شنبه , ۱۳ آذر ۱۳۹۵
دانلود رایگان نرم افزار آنالیز تصویر + فیلم آموزشی
Carbon steel

فولاد های کربنی

فولاد های کربنی

ارسالی از : محمدرضا اکبری

فولاد

اصطلاح فولاد یا پولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰٫۰۰۲ درصد تا ۲٫۱ درصد وزن خود کربن دارند بکار می‌رود. فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.

فولاد پر مصرف ترین فلز صنعتی است و مصرفش پیوسته افزایش می‌یابد. امروزه تولید فولاد جهان نزدیک به هزار و سیصد میلیون تن در سال است. گفته می‌شود فولاد سازی از هندوستان به ایران آمده است، زیرا در دوران باستان، فولاد هندی بنام بوده است. فولاد چند جوشی است. برای ساختن فولاد، کربن آهن خامِ سفید را می‌سوزانند، تا از۵/۳ تا ۶٪ به ۲/۰ تا ۵/۱٪ وزنش کاهش یابد، عنصر‌های دیگر را در آن اندازه می‌کنند تا فولاد خواسته شده ساخته شود .[۱]

عنصرهای هم جوش شده با فولاد[۱]

عنصرهای همجوش شده با فولاد، به فولاد خاصیت‌های گوناگون می‌دهند، که در زیر نوشته شده است: کربن :با آهن ترکیب می‌شود و نشان دهنده جنس فولاد می‌باشد. کربن فولاد را ترد می‌کند، به تاب کششی آن می‌افزاید، مرز تناسب میان تنش و انبساط فولاد را بالا می‌برد و سختی آن را زیاد می‌کند. هر چه کربن در فولاد کمتر باشد، جنس آن نرم تر و چکش خوری آن بیشتر است. کربن در گرمای ۱۵۲۰ درجه و فولاد با ۸۵٪ کربن، در ۱۴۶۰ درجه آب می‌شود. اگر کربن در فولاد از ۳٪ وزن آن کمتر باشد، دیگر نمی‌توان آن را آب داد و به کار افزار سازی نمی‌خورد. منگنز: تاب کششی فولاد را زیاد و آن را سخت می‌کند، به اندازه‌ای که شکل دادن به آن سخت می‌شود، به فولاد از ۵/۰ تا ۱٪ وزنش منگنز می‌زنند. با فولاد منگنزی؛ تکه‌های فولادی سخت مانند ساچمه فلزی می سازنند. سیلیسیم: تاب کششی فولاد را بالا می‌برد و سختی آن را زیاد می‌کند. فولاد سیلیسیمی ترد و نورد زدنش دشوار است، به فولاد تا ۳۵٪ وزنش سیلیسیم می‌زنند. گوگرد: فولاد آب شده را کند روان می‌کند و از تاب ضربه‌ای آن می‌کاهد، تا آنجا که فولاد گوگرد دار سرخ شده با ضربه پتک می‌شکند. به فولاد از ۰۶/۰ با ۲/۰٪ وزنش گوگرد می‌زنند. فسفر :فولاد را ترد می‌کند، اگر فولاد بیش از اندازه فسفر داشته باشد، شکننده می‌شود تا جایی که در سرمای زمستان، ریل‌های فسفر دار راه آهن زیر ضربهٔ چرخ‌های قطار راه آهن می‌شکنند. کرم: به تاب کششی فولاد می‌افزاید و از زنگ زدن آن جلوگیری می‌کند. کارد، قاشق، چنگال و ظرف‌های فولادی زنگ نزن را از فولاد کرم دار می‌سازند. مس: برای جلوگیری از زنگ زدن فولاد در آب دریا، به آن مس می‌افزایند. فولاد مس دار، در ساختن سپر‌ها و شمع‌های فولادی سکوها و اسکله‌های بندری و ساختمان‌های دریایی مصرف می‌شود .[۱]

کاربرد انواع مختلف فولاد[۱]

از فولادی که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود. فولاد، انواع فراوانی دارد. که همه آن موارد در جدول کلید فولاد قابل دسترس می‌باشد.

ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد[۱]

آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن، گوگرد، فسفر، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی‌های دیگر است. در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود:

  • سوزاندن ناخالصی‌های چدن
  • افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن
  • منگنز، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می‌شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می‌شود و کربن هم می‌سوزد و مونوکسید کربن (CO) یا دی‌اکسید کربن (CO۲) در می‌آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولاً دی‌اکسید سیلسیم (SiO۲) است، بکار می‌برند:
  • (MnO + SiO۲——-> MnSiO۳(l
  • و چنانچه ناخالصی اصلی سیلسیم یا فسفر باشد (و معمولاً چنین است)، یک کمک ذوب بازی که معمولاً اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید کلسیم (CaO) است، اضافه می‌کنند:
  • (MgO + SiO۲——-> MgSiO۲(l
  • (۶MgO + P۴O۱۰——-> ۲Mg۳(PO۴)۲(l

کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها[۱]

معمولاً جداره داخلی کوره‌ای را که برای تولید فولاد بکار می‌رود، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، می‌پوشانند. این پوششی مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذب می‌کند. برای جدا کردن ناخالصی‌ها، معمولاً از روش کوره باز استفاده می‌کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جای می‌گیرد.

بالای این ظرف، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می‌کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می‌دهند تا ناخالصی‌های موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می‌آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می‌کشد، البته مقداری از آهن، اکسید می‌شود که آن را جمع‌آوری کرده، به کوره بلند باز می‌گردانند.

روش دیگر جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن[۱]

در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن استفاده می‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه وماده کمک ذوب در کوره‌ای بشکه مانند که گنجایش ۳۰۰ تن بار را دارد، می‌ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می‌دهند. اکسایش ناخالصی‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO۲ رها می‌شوند، توده مذاب را به هم می‌زنند، بطوری که آهن ته ظرف، رو می‌آید. دمای توده مذاب، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریباً به دمای جوش آهن می‌رسد و در چنین دمایی، واکنشها فوق‌العاده سریع بوده، تمامی این فرایند، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می‌شود و معمولاً محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می‌آید.

فولاد های کربنی

 

فولاد های ساده کربنی

فولادهای کربنی  به آن دسته از فولادها اطلاق میشود که کربن اصلی ترین عنصز آلیاژی آن باشد و عناصری نظیر منگنز،سیلیسیم و آلومینیم بمیزان کم در آن حضور داشته و فقط بمنظور عملیات کیفی‌(اکسیژن زدایی ،تلقیح و … ) به آن افزوده می گردند.

کربن نقش اساسی را در افزایش استحکام فولادها ایفا میکند و این استحکام تا حد زیادی بمیزان کربن موجود در آلیاژ بستگی دارد .

فولادهای ساده کربنی به چهار دسته تقسیم بندی می شوند که عبارتند از :

۱-     فولادهای کم کربن، Low Carbon Steel، با حداکثر ۱۵/۰ درصد کربن

۲-     فولادهای با کربن جزئی (معمولی)، Mild Steel، با ۳۰/۰-۱۵/۰ درصد کربن

۳-     فولادهای با کربن متوسط، Medium carbon steel، با ۵۰/۰-۳۰/۰ درصد کربن

۴-     فولادهای با کربن بالا (پرکربن)، High carbon steel، با ۱-۵۰/۰ درصد کربن

 

۱- فولادهای کم کربن:[۳]

درصد کربن این فولادها حداکثر ۱۵/۰% می باشد، در صنعت گاهی به فولادهای کششی نیز معروف می باشند، به علت اینکه تغییر طول نسبی بالایی دارند اکثراً به صورت ورقه های نازک تولید می شوند و گاهی هم به صورت سیم و یا مفتول به کار می روند، همچنین این فولادها از خواص مغناطیسی بالا و از قابلیت جوشکاری خوبی برخوردار بوده و مشکل خاصی در جوشکاری ندارند.  درمواردی که قطعات تحت عملیات حرارتی سختکاری سطحی قرار می گیرند کاربرد خوبی دارند.  هر فلزی که جوش پذیری بهتری داشته باشد و به سادگی بتوان با آن به جوشی که خواص فلز جوش ، منطقه HAZ و فلز پایه یکسان دست یافت، جوشکاری ساده تری دارد.  اگر فلزی جوش پذیری خوبی داشته باشد، با کمترین دانش فنی، می توان آن را به خوبی جوش داد.

