مقدمه
در صنعت فولاد، کیفیت فروآلیاژها تنها با درصد عناصر آلیاژی مانند منگنز، سیلیسیم، کروم یا کربن سنجیده نمیشود. اگرچه ترکیب شیمیایی مهمترین شاخص انتخاب یک فروآلیاژ است، اما ویژگیهای فیزیکی آن نیز نقش تعیینکنندهای در عملکرد محصول در فرآیند فولادسازی دارند. یکی از مهمترین این ویژگیها، شاخص شکنندگی (Friability Rating) است که در بسیاری از استانداردهای ASTM برای فروآلیاژها مورد توجه قرار گرفته است.
در نگاه اول ممکن است شکنندگی تنها به معنای خرد شدن فروآلیاژ باشد، اما از دیدگاه مهندسی متالورژی، این ویژگی مستقیماً بر بازده جذب عناصر آلیاژی، میزان تولید غبار، هزینه حملونقل، میزان ضایعات، عملکرد سیستمهای شارژ و حتی کیفیت فولاد تولیدی اثر میگذارد. به همین دلیل در استانداردهای ASTM علاوه بر تعیین ترکیب شیمیایی، برای هر فروآلیاژ یک شاخص شکنندگی نیز تعریف شده است تا رفتار آن در حمل، انبارداری و مصرف قابل پیشبینی باشد.
مفهوم شاخص شکنندگی
واژه Friability از ریشه لاتین Friabilis به معنای «قابل خرد شدن» گرفته شده است.
در مهندسی مواد، Friability به تمایل یک ماده جامد برای شکستن و تبدیل شدن به ذرات کوچکتر در اثر اعمال نیروهای مکانیکی نسبتاً کم گفته میشود.
در مورد فروآلیاژها این نیروها شامل موارد زیر هستند:
بنابراین شاخص شکنندگی، بیانکننده مقاومت فروآلیاژ در برابر خردشدگی طبیعی طی زنجیره تأمین است.
تعریف شاخص شکنندگی در ASTM
استاندارد ASTM A1025/A1025M که الزامات عمومی فروآلیاژها را بیان میکند، مفهوم Friability Rating را معرفی کرده و استانداردهای اختصاصی مانند ASTM A99، ASTM A100، ASTM A101 و ASTM A483 مقدار این شاخص را برای هر محصول مشخص میکنند.
نکته مهم این است که Friability Rating یک کمیت فیزیکی قابل اندازهگیری مانند سختی، چقرمگی یا استحکام نیست. این شاخص یک طبقهبندی تجربی (Empirical Classification) است که بر پایه رفتار واقعی فروآلیاژها در فرآیندهای تولید، حمل و مصرف تدوین شده است.
به عبارت دیگر، ASTM عددی بین حدود ۱ تا ۵ را برای بیان میزان شکنندگی نسبی محصولات در نظر گرفته است.
مفهوم اعداد شاخص شکنندگی
| Friability Rating | میزان شکنندگی | رفتار محصول |
| 1 | بسیار کم | تقریباً بدون خردشدگی |
| 2 | کم | خردشدگی محدود |
| 3 | متوسط | تولید مقدار کمی نرمه |
| 4 | زیاد | خردشدگی قابل توجه |
| 4.5 | زیاد تا بسیار زیاد | نیازمند حمل با احتیاط |
| 5 | بسیار زیاد | تولید نرمه فراوان |
این اعداد بُعد (Dimension) یا واحد اندازهگیری ندارند و صرفاً برای مقایسه نسبی محصولات استفاده میشوند.
چرا فروآلیاژها شکننده هستند؟
۱– ریزساختار
ریشه اصلی شکنندگی، ریزساختار فروآلیاژ است.
اغلب فروآلیاژها از مخلوطی از فازهای زیر تشکیل شدهاند:
هرچه سهم فازهای سخت و ترد بیشتر باشد، احتمال ایجاد ترک افزایش مییابد.
۲– وجود کاربیدها
در فرومنگنز پرکربن، کاربیدهای منگنز تشکیل میشوند.
این کاربیدها سخت هستند اما چقرمگی کمی دارند و باعث افزایش احتمال شکست میشوند.
۳– مقدار سیلیسیم
سیلیسیم یکی از مهمترین عوامل افزایش شکنندگی است.
در فروسیلیس، مقدار سیلیسیم ممکن است به ۷۵ درصد برسد.
در چنین شرایطی:
به همین دلیل فروسیلیس یکی از شکنندهترین فروآلیاژهای صنعتی است.
