فولاد که از ترکیب آهن و کربن ساخته شده است به عنوان یکی از پر کاربردترین مواد جهان به شمار می‌رود . ترکیب شدن آهن با کربن به این دلیل است که آهن به خودی خود استحکام و سختی بسیار پایینی داشته و به راحتی در مقابل فشار آسیب می‌بیند. برای رفع این مشکل به آهن، کربن اضافه می‌کنند تا استحکام و سختی آن بهبود یابد. با اضافه کردن کربن به فولاد خواهیم رسید اما اگر بخواهیم استحکام بالاتری را نسبت به فولاد معمولی به دست آوریم چه راه حلی وجود دارد؟
فهرست مطالب
فولاد HSLA چیست؟
فولاد کم آلیاژ استحکام بالا (به انگلیسی: High-strength low-alloy steel) که به اختصار آن را فولاد HSLA می‌نامند نوعی فولاد آلیاژی است که با اضافه کردن مقدار اندکی از عناصر آلیاژی مانند منگنز، تنگستن، نیکل، کروم، وانادیوم، کلمبیوم و تیتانیوم به فولاد ساخته شده و نسبت به فولاد معمولی مزایایی دارد. در واقع فولاد کم آلیاژ با حفظ جوش‌پذیری و شکل‌پذیری فولاد، استحکام بالاتری را نسبت به آن ارائه می‌دهد. این فولاد های کم آلیاژ تاریخچه‌ای در حدود یک قرن داشته و مسیری پر از فراز و نشیب را طی کرده تا به ما برسد. با هم این مسیر پر پیچ و خم را مرور می‌کنیم.
تاریخچه فولاد HSLA
همان‌طور که گفتیم فولاد کم آلیاژ پر استحکام (HSLA) نوعی فولاد است که با اضافه شدن مقدار کمی از عناصر آلیاژی مختلف، مقاومت بهتری را در مقابل خوردگی به دست آورده و خواص مکانیکی‌اش بهبود پیدا می‌کند.
آغاز HSLA
کشف این فولاد آلیاژی توسط یک فرد انجام نشده و باید آن را حاصل تلاش‌های جمعی متالورژیست‌ها و محققان صنعت فولاد بدانیم. این تلاش‌ها از دهه 1930 شروع شد و محققان با هدف بهبود استحکام فولاد شروع به بررسی اثرات عناصر آلیاژی بر خواص فولاد کردند. البته آن‌ها این موضوع هم برایشان مهم بود که در کنار بهبود استحکام، شکل‌پذیری فولاد نیز حفظ شود. هدف اصلی آن‌ها از توسعه چنین فولادی، استفاده از آن در صنایع مختلف از جمله ساختمان‌سازی و هوافضا بود.
ورود HSLA به کاربردهای نظامی
در طول جنگ جهانی دوم این تلاش‌ها به دلیل نیاز به مواد سبک و در عین حال مستحکم و با دوام، تشدید شد. تا اینکه در دهه‌های 1940 و 1950 پیشرفت‌هایی در فرایندهای تولید فولاد و تکنیک‌های آلیاژسازی ایجاد شد. این موضوع منجر به ظهور اشکال اولیه فولاد HSLA شد. این نمونه‌های اولیه بیشتر در وسایل نقلیه و تجهیزات نظامی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. در دهه‌های 1960 و 1970 پیشرفت‌های بیشتری شکل گرفت و این موضوع باعث توسعه کاربردهای HSLA شد. در واقع افزودن عناصر آلیاژی مانند منگنز، نیکل، کروم و وانادیوم بود که باعث بروز این پیشرفت‌ها شد و در کنار بهبود استحکام فولاد، چقرمگی آن را هم ارتقا داد.
بلوغ فولاد HSLA
این پیشرفت‌ها در قرن 20 و 21 هم ادامه یافت تا به پالایش و توسعه دامنه گریدهای فولاد HSLA انجامید. این پیشرفت‌ها به جایی رسیدند که امروزه فولاد HSLA به طور گسترده در صنایع مختلفی مثل خودروسازی، ساخت وساز، کشتی سازی، انرژی و … کاربرد دارند. این فولاد کم آلیاژی که از استحکام بالایی برخوردار است روز به روز در حال پیشرفت و تکامل بوده و جایگاهی مهم را در صنایع مختلف پیدا کرده است.
