فولاد یکی از همه کاره ترین و مفیدترین مواد روی کره زمین است. فولاد عمدتاً از آهن (Fe) و کربن (C) تشکیل شده است، اما فولاد مدرن پیچیده تر از آن است. ویژگی ها و استحکام فولاد تحت تأثیر غلظت کربن و آهن یا گنجاندن عناصر دیگر قرار می گیرد که امکان استفاده از فولاد در تعداد بی نهایت سناریو را فراهم می کند.
اکثر مردم بر این باورند که فولاد فقط ترکیبی از آهن و کربن است. اما در واقع بیش از 3500 درجه مختلف فولاد وجود دارد! شما می توانید عیار فولاد را با تجزیه و تحلیل مقدار کربن موجود در آن، سایر عناصر آلیاژی آن و همچنین نحوه پردازش آن تعیین کنید.
در این مقاله، چهار نوع مختلف فولاد، به همراه نحوه طبقه‌بندی آنها، انواع مختلف فولاد و روش‌های عملیات حرارتی مورد استفاده برای بهبود خواص مکانیکی فولاد را مورد بحث قرار می‌دهیم.
چهار نوع فولاد
فولاد درجه بندی و به چهار گروه طبقه بندی می شود:
- فولادهای کربنی
- فولادهای آلیاژی
- فولادهای ضد زنگ
- فولادهای ابزار
این بسیاری از اشکال فولاد از چه ساخته شده اند و چه هدفی را دنبال می کنند؟ بیایید دریابیم!
فولادهای کربنی
جدا از کربن و آهن، فولادهای کربنی تنها حاوی مقادیر کمی از اجزای دیگر هستند. فولادهای کربنی رایج ترین فولاد در بین چهار گرید فولادی هستند که 90 درصد کل تولید فولاد را تشکیل می دهند! فولاد کربنی بر اساس میزان کربن موجود در فلز به سه زیر گروه طبقه بندی می شود:
- فولادهای کم کربن / فولادهای ملایم (تا 0.3٪ کربن)
- فولادهای کربن متوسط (0.3-0.6٪ کربن)
- فولادهای پرکربن (بیش از 0.6 درصد کربن)
درباره فولادهای کربنی در راهنمای فولاد ملایم ما در مقابل فولاد کربنی بیشتر بیاموزید!
شرکت ها اغلب این فولادها را در مقادیر زیاد تولید می کنند زیرا نسبتاً ارزان هستند و به اندازه کافی قوی هستند که در ساختمان سازی در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار گیرند.
فولادهای آلیاژی
فولادهای آلیاژی از ترکیب فولاد با عناصر آلیاژی اضافی مانند نیکل، مس، کروم و/یا آلومینیوم ساخته می شوند. ترکیب این عناصر استحکام، شکل پذیری ، مقاومت در برابر خوردگی و ماشین کاری فولاد را بهبود می بخشد.
فولادهای ضد زنگ
گریدهای فولاد ضد زنگ با 10 تا 20 درصد کروم و همچنین نیکل، سیلیکون، منگنز و کربن آلیاژ می شوند. این فولادها به دلیل ظرفیت افزایش یافته خود برای زنده ماندن در آب و هوای نامساعد، مقاومت در برابر خوردگی فوق العاده بالایی دارند و برای استفاده در ساخت و ساز در فضای باز ایمن هستند. نمرات فولاد ضد زنگ نیز معمولا در دستگاه های الکتریکی استفاده می شود.
به عنوان مثال، فولاد ضد زنگ 304 به دلیل توانایی آن در مقاومت در برابر محیط و در عین حال ایمن نگه داشتن مواد الکتریکی به طور گسترده ای مورد توجه قرار گرفته است.
در حالی که گریدهای مختلف فولاد ضد زنگ، از جمله فولاد ضد زنگ 304، جایگاهی در ساختمان ها دارند، فولاد ضد زنگ بیشتر به دلیل ویژگی های بهداشتی آن مورد توجه قرار می گیرد. این فولادها به طور گسترده در دستگاه های پزشکی، لوله ها، مخازن تحت فشار، ابزارهای برش و ماشین آلات پردازش مواد غذایی یافت می شوند.
فولادهای ابزار
فولادهای ابزار همانطور که از نام آن پیداست در تجهیزات برش و حفاری برتری دارند. وجود تنگستن، مولیبدن، کبالت و وانادیوم به بهبود مقاومت حرارتی و دوام عمومی کمک می کند. و از آنجایی که آنها شکل خود را حتی در صورت استفاده زیاد حفظ می کنند، مواد ترجیحی برای اکثر ابزارهای دستی هستند. در اینجا با نحوه ساخت فولاد ابزار آشنا شوید !
