فولاد یکی از همه کاره‌ترین و مفیدترین مواد روی کره زمین است که عمدتاً از آهن (Fe) و کربن (C) تشکیل شده است، اما فولاد مدرن پیچیده‌تر از آن است. ویژگی‌ها و استحکام فولاد تحت‌تاثیر غلظت کربن و آهن یا گنجاندن عناصر دیگر قرار می‌گیرد که به فولاد اجازه می‌دهد در تعداد نامحدودی از سناریوها استفاده شود. اکثر مردم بر این باورند که فولاد فقط ترکیبی از آهن و کربن است. اما در واقع بیش از 3500 درجه مختلف فولاد وجود دارد! شما می‌توانید 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، ما در صباپروفیل چهار نوع مختلف فولاد را به همراه نحوه طبقه بندی آن‌ها، انواع مختلف فولاد و روش‌های عملیات حرارتی مورد استفاده برای بهبود خواص مکانیکی فولاد، مورد بحث قرار خواهیم داد.
فهرست مطالب
فولاد چیست؟
فولاد (به انگلیسی Steel)، آلیاژی از آهن و کربن است. مقدار کربن در فولاد بین 0.002 تا 2.1 درصد است و سایر عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل، منگنز و… به مقدار متفاوت در انواع فولادها حضور دارند. اضافه کردن کربن به آهن، در ازای کم کردن مقداری از شکل پذیری، سختی این آلیاژ را تا مقادیر زیادی بالا می‌برد. آهن نیز به عنوان یک عنصر آلیاژی اصلی در فولادها شناخته می‌شود و درنتیجه، فولادها یک خانواده بزرگ از آلیاژهای آهنی را تشکیل می‌دهند. این میزان کربن در فولادها مهم‌ترین فاکتور محسوب می‌شود. فولاد، مهم‌ترین آلیاژ تولید شده در تاریخ تمدن انسان است. انواع فولاد، بزرگترین حجم تولید و کاربرد را در بین تمام فلزات وآلیاژ‌های موجود در عصر حاضر را دارند.
آیا می‌دانید فلز چیست؟ فلزات عناصر طبیعی هستند که در پوسته زمین یافت می‌شوند. به شیمی دوران دبیرستان و فلزات جدول تناوبی مانند مس، روی و آهن فکر کنید. اگر یادتان باشد نام فولاد در این جدول درج نشده بود. این به این دلیل است که فولاد به عنوان یکی از اَشکال فلزات طبقه‌بندی می‌شود. به طور خاص، به عنوان آلیاژ آهن شناخته می‌شود. این بدان معناست که ترکیب شیمیایی آن در واقع مخلوطی است که بخشی از آن فلز (آهن) و بخشی غیرفلز (کربن) است. در هسته آن، می‌توانید فولاد را به عنوان شکل خالص شده آهن در نظر بگیرید. ویژگی‌های فلزی آهن را حفظ می‌کند. علاوه بر این، عناصر فلزی و غیرفلزی اغلب در طول فرآیند تولید اضافه می شوند. افزودن مقادیر مشخصی از کربن و سایر عناصر آلیاژی باعث افزایش خواص فیزیکی – شیمیایی مانند استحکام، مقاومت و تغییرپذیری می‌شود. این پیشرفت‌ها، فولاد را به یکی از پرمصرف‌ترین مواد در جهان تبدیل کرده است.
انواع فولاد
انواع فولاد به چهار گروه طبقه بندی اصلی می‌شود:
فولاد کربنی
آهن و کربن فراوان‌ترین مواد موجود در فولاد هستند. آهن خالص به خودی خود قوی یا سخت نیست، بنابراین افزودن کربن است که به فولاد کمک می‌کند تا استحکام بالایی داشته باشد. جدا از کربن و آهن، فولادهای کربنی تنها حاوی مقادیر کمی از اجزای دیگر هستند. فولادهای کربنی رایج ترین فولاد در بین چهار گرید فولادی هستند که 90 درصد کل تولید فولاد را تشکیل می‌دهند! فولادهای کربنی به‌طور گسترده در کاربردهای مختلفی از جمله ساخت و سازهای عمرانی و مکانیکی، نورد مجدد، قطعات خودرو، مبلمان، لوله‌ها، تجهیزات کشاورزی، لوازم خانگی و قطعات با شکل‌دهی یا خمش سبک استفاده می‌شوند.
