فولاد ساده کربنی ، اساسی ترین فولاد در صنعت ، پدر فولادهای صنعتی

خانه » مقالات آموزشی » فولاد ساده کربنی ، اساسی ترین فولاد در صنعت ، پدر فولادهای صنعتی

فولاد ساده کربنی ( فولاد) ، مادر آلیاژهای صنعتی و یکی از ارکان علوم مهندسی به ویژه مهندسی متالورژی است.

در توصیف اهمیت این آلیاژ کافی است بگوییم که صنعت فولاد، یکی از مهم ترین صنایع مادر هر کشور توسعه یافته محسوب می شود . رشد در این صنعت، رشد و پیشرفت اقتصادی را برای کشورها به همراه خواهد داشت.

اهمیت این آلیاژ، نیاز به شناخت آن برای تمامی مهندسین به خصوص مهندسین مواد و دست اندرکاران این صنعت احساس می شود.

فولاد را می توان آلیاژی دانست که آهن، عنصر پایه واصلی ، کربن عنصر آلیاژی اصلی آن باشد .

درصد کربن در فولادهای مختلف متغیر بوده و حداکثر مقداری حدود 2 درصد وزنی خواهد داشت.

فولاد تماما از آهن و کربن تشکیل نشده است . ساده ترین نوع فولادها (فولاد ساده کربنی) نیز عناصر آلیاژی دیگری در کنار این دو عنصررا به همراه دارند.

با توجه به اهمیت و نیاز بسیار زیادی که ازتنوع این آلیاژ در صنایع احساس می شود .

هزاران گرید فولاد تولید شده اند . با توجه به نوع و مقدار عناصر آلیاژی، نوع عملیات حرارتی، ریزساختار، کاربرد و … نام گذاری های متفاوتی دارند .

اما این فولادها، نیاز به شناخت خوبی از دسته بندی و آشنایی با سیستم نام گذاری آنها دارد .

دسته بندی فولادها از منظرهای متفاوتی انجام می شود . اما در یک دسته بندی ساده، می توان فولادها را با توجه به عناصر آلیاژی موجود در آن ها به دو دسته فولادهای ساده کربنی و فولادهای آلیاژی طبقه بندی کرد .

منظور از فولاد ساده کربنی چیست؟

فولاد کربنی یا همان فولاد ساده کربنی (Plain Carbon Steel) یک نام گذاری کلی است که معرف خانواده بزرگی از فولادها است که کربن، اصلی ترین عنصر آلیاژی سازنده آن ها است .

در این آلیاژها کربن نقش اصلی را به عنوان عنصر آلیاژی ایفا می کند و خواص فولاد به صورت ویژه ای به مقدار کربن موجود در آن ها وابسته است .

اما موسسه انجمن آهن و فولاد آمریکا تعریف ویژه ای برای معرفی این دسته از فولادها ارائه کرده است . در این تعریف، 3 شرط برای این که یک فولاد، با نام فولاد ساده کربنی شناخته شود، ارائه شده است .

هیچ حداقل مقداری برای عناصر آلومینیوم، کروم، کبالت، نیوبیوم، مولیبدن، نیکل، تیتانیوم، تنگستن، وانادیوم، زیرکونیوم و هر عنصر دیگری که به منظور ایجاد یک تاثیر آلیاژی مناسب اضافه می شود، مشخص نشده است.

حداقل مقدار مس موجود در فولاد نباید کمتر از 0.04% باشد.

حداکثر مقدار مشخص شده برای عنصر منگنز 1.65%، سیلیسیوم 0.6% و مس 0.6% تعریف شده است.

