— به علت مشکل مقاله ، فروش متوقف شده است —
۱- فولاد مهم‌ترین ماده ساختمانی و مهندسی عصر ما می‌باشد که تقریبا در هشتاد درصد محصولات فلزی به کار می‌رود. فولاد، به دلیلی داشتن استحکام، شکل‌پذیری آسان، هزینه کم و دیگر خواص مفید در سال‌های اخیر مورد توجه خاص قرار گرفته است.

کاربرد فولاد متفاوت است. برخی از آنها نسبتا نرم و شکل‌پذیرر هستند و به راحتی می‌توان آنها را به اشکال مختلفی درآورد، مثل فولادهایی که در سپر و بدنه خودروها به کار می‌رود. برخی دیگر قابلیت سخت شدن را دارند. به طوری که می‌توان آنها را در ساخت ابزارهایی چون تیعه‌های برش و تراش به کار برد. می‌توان گروه دیگری از فولادها را ساخت علاوه بر استحکام، چقرمگی خوبی هم داشته باشد. کاربرد آنها در ساخت اکسل های خودروها و محور پروانه کشتی های اقیانوس پیما می‌باشد.

مثال ساده کاربرد فولادهای سخت استفاده آن در ساختن تیغ‌های ریش تراش است. با توجه به این مثال ها، به نظر می‌رسد که کلمه فولاد یک اصطلاح کلی است که زیر مجموعه‌های زیادی دارد که در واقع اگر بر اساس ترکیبات متفاوت محصولات و به صورت تجاری فولاد را مورد بررسی قرار دهیم، درمی‌یابیم که هزاران نوع فولاد وجود دارد. توانایی ما، در تولید فولادهای متفاوت با مصارف متنوع اعم از فولادهای نرم و فولادهای سخت بستگی به عملیات حرارتی مناسب دارد که در حین شکل‌گیری و یا پس از آن بر روی فولاد و دیگر آلیاژهای آهنی بپردازیم بهتر است به طور خلاصه با فولاد و ساختارهای داخلی آن آشنا شویم.

۲- فولاد چیست؟
همه فولادها ترکیب‌های ساده یا پیچیده‌ای از آلیاژهای آهن و کربن هستند. همه فولادهای کربنی ساده، دارای درصدهای خاصی از منگنز و سیکلون به علاوه مقادیر بسیار کمی از فسفر و سولفور می باشند. برای مثال ترکیب اسمی فولاد ۱۰۵۴ استاندارد AISI یا SAE ممکن است شامل : ۴۵٪ کربن، ۷۵٪ فسفر، ۵۰٪ سولفور، و ۲۲٪ 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 به کار رفته‌اند، عبارتند از: نیکل، کرم، مولیبدن، وانادیوم، تنگستن.

وقتی که درصد منگز از یک درصد باشد این عنصر هم جزء عناصر آلیاژی به حساب می‌آید. برای رسیدن به خواص مطلوب فولاد در کاربردهای مهندسی، یک یا چند عنصر از عناصر فوق را به فولاد اضافه می‌کنند. عنصر کربن اصلی‌ترین عنصر در تمام فولادها است به طوری که میزان کربن موجود در فولادهای کربنی ساده تاثیر زیادی بر خواص فولاد و انتخاب عملیات حرارتی مناسب فولاد دارد. این عملیات به منظور به دست آوردن خواص مطلوب بر روی فولاد انجام می‌شود.

به دلیل اهمیت میزان کربن در فولادها، یکی از تقسیم‌‌بندی‌های فولادهای کربنی ساده بر اساس مقدار کربن آنها می‌باشد. وقتی که فقط مقدار کمی کربن در فولاد موجود باشد، آن فولاد را کم کربن یا فولاد نرم‌ می‌نامند. اگر مقدار کربن کمتر از ۳۰٪ درصد وزنی فولاد باشد، آن را فولاد کم کربن گویند. اگر میزان کربن فولاد تقریبا ۳۰٪ درصد الی ۶۰٪ درصد وزنی باشد در گروه فولادهای متوسط کربن قرار می‌گیرد و فولادهایی که بیشتر از ۶۰٪ درصد وزنی کربن داشته باشند، فولاد پر کربن نامیده می‌شوند. اگر مقدار کربن فولاد بیشتر از ۷۷٪ درصد وزنی باشد فولادهای ابزار می‌نامند. میزان کربن فولاد به ندرت بین ۳/۱ الی ۲ درصد قرار می‌گیرد.
بیشترین حد کربن در فولاد، تقریبا ۲ درصد می‌باشد و زمانی که مقدار کربن آن بیش از این باشد، آن را آلیاژ چدن می‌نامند. مقدار کربن در چدن‌ها معمولا بین ۳/۲ الی ۴ درصد می‌باشد. چدن‌ها گروه مهمی از آلیاژهای ریخته‌گری هستند.

