مروری بر انواع فولاد

تعداد کل فولاد های موجود بالغ بر هزار نوع است، ولی نمی توان ترکیب و سایر متغیر های آنها را دقیقا مشخص کرد اما بنا به قرارداد فولاد ها را به پنج دسته تقسیم کرده اند.

این پنج دسته عبارتند از: فولاد کربنی، فولاد آلیاژی، فولاد زنگ نزن، فولاد ابزاری، و فولاد ویژه چهار دسته اول در استاندارد)  American Iron and Steel Institute( AISI مشخص شده اند و خود زیر گروههایی را شامل هستند ولی فولادهای دسته پنجم ترکیبات مختلفی داشته و کاملاً اختصاصی می باشند با این حال بسیاری از این فولادها ترکیبی مشابه فولادهای دیگر دارند. برای مثال در استاندارد AISI قریب ۷۵ نوع فولاد زنگ نزن مشخص شده است که به چهار گروه استاندارد تقسیم شده اند.علاوه بر این تعداد حداقل صد نوع ترکیب دیگری نیز وجود دارند که غیر استاندارد هستند، ولی برای اهداف خاص توسعه یافته اند.

همه فولادها، ترکیب های ساده یا پیچیده ای از آلیاژ های آهن و کربن هستند. همه فولادهای کربنی ساده ، دارای درصدهای خاصی از منگنز، و سلیکون بعلاوه مقادیر بسیار کمی از فسفر و سولفور می باشند.

برای مثال، ترکیب اسمی فولاد ۱۰۴۵ استاندارد AISI یا SAE ممکن است شامل ۴۵/۰کربن؛ ۷۵/۰ منگنز، ۰۴۰/۰ فسفر، ۰۵۰/۰ سولفور و ۲۲/۰ گوگرد باشد. فولادهای آلیاژی دسته دیگری از فولادها هستند که در ترکیب شیمیایی خودشان عناصر دیگری هم دارند.
بیشترین عناصری که در ترکیب فولادهای آلیاژی بکار رفته اند، عبارتند از: نیکل، کرم، مولیبدن، وانادیوم و تنگستن.
وقتی که درصد منگنز بیشتر از یک درصد باشد این عنصرهم جزء عناصر آلیاژی به حساب می آید. برای رسیدن به خواص مطلوب فولاد در کاربرد های مهندسی، یک یا چند عنصر از عناصر فوق را به فولاد اضافه می کنند.
عنصر کربن، اصلی ترین عنصر در تمام فولادها است؛ بطوریکه میزان کربن موجود در فولاد های کربنی ساده تأثیر زیادی بر خواص فولاد و انتخاب عملیات حرارتی مناسب فولاد دارد. این عملیات به منظور بدست آوردن خواص مطلوب برروی فولاد انجام می شود.

به دلیل اهمیت میزان کربن در فولادها، یکی از تقسیم بندی های فولادهای کربنی ساده، براساس مقدار کربن آنها می باشد. وقتی که فقط مقدار کمی کربن در فولاد موجود باشد، آن فولاد را کم کربن یا فولاد نرم می نامند. اگر مقدار کربن کمتر از ۳۰/۰درصد وزنی فولاد باشد، آن را فولاد کم کربن گویند. اگر میزان کربن فولاد تقریباً ۳۰/۰ درصد الی ۶۰/۰ درصد وزنی باشد،در گروه فولادهای متوسط کربن دارد قرار می گیرد و فولادهایی که بیشتر از ۶۰/۰ درصد وزنی کربن داشته باشند، فولاد پرکربن نامیده می شوند اگر مقدار کربن فولاد بیشتر از ۷۷/۰ درصد وزنی باشد، فولادهای ابزار مینامند. میزان کربن فولاد بندرت بین ۳/۱الی ۲ درصد قرار می گیرد.

بیشترین حد کربن در فولاد، تقریباً ۲ درصد می باشد و زمانی که مقدار کربن آن بیش از این باشد، آن را آلیاژ چدن می نامند. مقدار کربن در چدن ها، معمولاً بین ۳/۲ الی ۴ درصد می باشد. چدن ها گروه مهمی از آلیاژهای ریخته گری هستند.
فولادهای مختلف از نظر میزان و نوع عملیات حرارتی که روی آن¬ها انجام می¬شود، خاصیت های متفاوتی پیدا می کنند.