در فولادها معمولاً جوش پذیری را با کربن معادل ارتباط می دهند، اکثراً هر چه کربن معادل بالاتر باشد جوش پذیری کمتر می شود، چرا که هر چه کربن معادل بیشتر باشد، سختی پذیری بیشتر می شود.  بنابراین احتمال ایجاد فاز مارتنزیت و ایجاد تردی در فولادها بیشتر می شود، بنابراین جوش پذیری کاهش می یابد.  به عبارت دیگر اتصال این فولادها با کمتر از ۱۵/۰% کربن که به عنوان فولادهای کم کربن شناخته می شوند، با روشهای جوشکاری و لحیم کاری به سهولت انجام می شود.

این فولادها دارای سختی پذیری پایینی هستند.  یک فولاد حاوی ۱۵/۰% کربن وقتی با سرعت بالا سرد شود قابلیت سخت شوندگی HRC40-30 را دارد.

۲- فولاد با کربن جزئی [۳]

درصد کربن در این فولادها ۳۰/۰ % -۱۵/۰% می باشد و آنها را فولادهای نرم می نامند.  این فولادها دارای جوش پذیری خوبی هستند.  تغییر طول نسبی کمتری نسبت به فولاد کم کربن دارند، اما این فولادها استحکام کششی بهتری دارند.  معمولاً به صورت Plate  دیده می شوند و گاهی اوقات به صورت نبشی و میلگرد نیز تولید می شوند.  معرفترین فولاد از این دسته از فولادها، ST37 می باشد.

فولادهای کم کربن و کربن جزئی را به عنوان فولادهای ساختمانی می شناسند و در صنعت به آنها آهن آلات گفته می شود. جوشکاری با الکترود دستی معمول ترین روش جوشکاری فولادهای کم کربن و کربن جزئی می باشد، همچنین جوشکاری با قوس زیر پودری نیز دیگر روش معمول برای جوشکاری این دو نوع فولاد می باشد.

۳- فولادهای کربن متوسط [۳]

درصد کربن در این فولادها ۵۰/۰ % -۳۰/۰% می باشد و تغییر چشم گیری در قابلیت جوش پذیری نسبت به دو گروه قبل دارند.  فولادهای کربن متوسط به صورت گسترده ای در فولادهای ابزار  مورد استفاده قرار می گیرند.  بسیاری از این فولادها به دلیل مقاومت به سایش بالایی که دارند انتخاب می شوند و جهت حصول خواص مطلوب بر روی آنها عملیات حرارتی آنها انجام می گیرد، جوشکاری ممکن است قبل از عملیات حرارتی نهایی صورت گیرد.

فولادهای حاوی حدوداً ۳۰/۰% کربن و مقادیر نسبتاً پایین منگنز دارای قابلیت جوشکاری خوبی می باشند.  اگر فولاد دارای ۵۰/۰% کربن باشد و رویه های جوشکاری فولاد های نرم  برای آن استفاده شود، بی شک در اثر جوشکاری ترک ایجاد می شود.  همچنین هر گاه درصد کربن در فولاد افزایش یابد بایستی رویه های جوشکاری جهت جلوگیری از شکل گیری مقادیر بالای مارتنزیت در منطقه متاثر از حرارت طراحی شود.

 

۴- فولادهای با کربن بالا [۳]

فولادهای با درصد کربن بالاتر از ۵۰/۰% فولاد های پرکربن هستند که قابلیت جوش پذیری خیلی ضعیف دارند.  فولادهای کربن بالا معمولاً برای کاربردهایی که سختی و مقاومت به سایش بالایی نیاز است بکار می رود، این خواص با عملیات حرارتی حاصل می شوند.

فولادهای کربنی را به سه دسته تقسیم میکنند :

۱-میزان کربن پایین تر از ۰٫۲%

۲-میزان کربن بین۰٫۵ – ۰٫۲ %

۳- میزان کربن بالاتر از ۰٫۵ %

فولادهای کربنی کاربرد وسیعی درصنعت داشته و معمولا در حالت آنیل و یا نرمالیزه بکار می روند ولی در موارد خاص در حالت سختکاری و تمپر شده نیز مورد استفاده قرار میگیرند.