فولاد کربنی بر اساس میزان کربن موجود در فلز به سه زیر گروه طبقه بندی می‌شود:
- فولاد کم کربن / فولادهای ملایم (تا 0.3٪ کربن)
- فولاد کربن متوسط (0.3-0.6٪ کربن)
- فولاد پرکربن (بیش از 0.6 درصد کربن)
شرکت ها اغلب این فولادها را در مقادیر زیاد تولید می‌کنند زیرا نسبتاً ارزان هستند و به اندازه کافی قوی هستند که در ساختمان سازی در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار گیرند.
فولاد آلیاژی
فولادهای آلیاژی از ترکیب فولاد با عناصر آلیاژی اضافی مانند نیکل، کبالت، مس، مولیبدن، کلمبیوم، تیتانیوم، تنگستن، وانادیم، سیلیکون، کروم و/یا آلومینیوم ساخته می‌شوند. ترکیب این عناصر استحکام، شکل پذیری، مقاومت در برابر خوردگی و ماشینکاری فولاد را بهبود می‌بخشد.
عناصر آلیاژی به فولاد اضافه می‌شوند تا یک یا چند ویژگی فیزیکی و/یا مکانیکی آن را بهبود بخشند، مانند: سختی، استحکام، چقرمگی، عملکرد در دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر سایش. این عناصر معمولاً 1 تا 50 درصد وزنی ترکیب فلز را تشکیل می‌دهند. فولادهای آلیاژی تقریباً در تمام صنایع برای ساخت ابزارهای ساخت و محصولات نهایی استفاده می‌شوند. عیار و ترکیب دقیق فولاد آلیاژی را می‌توانید با نیازهای خود تنظیم نمایید. بسته به خواص مورد نظر ماده، فولاد آلیاژی می‌تواند دارای طیف گسترده و مقادیر متغیری از عناصر آلیاژی باشد. هر یک از این عناصر برای افزایش برخی خواص فولاد مانند سختی یا مقاومت در برابر خوردگی اضافه می‌شود. عناصر آلیاژی معمولی عبارتند از: بور، کروم، مولیبدن، منگنز، نیکل، سیلیکون، تنگستن و وانادیم. سایر عناصر کمتر رایجی که ممکن است اضافه شوند عبارتند از: آلومینیوم، کبالت، مس، سرب، قلع، تیتانیوم و زیرکونیوم.
بیشتر بدانید: فولاد چگونه ساخته می شود؟
فولاد آلیاژی از ذوب آلیاژهای پایه در یک کوره الکتریکی در دمای بیش از 1600 درجه سانتی‌گراد به مدت 8 تا 12 ساعت ساخته می‌شود. سپس در دمای بیش از 500 درجه سانتی‌گراد آنیل می‌شود تا خواص شیمیایی و فیزیکی را تغییر داده و ناخالصی‌ها را حذف کند. آنیل و رسوب زدایی تا زمانی که فولاد ذوب شود تکرار می‌شود. فولاد ذوب شده بسته به ابعاد مورد نیاز برای نورد و شکل دادن به فرم نهایی، ریخته گری می‌شود. به‌طور کلی، فولاد با استفاده از یکی از دو فرآیند زیر ایجاد می‌شود:
کوره قوس الکتریکی (EAF) یا کوره بلند. کوره بلند فرآیند اولیه تبدیل اکسیدهای آهن به فولاد است. آهن خام در کوره بلند با استفاده از کک، سنگ آهن و سنگ آهک تولید می‌شود. تفاوت EAF با کوره بلند در این است که با ذوب ضایعات فولادی، آهن احیا مستقیم و/یا آهن خام با استفاده از جریان الکتریکی، فولاد مذاب ایجاد می‌کند.