طبقه بندی فولاد
فراتر از چهار گروه، فولاد را نیز می توان بر اساس متغیرهای مختلفی طبقه بندی کرد که عبارتند از:
- ترکیب : محدوده کربن، آلیاژ، ضد زنگ و غیره
- روش تکمیل : نورد گرم، نورد سرد، پایان سرد و غیره.
- روش تولید : کوره الکتریکی، ریخته گری پیوسته و غیره.
- ریزساختار : فریتی، پرلیتی، مارتنزیتی و غیره
- قدرت فیزیکی : طبق استانداردهای ASTM
- فرآیند اکسید زدایی : کشته یا نیمه کشته
- عملیات حرارتی : بازپخت، تمپر و غیره
- نامگذاری کیفیت : کیفیت تجاری، کیفیت مخازن تحت فشار، کیفیت طراحی و غیره.
سیستم های درجه بندی فولاد
سیستم های درجه بندی فولاد به ما این امکان را می دهد که انواع فولاد را بر اساس موارد استفاده آنها دسته بندی کنیم. برای مثال، سرعت خنک شدن فولاد توسط سازندگان فولاد ممکن است بر استحکام مولکولی آن تأثیر بگذارد. مدت زمانی که آنها می توانند فولاد را در دمای بحرانی در طول فرآیند خنک سازی حفظ کنند نیز ضروری است. در واقع، دو ورق فولاد با محتوای آلیاژی یکسان بسته به روش عملیات حرارتی، می‌توانند گریدهای مختلفی داشته باشند.
در بریتانیا و اروپا، گریدهای فولاد بر اساس سیستم کدگذاری استاندارد ISO طبقه‌بندی می‌شوند که شامل دو رقم برای نشان دادن کشور – BS – و همچنین یک پیشوند EN برای نشان دادن این است که استاندارد توسط یک سازمان استاندارد اروپایی منطقه‌ای پذیرفته شده است.
الزامات قانونی اساسی در بریتانیای کبیر مانند قوانین اتحادیه اروپا است. پیش از این، درجه بندی با استفاده از استانداردهای BSI (استانداردهای بریتانیایی) انجام می شد که امروزه معمولاً برای گریدهای فولادی خاص استفاده می شود. استانداردهای تعیین شده دارای پیشوند BS، EN، EN ISO یا EN IEC هستند.
استانداردهای درجه بندی فولاد اغلب برای اطمینان از کیفیت و سازگاری مواد توسط دانشمندان، مهندسان، معماران، مهندسان خودرو و ارگان های دولتی استفاده می شود. این استانداردها اصطلاحات منسجمی را برای بیان خصوصیات فولاد با جزئیات زیاد و همچنین هدایت تولیدکنندگان محصول به سمت تکنیک های پردازش و کاربرد مناسب ارائه می کنند.
درجات فولاد
سیستم های درجه بندی فولاد، ترکیب شیمیایی، تصفیه و کیفیت مکانیکی را در نظر می گیرند تا به سازندگان کمک کنند تا بهترین محصول را برای کاربرد خود انتخاب کنند. جدا از درصد واقعی کربن و سایر آلیاژها در مواد، ریزساختار تأثیر قابل توجهی بر خواص مکانیکی فولاد دارد.
ریزساختار
درک معنای ریزساختار و چگونگی اصلاح ریزساختار فولاد از طریق شکل دهی سرد و گرم و همچنین پس از ساخت بسیار مهم است. از این روش ها می توان برای ایجاد کالاهایی با کیفیت های مکانیکی منحصر به فرد استفاده کرد. دستکاری ترکیب شیمیایی و ریزساختار، از سوی دیگر، منجر به مبادله بین کیفیت های متمایز می شود.
ریزساختار یک ماده روشی است که مولکول‌ها با نیروهایی که بین آنها اعمال می‌شود به یکدیگر پیوند می‌دهند. عملیات گرمایش و سرمایش برای جابجایی ریزساختار از یک شکل به شکل دیگر استفاده می‌شود که بر ویژگی‌های ماده تأثیر می‌گذارد.