درعملیات حرارتی فولاد معمولاً یکی از اهداف زیر دنبال می شود:
• تنش گیری حاصل از اکر یا تنش گیری حاصل از سردکردن ناهمگن
• بهینه سازی ساختار دانه در فولادهایی که برروی آنها کار گرم انجام شده است وممکن است دانه های درشت داشته باشند.
• کاهش سختی فولاد و افزایش قابلیت شکل پذیری
• افزایش سختی فولاد بمنظور زیادشدن مقاومت سایشی و یا سخت کردن فولاد برای مقاومت بیشتر در شرایط کاری
• افزایش چقرمگی فولاد بمنظور تولید فولادی که استحکام بالا و انعطاف پذیری خوبی دارد و افزایش مقاومت فولاد در برابر ضربه
• بهبود قابلیت ماشین کاری
• بهبود خواص برش در فولادهای ابزار
• بهینه کردن خواص مغناطیسی فولاد
• بهبود خواص الکتریکی فولاد

برخی از این عملیات به شرح ذیل می باشد:

بازپخت (TEMPERING)

شکل پذیری عبارت است از تغییر شکل فولاد قبل از شکست مارتنزیت تندسرمایی شده ، سخت و غیر قابل شکل پذیری پذیری می باشد.
برای بهبود قابلیت شکل پذیری مارتنزیت، باید آنرا بازپخت کرد البته در این حالت استحکام آن مقداری کاهش می یابد. از طرفی بازپخت مقاومت مارتنزیت را در برابر ضربه ناگهانی افزایش می دهد. به عنوان مثال، اگر چکشی تندسرمایی شود ساختار آن کاملاً مارتنزیتی می شود که احتمالاً بعد از اولین ضربات ترک خواهد خورد. اما با استفاده از عملیات بازپخت ضربه پذیری چکش افزایش می یابد (شکنندگی کم می شود) و در عوض سختی و ستحکام قطعه سخت شده تا حدودی کاهش خواهد یافت، عملیات بازپخت به این ترتیب است که قطعه تندسرمایی شده را تا دمایی زیر دمای انتقال حرارت می دهند و سپس با توجه به اندازه قطعه به مدت یک ساعت یا بیشتر در این دما نگه می دارند. بیشتر فولادها در دمای ۴۰۰ تا ۱۱۰۰( ۲۰۵ تا ۹۵۹) بازپخت می شوند. هر چه دمای بازپخت بیشتر شود چقرمگی و ضربه پذیری فولاد بیشتر می شود. در عوض سختی واستحکام آن کم می شود. از بین رفتن مارتنزیت سوزنی شکل و رسوب ذرات بسیار ریز کاربید از جلمه تغییرات ساختمانی در ضمن بازپخت می باشد. ساختمان میکروس کوپی فولادهای تندسرمایی و بازپخت شده به عنوان مارتنزیت بازپخت شده معرفی شده اند.

آنیل

عملیات حرارتی تندسرمایی و سپس بازپخت فولاد باعث میشود که استحکام و قابلیت شکل پذیری و مقاومت به ضربه آن بالا برود. علمیات ماشین کاری و خمکاری در ساخت اغلب محصولات فولادی بکار میرود بنابراین بمنظور بهبود خواص ماشین کاری و قابلیت تغییر فرم فولاد، آن را آنیل می کنند. حتی در برخی از موارد ماشین کاری و خم کاری قطعات بازپخت شده نیز مشکل است برای رفع این مشکل نیز قطعات را آنیل میکنند.

یکنواخت سازی( نرمال کردن)
فرآیند یکنواخت سازی عبارت است از حرارت دادن قطعه تا دمایی بالای و سپس سردکردن آن در هوای آزاد. درجه حرارت لازم یکنواخت سازی بستگی به ترکیب فولاد دارد که معمولاً حدود ۱۶۰۰( ۸۷۰) می باشد. فرآیند یکنواخت سازی به عملیات همگن سازی یا جوانه زایی موسوم می باشد.در هر قطعه فولاد، ترکیب معمولاً در کلیه سطوح یکنواخت نیست. بدین معنی که میزان کربن در یک قسمت از فولاد ممکن است بیشتر از بخش های دیگر باشد. این تفاوت های ترکیباتی در عملیات حرارتی فولاد تأثیر می گذارد. اگر فولاد را در دمایی بالا حرارت دهند، کربن می تواند به آسانی در تمام سطح فولاد ترکیبی یکنواخت داشته باشد در این صورت فولاد همگن تر شده و آمادگی بهتر برای عملیات حرارتی دارد. به دلیل خواصی که قطعات ریختگی دارند، معمولاً شمشها را قبل از استفاده یکنواخت سازی می کنند. به همین ترتیب فولادهای ریختگی و آهنگری شده را قبل از سخت گردانی همگن می کنند.