فولاد ضد زنگ
گریدهای فولاد ضد زنگ (Stainless steels) با 10 تا 20 درصد کروم و همچنین نیکل، سیلیکون، منگنز و کربن، آلیاژ می‌شوند. این فولادها به دلیل ظرفیت افزایش یافته خود برای سالم ماندن در آب و هوای نامساعد، مقاومت در برابر خوردگی فوق العاده بالایی دارند و برای استفاده در ساخت و ساز در فضای باز، ایمن هستند. نمرات مختلف فولاد ضد زنگ نیز معمولاً در دستگاه‌های الکتریکی استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، فولاد ضد زنگ 304 به دلیل توانایی آن در مقاومت در برابر محیط و در عین حال ایمن نگه داشتن مواد الکتریکی به‌طور گسترده‌ای مورد توجه قرار گرفته است. در حالی که گریدهای مختلف فولاد ضد زنگ، از جمله فولاد ضد زنگ 304، جایگاهی در ساختمان‌ها دارند، فولاد ضد زنگ بیشتر به دلیل ویژگی‌های بهداشتی آن مورد توجه قرار می‌گیرد. این فولادها به‌طور گسترده در دستگاه‌های پزشکی، لوله‌ها، مخازن تحت فشار، ابزارهای برش و ماشین آلات پردازش مواد غذایی یافت می‌شوند.
اکثر فولادهای ضد زنگ ابتدا در کوره‌های قوس الکتریکی یا اکسیژن پایه ذوب می‌شوند و متعاقباً در یک ظرف فولادسازی دیگر تصفیه می‌شوند، عمدتاً برای کاهش محتوای کربن. در فرآیند کربن زدایی آرگون-اکسیژن، مخلوطی از اکسیژن و گاز آرگون به فولاد مایع تزریق می‌شود. با تغییر نسبت اکسیژن و آرگون، می‌توان کربن را تا سطوح کنترل‌شده با اکسید کردن آن به مونوکسید کربن حذف کرد، بدون اینکه کروم گران‌قیمتی نیز اکسید شود و از دست برود. بنابراین، ممکن است در عملیات ذوب اولیه از مواد خام ارزان‌تری مانند فروکروم با کربن بالا استفاده شود.
فولاد ابزار
سایر روش‌های طبقه بندی فولاد
فراتر از چهار گروه گفته شده، فولاد را می‌توان بر اساس متغیرهای مختلف دیگری نیز طبقه‌بندی کرد که عبارتند از:
- ترکیب: محدوده 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 فیزیکی: طبق استانداردهای ASTM
- فرآیند اکسید زدایی: کشته یا نیمه کشته
- عملیات حرارتی: بازپخت، تمپر و غیره.
- نامگذاری براساس کیفیت: کیفیت تجاری، کیفیت مخازن تحت فشار، کیفیت کشش و غیره.
فولاد کشته شده یا کشته فولاد چیست؟
زمانی که فولاد قبل از ریخته‌گری به طور کامل اکسیدزدایی شده باشد و هیچ گازی در طی انجماد ایجاد نشود، فولاد حاصل به عنوان فولاد کشته شده (Killed Steel) شناخته می‌شود. این فولاد با درجه بالایی از همگنی شیمیایی مشخص می‌شود. عاری از تخلخل گاز است که این فولادها را برای اجزای حیاتی و برای کاربردهایی که شامل عملیات حرارتی می‌شوند مناسب‌تر می‌سازد.
بهترین گرید فولاد چیست؟
نمی‌توان با قطعیت بهترین گرید را معرفی کرد زیرا هر گرید دارای کاربردهای مختلفی است. اما گریدهای فولادی که به‌طور مرتب مورد استفاده قرار می‌گیرند و سری‌های برتر هر نوع محسوب می‌شوند 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
جدول انواع فولاد
سیستم شماره گذاری انواع فولاد
دو سیستم اصلی برای شماره‌گذاری فولادها در صنعت استفاده می‌شود. سیستم اول توسط موسسه فولاد و آهن آمریکا (AISI) و سیستم دوم نیز توسط جامعه مهندسان اتومبیل (SAE) معرفی شده است. برای شناسایی پایه کربن و آلیاژی فولادها در هر دوی این سیستم‌ها، از کدهای عددی چهاررقمی استفاده می‌شود. موارد خاصی از آلیاژها نیز هستند که با کدهای عددی 5 رقمی شناسایی می‌شوند.