عنصر آلیاژی دیگر در فولاد ساده کربنی

همان طور که در این تعریف ملاحظه می کنید، یک فولاد ساده کربنی علاوه بر کربن می تواند شامل چندین نوع عنصر آلیاژی دیگری باشد. این عناصر به 3 طریق می توانند در فولاد وجود داشته باشند:

دسته اول

عناصری هستند که برای فولاد مناسب نبوده و باید در حداقل مقدار ممکن نگه داشته شوند. این عناصر به طور اتفاقی در ترکیب فولاد وارد شده و وجود بیش از حد آن ها، به شدت خواص مکانیکی فولاد را ضعیف می کند. اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن، گوگرد و فسفر مهم ترین این عناصر هستند.

دسته دوم

عناصری هستند که برای فولاد قابل قبول بوده و به صورت اتفاقی در فولاد وارد شده اند. مانند سیلیسیم و منگنز که در همه فولادها یافت می شوند.

دسته سوم

عناصری هستند که به صورت عمدی به فولاد اضافه می شوند تا خاصیت ویژه ای به آن ببخشند. این خاصیت، می تواند به صورت بهبود استحکام، سختی، در جوش پذیری، مقاومت خوردگی و سایشی، کنترل اندازه دانه ها، بهبود مقاومت خزشی و … ظاهر شوند. نیکل، کروم، مولیبدن، آلومینیوم، وانادیم و … نمونه هایی از این عناصر هستند.

دسته بندی فولادهای کربنی

بر اساس مقدار کربن، روش تولید و کاربردهای فولاد، دسته بندی های مختلفی را می توان برای این دسته از فولادها ارائه کرد. با توجه به درصد کربن، می توان طبقه بندی این فولادها را از دو جنبه در نظر گرفت:

حالت اول

در صورتی که درصد کربن فولاد کمتر از 0.2% باشد، با نام فولاد کم کربن (low carbon steel , mild steel) شناخته می شود. در صورتی که کربن فولاد بین 0.2% تا 0.6% باشد، به نام فولاد کربن متوسط (medium carbon steel) معروف بوده و در صورتی که درصد کربن فولاد بیشتر از 0.6% باشد، با نام فولاد پر کربن (high carbon steel) شناخته می شود.

حالت دوم

استحاله یوتکتوئید در فولادها زمانی رخ می دهد که با کاهش دما، فاز آستنیت (γ) به دو فاز فریت (α) و سمنتیت (Fe₃C) تجزیه شود. بر همین اساس، فولادهایی که درصد کربن کمتر از نقطه یوتکتوئید (0.76%) داشته باشند، به نام فولادهای هیپویوتکتوئید (Hypoeutectoid)، فولادهایی که درصد کربن برابر با 0.76% درصد داشته باشد با نام یوتکتوئید (Eutectoid) و فولادهایی که کربنی بیش از این مقدار داشته باشند، با نام فولادهای هایپریوتکتوئید (Hypereutectoid) شناخته می شوند.

تاثیر عناصر آلیاژی بر خواص فولاد کربنی

کربن

کربن مهم ترین عنصری است که خواص مکانیکی را در فولادهای کربنی رقم می زند. در واقع می توانیم بگوییم که ساختارفولادهای کربنی، تابع مقدار کربن موجود در آن ها است. با افزایش کربن، سختی فولادهای کربنی افزایش می یابد. هم چنین برای فولادهای هیپویوتکتوئید، با افزایش درصد کربن شاهد افزایش استحکام کششی فولاد خواهیم بود. اما این موضوع در مورد فولادهای هایپریوتکتوئید صادق نیست. افزایش کربن، انعطاف پذیری این دسته از فولادها را به شدت کاهش می دهد. به گونه ای که فولادی با 1.3% کربن، به شدت ترد و شکننده است.

سیلیسیوم

سیلیسیوم در مقادیر مختلف در تمامی فولادها حضور دارد. اضافه کردن این عنصر در قالب فروسیلیس باعث اکسیژن زدایی فولاد و کاهش تاثیرات نامطلوب آن می شود. این عنصر با انحلال در فاز فریت باعث افزایش استحکام فولاد از طریق تشکیل محلول جامد می شود. علاوه بر این موارد، سیلیسیوم با جلوگیری از تشکیل حفرات گازی، باعث افزایش تولید قطعات سالم ریختگی می شود.