ریزساختار را نمی توان با چشم انسان دید اما می توان آن را زیر میکروسکوپ بررسی کرد. فولاد می تواند ریزساختارهای مختلفی از جمله فریت ، پرلیت ، مارتنزیت ، سمنتیت و آستنیت داشته باشد .
فریت
ساختار مولکولی آهن خالص در دمای معمولی فریت نامیده می شود. این ریزساختار در فولاد با محتوای کربن بسیار کم نیز یافت می شود. ساختار کریستالی مکعبی بدنه (BCC) ویژگی متمایز فریت است. مولکول‌های موجود در BCC نسبت به سایر ریزساختارها که حاوی مولکول‌های بیشتری در هر مکعب هستند، شل‌تر هستند.
با این حال، در دمای اتاق، مقدار کربنی که ممکن است بدون تأثیر بر ساختار فریت عرضه شود به 0.006٪ محدود می شود.
آستنیت
آستنیت یک ریزساختار است که وقتی آلیاژهای مبتنی بر آهن بیش از 1500 درجه فارنهایت اما کمتر از 1800 درجه فارنهایت (982 درجه سانتیگراد) گرم می شوند، ایجاد می شود. اگر آلیاژ صحیحی مانند نیکل در فولاد وجود داشته باشد، ماده حتی پس از سرد شدن نیز ریزساختار خود را حفظ می کند.
آستنیت با ساختار کریستالی مکعبی (FCC) آن متمایز می شود. مولکول های موجود در آستنیت متراکم تر از مولکول های موجود در فریت هستند. آستنیت، یک ریزساختار متداول از فولاد ضد زنگ، می تواند تا 2 درصد کربن داشته باشد.
سیمانیت
هنگامی که فولاد کربنی تا دمای آستنیت گرم می شود و متعاقباً بدون هیچ آلیاژی خنک می شود تا شکل آستنیت حفظ شود، ریزساختار به فریت باز می گردد.
با این حال، اگر سطح کربن بیش از 0.006٪ باشد، اتم های کربن اضافی با آهن پیوند می خورند و کاربید آهن (Fe3C) که به عنوان سمنتیت نیز شناخته می شود، ایجاد می کنند. سیمانیت به خودی خود تشکیل نمی شود زیرا بخشی از ماده فریت است.
پرلیت
پرلیت یک ماده چند لایه است که از لایه های متناوب فریت و سمنتیت تشکیل شده است. زمانی اتفاق می‌افتد که فولاد به تدریج سرد می‌شود و یک ترکیب یوتکتیک ایجاد می‌کند. یک مخلوط یوتکتیک زمانی اتفاق می افتد که دو ماده مذاب به طور همزمان متبلور شوند. در این شرایط، فریت و سمنتیت به طور همزمان تشکیل می‌شوند و در نتیجه لایه‌های متناوب در ریزساختار ایجاد می‌شوند.
مارتنزیت
مارتنزیت دارای ساختار کریستالی چهارضلعی است که بدن محور است. این شکل میکروکریستالی با خنک شدن سریع فولاد به دست می آید که اتم های کربن را در داخل شبکه آهن به دام می اندازد. محصول نهایی یک ساختار آهن و کربن سوزنی است. فولاد با ساختار میکروکریستالی مارتنزیت معمولاً یک آلیاژ فولادی کم کربن با حدود 12 درصد کروم است.
شکل دهی سرد و گرم
برای جلوگیری از خوردگی، فولاد مذاب باید به شکل نهایی درآید و سپس تکمیل شود. فولاد اغلب به شکل های آماده ماشین آلات مانند بلوم، بیلت و اسلب ریخته می شود. سپس از نورد برای شکل دادن به قالب ها استفاده می شود. بسته به جنس و کاربرد مورد نظر، نورد را می توان گرم، گرم یا سرد انجام داد.
تغییر شکل فشاری در هنگام نورد با استفاده از دو رول کار انجام می شود. رول ها به سرعت می چرخند و فولاد را بین خود می کشند و فشرده می کنند.
شکل گیری سرد
شکل دهی سرد فرآیند نورد فولاد در دماهای پایین تر از دمای تبلور مجدد آن است. فشار اعمال شده توسط رول ها بر روی فولاد باعث ایجاد نابجایی در ریزساختار ماده می شود و در نتیجه دانه هایی در ماده ایجاد می شود.
با افزایش تعداد نابجایی ها، فولاد سخت تر می شود و تغییر شکل آن سخت تر می شود. نورد سرد همچنین باعث ایجاد شکنندگی در فولاد می شود که با عملیات حرارتی قابل رفع است.
