فولاد

انواع مختلف فولاد و گریدهای فولادی چیست؟

فولاد یکی از همه کاره ترین و مفیدترین مواد روی کره زمین است. فولاد فولادی از آهن (Fe) و کربن (C) تشکیل شده است، اما فولاد پیچیده تر از آن است. ویژگی‌ها و استحکام فولاد تحت‌تاثیر کربن و آهن یا گنجاندن سایر عناصر در آن قرار می‌گیرند که می‌توان از فولاد در تعداد بی‌نهایتی از سناریوها استفاده کرد.

اکثر مردم بر این باورند که فولاد فقط از آهن و کربن ترکیب می شود. اما در واقع بیش از 3500 درجه مختلف فولاد وجود دارد! شما می توانید عیار فولاد را با تجزیه و تحلیل مقدار کربن موجود در آن، سایر عناصر آلیاژی آن و همچنین نحوه پردازش آن تعیین کنید.

در این مقاله، انواع مختلف فولاد، به همراه چهار طبقه‌بندی آنها، انواع مختلف فولاد و روش‌های عملیات حرارتی مورد استفاده برای بهبود خواص مکانیکی فولاد را مورد بحث قرار می‌دهند.

چهار نوع فولاد

طبقه بندی طبقه بندی و به چهار گروه طبقه بندی می شود:

فولادهای کربنی

فولادهای علیاژی

فولادهای ضد زنگ

فولادهای ابزار

این خیلی از اشکال فولاد از چه ساخته شده اند و چه هدفی را دنبال می کنند؟ بیایید دریابیم!

فولادهای کربنی

جدا از کربن و آهن، فولادهای کربنی تنها حاوی کمی از اجزای دیگر هستند. فولادهای کربنی رایج ترین فولاد در بین چهار گرید فولادی هستند که 90 درصد کل تولید فولاد را تشکیل می دهند! فولاد کربنی بر اساس میزان کربن موجود در فلزات به سه زیر گروه طبقه بندی می شود:

فولادهای کم کربن / فولادهای ملایم (تا 0.3 درصد کربن)

فولادهای کربن متوسط ​​(0.3-0.6٪ کربن)

فولادهای پرکربن (بیش از 0.6 درصد کربن)

درباره فولادهای کربنی در راهنمای فولاد ملایم ما در مقابل فولادهای کربنی بیشتر بدانید!

شرکت ها و شرکت های بزرگ این فولادها را در بیشتر تولید می کنند زیرا نسبتاً ارزان هستند و به اندازه کافی قوی هستند که در ساخت و ساز در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند.

فولادهای علیاژی

فولادهای آلیاژی از ترکیب فلزات با عناصر آلیاژی علاوه بر نیکل، مس، کروم و/یا ساخت می شوند. ترکیب این عناصر استحکام، شکل پذیری، مقاومت در برابر خوردگی و ماشین کاری فولاد را بهبود می بخشد.

فولادهای ضد زنگ

گریدهای فولاد ضد زنگ با 10 تا 20 درصد کروم و همچنین نیکل، سیلیکن، منگنز و کربن آلیاژ می شوند. به دلیل افزایش قدرت آنها برای زنده ماندن در آب و هوای نامطلوب، این فولادها در برابر خوردگی فوق العاده بالا هستند و برای استفاده در ساخت و ساز در فضای باز ایمن هستند. نمرات فولاد ضد زنگ معمولاً در دستگاه های الکتریکی استفاده می شود.

به عنوان مثال، فولاد ضد زنگ 304 به دلیل اجرای آن در مقاومت در برابر محیط و در عین حال ایمن نگه داشتن مواد الکتریکی به طور مستقیم مورد توجه قرار گرفته است.

در حالی که گریدهای مختلف فولاد ضد زنگ، از جمله فولاد ضد زنگ 304، جایگاهی در ساختمان ها دارند، فولاد ضد زنگ بیشتر به دلیل ویژگی های بهداشتی آن مورد توجه قرار می گیرد. اینها به طور خاص در دستگاه های پزشکی، لوله ها، مخازن تحت فشار، ابزارهای برش و ماشین آلات پردازش مواد غذایی غذایی می شوند.