همچنین فولادهای کم کربن بدلیل خواص هدایت مغناطیسی کاربرد زیادی در صنعت برق دارند.

در فولادهایی که بمنظور دستیابی به سختی سطحی،تحت عملیات سمانتاسیون قرار میگیرند بعلت ایجاد گرادیان غلظتی از فولادهای کم کربن استفاده میشود. فولادهای ساده کربنی مهمترین گروه آلیاژهای مهندسی هستند. این فولادها به علت هزینه نسبتا کم تولید و داشتن گستره وسیعی از خواص در بین مواد مهندسی در درجه اول اهمیت قرار دارند. کاربرد فولادهای ساده کربنی نامحدود بوده و می تواند شامل ورق، نوار، میله، سیم، محصولات لوله ای، شکل های ساختمانی، آهنگری شده، ریخته گری و … باشد.

فولاد های کربنی:[۳]
فولاد های کربنی بیشترین تناژ تولید قطعات ریختگی فولادی را به خود اختصاص می دهد.این نوع فولاد ها متشکل از :کربن،منگنز،سیلیسیم،فسفر و گوگرد می باشند.کربن بیشترین تاثیر را در خواص مکانیکی قطعات تولیدی بر عهده داشته ،فسفر و گوگرد عناصر نامطلوب (به استثنا فولاد های خوش تراش که درصد گوگرد در آن را به منظور سهولت تراش فولاد،حدود ۱ درصد در نظر می گیرند)می باشند.گوگرد از سیالیت مذاب فولاد کاسته و تمایل به ایجاد ترکهای حرارتی گرم را (که در جریان انجماد قطعه پیش می آید)افزایش می دهد.فسفر نیز موجب تنزل مقاومت قطعات ریختگی در مقابل ضربه شده و با افزایش مقدار آن در فولاد مقاومت قطعات در برابر ضربه شدیدا(به خصوص در درجات حرارتی پایین)کاهش می یابد.به دلایل فوق مجموع فسفر و گوگرد در فولاد نبایستی از مرز ۱/۰ درصد تجاوز نماید.
با افزایش مقدار کربن در فولاد،استحکام نهایی،سختی و تنش تسلیم قطعات افزایش یافته و در مقابل از درصد ازدیاد طول نسبی ،درصد کاهش سطح مقطع کششی و مقاومت در مقابل ضربه آنها کاسته می شود.منگنز در فولاد عنصر اکسیژن زدا بوده و نقش مهم دیگر آن (نظیر حالت چدنها)خنثی نمودن تاثیر مضر گوگرد(جلوگیری از پیدایش FeS)و کمک به ایجاد MnS است. به این منظور مقدار منگنز را بایستی بیش از مقدار S 71 /1 Mnدر نظر گرفت.مقدار منگنز در این نوع فولاد ها معمولا بین ۳/۰ تا ۸/۰ درصد است. سیلیسیم نیز نظیر منگنز عنصری اکسیژن زدا بوده و به منظور کنترل گاز های محتوی مذاب مورد استفاده قرار می گیرد.مقدار سیلیسیم در این نوع فولاد ها بین ۲/۰ تا ۵/۰ درصد است.
منگنز و سیلیسیم در فولاد به صورت محلول بوده لذا در زیر میکروسکوپ قابل رویت نیستند. هر دو این عناصر قابلیت سختی پذیری قطعات ریختگی را (در جریان عملیات حرارتی و سرد کردن)افزایش می دهد. سولفور منگنز به صورت فازی خاکستری رنگ در ساختار میکروسکوپی قطعات فولادی دیده می شود.فسفر برخلاف حالت چدن ها که به صورت فاز استدیت در ساختار میکروسکوپی قطعات قابل رویت است در قطعات فولادی به علت محلول بودن آن در فولاد قابل مشاهده نیست.
بسته به شرایط مصرف و ویژگی های فولاد های کربنی قطعات ریختگی را می توان در سه گروه زیر تقسیم بندی نمود:
گروه اول فولاد های ریختگی برای مقاصد عمومی نظیر پایه ها و اجزای غیر حساس ماشین آلات.گروه دوم برای مقاصد اختصاصی و تولید قطعات صنعتی و مهندسی نظیر شیر ها و اتصالات چرخ دنده ها … و گروه سوم قطعات برای مقاصد ویژه هستند.کار این گونه قطعات در تحت شرایط حساس بوده و رعایت اصول ایمنی و اطمینان از سلامت کار آنها ضروری است.نظیر چرخ قطار،اکسلها،سیستم های تعلیقی نظیر سگ دست خودرو ها و …
تفاوت گروههای فوق در میزان فسفر و گوگرد محتوی فولاد می باشد.
حداکثر مقدار مجاز گوگرد و فسفر در گروههای سه گانه فوق به قرار زیر است:
گروه اول : ۰۵/۰- ۰۷/۰ درصد گوگرد و ۰۵/۰ تا ۰۸/۰ درصد فسفر.
گروه دوم: ۰۴۵/۰ – ۰۶/۰ درصد گوگرد و ۰۴/۰ تا ۰۷/۰ درصد فسفر.
گروه سوم : ۰۴۵/۰ – ۰۵/۰ درصد گوگرد و ۰۴/۰ تا ۰۵/۰ درصد فسفر.
مقدار کربن،منگنز و سیلیسیم فولاد ها در سه گروه فوق یکسان بوده و خواص مکانیکی قطعات تولیدی نیز مشابه خواهد بود.ترکیب شیمیایی فولاد های ساده کربنی در محدوده زیر قرار می گیرند.

