکنیک برای تحلیل تبدیل فازهایی مانند آستنیت به مارتنزیت، پیرلیت یا بینیت استفاده می‌شود.

3,1. انواع دستگاههای دیلاتومتری

اين روش به 5 دسته كلي تقسيم مي‌شود كه در ادامه شرح داده شده‌اند.

3,1,1. دیلاتومترهای مکانیکی (Pushrod Dilatometers)

در این روش با استفاده از یک میله (Pushrod) تغییرات طول نمونه را به حسگر منتقل میکنند. این روش برای دماهای بالا تا     C° ۱۵۰۰ و محیط‌های خنثی یا اتمسفر کنترل‌شده مناسب است. این روش جز روش ‌های مقرون به‌صرفه و پرکاربرد در صنعت فولاد است.

• دیلاتومترهای نوری (Optical Dilatometers)

در این روش با استفاده از لیزر یا نور برای اندازه‌گیری غیرتماسی تغییرات ابعادی استفاده می‌شود. این روش دارای دقت بالا و مناسب برای مواد شکننده یا نمونه‌های کوچک است. استفاده از این روش در دماهای بسیار بالا دارای محدودیت است.

• دیلاتومترهای تفاضلی (Differential Dilatometers)

در این روش تغییرات نمونه با یک ماده مرجع (مانند کوارتز) مقایسه می‌شود. استفاده از این روش برای شناسایی تبدیل فازهای ظریف مفید است.

• دیلاتومترهای سریع‌سرد (Quenching Dilatometers)

با استفاده از این روش قابلیت سرمایش سریع، شبیه‌سازی عملیات کوئنچینگ فراهم می‌شود که از این شبیه‌سازی برای مطالعه رفتار فولاد در فرآیندهای سختکاری استفاده میشود.

• دیلاتومترهای با وضوح بالا (High-Resolution Dilatometers)

این روش که روشی بسیار دقیق است برای اندازه‌گیری تغییرات بسیار کوچک فولاد در حد نانومتری استفاده مي‌شود. از همين رو روشي بسيار گران قيمت است و در تحقیقات پیشرفته فولادهای خاص کاربرد دارد.

• کاربردهای دیلاتومتری در صنعت فولاد

از كاربردهاي اين روش آناليز حرارتي در صنعت فولاد مي‌توان به 5 دسته كلي كه در ادامه شرح داده شده‌اند اشاره كرد:

1. تعیین دمای بحرانی تبدیل فاز

با استفاده از اين روش مي‌توان نقاط دمايي کلیدی مانند Ac1(آغاز تشکیل آستنیت)، Ac3  (تکمیل آستنیتسازی) و Ms (شروع تشکیل مارتنزیت) را تعيين كرد. به طور مثال از اين روش براي تعیین دمای بهینه برای عملیات حرارتی سختکاری استفاده مي‌شود.

• مطالعه سینتیک تبدیل فاز

با استفاده از این روش می‌توان سرعت تشکیل فازهای مختلف (مانند بینیت یا مارتنزیت) در حین سرمایش را تحلیل کرد. استفاده از این روش به طراحی چرخه‌های عملیات حرارتی (مانند بازپخت، کوئنچینگ و تمپرینگ) کمک می‌کند.

• اندازه‌گیری ضریب انبساط حرارتی

با استفاده از این روش می‌توان پایداری ابعادی فولاد در کاربردهای با دمای بالا (مثل قطعات موتور یا توربینها) را مورد تحلیل و ارزیابی قرار داد.

• کنترل کیفیت در تولید فولاد

از این روش برای کنترل کیفیت در صنعت فولاد، به منظور اطمینان از صحت عملیات حرارتی و دستیابی به ریزساختار مطلوب (مانند درصد مارتنزیت) و همچنین تشخیص عیوبی مانند تردی ناشی از هیدروژن، استفاده می‌شود.

• توسعه آلیاژهای جدید

یکی از کاربردهای مهم این روش استفاده از آن برای مطالعه تأثیر عناصر آلیاژی (مانند کروم، نیکل) بر رفتار انبساطی و تبدیل فازها در فولاد است.

• مزایای دیلاتومتری

از مزاياي استفاده از اين روش به صورت خلاصه مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

دقت بالا: این روش قادر به تشخیص تغییرات ابعادی در حد میکرومتر است.

غیرمخرب: به علت غیرمخرب بودن این روش، در برخی موارد نمونه پس از آزمایش قابل استفاده است.