فولادهای ابزار

فولادهای ابزار، ابزارهایی که از نام آن پیداست، در تجهیزات برش و حفاری عالی هستند. وجود تنگستن، مولیبدن، کبالت و وانادیوم به بهبود مقاومت حرارتی و دوام عمومی کمک می کند. و از آنجایی که آنها شکل خود را حتی در صورت استفاده زیاد می کنند، مواد برداشتی برای اکثر ابزارهای دستی هستند. در اینجا با نحوه ساخت فولاد ابزار آشنا شوید

طبقه بندی فولاد

فراتر از چهار گروه، فولاد را نیز می توان بر اساس تقسیم بندی های مختلف تقسیم بندی کرد که عبارتند از:

ترکیب : ترکیب کربن، آلیاژ، ضد زنگ و غیره

روش تکمیل : نورد گرم، نورد سرد، پایان سرد و غیره.

روش تولید : کوره الکتریکی، ریخته گری پیوسته و غیره.

ریزساختار : فریتی، پرلیتی، مارتنزیتی و غیره

قدرت ساختار : طبق استانداردهای ASTM

فرآیند تشخیص زدایی : کشته یا نیمه کشته

عملیات حرارتی : بازپخت، تمپر و غیره

نامگذاری کیفیت : کیفیت تجاری، کیفیت مخازن تحت فشار، کیفیت طراحی و غیره.

سیستم های درجه بندی فولاد

سیستم های درجه بندی فولاد به ما این امکان را می دهد که انواع فولاد را بر اساس موارد استفاده آنها دسته بندی کنیم. به عنوان مثال، سرعت خنک شدن فولاد توسط سازندگان فولاد ممکن است بر استحکام مولکولی آن تأثیر بگذارد. مدت زمانی که آنها می توانند فولاد را در دمای بحرانی در طول فرآیند خنک سازی حفظ کنند نیز ضروری است. در واقع، دو ورق فولاد با محتوای آلیاژ یکسان بسته به روش عملیات حرارتی می‌توانند دارای گریدهای مختلفی باشند.

سیستم   درجه بندی  ASTM به هر فلز یک پیشوند حرفی بر اساس دسته بندی کلی آن ("A" برای آلیاژهای مبتنی بر آهن و مواد فولادی) و همچنین یک عدد تخصیص متوالی مربوط به ویژگی های منحصر به فرد آن فلز اختصاص می دهد.

در مقابل، برای طبقه بندی،   سیستم درجه بندی  SAE از یک عدد چهار رقمی استفاده می کند. دو شکل اول نشان دهنده نوع فولاد و غلظت عنصر آلیاژی است، در حالی که دو رقم آخر نشان دهنده غلظت کربن فلز است.

استانداردهای درجه بندی فولاد اغلب برای اطمینان از کیفیت و سازگاری مواد توسط دانشمندان، مهندسان، معماران، مهندسان خودرو و ارگان های دولتی استفاده می شود. این استانداردها اصطلاحات منسجمی را برای بیان خصوصیات فولاد با جزئیات زیاد و همچنین هدایت تولیدکنندگان محصول به سمت تکنیک های پردازش و کاربرد مناسب ارائه می کنند.

درجات فولاد

سیستم‌های درجه‌بندی فولاد ترکیب شیمیایی، فیلتر کردن و کیفیت‌های مکانیکی را در نظر می‌گیرند تا به سازندگان کمک کنند تا بهترین محصول را برای کاربردشان انتخاب کنند. جدا از درصد کربن و سایر آلیاژها در مواد، ریزساختار تأثیر قابل توجهی بر خواص مکانیکی فولاد دارد.

ریزساختار

درک مفهوم ریزساختار و نحوه اصلاح ریزساختار فولاد از طریق شکل دهی سرد و گرم و همچنین پس از ساخت بسیار مهم است. از این روش ها می توان برای ایجاد کالاهایی با کیفیت های مکانیکی به فرد استفاده کرد. دستکاری ترکیب شیمیایی و ریزساختار، از سوی دیگر، به مبادله بین کیفیت های متمایز می شود.