منگنز ۵/۰ – ۰/۱
سیلیسیم ۲/۰ – ۸/۰
فسفر حداکثر ۰۵/۰
گوگرد حداکثر ۰۶/۰

فولاد های کم کربن :[۳]

این فولاد ها معمولا محتوی ۱۲/۰ تا ۲/۰ درصد کربن،۳۵/۰ تا ۶۵/۰ درصد منگنز، ۱۵/۰ تا ۲۵/۰ درصد سیلیسیم ،حدود ۰۶/۰ درصد فسفر و نزدیک ۰۵/۰ درصد گوگرد هستند.این نوع فولاد ها دارای سیالیت کم و تمایل به ایجاد ترک های گرم در قطعات ریختگی می باشند.استحکام کششی این نوع فولاد ها در حالت نرماله شده حدود ۴۰ تا ۴۲ کیلوگرم بر میلیمتر مربع (۳۹۴ تا ۴۱۰ نیوتن بر میلیمتر مربع) و ازدیاد طول نسبی حدود ۲۵ درصد می باشند.مصرف اصلی این نوع فولاد ها در صنایع الکتریکی و صنایع ماشین سازی نظیر ریل راه آهن ،بدنه پاتیلها و قاب بدنه موتور ها می باشد. این نوع فولاد ها به دلیل نرمی آن بدون عملیات حرارتی مورد مصرف قرار می گیرند. سطح این نوع فولاد ها را می توان از طریق کربوره کردن سخت نمود.
فولاد های میان کربن :[۳]
محتوی ۲/۰ تا ۵/۰ درصد کربن،۳۵/۰ تا ۸/۰ درصد منگنز،۲/۰ تا ۴۵/۰ درصد سیلیسیم،۰۳/۰ تا ۰۵/۰ درصد فسفر و ۰۳/۰ تا ۰۵/۰ درصد گوگرد می باشند این نوع فولاد ها دارای مشخصه ریخته گری بهتری از فولاد های کم کربن بوده ،سیال تر و تمایل کمتری به ایجاد ترک های گرم در قطعات ریختگی دارند.استحکام کششی آنها بین ۴۲ تا ۵۵ کیلوگرم بر میلیمتر مربع (۴۱۰ تا ۵۴۰ نیوتن بر میلیمتر مربع) و ازدیاد طول نسبی ۱۲ تا ۲۳ درصد می باشند.مصرف اصلی این نوع فولاد ها در صنعت ماشین سازی و در تولید قطعات ریختگی کوچک، متوسط و بزرگ،صنایع حمل و نقل،دستگاههای نورد و ماشین های راهسازی و ساختمانی است.در میان انواع فولاد های ساده کربنی این نوع فولاد ها بیشترین مقدار مصرف را دارا می باشند..