منگنز

این عنصر نیز به صورت خواسته یا ناخواسته در تمامی فولادها حضور دارد. اصلی ترین نقش این عنصر نیز اکسیژن زدایی از فولاد است. این عنصر با گوگرد فولاد ترکیب شده و سولفید منگنز (MnS) را تشکیل می دهد که یک ترکیب دیرگداز است. به علاوه منگنز، نقطه تسلیم فولاد را بالا برده و استحکام کششی و چقرمگی آن را افزایش می دهد. توجه داشته باشید در صورتی که مقدار این عنصر از حد مجاز بیشتر شود، باعث اعوجاج و ترک در فولاد می شود.

مس

حضور این عنصر تا حدود 0.04%، خواص مکانیکی فولاد را به طور قابل توجه تحت تاثیر قرار نمی دهد، اما مقاومت در برابر خوردگی به خصوص در اتمسفر را بهبود می بخشد. در صورتی که مقدار مس بیش از حد مجاز باشد، قابلیت کارگرم فولاد کاهش می یابد.

گوگرد

این عنصر غالبا در فولادها به صورت سولفید آهن (FeS) یا سولفید منگنز (MnS) یافت می شود. در صورتی که گوگرد به صورت سولفید آهن در ساختار حضور یابد، با رسوب در مرزدانه ها خواص مکانیکی فولاد را به شدت تضعیف می کند. در صورتی که عملیات نورد یا آهنگری بر روی این فولاد در دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد انجام شود، سولفید آهن ذوب شده و در مرزدانه ایجاد پارگی داغ (Hot shortness) می کند. اما سولفید منگنز ضرر کمتری دارد و با رسوب به صورت تکه تکه، از رشد ترک جلوگیری می کند .

فسفر

فسفر معمولا در فولاد ساده کربنی به صورت فاز فسفید آهن (Fe₃C) مشاهده می شود. تشکیل این فاز باعث ایجاد ترک های سطحی در حین عملیات کار مکانیکی فولاد می شود که به پارگی سرد (Cold shortness) معروف است. این عنصر استحکام کششی و استحکام تسلیم فولاد را بالا می برد، اما کاهش شدیدی در انعطاف پذیری آن به وجود می آورد .

نیتروژن

منبع نیتروژن اتمسفر هوا است. بنابراین برای کنترل مقدار نیتروژن فولاد، باید کنترل مناسبی روی اتمسفر بالای آن داشته باشیم. مهم ترین تاثیر این عنصر، افزایش نقطه تسلیم فولاد با تشکیل باندهای لودر است. هم چنین هنگام اکسیژن زدایی توسط آلومینیوم، نیترید آلومینیوم (AlN) تشکیل می شود که با محدود ساختن رشد دانه، سبب ریزدانگی فولاد می شود.

هیدروژن

یکی از مضرتری عناصر گازی که در فولاد وجود دارد، هیدروژن است. این عنصر به دلیل سرعت نفوذ بالایی که دارد، در داخل ساختار نفوذ کرده و باعث ایجاد ترک هایی مویی یا ورقه ای می شود. فولادهای ساده کربنی بیشترین استعداد تردی هیدروژنی و ایجاد ترک را در بین فولادها دارند. تاثیر مضر این عنصر را می توان با عملیات کارگرم یا آنیل فولاد در دمای حدود 600 درجه سانتیگراد به حداقل رساند.

اکسیژن

اکسیژن در ترکیب با آهن، منگنز، سیلیسیوم و آلومینیوم آخال های اکسیدی غیرفلزی ایجاد می کند که پیوستگی ساختار را از بین می برد و باعث ایجاد خواص جهت دار در آن می شود. این عنصر هم چنین دمای انتقال را در فولاد افزایش داده و باعث کاهش انعطاف پذیری و چقرمگی آن می شود.