تنش زدایی

وقتی که فلز را در دمائی بالا حرارت می دهند، فلز منبسط می شود و برعکس هنگامی که فلز را از دمای بالا سرد می کنند، انقباض صورت می گیرد. در حین جوشکاری با آهنگری وقتی که یک قسمت از لوله یا ورق فولادی بیشتر از قسمت های دیگر گرم می شود تنش های داخلی زیادی در فولاد بوجود می آید. در حین گرم شدن فولاد، قسمت های منبسط شده جایی برای قرارگیری ندارد بنابراین قطعه تغییر فرم می دهد. درهنگام سردشدن، انقباض قطعه مانع از ایجاد فلز سرد و سخت در اطراف منطقه حرارت دیده می شود نیروهایی که درحین انقباض در قطعه بوجود آمده اند، هنوز آزاد نشده اند و هنگامی که فلز مجدداً سرد می شود این نیروها به عنوان تنشهای داخلی باقی می مانند. تنشهای داخلی در اثر تغییرات حجمی و انتقال و رسوب فلز نیز به وجود می آیند.
اصطلاح تنش کاربرد وسیعی در رشته متالورژی دارد و عبارت است از بار یانیروی که بر سطح مقطع فولاد وارد می شود. نتنش های داخلی و تنشهای باقیمانده برای فولاد مضر هستند زیرا ممکن است درحالی که فولاد ماشین کاری می شود باعث ایجاد ترک در آن شوند. برای رهاسازی ازاین تنش ها، فولاد را دمای حدود ۱۱۰۰( ۵۹۵) حرارت میدهند، تاوقتی که مطمئن شوند تمام قسمت های فولاد بطور یکنواخت حرارت دیده اند، سپس آن را تا دمای اتاق آهسته سرد می کنند این مراحل را آنیل تنش گیری یا فقط همان تنش زدایی می نامند.

پارامتر های مؤثر بر روی سختی پذیری
در صورتی سختی پذیری یک فولاد زیاد است که حتی در آهنگهای سرد شدن نسبتاً آهسته نیز دگرگونی نفوذی تشکیل پرلیت انجام نشده و آستنیت به مارتنزیت تبدیل شود. بر عکس در فولادهایی که سختی پذیری آنها کم است، تشکیل مارتنزیت مستلزم سرد شدن سریع است. در هر دو حالت، پارامتر محدود کننده، آهنگ تشکیل پرلیت در دماهای بالاست. به طور کلی هر عاملی که خطوط تشکیل پرلیت در نمودار CCT را به سمت راست منتقل کند امکان تشکیل مارتنزیت در آهنگهای سرد شدن کمتر را فراهم می کند. بنابراین، انتقال دماغه نمودار CCT به سمت راست همراه با افزایش سختی پذیری است. به بیان دیگر می توان گفت، هر عاملی که باعث کاهش آهنگ جوانه زنی و رشد پرلیت شود (زمان برای جوانه زنی و رشد پرلیت را افزایش دهد) سختی پذیری را در فولاد ها افزایش می دهد. این عوامل عبارت اند از:

سختی و سختی پذیری
میکروساختار مارتنزیتی سخت ترین میکروساختاری است که میتواند در یک فولاد کربنی ساده بوجود آید. تشکیل میکروساختار مارتنزیتی در صورتی امکان پذیر است که از دگرگونی آستنیت به مخلوط فریت و سمنتیت در دماهای بالا جلوگیری شود.

اندازه دانه آستنیت
از آنجائیکه با ریزشدن دانه ها کل سطوح مربوط به مرزدانه ها افزاش می یابد در یک فولاد با دانه های ریز تشکیل پرلیت به مراتب سریعتر از یک فولاد با دانه های درشت است. در نتیجه سختی پذیر فولاد با دانه های ریز کمتر از سختی پذیری فولاد با دانه های درشت خواهد بود. لیکن استفاده از فولاد با دانه های درشت بمنظور افزایش سختی پذیری عملاً کاربرد صنعتی ندارد، زیرا افزایش سختی پذیری از این روش با تغییرات ناخواسته و زیان آور در خواص فولاد نظیر افزایش تردی و کاهش انعطاف پذیری همراه است. از جمله معایب دیگر که بیشتر در فولادهای دانه درشت بوجود می آید عبارت است از: ترکهای ناشی از سریع سردکردن یا ترکهای ناشی از شوک های حرارتی که در اثر تنشهای حاصل از عملیات حرارتی بوجود می آیند.