در این طراحی اگر رقم اول کد، “عدد 1” باشد نشان دهنده فولاد کربنی است. انواع فولادهای کربنی در هر دو سیستم در این گروه (1xxx) قرار دارند. آن‌ها هم چنین بر اساس خواص اساسی معین به چهار دسته زیر تقسیم می‌شوند:
- فولاد کربنی هموار شامل مجموعه 10XX می‌شود. (حداکثر دارای یک درصد منگنز)
- فولاد کربنی گوگرددار (re-sulfurized) در مجموعه 11xx قرار می‌گیرد.
- فولاد کربنی گوگرد (re-sulfurized) و فسفردار (Re-Phosphorized) که در مجموعه 12xx قرار می‌گیرد.
- فولاد کربنی با درصد منگنز بالا (تا 1.65 درصد) و بدون گوگرد (Non-Re-Sulfurized) که در مجموعه 15xx قرار می‌گیرد.
رقم دوم از این مجموعه ارقام معمولاً غلظت عنصر آلیاژی اصلی را به درصد نشان می‌دهد. (مثلاً 2 برابر است با دو درصد) و در نهایت دو رقم آخر، غلظت کربن را به 0.01 درصد نشان می‌دهند.
در جدول زیر طبقه‌بندی‌های مختلف فولاد در سیستم SAE نمایش داده شده است:
| مشخصه SAE | نوع |
| 1xxx | فولاد کربنی |
| 2xxx | فولادهای نیکلی |
| 3xxx | فولادهای نیکل کروم |
| 4xxx | فولاد مولیبدن |
| 5xxx | فولادهای کروم |
| 6xxx | فولاد کروم وانادیوم |
| 7xxx | فولادهای تنگستن |
| 8xxx | فولادهای نیکل کروم مولیبدن |
| 9xxx | فولادهای سیلیکن منگنز |
سرعت صوت در فولاد
سرعت صوت در فولاد به معنای سرعتی است که صوت در این ماده جامد انتقال می‌یابد. سرعت صوت در فولاد وابسته به خواص فیزیکی فولاد و نیز شرایط محیطی مانند دما است. معمولاً سرعت صوت در فولاد حدود ۵۰۰۰ متر بر ثانیه است، اما این مقدار می‌تواند با تغییر در خواص و شرایط، مانند نوع فولاد و دما، متغیر باشد. سرعت صوت در فولاد اهمیت زیادی در بررسی و طراحی سازه‌ها و قطعات فولادی دارد، زیرا می‌توان از آن برای تخمین زمانی که صوت برای انتقال از یک نقطه به نقطه دیگر نیاز دارد، استفاده کرد.
سرعت صوت در فولاد به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله ترکیب شیمیایی فولاد، ساختار کریستالی آن و شرایط فیزیکی محیط. در حالت کلی، سرعت صوت در فولاد حدود 5,960 متر بر ثانیه است. اما باید توجه داشت که این مقدار می‌تواند با تغییرات در خصوصیات فیزیکی و شیمیایی فولاد متغیر باشد.
سرعت صوت در فولاد با افزایش مقاومت و سختی فولاد افزایش می‌یابد. همچنین، حرارت، فشار و رطوبت محیط نیز می‌توانند بر سرعت صوت در فولاد تأثیرگذار باشند.
پرسش و پاسخ
از مخلوط آهن و کربن چه چیزی ساخته می شود؟
از مخلوط آهن و کربن، فولاد به وجود می‌آید. بسته به میزان کربن و سایر آلیاژهایی که استفاده می‌شود، نام فولاد ممکن است متفاوت باشد. مانند فولاد ضد زنگ، فولاد کم کربن یا فولاد پر کربن.
آیا فولاد رسانا است و برق را هدایت می کند؟
بله، فولاد رسانای الکتریسیته است، اما مواد فلزی پرکاربرد دیگری نیز وجود دارند که در رسانایی الکتریسیته بهتر عمل می‌کنند. سیم‌های برق معمولاً از مس یا آلومینیوم ساخته می‌شوند زیرا رسانای عالی الکتریسیته هستند و با قیمت نسبتاً ارزان در دسترس هستند. در مقایسه با مس (مس دارای رسانایی 100٪)، فولاد دارای رسانایی 3 تا 15 درصد است. درصد رسانایی فولاد نسبت به آهن کمتر است، اما به هر حال تا حدی از قابلیت هدایت جریان برخوردار است. جالب است بدانید هر چقدر که درصد کربن فولاد کمتر باشد، رسانایی آن نیز بیشتر خواهد بود و برعکس.