انواع گریدهای فولاد HSLA
فولاد کم آلیاز با استحکام بالا، از گریدهای مختلفی برخوردار است که ترکیب و خواص هرکدام با دیگری متفاوت است. برخی از این گریدها و کاربردشان را در جدول زیر مشاهده می‌کنید:
| ASTM A572 درجه 50 | ASTM A656 درجه 80 | ASTM A588 درجه A | SAE J1392 Grade 340XF | ASTM A1011 HSLAS درجه 50 | |
| ترکیبات آلیاژی | 0.23% کربن، 1.35% منگنز، 0.04% فسفر، 0.05% گوگرد، 0.30% سیلیکون و مقادیر کمی وانادیم و نیوبیم و تیتانیوم | 0.18% کربن، 1.65% منگنز، 0.025% فسفر، 0.025% گوگرد، 0.60% سیلیکون و مقادیر کمی نیتروژن، وانادیم، آلومینیوم، بور و تیتانیوم | 0.19% کربن، 1.25% منگنز، 0.04% فسفر، 0.05% گوگرد، 0.65% سیلیکون و مقادیر کمی مس، وانادیم، کروم، نیکل و مولیبدن | 0.20% کربن، 1.50% منگنز، 0.025% فسفر، 0.025% گوگرد و مقادیر کمی آلومینیوم، نیوبیم، وانادیم، تیتانیوم، و نیتروژن | 0.10% کربن، 0.60% منگنز، 0.025% فسفر، 0.025% گوگرد، 0.20% سیلیکون و مقادیر کمی، وانادیم، نیوبیم و تیتانیوم |
| ویژگی‌ها | استحکام، شکل‌پذیری و جوش پذیری عالی | استحکام، چقرمگی و جوش پذیری عالی | مقاومت در برابر خوردگی و استحکام کششی بالا | استحکام بالا، شکل‌پذیری خوب، کیفیت سطح بهبود یافته | استحکام، شکل‌پذیری و جوش‌پذیری بالا |
| کاربردها | پل‌ها، ساختمان‌ها، ماشین آلات و تجهیزات سنگین ساختمانی | بوم جرثقیل، قاب کامیون، ماشین آلات سنگین و تجهیزات معدن | پل‌ها، ساختمان‌ها و برج‌های انتقال | قطعات ساختاری خودرو مانند قاب‌ها و آرماتورها | اجزای خودرو و تجهیزات ساختمانی |
این‌ها تنها چند نمونه از گریدهای فولاد HSLA هستند که هر کدام از آن‌ها ترکیبات و ویژگی‌های منحصر به فردی را برای کاربردهایی مختلف ارائه می‌دهند. سازندگان و مهندسان باید استانداردها و مشخصات گریدها را بررسی کرده و گرید متناسب با نیاز خود را انتخاب کنند.
مزایای فولاد HSLA
به آهن، کربن اضافه می‌شود تا به فولاد تبدیل شده و مزایای زیادی را نسبت به آهن ارائه دهد. اما گاهی فولاد هم کافی نیست و نیاز به ارتقا برخی ویژگی‌ها می‌باشد. بنابراین با اضافه کردن برخی عناصر آلیاژی به فولاد، فولاد HSLA را می‌سازیم تا به خواص مورد نظرمان برسیم. این نوع از فولاد مزیت‌ها و فواید زیادی دارد که برخی از آن‌ها را باهم بررسی می‌کنیم:
استحکام و خواص مکانیکی
فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا، همان‌طور که از نامشان هم پیداست از استحکام بالایی برخوردار می‌باشند. در بسیاری از مواد، افزایش استحکام به کاهش شکل‌پذیری منجر می‌شود و این موضوع می‌تواند باعث ایجاد مشکلاتی شود. اما در فولاد HSLA علاوه بر افزایش استحکام، شکل‌پذیری نیز حفظ شده و چقرمگی و مقاومت در برابر ضربه و سایش افزایش می‌یابد. این اتفاق، امکان طراحی و ساخت سازه‌های سبک‌تر و با دوام‌تر را فراهم می‌کند.