 

۳- خلاصه مطالب فوق به صورت زیر است:
فولاد، آلیاژی از آهن و کربن است که مقدار آن معمولا ۵٪ الی ۱ درصد می‌باشد. ممکن است گاهی مقدار کربن آن از ۱ تا ۲ درصد باشد. تعادل ترکیبات شیمیایی آلیاژهای آهن – کربن که به عنوان فولادهای کربنی ساده شناخته شده است، علاوه بر آهن شامل درصدهای خیلی کمی از منگنز و سیلیکون و حدود ۴٪ درصد فسفر و سولفور می باشد. ۱/۰ درصد یا مقدار نامشخصی از عناصری مثل نیکل، کروم، مولیبدن در فولادهای کربنی ساده شامل مقادیر کمی از عناصر بالا باشد، وجود این عناصر بر عملیات حرارتی فولاد تاثیر خواهد گذاشت و اگر مقدار آنها از مقدار تعیین شده بیشتر باشد، آن را فولاد آلیاژی نرم گویند.

۴- فولادهای آلیاژی و کربنی
سیستم کدگذاری
مطالعات و تحقیقات وسیعی در زمینه تهیه فهرستی از ترکیبات فولاد انجام شده است. این مطالعات به منظور رفع نیازهای مهندسی و متالورژیکی تولید کنندگان محصولات فولادی انجام شده است. ترکب فولادهای آلیاژی و کربنی استاندارد در جدول‌های ۲ تا ۱۰ نشان داده شده است.
۵- سیستم AISI – SAE

ترکیبات فولاد در «موسسه آهن و فولاد آمریکا» AISI و انجمن مهندسین اتومبیل SAE تهیه شده است. آنها برای کدگذاری فولادهای آلیاژی و کربنی و همچنین تعیین محدوده ترکیبات شیمیایی از عددهای چهار رقمی استفاده کردند. فقط دو نوع از فولادهای آلیاژی پنج رقمی می باشند.
بعضی از فولادها با پیشوند E در جدول نشان داده شده و بیانگر این است که فولاد طی مراحل ویژه‌ای در کوره الکتریکی ساخته می شود. در کدگذاری فولادهای الیاژی و کربنی پسوند H نشان دهنده این است که فولاد با قابلیت سختی‌پذیری معینی ساخته می‌شود. حرف B در بین رقم‌های دوم و سوم فولادهای آلیاژی یا کربنی، مقدار بور فولاد از (۰۰۰۵/۰ تا ۰۰۳/۰) را نشان می دهد و همین طور حرف L در بین رقم‌های دوم و سوم مقدار سرب فولاد را از (۱۵٪ تا ۳۵٪) نشان می‌دهد که این مقدار سرب قابلیت ماشین کاری فولاد را افزایش می‌دهد.

فهرست مختصری از فولادهای آلیاژی و کربنی AISI یا SAEدر جدول ۱ نشان داده شده است. دو رقم اول هر سری، مقدار تقریبی عناصر موجود در فولاد به غیر از کربن را نشان می‌دهد. در کد گذاری چهار رقمی، دو رقم آخر و در کدگذاری پنج رقمی سه رقم آخر مقدار تقریبی کربن را در محدوده مجاز نشان می‌دهد. به عنوان مثال در فولاد ۱۰۳۵ محدوده کربن را از ۹۸٪ تا ۱۰/۱ نشان می‌دهد. در جدول ۱ دو رقم آخر با حروف XX مشخص شده است. در فصل‌های بعدی محدوده کربن و تغیرات میزان منگنز، گوگرد و عناصر دیگر این فولادها مورد بررسی قرار می‌گیرد . جزئیاتی از ترکیبات شیمیایی سری فولادها در جدول‌های بعدی نشان داده شده است.