فولاد های پر کربن :[۳]

این نوع فولاد ها محتوی ۵/۰ تا ۶/۱ درصد کربن،۵/۰ تا ۸/۰ درصد منگنز،۰۴/۰ تا ۰۵/۰ درصد فسفر و ۰۴/۰ تا ۰۵/۰ درصد گوگرد هستند.این فولاد ها دارای سیالیت بالا و عدم تمایل به ترک های حرارتی گرم است.مصرف عمده این نوع فولاد ها در تولید قطعاتی نظیر غلتک های نورد گرم،چرخ دنده ها ،قالبهای اکستروژن قطعات مقاوم در مقابل سایش است.

طبقه بندی فولادهای ساده کربنی[۲]

فولادهای ساده کربنی بسته به نوع و کاربردشان در چند سیستم مختلف دسته بندی می شوند و دسته بندی منحصر به فردی که در مورد تمامی فولادهای ساده کربنی به کار رود، وجود ندارد. دو سیستم مختلفی که در این زمینه بیشترین کاربرد را دارند عبارتند از: ASTM و AISI-SAE

 سیستم دسته بندی AISI-SAE برای فولادهای ساده کربنی[۲]

این سیستم در مورد میلگردهای نورد سرد و نورد گرم شده، سیم ها، میله ها و لوله های بدون درز و محصولات نیمه تمام برای آهنگری به کار برده می شود. از آنجا که در فولادهای ساده کربنی، درصد کربن نقش اصلی و تعیین کننده میزان استحکام آنها می باشد، در این سیستم از درصد کربن برای شناسایی فولادهای مختلف استفاده می شود.

برای نامگذاری از چهار عدد استفاده شده که دو عدد اول ۱۰ مشخص کننده فولاد ساده کربنی است. دو رقم بعدی مشخص کننده صدم درصد کربن است. به عنوان مثال؛ عدد ۱۰۲۰ مشخص کننده فولاد ساده کربنی با ۰٫۲% اسمی کربن است.

تاثیر عناصر آلیاژی [۲]

کربن [۲]

در فولادهای کربنی میزان کربن ممکن است از چند صدم درصد تا نزدیک به ۲% تغییر کند.افزایش میزان کربن باعث بالا رفتن خواص سختی و استحکام فولاد میگردد و مقدار پرلیت را در ساختار میکروسکپی افزایش میدهد تا اینکه در ۰٫۸ % کربن ساختار زمینه کاملا پرلیتی خواهد شد.کربن نقش اساسی را در فولادها داراست و آبکاری آنها را ممکن می سازد.فولاد کمتر از ۰٫۲ % کربن عملا آبکاری نمیشود.بیش از این مقدار تا حدود ۱٫۲% سختی فولاد پس از آبکاری به سرعت زیاد می شود.از این حد به بعد،سختی فولاد افزایش نیافته و خصوصیات چکش خواری خود را از دست میدهد.

منگنز [۲]

این عنصر خاصیت اکسیژن زدایی خوبی دارد.اصولا میزان منگنز در فولادهای کربنی بین ۰٫۵ ۰٫۸ %میباشد.

این عنصر با آسانی با گوگرد موجو در مذاب ترکیب شده و سولفید منگنز تشکیل میدهد و از ترکیب گوگرد با آهن جلوگیری میکند.بطور کلی بالا بودن مقدار منگنز باعث درشت شدن دانه های فولاد میشو.در حضور منگنز عملیات آهنگری راحت تر انجام می پذیرد . منگنز مقاومت و سختی را بالا برده و فولاد را جهت آبکاری آماده تر می نماید،منگنز اضافیی فولاد را شکننده تر میکند.

گوگرد [۲]

گوگرد در فولاد بعنوان یک ناخالصی مضر محسوب میشود.این عنصر با آهن یک  ترکیب یوتکتیکی با نقطه ذوب پایین بنام سولفید آهن میدهد.از آنجا که دارای نقطه ذوب پایی است در آخرین مراحل انجماد و در مرز دانه ها منجمد شده م باعث تردی و شکنندگی فولاد میشود. همچنین این ترکیب با توجه به نقطه ذوب پایینی که دارد در حین عملیات حرارتی ،ذوب شده و باعث گسیختگی و ترک میگردد. وجود منگنز در فولاد بعلت میل ترکیبی بیشتر آن با گوگرد نسبت به آهن باعث ترکیب MnS میگردد. MnS دارای نقطه ذوب بالاتری نسبت به FeS میباشد (۱۶۱۰) و بهمین دلیل در اثر حضور منگنز ،مسئله گسیختگی و ترک به حداقل می رد.

