آلیاژ های آهنی (فولاد ها)

آلیاژ های آهنی (فولاد ها)

در این مقاله به معرفی و بررسی انواع فولاد ها، چگونگی دسته بندی آنها و سپس تحلیل دقیق فولاد های ساده کربنی می پردازیم.

فولاد آلیاژ ی از آهن است که بین 0.002 تا 2.1 درصد آن را کربن تشکیل می دهد.

خواص فولاد ها به درصد کربن ، عملیات حرارتی و سایر عناصر موجود در آن آلیاژ وابسته است.

فولاد ها را بر اساس معیار های متفاوتی می توان دسته بندی کرد:

1.    بر اساس ترکیب شیمیایی: فولاد های کربنی و فولاد های آلیاژی

2.    بر اساس کیفیت: فولاد های تجاری، فولاد های تمیز و فولاد های فوق تمیز

3.    بر اساس کاربرد: فولاد های ساختمانی، فنر ، ابزار ، مقاوم در برابر سایش، زنگ نزن ، مغناطیسی، سخت شونده سطحی و فولاد های مورد استفاده در دما های زیر صفر

·       قصد داریم در این مطلب با استناد به ترکیب شیمیایی فولاد ها، دسته بندی فولاد های ساده کربنی را بررسی کنیم.

فولاد های ساده کربنی :

فولاد های ساده کربنی را می توان با توجه به مقدار کربن به گروههای زیر دسته بندی کرد:

فولاد های کم کربن با کربن کمتر از 0.25 درصد : مصرف اصلی این نوع فولاد ها در صنایع الکتر یکی و صنایع ماشین سازی نظیر ریل راه آهن، بدنه پاتیلها و قاب بدنه موتورها می باشد. این نوع فولاد ها نرم بوده و بدون عملیات حرارتی مورد مصرف قرار می گیرد. سطح این نوع فولاد ها را می توان از طریق کربوره کردن سخت نمود.

فولاد های کربن متوسط با 0.25 تا 0.55 درصد کربن: این نوع فولاد ها دارای مشخصه ریخته گری بهتری نسبت به فولاد های کم کربن بوده، سیالیت بيشتر و تمایل کمتری به ایجاد ترکهای گرم در قطعات ریختگی دارند. مصرف اصلی این نوع فولاد ها در صنعت ماشین سازی، صنایع حمل و نقل، دستگاه های نورد، ماشینهای راه سازی، قطعات خودرو و قطعات ریختگی کوچک، متوسط و بزرگ است. در میان انواع فولاد های ساده کربنی این نوع فولاد ها بیشترین مقدار مصرف را دارند.

فولاد های پرکربن با 0.55 تا 1.7 درصد کربن: این فولاد ها نسبت به فولاد های كربن متوسط کاربرد کمتری دارند، زیرا هزینه تولید آنها بیشتر و شکل پذیری و قابلیت جوشکاری آنها ضعیف تر است.

مصرف عمده این نوع فولاد ها در تولید قطعاتی نظیر غلتک های نورد گرم، چرخ دندهها، قالب های اکستروژن و قطعات مقاوم به سایش است.

فولاد هاى ساده كربنى بسته به نوع وكاربرد آن در چند سيستم مختلف دسته بندى مى شوند. بنابراين يك دسته بندى واحد كه در تمام فولاد هاى ساده كربنى به كار رود، وجود ندارد. دو سيستمى كه بيشتر به كار مى روند عبارتند از:  سيستمAISI-SAEو

.ASTM

سيستم دسته بندى AISI-SAE براى فولاد های ساده كربنى:

از آنجا كه درصد كربن فولاد هاى ساده كربنى تعيين كننده استحكام آنهاست، درصد كربن در اين سيستم برای شناسايى فولاد های مختلف به كار مى رود. در اين سيستم براى نامگذارى از چهار عدد استفاده مى شود كه دو عدد اول »10« مشخص كننده فولاد ساده كربنى است. دو رقم بعدى مشخص كننده صدم درصد كربن است. به عنوان مثال، عدد1040 مشخص كننده فولاد ساده كربنى با 0.4 درصد كربن است. در مورد فولاد های آلياژی دو عدد اول به عناصر موجود آلياژی عمده، و دو يا سه عدد آخر به درصد کربن اشاره می کند.