جدول ۱ درصد عناصر فولادهای آلیاژی و کربنی استاندارد

۶- سیستم شماره کدگذاری واحد
کدگذاری فولادهای استاندارد آلیاژی و کربنی بر اساس AISI یا SAE طراحی شد. اما در حال حاضر، انجمن آمریکائی آزمایش و مواد (ASTM E527) و انجمن مهندسین اتومبیل (SAE J 1086) کدگذاری این فولادها را به روش سیستم شماره گذاری واحد انجام می‌دهند. شماره فولادهای سیستم UNS و سیستم AISI – SAE در جدول‌های ۲ تا ۱۰ نشان داده شده است. شماره فولاد UNS را یک پیشوند حرفی و یک عدد پنج رقمی تشکیل می‌دهد. که حرف G نشان دهنده انواع استاندارد فولادهای آلیاژی یا کربنی است. در حالی که پیشوند H انواع استاندارد فولادهایی را که قابلیت سختی‌پذیری معینی دارند، نشان می‌دهد. چهار رقم اول از کد گذاری UNS مشابه کد گذاری سیستم AISI – SAE می باشد، در حالی که رقم آخر (غیر از صفر) ترکیبات اضافی از قبیل سرب و بور را نشان می‌دهد. بعضی اوقات، عدد ۶ برای کدگذاری فولادهایی به کار می‌رود که طی مراحل ویژه‌ای در کوره الکتریکی ساخته می شود.
اصطلاح فولاد کربنی بدین معنا نیست که دیگر عناصر آلیاژی در این فولاد وجود ندارد. بلکه مقدار عناصر آلیاژی در فولادهای کربنی از محدودیتی خاصی برخوردار است. فولاد کربنی فولادی است که برای رسیدن به الیاژ مطلوب، مقداری عناصر آلیاژی از جمله آلومنیوم (به غیر از اکسیژن زدایی یا کنترل اندازه دانه)، کروم، کبالت، کلومبیوم، (نیوبیوم)، مولیبدن، نیکل، تیتانیم، تنگستن، وانادیوم، زیرکونیوم و دیگر عناصر به آن اضافه شود.

این محدودیتها عبارتند از: (الف) حداقل مقدار مس بیشتر از ۴۰٪ نباشد یا ب) حداقل مقدار منگنز از ۶۵/۱، سیلکون از ۶۰٪، مس ۶۰٪ کمتر نباشد. برای افزایش قابلیت سختی پذیری به فولادهای کربنی بور اضافه می‌شود. (به جدول ۲ مراجعه شود). در فولادهای کربنی مقدار کمی عناصر آلیاژی از قبیل نیکل، کروم و مولیبدن وجود دارد. وجود این عناصر غیر قابل انکار است زیرا که از مواد خام گرفته می‌شوند و در ذوب فولاد از آنها استفاده می شود. مقدار کم این عناصر برای تولیدکنندگان تاثیر بسزایی ندارد. به دلیل خواص متفاوت در ترکیبات فولادهای کربنی این فولادها به طور جداگانه در پنج جدول نشان داده شده‌اند.
جدول ۲

۷- انواع فولادهای سولفور نشده استاندارد
ترکیبات ۴۱ نوع فولاد سولفور نشده استاندارد با حداکثر ۰/۱ منگنز در جدول ۳ نشان داده شده است. به منظور افزایش قابلیت ماشین‌کاری، بسیاری از این فولاد از ۱۵٪ تا ۳۵٪ سرب اضافی دارند. حرف L بین رقم‌های دوم و سوم نشان دهنده این است که فولاد سرب دارد.
به عنوان مثال فولاد سر بدار ۱۰۵۴ را به این صورت ۱۰L54نشان می‌دهند. این فولاد بور داد (مثل ۱۰ B35) ترکیبات ۱۱ نوع دیگر از فولادهای کربنی استاندارد در جدول ۴ نشان داده شده است.
جدول ۴

فولادهای کربنی سولفور شده استاندارد
ترکیبات فولادهای کربنی سولفور شده در جدول ۵ نشان داده شده است. به منظور افزایش قابلیت ماشین‌کاری، میزان گوگرد این فولاد تا ۳۳٪ افزایش یافته است. و برای این که قابلیت ماشینکاری این فولادها بیشتر شود به آنها سرب اضافه می‌شود.