انعطاف‌پذیری: سازگاری این با طیف وسیعی از دماها و اتمسفرها (خلأ، گاز خنثی) از مزایای آن است.

کمک به بهینه‌سازی: این روش با شبیه‌سازی فرآیندهای عملیات حرارتی به کاهش هزینه‌های آزمایشگاهی کمک می‌کند.

• محدودیت‌های روش دیلاتومتری

از محدودیت‌های استفاده از اين روش به صورت خلاصه مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

نیاز به نمونه کوچک: در این روش نمونه استفاده شده ممکن است نماینده رفتار ماده در ابعاد صنعتی نباشد.

هزینه بالا: با توجه به تجهیزات پیشرفته مورد نیاز (به ویژه دیلاتومترهای نوری) این روش گران‌قیمت است.

پیچیدگی تحلیل داده‌ها: برای تفسیر منحنی‌های انبساط-دما و تشخیص تبدیل فازها نیاز به آموزش و نیروی متخصص دارد.

محدودیت در نرخ گرمایش/سرمایش: در این روش برخی دستگاه‌ها قادر به شبیه‌سازی شرایط سریع صنعتی نیستند.

دستگاه آنالیز تفاضلی دمایی (DTA)

دستگاه آنالیز تفاضلی دمایی (DTA) یک روش تحلیلی حرارتی است که در صنعت فولاد برای بررسی تغییرات فازی، واکنش‌های شیمیایی و خواص ترمودینامیکی مواد استفاده می‌شود. این دستگاه با اندازه‌گیری اختلاف دمای بین نمونه و یک ماده مرجع تحت شرایط حرارتی کنترل‌شده، داده‌های ارزشمندی را برای بهینه‌سازی فرایندهای تولید و کنترل کیفیت ارائه می‌دهد. طرز عملکرد آن به این صورت است که نمونه و ماده مرجع (غالباً آلومینای کلسینه‌شده) درون دو بوته مجزا اما در یک کوره با نرخ حرارت‌دهی/سرمایش کنترل شده قرار می‌گیرند. اختلاف دمای بین آنها (ΔT) توسط ترموکوپل‌های حساس اندازه‌گیری می‌شود. هرگونه واکنش گرماده (اگزوترمیک) یا گرماگیر (اندوترمیک) در نمونه، منحنی DTA  را به‌صورت پیک‌های مثبت یا منفی نمایش می‌دهد. داده‌ها به‌صورت گراف ΔT بر حسب دما یا زمان ترسیم می‌شوند. باید توجه داشت که به علت محدودیت‌هایی که این روش در تفکیک واکنش‌های پیچیده دارد، در صنعت فولاد نیاز به تکمیل داده‌ها با سایر روشهای تحلیلی دارد. به همین علت DTA به‌عنوان یک ابزار کمکی در کنار روش‌های متالوگرافی و XRD استفاده می‌شود تا ارتباط بین رفتار حرارتی و ریزساختار نهایی را دقیق‌تر مشخص کند.

این دستگاه به طور کلی به 3 حالت در صنعت فولاد استفاده می‌شود که عبارتند از:

1. DTA استاندارد: این مدل برای دماهای تا C ° ۱۶۰۰ مناسب است و در تحلیل سرباره‌ها و فولادهای پرآلیاژ کاربرد دارد.
2. DTA  فشار بالا: از این روش جهت شبیه‌سازی شرایط کوره‌های القایی یا فرآیندهای خاص ذوب استفاده می‌شود.
3. سیستم‌های هیبریدی DTA-TGA: این روش یک روش ترکیبی با آنالیز توزین حرارتی (TGA) برای همزمان‌سازی داده‌های تغییرات جرم و واکنش‌های حرارتی است.

1. کاربردهای آنالیز تفاضلی دمایی در صنعت فولاد

از کاربردهای این روش در صنعت فولاد به طور کلی می‌توان به 5 کاربردی که در ادامه می‌آید اشاره کرد:

1. تعیین دمای انتقال فاز: اولین کاربرد این روش در صنعت فولاد شناسایی دمای تبدیل فازهای اصلی فولاد مانند تبدیل آستنیت به مارتنزیت، پرلیت یا سمنتیت در حین عملیات حرارتی است. این داده‌ها برای تنظیم پارامترهای کوئنچینگ، تمپرینگ و آنیلینگ حیاتی هستند.
2. توسعه آلیاژها: به کمک این روش و تحلیل اثر عناصر آلیاژی (مانند کروم، نیکل، وانادیم) بر رفتار حرارتی فولادها و پایداری فازها در دماهای مختلف می‌توان آلیاژهای فولادی را توسعه و به‌آآبود بخشید.
3. کنترل کیفیت: به وسیله شناسایی پیک‌های غیرمنتظره در منحنی  DTAمی‌توان ناخالصی‌ها یا ناهمگنی‌ها در مواد اولیه مانند سنگ‌آهن، قراضه یا محصول نهایی  را تشخیص داد.
4. بررسی سرباره و مواد دیرگداز: به کمک این روش می ‌توان رفتار حرارتی سرباره‌های کوره‌های فولادسازی و مواد نسوز جهت بهینه‌سازی مصرف انرژی و افزایش عمر تجهیزات را ارزیابی کرد.
5. تحلیل شکست: با این روش می‌توان تاثیر تاریخچه حرارتی بر ایجاد عیوبی مانند ترک‌های انقباضی یا تغییـرات ناخواسته در ریزساختارها را بررسی کرد.

از مزاياي استفاده از اين روش به صورت خلاصه مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

• دقت بالا: این روش قابلیت شناسایی دمای انتقال فاز در حد را دارد.
• امکان بررسی نمونه‌های کوچک: در این روش امکان بررسی های نمونه‌های کوچک در حدود (۱-۱۰۰ میلی‌گرم) بدون نیاز به آماده‌سازی پیچیده وجود دارد.
• انعطاف پذیری: در این روش قابلیت تحلیل در اتمسفرهای کنترل‌شده (خنثی، اکسیدکننده یا خلأ) وجود دارد.
• کارایی کمی و کیفی: این روش امکان ارائه داده‌های کمی و کیفی برای مدل‌سازی سینتیک واکنشها را دارد.
  • محدودیت‌های روش آنالیز تفاضلی دمایی

از محدودیت‌های استفاده از اين روش به صورت خلاصه مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

• نیاز به کالیبراسیون دقیق: این روش نیاز به کالیبراسیون دقیق با مواد استاندارد مانند ایندیم یا روی دارد.
• نیاز به کاربر متخصص: در استفاده از این روش، تفسیر نتایج در مواردی مانند پیک‌های همپوشانی (مثلاً تجزیه کاربیدها و تغییر فاز همزمان) نیاز به تخصص دارد.
• دقت پایین در تشخیص تغییرات فازی: این روش در تشخیص تغییرات فازی با آنتالپی پایین (مانند تشکیل فریت) دارای دقت کمی است و محدودیت دارد.
• هزینه بالای مدل‌های پیشرفته: در این روش دستگاه‌های پیشرفته که دارای قابلیت‌های اتمسفر کنترل‌شده هستند، بسیار گران قیمت هستند و هزینه‌های نگهداری بالایی نیز دارند.

دستگاه آنالیز مکانیکی دینامیکی  (DMA)

دستگاه آنالیز مکانیکی دینامیکی (DMA) در صنعت فولاد 

Dynamic Mechanical Analysis (DMA) یک روش پیشرفته برای بررسی خواص مکانیکی مواد تحت بارگذاری دینامیکی است. اگرچه این تکنیک بیشتر در مطالعه پلیمرها شناخته شده است، در صنعت فولاد نیز برای تحلیل رفتار ویسکوالاستیک، میرایی، و تغییرات ریزساختاری فولاد در شرایط مختلف دما و فرکانس استفاده میشود.

1. اصل کار دستگاه DMA 

DMA با اعتنای یک تنش سینوسی به نمونه و اندازهگیری تغییر شکل (کرنش) پاسخدهنده، خواصی مانند مدول ذخیره (Elastic Modulus)، مدول اتلاف (Loss Modulus)، و ضریب میرایی (tan δ) را محاسبه میکند. این پارامترها رفتار فولاد را در برابر بارهای تناوبی (مانند ارتعاش یا خستگی) نشان میدهند. 

– مولفه های اصلی دستگاه: 

  – سیستم اعمال نیرو (موتور الکترومکانیکی یا پیزوالکتریک). 

  – سنسورهای نیرو و جابهجایی. 

  – کوره یا سیستم خنککننده برای کنترل دما (از -۱۵۰°C تا ۶۰۰°C+). 

  – نرمافزار تحلیل داده برای محاسبه پارامترهای دینامیکی.