به عنوان مثال فولاد AISI 4340 يک فولاد آلياژی است که حاوی 0.40 درصد کربن است. اين سيستم در مورد ميل گردهاى نورد سرد و گرم، سيم ها، ميله ها و لوله هاى بدون درز و محصولات نيمه تمام براى آهنگرى به كار می رود.

سيستم ASTM در سيستم ASTM برای نشان دادن خواص موردنظر، استانداردهايى برای آلياژ هاى مختلف نوشته شده است. استاندارد ASTM علاوه بر تركيب شيميايى، خواص مكانيكى و غالباً روش ساخت و عمليات حرارتى را نيز درنظر می گيرد. به عنوان مثال فولاد هاى ورق بيشتر بر مبنای ASTM دسته بندی مى شوند.

فولاد های ساده کربنی علاوه بر کربن دارای عناصر ذیل می باشند:

منگنز تا 1 %

گوگرد تا 0.05%

فسفر تا 0.04%

سیلیسیم تا 0.3%

اثر هر یک از این عناصر به طور خلاصه به شرح زیر است؛

منگنز: از 0.35 تا 1 درصد در فولاد ساده کربنی تغییر می کند. منگنز با گوگرد موجود در زمینه فولاد تركيب مى شود و سولفيد منگنز ) MnS ( ايجاد می كند، كه به صورت آخالهاى خاكستری و نرم در فولاد وجود دارد. سولفيد منگنز در داخل دانه ها پراكنده و در جهت كارشده كشيده شده است. در فولادها وجود سولفيد منگنز بهتر از سولفیدآهن ) FeS ( است زيرا سولفید آهن تركيبى ترد با نقطة ذوب پايين است كه در مرز دانه ها تشكيل مى شود منگنز همچنين با ريزكردن ساختار زمینه و ايجاد محلول جامد استحكام فولادهاى ساده كربنى را افزايش مى دهد. منگنز در حين عملیات حرارتی فولاد، عمق سختی را افزايش مى دهد، اما مقدار زياد آن به هنگام آبدهى تمايل به تشكيل ساختار ترد و شکست زود هنگام را افزايش مى دهد.

گوگرد: در فولادهای ساده كربنى گوگرد حداكثر تا 0.05 درصد وجود دارد. معمولا با منگنز فولاد تركيب مى شود و ايجاد آخالهاى سولفيد منگنز می كند. اما اگر گوگرد با آهن تركيب شود سولفیدآهن تشكيل مى دهد كه معمولا در مرزدانه ها رسوب می كند. به دلیل اینکه سولفیدآهن سخت و نقطه ذوب آن پايين است، ممكن است در حين كارسرد و يا کار گرم فولاد ترک ايجاد كند. بنابراين برای پرهيز از ايجاد سولفیدآهن ، نسبت منگنز به گوگرد فولادها حدود 5 به 1 است.

فسفر: فسفر موجب کاهش مقاومت قطعات ریختگی در مقابل ضربه )به خصوص در درجه حرارتهای پا یین( می شود. حداكثر ميزان فسفر در فولادهای ساده كربنى به 0.04 درصد محدود مى شود زيرا فسفر سبب ایجاد تركيب بسیار ترد ) Fe3P ( می شود كه در فولاد رسوب می کند.

سيليسيم: ميزان سيليسيم در فولادهای ساده كربنى از حدود0.1 تا 0.3 درصد تغيير می كند. سيليسيم به عنوان اكسيژن زدا به كار مى رود و آخالهای SiO2 يا سيليكاتى تشكيل مى دهد. در غير اين صورت چون در زمینه حل مى شود، اثركمى بر خواص مكانيكى فولادهاى ساده كربنى دارد.