عناصری نظیر Be,Zr,Cr,Ti  اثرات مخرب گوگرد را کاهش داده و یا ازبین می برند و در مقابل عناصری نظیر Ni,Co,Mo  اثر مضر گوگرد را تشدید میکنند.آخالهای گوگرد اثرات بسیار مضری داشته و قابلیت جوشکاری  و مقاومت خوردگی را نیز کاهش میدهند.

به همین دلیل مقدار گوگرد در فولاد باید بسیار  محدود باشد.درصد گوگرد در فولاد بسته به نوع فولاد از ۰٫۰۴ تا ۰٫۰۶ % بوده و در فرآیند جوشکاری تا حد ۰٫۰۲ % تقلیل می یابد.

کاهش مقدار گوگرد سبب افزایش مقاومت به ضریه ی فولاد می شود.

 

فسفر [۲]

فسفر در آهن الفا (فریت) و آهن گاما (آستنینت) حل شده و تشکیل فسفید آهن Fe3P و فاز Fe2P را میدهد ،فسفر در آهن بشدت حد الاستیک و حد گسیختگی را بالا برده و در حالیکه قابلیت پلاستیسیته را بطور قابل توجهی کاهش میدهد.

کاهش شکل پذیری در فولاد در اثر وجود فسفر خود به مقدار کربن موجود در فولاد بستگی داشته و هرچه مقدار آن بیشتر باشد اثر فسفر بر روی کاهش خاصیت پلاستیسیته بیشر است برای اکثر فولادها ،فسفر یک ناخالصی محسوب می گردد و مقدار درصو آن بسته به مرغوبیت فولاد ،نباید از ۰٫۰۰۲۵ تا ۰٫۰۵ % تجوز کند.

سیلیسیم[۲]

سیلیسیم به عنوان اکسیژن زدا، حین فولادسازی به مذاب اضافه شده و تشکیل آخال های SiO2 می دهد. میزان سیلیسیم فولاد ساده کربنی می تواند از ۰٫۱ تا ۰٫۳% متغیر باشد.

در مقایسه با فولادهای کم کربن عملیات حرارتی ناپذیر که کربنی بین ۰٫۰۶ تا ۰٫۱ درصد دارند، فولادهای دسته اول دارای سختی و استحکام بیشتری بوده ولی شکل پذیری سرد کمتری دارند. استحکام این دسته فولادها را می توان با عملیات حرارتی بالا برد اما این روش اقتصادی نمی باشد. جهت افزایش سختی این فولادها، آنها را کربوره کرده یا به طور سطحی سخت می کنند. برای کربوره کردن معمولا فولادهای AISI 1016,1018,1019 انتخاب شده و برای مقاطع بزرگتر، فولادهای AISI1015,1020,1022 به کار می رود.

دسته دوم، فولادهای کربن متوسط، کربن بیشتری داشته و معمولا با کوئنچ و تمپر (آب دهی و برگشت)، استحکام می یابند. اگر انتخاب محلول و دمای کوئنچ (آبدهی) مناسب باشد، می توان محدوده وسیعی از خواص مکانیکی را بدست آورد. در بین این سه گروه از فولادهای ساده کربنی سختی پذیر، دسته دوم بیشترین و وسیع ترین کاربرد را داشته و بیشتر قطعات خودرو از این فولادها ساخته می شوند.

دسته سوم فولادهای ساده کربنی که کربنی بالاتر از ۰٫۵۵% دارند، نسبت به فولادهای کربن متوسط کاربرد کمتری دارند زیرا هزینه تولید و ساخت آنها گران تر بوده و قابلیت جوشکاری و شکل پذیری کمتری دارند. و چون کربن بیشتری دارند در اثر فرایند آبدهی، حداکثر سختی را به دست می آورند.

 

کاربرد فولادهای کربنی ساده [۲]

در این بخش،کاربرد فولادهای کرنی ساده را در سه گروه کم کربن ،کربن متوسط و پر کربن مورد بررسی قرار میدهیم.