جدول ۵

۹- فولادهای کربنی سولفور و فسفر شده استاندارد
در «جدول ۶» چهار نوع فولاد کربنی نشان داده شده است که میزان فسفر و گوگرد آنها بیشتر از حد معمول است. فقط فولاد ۱۲L14 سولفوره وفسفره شده و سرب‌دار می‌باشد. تمام شرایط این فولادها (سولفور، فسفره، و سرب‌دار) قابلیت ماشین کاری آنها را افزایش می‌دهد. فولادهای این گروه با اضافه کردن ۱۵ تا ۳۵٪ سرب تولید می‌کند.

جدول ۶

۱۰- فولادهای آلیاژی
فولادهای آلیاژی فولادی است که میزان عناصر آلیاژی از حدود زیر بیشتر باشد، شامل الف) ۶۵/۱ منگنز، ب) ۶۰/۰ سیلیسیم، ج) ۶۰/۰مس. برای رسیدن به آلیاژی خاص مقدار معینی از عناصر زیر را داشته باشد.
الف) آلومنیوم، ب) کرم، ج) کبالت، د) کولومبیم(نبوبیم)، ه) مولیبدن، و) نیکل) تیتانیم، ح) تنگستن، ط) وانادیوم، ی) زیرکونیوم. در واقع مقدار آلیاژ در فولادهای استاندارد سیستم AISI – SAE و فولادهای آلیاژی از ۰/۴ فراتر نمی‌رود. در ضمن این مقدار از مقدار موجود در فولادهای کربن بیشتر است.

۱۱- ترکیبات فولادهای آلیاژی استاندارد
در جدول ۷ ترکیبات ۵۸ نوع فولاد آلیاژی وجود دارد. به دلیل تشابه زیاد در بین این فولادها می‌توان تعداد آنها را کاهش داد. در هر صورت، برای ساختن محصولات مختلف با خواص که متفاوت لازم است که این قابلیت ساخت و جنبه اقتصادی آنها نیز باید در نظر گرفته شود.
مقادیر ترکیبات فولادهای جدول ۷ یکسان نیست. هر کدام از این فولادهای مقادیر مشخصی دارند که بیشتر آنها در مراکز خدمات فولاد وجود دارند. ۵۸ نوع فولاد در جدول ۷ مشخص شده‌اند که به منظور افزایش در قابلیت ماشین‌کاری این فولاد، ترکیبات سربی به آن اضافه می‌شود.

جدول۷

۱۲- ترکیبات فولادهای بوردار استاندارد
فولادهای آلیاژی که از ۰۰۰۵/۰ تا ۰۰۳/۰ بور دارند در جدول ۸ نشان داده شده ‌اند. به دلیل وجود بور در این فولادها، قابلیت سختی پذیری آنها افزایش می‌یابد.

۱۳- سختی پذیری
همان طوری که قبلا اشاره کردیم با اضافه شدن بور، قابلیت سختی‌پذیری فولاد افزایش می‌یابد. قابلیت سختی‌پذیری فولاد بدین معنا نیست که باید فولاد بر اساس معیار سختی راکول یا برینل سخت شود. به عنوان مثال فولادی که تا HRS40 قابلیت سختی‌پذیری بالایی دارد. ممکن است فولاد با سختی‌پذیری بیشتری داشته باشد. قابیلت سختی‌پذیری فولاد عبارت است از ظرفیت سختی فولاد بیشتر از حداکثر سختی مورد نظر بستگی دارد.