ریزساختار یک ماده روشی است که مولکول ها با نیروهایی که بین آنها وارد می شود به پیوند پیوند می زنند. عملیات گرمایش و سرمایش برای جابجایی ریزساختار از یک شکل به شکل دیگر می‌شود که بر ویژگی‌های ماده تأثیرگذار می‌شود.ریزساختار را نمی توان با چشم انسان دید اما می توان آن را زیر میکروسکوپ بررسی کرد. فولاد می تواند ریزساختارهای مختلف از جمله فریت، پرلیت، مارتنزیت، سمنتیت و آستنیت داشته باشد.

فریت

ساختار مولکولی خالص در شرایط عادی فریت نامیده می شود. این ریزساختار در فولاد با کربن بسیار کم نیز یافت می شود. ساختار کریستالی مکعبی بدنه (BCC) ویژگی متمایز فریت است. مولکول‌های موجود در BCC نسبت به سایر ریزساختارها که حاوی مولکول‌های بیشتر در هر مکعب هستند، شل‌تر هستند.با این حال، در اتاق، مقدار کربنی که ممکن است بدون تأثیر بر ساختار فریت عرضه به 0.06٪ محدود شود، می شود.

آستنیت

آستنیت یک ریزساختار است که وقتی آلیاژهای بر آهن بیش از 1500 درجه فارنهایت اما کمتر از 1800 درجه سانتیگراد (982 درجه سانتیگراد) گرم می شوند، ایجاد می شوند. اگر آلیاژ صحیحی مانند نیکل در فولاد وجود داشته باشد، ماده حتی پس از سرد شدن نیز ریزساختار خود را حفظ می کند.آستنیت با ساختار کریستالی مکعبی (FCC) آن متمایز می شود. مولکول های موجود در آستنیت متراکم تر از مولکول های موجود در فریت هستند. آستنیت، یک ریزساختار متداول از فولاد زنگ، می تواند تا 2 درصد ضد کربن داشته باشد.

سیمانیت

وقتی که فولاد کربنی تا شود شود، بدون هیچ آلیاژی خنک می شود تا آستنیت حفظ شود، ریزساختار به فریت باز می شود.با این حال، اگر سطح کربن بیش از 0.006 باشد، اتم های ٪ کربن علاوه بر پیوند می خوردند و کاربید آهن (Fe3C) که به عنوان سمنت نیز شناخته می شود، ایجاد می کند. سیمانیت به خودی خود تشکیل نمی شود زیرا بخشی از ماده فریت است.

پرلیت

پرلیت یک ماده چند لایه است که از لایه های متناوب فریت و سمنت تشکیل شده است. زمانی اتفاق می‌افتد که فولاد به سرد می‌شود و یک یوتکتیک ایجاد می‌کند. یک مخلوط یوتکتیک زمانی اتفاق می افتد که دو ماده مذاب به طور همزمان متبلور می شوند. در این شرایط، فریت و سمنت به طور همزمان تشکیل می‌شوند و در نتیجه لایه‌های متناوب در ریزساختار ایجاد می‌شوند.

مارتنزیت

مارتنزیت دارای ساختار کریستالی چهارضلعی است که بدنه ای است. این شکل میکروکریستالی با خنک شدن سریع فولاد به دست می آید که اتم های کربن را در داخل شبکه آهن به دام می اندازند. محصول نهایی یک کربن و کربن سوزنی است. فولاد با ساختار میکروکریستالی مارتنزیت معمولاً یک آلیاژ فولادی کم کربن با حدود 12 درصد کروم است.

شکل دهی سرد و گرم

برای جلوگیری از خوردگی، فولاد مذاب باید به شکل نهایی درآید و سپس تکمیل شود. فولاد مجموعه به شکل های آماده ماشین آلات مانند بلوم، بیلت و اسلب ریخته می شود. سپس از نورد برای شکل دادن به قالب ها استفاده می شود. بسته به جنس و کاربرد مورد نظر، نورد را می توان گرم، گرم یا سرد انجام داد.تغییر شکل فشاری در هنگام نورد با استفاده از دو رول کار انجام می شود. رول ها به سرعت می چرخند و فولاد را بین خود می کشند و می کنند.