آیا می توان فولاد را آنودایز کرد؟
در برخی موارد، بله. آندایز کردن فرآیندی است که یک لایه اکسید آلومینیوم را روی یک ماده پایه تشکیل می‌دهد. این کار بیشتر برای آلومینیوم انجام می‌شود. فولاد ضد زنگ را می‌توان آنودایز کرد تا به محافظت از فولاد در برابر سایش منظم و بهبود مقاومت آن در برابر خوردگی کمک کند. فولاد کربنی نباید آنودایز شود، زیرا در طی فرآیند آنودایز دچار خوردگی می‌شود.
آیا می توان فولاد را بازیافت کرد؟
بله، فولاد قابل بازیافت است. در واقع، فولاد در مقایسه با سایر مواد مشابه، یک ماده سازگار با محیط زیست برای تولید است و یکی از سازگارترین مواد برای بازیافت است. خواص فولاد بدون توجه به تعداد دفعاتی که فولاد بازیافت می شود، بدون تغییر باقی می ماند.
آیا فولاد می تواند زنگ بزند؟
بله، فولاد در معرض زنگ زدگی است. هنگامی که آهن (که ماده اولیه فولاد است) در معرض اکسیژن و آب قرار می‌گیرد، یک واکنش شیمیایی اکسیداسیون انجام می‌دهد که اکسید آهن را تشکیل می‌دهد. ما معمولاً اکسید آهن را به عنوان زنگ شناسایی می‌کنیم. زنگ می‌تواند روی فولاد هم در هوا و هم در زیر آب ایجاد شود. واکنش شیمیایی در زیر آب متفاوت است و هیدروکسید آهن ایجاد می‌کند و مدت زمان بیشتری طول می‌کشد. فولاد کربنی معمولاً در یک لایه محافظ پوشش داده می‌شود تا از زنگ زدگی محافظت کند. فولاد گالوانیزه دارای پوشش محافظ روی برای این منظور است.
آیا فولاد می تواند بسوزد؟
در شرایط خاص، فولاد می‌تواند بسوزد. فولاد رسانای عالی گرما و الکتریسیته است، بنابراین سوزاندن یک قطعه فولادی با اندازه معمولی بدون رسیدن به دمای شدید دشوار است. گرما به سرعت در بین بقیه فولاد پخش می‌شود و سطح فولاد قادر به رسیدن به دمایی نیست که در آن سوختن اتفاق می‌افتد. با این حال، می‌توانید چیزی را با سطح کوچکی مانند پشم فولادی به راحتی بسوزانید. حجم آن به اندازه کافی کوچک است که در آن فولاد می‌تواند تا دمایی که در آن سوختن اتفاق می‌افتد، گرم شود.
آیا می توان فولاد را لحیم کرد؟
فولاد را می‌توان لحیم کاری کرد، اما اتصالات لحیم ممکن است در محیط‌های غنی از گوگرد، شکننده شوند. فولاد کربن و فولاد کم آلیاژ، لحیم کاری بهتری نسبت به فولادهای پر آلیاژ و فولادهای ضد زنگ دارند. به طور معمول، تمیز کردن سطح فولاد با یک شار تهاجمی قبل از لحیم کاری ایده آل است.
آیا فولاد ذوب می شود؟
بله، فولاد ذوب می‌شود. در اکثر فرآیندهای تولید فولاد، فولاد قبل از اینکه به شکل دلخواه خود درآید، ذوب می‌شود. نقطه ذوب فولاد بر اساس نوع آلیاژ فولاد متفاوت است. آهن در حدود 2750 درجه فارنهایت ذوب می‌شود در حالی که فولاد کربن بین 2600 تا 2800 درجه فارنهایت ذوب می‌شود. فولاد ضد زنگ در دمای 2750 درجه فارنهایت ذوب می‌شود.
فولاد و آلیاژ, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 22 آبان 1402