۱۴- نقش کربن
برای رسیدن به حداکثر سختی میزان، کربن موجود در فولاد خیلی مهم است که تاثیر آن در شکل ۱ نشان داده شده است. برای دستیابی به این سختی، حدود ۶۰/۰ درصد کربن لازم است، اگر چه اطلاعات شکل ۱ به صورت تئوری می‌باشد اما بدین صورت است که قسمت‌های نازک صیقلی از دمای آستنیته تا دمای اطاق سرد شده‌اند سپس ساختار ۱۰۰ درصد مارتنزیتی شکل گرفته است. بنابراین شرایط موجود در شکل ۱ در عمل به ندرت به وجود می‌آید. «شکل ۲ »سختی بر حسب میزان کربن را بهتر نشان می‌دهد.
برای دسترسی به حداکثر سختی مهمترین عامل جرم فلز که تند سرمایی شده است. وقتی که قسمت‌های نازک سریع حرارت داده می‌شوند، سرعت سرد شدن بحرانی فولاد افزایش می‌یابد. سرعت سرد شدن بحرانی سرعتی است که از تشکیل محصولات غیر مارتنزیتی جلوگیری شود.
نمونه‌ای از تاثیر اندازه قطعه بر سختی سطحی فولاد در شکل ۳ نشان داده شده است/. برای رسیدن به سختی کامل حدود HRS63 قطر قطعات کوچک in5/0(mm13) می باشد. در حالی که قطر قطعه کاهش می‌یابد. چرا که سرعت سرد شدن بحرانی این فولاد افزایش نداشته باشد. بنابراین قابلیت سختی‌پذیری فولاد شکل ۳ کم می‌باشد. فولادهای ساده کربنی قابلیت سختی‌پذیری پایین و زمان‌های سرد شدن کوتاه است. قابلیت سختی‌پذیری تمام فولادها به طور مستقیم به سرعت‌های سرد شدن بحرانی بستگی دارند. با افزایش زمان سرد شدن بحرانی، قابلیت سختی‌پذیری فولاد هم زیاد می‌شود. که در این مورد میزان کربن را در نظر نمی‌گیرند.

جدول ۹

۱۵- نقش عناصر آلیاژی
دلیل عمده استفاده از عناصر آلیاژی در فولادهای آلیاژی استاندارد شده این است که قابلیت سختی‌پذیری این فولادها را افزایش می‌دهد. این عناصر عبارتند از: الف) منگنز، ب) سیلیکون، ج) کروم، د) نیکل، ه) مولیبدن، و) وانادیوم. و چون عنصر بورکم استفاده می‌شود آن را به عنوان یک آلیاژ معرفی نمی‌کنند.
فولادهای آلیاژی یا کربنی که عنصر بور دارند، به فولادهای بورونه شده معروف هستند. به طور کلی عناصر کبالت، تنگستن، زیرکونیوم و تیتانیوم را در فولادهای ابزاری ویژه به کار می‌برند.
تاثیر عناصر منگنز، سیلیکون، کروم، نیکل، مولیبدن، وانادیوم بر روی قابلیت سختی‌پذیری فولادهای یکسان نیست. (تاثیر عناصر آلیاژی وقتی که جداگانه یا با همدیگر در فولاد به کار می‌روند متفاوت است.) در این زمینه تحقیقات وسیعی انجام شده است که هر چه تعداد این عناصر بیشتر باشد، قابلیت سختی پذیری فولاد افزایش می‌یابد. که نتیجه این تحقیقات در جدول ۷ مشخص شده است. این روش نه تنها باعث نگهداری آلیاژهای کمیاب می شود بلکه کمترین هزینه قابلیت سختی‌پذیری فولاد افزایش می‌یابد.
بنابراین قابلیت سختی‌پذیری فولادهای جدول های ۷ و ۸ بیشتر از فولادهای کربنی جدولهای ۳ تا ۶ می‌باشد. باید به این نکته اشاره شود که قابلیت سختی‌پذیری در بین فولادهای آلیاژی متفاوت است، به همین دلیل تعداد فولادها زیاد است. واضح است که مهمترین عامل در تشخیص انواع فولادها، قابلیت سختی‌پذیری فولاد، مراحل ویژه‌ای وجود دارد.
جدول ۱۰ شکل ۱