شکل‌پذیری
همان‌طور که گفتیم یکی از مزایای فولاد HSLA این است که علاوه بر افزایش استحکام، شکل‌پذیری را نیز حفظ می‌کند. این موضوع می‌تواند فولاد کم آلیاژ استحکام بالا را برای فرایندهای ساخت پیچیده‌ای مثل خمش، نورد و کشش مناسب کند. بنابراین تولیدکنندگان با این فولاد امکان ایجاد قطعاتی پیچیده و سفارشی شده را خواهند داشت.
مقاومت در برابر خوردگی
فولاد HSLA در مقایسه با فولاد کربنی مقاومت بهتری را در برابر خوردگی از خود نشان می‌دهد. این موضوع زمانی که عناصری مثل کروم، نیکل و مس در ترکیب آن وجود دارد مشهودتر است. این موضوع باعث می‌شود تا این فولادها در کاربردهایی که در آن‌ها مقاومت در برابر خوردگی ضروری است، به گزینه‌ای مطمئن تبدیل شوند.
جوش‌پذیری عالی
فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا، از جوش‌پذیری خوبی برخوردارند و این موضوع اتصال آن‌ها را از طریق تکنیک‌های مختلف آسان‌تر می‌کند. همین امر ساخت و ساز کارامد و قابل اعتماد را امکان‌پذیر کرده و باعث ایجاد اتصالاتی قوی و بادوام می‌شود.
قابلیت بازیافت
فولاد اچ اس ال ای قابل بازیافت بوده و از این رو دوست‌دار محیط زیست محسوب می‌شود. این فولاد پس از آن که به پایان عمر مفیدش رسید بدون تضعیف خواص مکانیکی و ایجاد ضایعات، قابل بازیافت بوده و امکان تغییر کاربری آن نیز وجود دارد.
کاربرد گسترده
کاربرد فولاد کم آلیاژ به قدری گسترده و وسیع می‌باشد که حتی در صنایع نوظهور هم قابل استفاده است. این فولاد آلیاژی در خودروسازی و اجزای شاسی و سیلندر، قطعات سیستم‌های تعلیق، ساخت و ساز پل‌ها، ساختمان‌ها و زیرساخت‌ها، تولید خط لوله، مخازن تحت فشار، سازه‌های دریایی، تجهیزات کشاورزی، ماشین آلات، تهویه مطبوع مانند فن کویل سقفی و بسیاری از صنایع دیگر کاربرد دارد. این کاربرد گسترده نشان از کیفیت و مزیت بالای این فولاد آلیاژی دارد.
نمرات و استانداردها
استانداردهای بین المللی مثل ASTM، AISI، EN و JIS می‌توانند به اطمینان از ثبات در کیفیت و عملکرد مواد کمک کنند. فولاد HSLA مطابق با این استانداردها تولید شده و گریدهای مختلف با ترکیبات و خواص مکانیکی متفاوتی را به نمایش می‌گذارد.
معایب و محدودیت های فولاد HSLA
هر وسیله مفیدی می‌تواند از معایب و محدودیت‌هایی نیز برخوردار باشد. فولاد کم آلیاژ با استحکام بالا هم از این امر مستثنا نیست و معایب و محدودیت‌هایی دارد. در ادامه با برخی از آن‌ها آشنا خواهیم شد:
هزینه بالا
به طور کلی هرچه کیفیت و مزایا بالاتر باشد هزینه هم بالاتر خواهد بود. فولادهای HSLA هم به دلیل وجود عناصر آلیاژی، کیفیت بالاتری را نسبت به فولاد معمولی ارائه داده و در نتیجه گران‌تر هستند. هرچند که این هزینه در نهایت به سودی بیشتر منجر خواهد شد اما به هر حال برای سرمایه اولیه‌ی کار، محدودیت محسوب می‌شود.
