فولاد یک محلول جامد فلزی می باشد که اساساً ازترکیب آهن و کربن آلیاژ شده است. از کلمه محلول (آلیاژ) به این منظور استفاده شده که این کلمه مبین این است که در دماهای متفاوت در شبکه کریستالی فولاد جامد، امکان جابجایی اتم ها وجود دارد. هر چند فرایندهای ترمو شیمیایی و عملیات مکانیکی سبب تنوع وسیع خواص و کاربرد فود می شوند. اما تغییر ساختار میکروسکوپی و عملیات حرارتی و بخشی از تنوع سختی و استحکام یک فولاد به دلیل همین پدیده ی فیزیکی جابجایی اتم ها می باشد.
میزان کربن در فولاد ها حداکثر ۲% است و بیشتر از این میزان می تواند باعث ظهور گرافیت آزاد در ساختار آلیاژ شده که به آن چدن گفته می شود. افزودن عناصر آلیاژی نظیر سیلیسیم، منگنز، کروم، نیکل و … باعث بهتر شدن خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی فولاد می شود.
خواص میکانیکی فولاد
خواص میکانیکی فولادها نه تنها به در این عناصر بلکه به حضور همزمان این عنصرها نیز وابسته می باشد. برا مثال وقتی از تأثیر مثبت کروم بر سختی و مقاومت سایشی فولاد صحبت می شود می توان فولاد ابزاری سردکار با ۱۲% Cr و ۲% C را در نظر گرفت. در حالی که فولادی با همین میزان کروم و با ۰٫۴% C فقط به عنوان فولاد زنگ نزن شناخته می شود. دلیل اصلی وسعت و تنوع کاربرد فولاد در صنعت، دامنه ی وسیع خواص شکل پذیری و مشخصات مکانیکی مطلوب نظیر استحکام بالا، مقاومت سایشی، خواص شیمیایی مانند مقاومت خوردگی و اکسیداسیون یا خواص فیزیکی مثل قابلیت مغاطیسی آن ها می باشد. همچنین می توان از فرایند های مختتلف تولید نظیر ریخته گری، آهنگری، نورد و عملیات حرارتی برای تولید قطعات متنوع مورد نیاز صنعت استفاده نمود.
مطالب مرتبط
برای مطالعه بیشتر درمورد خواص و کاربردهای فولاد می توانید “فولاد چیست؟” را در وبسایت فولاد ارزان مشاهده فرمایید.
دسته بندی فولاد ها
فولادها را می توان از دیدگاه های مختلف دسته بندی نمود که برخی از آن ها عبارتند از؛ ترکیب شیمیایی، کاربرد، خواص فیزیکی و شیمیایی، عملیات حرارتی، وضعیت محلول، ریز ساختار، روش فولاد سازی، روش اکسیژن زدایی و کیفیت.
از دیدگاه ترکیب شیمیایی، فولادها به دو دسته ی ۱- فولاد های ساده کربنی (غیرآلیاژی), ۲- فولاد های آلیاژی تقسیم بندی می شوند.
۱- فولادهای ساده کربنی Carbon Steel
فولادهایی که فقط با کربن آلیاژ سازی شده باشندو عناصر آلیاژی حداکثر با مقادیر موجود در جدول زیر وجود داشته باشند.
| Te < 0.10% | Mn < 1.65% | Al < 0.16% |
| Ti < 0.05%+ | Mo < 0.08% | B < 0.0008% |
| V < 0.10%+ | Nb < 0.06%+ | Bi < 0.10 |
| W < 0.1% | Ni < 0.30% | Co < 0.10 |
| Zr < 0.05%+ | Pb < 0.40% | Cr < 0.30 |
| عناصر دیگر به جز(S,P,C) < 0.05% | Se < 0.10% | Cu < 0.40 |
| Si < 0.50% | Ca < 0.05 |
این فولادها متداول ترین و فراوان ترین گروه هستند. زیرا کربن ارزان ترین و از مؤثرترین عناصر آلیاژی برای بهبود خواص فولاد می باشد. خواص فولادهای ساده کربنی مدیون اتم های بین نشین کربن است. از سوی دیگر هرچه میزان کربن افزایش پیدا کند به علت افزایش حضور فاز سمانتیت آهن(Fe3C)؛ که ترکیبی سخت و غیرقابل انعطاف است. مقاومت سایشی فولاد افزایش یافته و استحکام نیز بالاتر می رود. اما در مقابل با کاهش مقاومت به ضربه (چقرمگی) روبرو می شویم و به همین نسبت قابلیت جوشکاری و ماشینکاری و شکل پذیری نیز کاهش خواهد یافت.