گروه اول که فولادهای ساده کم کربن قار دارند برای عموم قسعات مهندسی،ساختمان کشتی ها،راه آهن بکار میروند. همچنین این فولادها از خواص مغناطیسی بالا و قابلیت جوشکاری خوبی برخوردار بوده و در مواردی که قطعات تحت عملیات سختی سطحی قزاز میگیرند،کاربرد خوبی دارند .

برای فولادهای کربن متوسط میتوان به صنایع حمل  و نقل ،راه آهن ،ماشین آلات و دستگاه های نورد اشاره کرد و همچنین وقتی که سایش در حدئ متوسط مدنظر باشد ،مورد استفاده قرار میگیرند .

در مواردی که قطعات ریخته شده میبایستی تز سختی بالایی برخوردار باشند، فولادهای ساده پر کربن کاربرد بسیار خوبی داشته و همچنین در ساخت غلطکها،ابزارآلات ماشینهای صنعتی ،طعات مقاوم به سایش نیز بکار می روند.

اصولا در فولادهای کربنی ساده و عاری از هرگونه عنصر آلیاژی ، با ازدیاد در صد کربن خواسی از قبیل چقرمگی و قابلیت جوشکاری کاهش پیدا کرده و در مقابل استحکام آن افزایش می یابد.

ساختار میکروسکپی [۲]

اگر یک فولاد ساده کربنی(کربن کمتر از ۰٫۵%) را به آهستگی داخل یک قالب سرد کنیم،فاز دلتا اولین فاز جامدی است که جوانه میزند ،در صورتی که سیکل سرد کردن این فولاد را ادامه دهیم ،فاز آستنیت از فاز (مذاب + دلتا ) جوانه زده و با کاهش بیشتر درجه حرارت،آستنیت به فاز فریت بصورت ساختار ویدمن اشتاتن(widmaneshtaten)تبدیل می گردد.در دمای یونکتوئید ، آستنیت باقیمانده به پرلیت تحول شافته که نتیجتاً پس از سر شده ، ساختار نهایی قطعه :فریتی ویدمن اشتاتن (مناطق روشن)که در مرزدانه های آستنیت رسوب کرده و لایه های تیره رنگ فریت و سمنتیت(پرلیت) خواهد بود.بطور کلی این فولاد در شرایط ریختگی از خواص پایینی برخوردار است به همین دلیل برای دستیابی به خواص مطلوب آنرا داخل کوره تا دمای آستنیت خرارت می دهند که میزان دمای کوره به درسو کربن فولاد بسگی دارد،وسپس بسته به خواص مورد نیاز آنرا با سرعت های متفاوت سرد میکنند.در اثر این عمل استحکام فولاد افزایش می یابد.

 

خواص مکانیکی فولادهای کربنی [۲]

همانطور که میدانید ،میتوان فولادهای کربنی با خواص استحکامی متنوعی از طریق عملیات حرارتی تولید کرد.با انتخاب ترکیب شیمیایی و عملیت حرارتی مناسب مجموعه ای از خواص نظیر استحکام ،سختی ،انعطاف پذیری ،مقاومت به خستگی و استحکام ضربه ای ،قابل دسترس میباشد.دلی رابطه بین این خواص از نکات مهم و قابل توجه می باشد.مثلا سختی بالا ،کاهش چقرمگی را بهمراو دارد و بالعکس.

در فولادهای کربنی با توجه به ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی مناسب به استحکام کششی بالاتر از ۹۸۰ N/mm2(نیوتون بر میلیمتر مربع ) نیز میتوان دست یافت! استحکام کششی و سختی فولادهای کربنی رابطه مستقیمی با انعطاف پذیری آنها دارد.

منابع:

[۱] حامی، احمد. مصالح شناسی. انتشارات دانشگاه تهران، ۱۳۸۸٫

http://www.iranstainless.com/fa/index.asp?p=pages&id=27 [2]

http://nmclass.blogfa.com/post-19.aspx  [۳]

درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

RavrJ_big_03

تست غیر مخرب مایعات نافذ pt

موضوع پروژه :تست مایعات نافذ PT در صنعت دانشجویان: هادی جوان بخت  /  علی تلگردی …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.