شکل گیری سرد

شکل دهی سرد نورد فولاد در دماهای کمتر از تبلور مجدد آن است. فشار اعمال شده توسط رول ها بر روی ایجاد باعث ایجاد نابجایی در ریزساختار ماده می شود و در نتیجه دانه هایی در ماده ایجاد می شود.با افزایش تعداد نابجایی ها، فولاد سخت تر می شود و تغییر شکل آن سخت تر می شود. نورد سرد همچنین باعث ایجاد شکنندگی در فولاد می شود که با عملیات حرارتی قابل رفع است.

پس از تکمیل نورد، قطعات فولادی با استفاده از تکنیک های پردازش ثانویه برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی و بهبود خواص مکانیکی خود، مانند:

پوشش

درمان سطحی

عملیات حرارتی

روش های مختلف عملیات حرارتی فولاد

کروی شدن

زمانی اتفاق می افتد که فولاد شدن کربنی به مدت 30 ساعت تا دمای 1290 درجه فارنهای (699 درجه سانتیگراد) گرم شود. لایه های سیمانیت ریزساختار پرلیت به شکل کروی تغییر یافته و در نتیجه نرم ترین و پذیرفتن شکل فولاد به وجود می آید.

بازپخت کامل

فولاد کربنی ابتدا با حرارت دادن کمی فراتر از بحرانی بالا به مدت یک ساعت و سپس با سرعت حدود 36 درجه سانتیگراد (2 درجه سانتیگراد) در ساعت بازپخت می شود. این روش ساختار پرلیتی درشتی را ایجاد می کند که پذیرفتن و عریان از کشش های داخلی است.

فرآیند آنیلینگ

در فولاد سرد کار شده و کم کربن (> 0.3% C)، فرآیند بازپخت استرس را کاهش می دهد. به مدت یک ساعت، فولاد تا 1025-1292 درجه فارنهایت (552-700 درجه سانتیگراد) گرم می شود. قبل از سرد شدن، نابجایی ها در ریزساختار با کریستال اصلاح می شوند.

بازپخت همدما

فولاد پر کربن ابتدا از بحرانی بالاتر از خود گرم می شود. سپس دما حفظ می شود، به بحرانی که کاهش می یابد و یک بار حفظ می شود. پس از آن به تا دمای اتاق خنک می شود. این روش تضمین می شود که ماده قبل از شروع به مرحله خنک کننده بعدی به سرعت یکنواخت و ریزساختار رسیده است.

عادی سازی

به مدت ساعت، فولاد کربنی تا یک معمولی گرم می باشد. فولاد الان به طور کامل وارد فاز آستنیت شده است. سپس فولاد توسط هوا خنک می شود. نرمال سازی به یک ریزساختار پرلیتی ظریف با استحکام و سختی بالا می شود.

خاموش کردن

در این فرآیند، فولاد متوسط ​​یا کربنی تا آرام آرام حرارت داده می‌شود، سریع‌تر می‌شود (آب نمک یا روغن) تا زمانی که بحرانی بالا خاموش شود. پروسه کوئنچ تبدیل به ساختار مارتنزیتی می شود که بسیار سخت است اما می شود.این محبوب ترین عملیات حرارتی است زیرا نتیجه قابل پیش بینی است. فولاد کوئنچ شده مجدداً گرم و سرد می شود تا کمتر از نقطه بحرانی پایین تر. دماها بسته به اثر مورد نظر متفاوت است و 298-401 درجه فارنهایت (148-205 درجه سانتیگراد) معمول ترین آنها است.

بهترین عیار فولاد چیست؟

هیچ درجه جهانی "بهترین" فولاد وجود ندارد، زیرا عیار فولاد بهینه برای یک کاربرد به چندین مورد از کاربردهای مورد نظر، الزامات مکانیکی و فیلدهای مالی و سایر موارد است.

گریدهای فولادی که به طور مرتب مورد استفاده قرار می گیرند و سری های برتر هر نوع می توانند عبارتند از:

فولادهای کربنی : A36، A529، A572، 1020، 1045 و 4130

فولادهای آلیاژی : 4140، 4150، 4340، 9310 و 52100

فولادهای ضد زنگ : 304، 316، 410 و 420

فولادهای ابزار : D2، H13 و M2