پس از تکمیل نورد، قطعات فولادی با استفاده از تکنیک‌های پردازش ثانویه برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی و بهبود خواص مکانیکی خود، مانند:
- پوشش
- درمان سطحی
- عملیات حرارتی
روش های مختلف عملیات حرارتی فولاد
کروی شدن
کروی شدن زمانی اتفاق می افتد که فولاد کربنی به مدت 30 ساعت تا دمای 1290 درجه فارنهایت (699 درجه سانتیگراد) گرم شود. لایه های سیمانیت ریزساختار پرلیت به شکل کروی تغییر یافته و در نتیجه نرم ترین و انعطاف پذیرترین شکل فولاد به وجود می آید.
بازپخت کامل
فولاد کربنی ابتدا با حرارت دادن کمی فراتر از دمای بحرانی بالا به مدت یک ساعت و سپس با سرعت حدود 36 درجه فارنهایت (2 درجه سانتیگراد) در ساعت بازپخت می شود. این روش ساختار پرلیتی درشتی را ایجاد می کند که انعطاف پذیر و عاری از کشش های داخلی است.
فرآیند آنیلینگ
در فولاد سرد کار شده و کم کربن (> 0.3% C)، فرآیند بازپخت استرس را کاهش می دهد. به مدت یک ساعت، فولاد تا 1025-1292 درجه فارنهایت (552-700 درجه سانتیگراد) گرم می شود. قبل از سرد شدن، نابجایی ها در ریزساختار با بازسازی کریستال اصلاح می شوند.
آنیل همدما
فولاد پر کربن ابتدا بالاتر از دمای بحرانی بالایی خود گرم می شود. سپس دما حفظ می شود، به دمای بحرانی کمتر کاهش می یابد و یک بار دیگر حفظ می شود. پس از آن به تدریج تا دمای اتاق خنک می شود. این روش تضمین می‌کند که ماده قبل از شروع به مرحله خنک‌سازی بعدی به دمای یکنواخت و ریزساختار رسیده است.
عادی سازی
به مدت یک ساعت، فولاد کربنی تا دمای عادی گرم می شود. فولاد اکنون به طور کامل وارد فاز آستنیت شده است. سپس فولاد توسط هوا خنک می شود. نرمال سازی منجر به یک ریزساختار پرلیتی ظریف با استحکام و سختی بالا می شود.
خاموش کردن
در این فرآیند، فولاد متوسط یا کربنی تا دمای عادی حرارت داده می‌شود، سپس (سرد شدن سریع در آب، آب نمک یا روغن) تا دمای بحرانی بالا خاموش می‌شود. فرآیند کوئنچ منجر به ساختار مارتنزیتی می شود که بسیار سخت اما شکننده است.
حرارت دادن فولاد خاموش شده
این محبوب ترین عملیات حرارتی است زیرا نتیجه قابل پیش بینی است. فولاد کوئنچ شده مجدداً گرم و سرد می شود تا دمای کمتر از نقطه بحرانی پایین تر. دماها بسته به اثر مورد نظر متفاوت است و 298-401 درجه فارنهایت (148-205 درجه سانتیگراد) معمول ترین آنها است.
بهترین عیار فولاد چیست؟
هیچ درجه جهانی “بهترین” فولاد وجود ندارد، زیرا عیار فولاد بهینه برای یک کاربرد به عوامل بسیاری مانند کاربرد مورد نظر، الزامات مکانیکی و فیزیکی و محدودیت های مالی بستگی دارد.
گریدهای فولادی که به طور مرتب مورد استفاده قرار می گیرند و سری های برتر هر نوع محسوب می شوند عبارتند از:
- فولادهای کربنی : S235JR، S275JR، S355، EN3B، EN8، EN9 و EN19
- فولادهای آلیاژی : EN24، EN31، EN36، و 14NiCrMo13-4
- فولادهای ضد زنگ : 304، 316، 430 و 440 درجه سانتیگراد
- فولادهای ابزار : BD2، BH13، BM2 و BO1
افکار نهایی
برای یافتن درجه بهینه فولاد برای کاربرد خود، از محل سوپرمارکت فلزی دیدن کنید تا با یکی از کارشناسان فلزی ما صحبت کنید. ما تمام نیازهای فولادی شما را پوشش می دهیم. شما می توانید هر اندازه که نیاز دارید فلز بخرید، سریع و آسان، بدون حداقل اندازه سفارش!