۲- فولادهای آلیاژی Alloy Steel
محدودیت خواص فولادهای ساده کربنی با افزودن عناصر آلیاژی بهبود می یابد. به طور کلی بهبود و توسعه فولادهای آلیاژی پیرو ۶ اصل است؛
- افزایش سختی پذیری
- افزایش استحکام
- بهبود خواص مقاومت به ضربه (چقرمگی)
- بهبود مقاومت سایشی و خستگی
- بهبود مقاومت حرارتی و خزشی
- بهبود مقاومت خوردگی و اکسیداسیون
هرچند عناصر آلیاژی (بجز Co) سختی پذیری را افزایش می دهند اما عدد سختی فولاد پس از عملیات حرارتی سخت کاری اساساً به دلیل درصد کربن است. اما عناصر آلیاژی تأثیر مستقیمی بر افزایش استحکام دارند. هر کدام از خواص ذکر شده مرهون بعضی عناصر آلیاژی و حضور آن ها با درصدهای مختلف در کنار یکدیگر و در حضور مقادیر متفاوت کربن خواهد بود.
مثلاً وقتی از تأثیر منگنز بر بهبود خواص چقرمگی و مقاومت سایشی فولاد حرف می زنیم, ممکن است فولاد هادفیلد مورد نظر باشد. در اثر کارسختی حین کاربردهای ضربه ای مقاومت سایشی عالی از خود به نمایش می گذارد. حال آن که Mn در مقدارهای بین ۱ تا ۵ درصد باعث افزایش استحکام و بهینه سازی ساختار و افزایش چقرمگی خواهد شد. یا وقتی از فولاد زنگ نزن آستینی سخن می گوییم، مقدار Cr (18-20%) در تعادل با مقدار Ni (8-10%) و میزان کربن بسیار پایین می باشد تا خواص مقاومت به خوردگی و غیر مغناطیسی به طور همزمان در این فولاد تثبیت شود.
فولادهای آلیاژی به چهار گروه اصلی زیر تقسیم بندی می شوند؛
- میکرو آلیاژ
- کم آلیاژ
- آلیاژ متوسط
- پر آلیاژ
فولادهای میکرو آلیاژ ؛
این فولادها در اصل فولادهای ساده کم کربن هستند. افزودن میزان های بسیار اندک Nb، Ti یا V باعث ریز شدن دانه های فولاد و رسوب ذرات کاربیدی در ساختار می شود و افزایش استحکام و چقرمگی همزمان را به همراه خواهد داشت.
فولادهای کم آلیاژ؛
در این فولادها عناصر آلیاژی در مقادیر کم سبب بهبود برخی خواص می شوند. مثلاً فولاهای خوش تراش دارای مقادیر کمیPb یا P و یا S هستند که سبب بهبود و سهولت ماشین کاری آن ها می شود. یا فولاد ۱۷Cr3 فولاد سمانتاسیون است که برای بهبود خواص سختی پذیری مقداری حدود Cr (0.75%) به آن اضافه شده است.
فولادهای آلیاژ متوسط؛
بزرگترین خانواده فولادهای آلیاژی هستند. فولادهای متنوعی با ترکیب و مقدار متفاوت از عناصر آلیاژی و کربن برای مصارف قطعه سازی در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند.
فولادهای پر آلیاژ؛
این فولادها شامل فولا های نسوز، زنگ نزن و فولادهای ابزار می باشند. فولادهای زنگ نزن خود شامل سه گروه اصلی؛ آستینی، فریتی مارتنزیتی و سختی رسوبی هستند.