کاهش شکل‌پذیری در دماهای پایین
برخی از گریدهای فولاد کم آلیاژ استحکام بالا ممکن است در دماهای پایین انعطاف‌پذیری کمتری را از خود نشان دهند. بنابراین در کاربردهایی که در معرض محیط‌های بسیار سرد قرار می‌گیرند شکل‌پذیری این فولاد به شدت پایین خواهد آمد و ممکن است محدودیتی بزرگ محسوب شود.
پیچیدگی در جوشکاری و عملیات حرارتی
هرچند که فولاد HSLA جوش‌پذیری بسیار خوبی دارد اما در برخی گریدهای خاص ممکن است به تکنیک‌های تخصصی جوشکاری یا انجام عملیات حرارتی قبل یا بعد از جوشکاری نیاز باشد. این اتفاق می‌تواند هزینه‌هایی را به کلیت فرایند تحمیل کند.
جمع‌بندی
فولاد کم آلیاژ با استحکام بالا (HSLA) باعث ایجاد انقلابی در زمینه فولاد و ساخت و ساز شده است. چرا که داشتن ویژگی‌هایی مثل استحکام، جوش‌پذیری، شکل‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی، فولاد HSLA را به یک ماده همه کاره با کاربردهای گسترده تبدیل کرده است. با اینکه در تاریخچه‌ی فولاد کم آلیاژ پر استحکام مشخص شده است که این فولاد، قدیمی نیست و کمتر از یک قرن عمر دارد اما در همین زمان محدود پیشرفت‌های چشم‌گیری داشته و گریدهای مختلفی را ارائه داده است. هر گرید از ترکیبات خاصی تشکیل شده و در نتیجه ویژگی‌های خاص خودش را دارد. این ویژگی‌ها باعث شده تا هر گریدی از این فولاد کاربردی خاص داشته باشد و همین امر، گسترده بودن کاربردهای این فولاد را توضیح می‌دهد.
به دلیل وجود ویژگی‌های فوق‌العاده فولاد HSLA، امکان استفاده از این فولاد در ساختارهای قوی و بادوام اما سبک فراهم می‌شود. اما نباید این مزایا باعث شوند تا از محدودیت‌های آن غافل شده و عواملی مثل هزینه بالا، کاهش شکل‌پذیری در دمای پایین و پیچیدگی در جوشکاری را نادیده بگیریم. بنابراین با در نظر گرفتن محدودیت‌های HSLA از این فولاد در کاربردهای گوناگونی استفاده کرده و از مزایای خاص آن بهره‌مند خواهیم شد.
پرسش و پاسخ
کدام یک از گریدهای فولاد کم آلیاژ با استحکام بالا از استحکام بیشتری برخوردار است؟
شاید مشخص کردن اینکه کدام گرید استحکام بیشتری دارد کار دشواری باشد اما با این حال یکی از استاندارهای شناخته شده‌ی این فولاد که استحکام بالایی دارد ASTM A514 است. این گرید که به استحکام بالایش معروف است شکل‌پذیری نسبتا خوبی هم دارد. اما نباید فراموش کرد که گریدهایی مثل ASTM A572 و ASTM A656 هم از گریدهای مستحکم HSLA هستند و در کنار A514 به عنوان یکی از مستحکم‌ترین گریدها محسوب می‌شوند.
فولاد HSLA از چه ساخته شده است؟
فولادهای HSLA که اغلب به عنوان فولادهای میکروآلیاژی شناخته می‌شوند، فولادهای کم کربنی هستند که استحکام آن توسط مقادیر کمی از عناصر آلیاژی مانند نیوبیم، وانادیم، تیتانیوم، مولیبدن یا بور به تنهایی یا ترکیبی افزایش می‌یابد. استحکام کششی آن‌ها ممکن است به 450 مگاپاسکال برسد و شکل‌پذیری آن‌ها ممکن است تا 30٪ باشد.
مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 3 تیر 1402