۲. انواع دستگاههای DMA 

در صنعت فولاد، دستگاهها بر اساس حالت بارگذاری و محدوده فرکانس طبقه بندی میشوند: 

1. حالتهای بارگذاری: 

   – خمش سه نقطه ای: مناسب برای نمونههای صفحهای یا میلههای فولادی. 

   – پیچش: تحلیل پاسخ فولاد به تنشهای برشی. 

   – کشش-فشاری: برای بررسی رفتار فولاد در بارهای محوری. 

2. دستگاههای رزونانس اجباری: اعمال فرکانسهای متغیر (۰٫۱ تا ۱۰۰ هرتز) برای مطالعه میرایی ارتعاشات. 

3. دستگاههای رزونانس آزاد: اندازهگیری میرایی ذاتی فولاد (مثلاً در فولادهای با قابلیت جذب انرژی بالا).

۳. کاربردهای DMA در صنعت فولاد 

– تحلیل میرایی (Damping Capacity): ارزیابی توانایی فولاد در جذب انرژی ارتعاشی (مهم در فولادهای خودرو و هوافضا). 

– مطالعه تغییر فازها: شناسایی انتقالات فازی (مانند آستنیت به مارتنزیت) طی عملیات حرارتی. 

– بررسی خستگی مواد: پیشبینی عمر خستگی فولاد تحت بارهای تناوبی. 

– تأثیر عناصر آلیاژی: تحلیل نقش عناصری مانند کربن، کروم، یا نیکل بر رفتار دینامیکی فولاد. 

– بهینه سازی عملیات حرارتی: ارزیابی اثر دما و زمان بر ریزساختار فولاد (مانند بازپخت یا کوئنچینگ).

۴. مزایای DMA 

-حساسیت بالا: تشخیص تغییرات ریزساختاری (مانند رسوبگذاری یا مرزدانهها) که روشهای استاتیکی (مانند تست کشش) قادر به شناسایی آنها نیستند. 

– تحلیل چندمحیطی: امکان آزمایش در دماها و فرکانسهای مختلف. 

– کاربرد در فولادهای پیشرفته: مناسب برای فولادهای دوپلکس، فولادهای TRIP، و فولادهای با استحکام فوقبالا (AHSS).

۵. محدودیتهای DMA 

– محدودیت نمونه ها: نمونهها باید ابعاد دقیق و سطح صاف داشته باشند (معمولاً ۱۰–۵۰ میلیمتر). 

– ظرفیت نیرویی محدود: فولادهای سخت (با مدول بالای ۲۰۰ GPa) ممکن است به سیستمهای با ظرفیت نیرویی بالا نیاز داشته باشند. 

– هزینه و پیچیدگی: نیاز به اپراتور متخصص برای تفسیر دادهها (مثلاً تفکیک اثرات میرایی از تغییرات فازی). 

-دمای بالا: برخی دستگاهها برای آنالیز فولاد در دمای ذوب یا نزدیک به آن (مثلاً در نورد گرم) مناسب نیستند.

 

DMA در صنعت فولاد بهعنوان یک ابزار تخصصی برای تحلیل رفتار دینامیکی و ریزساختاری فولاد استفاده میشود. با وجود محدودیتها در نمونهبرداری و هزینه بالا، این روش برای توسعه فولادهای پیشرفته و بهینهسازی فرایندهای تولیدی ضروری است. کاربردهای آن بیشتر در مراحل تحقیق و توسعه (R&D) و کنترل کیفیت محصولات خاص (مانند فولادهای مهندسی) متمرکز است.

منابع

۱. کتاب‌ها: 

   – _Principles of Thermal Analysis and Calorimetry_ توسط P.J. Haines. 

   – _ASM Handbook, Volume 4: Heat Treating_ توسط ASM International. 

۲. استانداردها: 

   – ASTM E967 (DSC)، ASTM E1131 (TGA)، ASTM E228 (دیلاتومتری). 

۳. سازندگان دستگاه‌ها: 

   – شرکت‌های Netzsch (آلمان) و TA Instruments (آمریکا). 

استانداردهای مرتبط با TGA در صنعت فولاد 

– ASTM E1131: روش استاندارد برای آنالیز گرمایی وزنی مواد. 

– ISO 21870: دستورالعمل‌های آنالیز گرمایی در محیط‌های گازی. 

نتیجه‌گیری 

دستگاه‌های آنالیز حرارتی با بررسی رفتار فولاد تحت شرایط دمایی کنترل‌شده، کیفیت محصولات را تضمین کرده و به توسعه فولادهای پیشرفته با خواص مکانیکی بهبودیافته کمک می‌کنند.