۴– اندازه دانههای انجمادی
سرعت سرد شدن در کوره قوس الکتریکی اثر مستقیمی بر ریزساختار دارد.
دانههای درشت معمولاً مسیر مناسبی برای انتشار ترک ایجاد میکنند.
۵– تخلخل داخلی
وجود حفرات ناشی از انجماد موجب تمرکز تنش میشود.
ترکها معمولاً از همین نقاط آغاز میشوند.
۶– تنشهای پسماند
اختلاف ضریب انبساط حرارتی بین فازهای مختلف باعث ایجاد تنشهای داخلی میشود.
این تنشها هنگام وارد شدن ضربه آزاد شده و موجب شکست میشوند.
شاخص شکنندگی و تولید نرمه (Fines)
مهمترین نتیجه شکنندگی، تولید نرمه است.
اگر مقدار زیادی ذرات زیر ۶ میلیمتر تولید شود، مشکلات زیر به وجود میآید:
تأثیر بر فولادسازی
در کورههای القایی، نرمههای فروآلیاژ به علت سطح ویژه زیاد، سریعتر اکسید میشوند و بخشی از عنصر آلیاژی وارد سرباره میشود. این موضوع موجب کاهش راندمان جذب منگنز، سیلیسیم یا کروم میشود.
در کورههای قوس الکتریکی نیز ذرات بسیار ریز ممکن است همراه با غبار کوره از سیستم خارج شوند و علاوه بر افزایش تلفات، بار سیستم غبارگیر را نیز افزایش دهند.
رابطه شاخص شکنندگی با دانهبندی
بسیاری تصور میکنند اگر فروآلیاژ با دانهبندی ۱۰ تا ۵۰ میلیمتر خریداری شود، همان اندازه به کارخانه میرسد.
در حالی که ASTM این موضوع را نمیپذیرد.
به همین دلیل در جدول اندازهبندی، درصد مشخصی ذرات خارج از اندازه نیز مجاز شناخته شده است؛ زیرا بخشی از محصول به طور طبیعی در حمل و نقل خرد میشود.
شاخص شکنندگی فرومنگنز طبق ASTM A99
بر اساس جدول ۲ استاندارد ASTM A99:
| نوع فرومنگنز | Friability Rating |
| فرومنگنز پرکربن | 4 |
| فرومنگنز کربن متوسط | 4.5 |
| فرومنگنز نیتریده | 4 |
| فرومنگنز کمکربن | 5 |
مشاهده میشود که فرومنگنز کمکربن بیشترین شکنندگی را دارد. علت این موضوع کاهش کربن و تغییر ریزساختار آلیاژ است که باعث افزایش سختی و کاهش چقرمگی میشود.
شاخص شکنندگی سایر فروآلیاژها
استانداردهای ASTM اختصاصی، مقادیر زیر را برای برخی فروآلیاژها ارائه میکنند:
| فروآلیاژ | استاندارد | Friability |
| فرومنگنز پرکربن | ASTM A99 | 4 |
| فرومنگنز کربن متوسط | ASTM A99 | 4.5 |
| فرومنگنز کمکربن | ASTM A99 | 5 |
| فرومنگنز نیتریده | ASTM A99 | 4 |
| فروسیلیس | ASTM A100 | 5 |
| فروکروم پرکربن | ASTM A101 | 3 |
| فروکروم کمکربن | ASTM A101 | 4 |
| فروسیلیکومنگنز | ASTM A483 | 4 |
توجه: این مقادیر بر اساس استانداردهای اختصاصی هر فروآلیاژ ارائه میشوند و ASTM A1025 خود یک جدول جامع برای همه فروآلیاژها منتشر نمیکند؛ بلکه تنها مفهوم و نحوه استفاده از شاخص را تعریف میکند.
آیا شاخص شکنندگی به معنی کیفیت بهتر یا بدتر است؟
خیر. شکنندگی بیشتر لزوماً به معنای کیفیت پایینتر نیست. برای مثال، فروسیلیس با وجود داشتن شاخص شکنندگی بالا، محصولی با کیفیت و ارزشمند است. علت شکنندگی آن، ماهیت متالورژیکی و درصد بالای سیلیسیم است، نه نقص در فرآیند تولید.
به همین دلیل، هنگام ارزیابی فروآلیاژ باید شاخص شکنندگی را در کنار ترکیب شیمیایی، دانهبندی، رطوبت، ناخالصیها و شرایط حمل بررسی کرد.
راهکارهای کاهش اثرات شکنندگی
برای کاهش تولید نرمه و حفظ بازده مصرف فروآلیاژ، توصیه میشود:
منابع
