stringtranslate.com

فولاد کربن

فولاد کربنی فولادی با محتوای کربن از حدود 0.05 تا 2.1 درصد وزنی است . در تعریف فولاد کربن از موسسه آهن و فولاد آمریکا (AISI) آمده است:

اصطلاح فولاد کربنی ممکن است در مورد فولادی که فولاد ضد زنگ نیست نیز استفاده شود . در این استفاده فولاد کربنی ممکن است شامل فولادهای آلیاژی باشد . فولاد پرکربن دارای کاربردهای مختلفی مانند ماشین های فرز، ابزارهای برش (مانند اسکنه ) و سیم های با استحکام بالا است. این کاربردها به یک ریزساختار بسیار ظریف نیاز دارند که چقرمگی را بهبود می بخشد.

با افزایش درصد کربن، فولاد این توانایی را دارد که از طریق عملیات حرارتی سخت تر و قوی تر شود . با این حال، انعطاف پذیری کمتری دارد . صرف نظر از عملیات حرارتی، محتوای کربن بالاتر جوش پذیری را کاهش می دهد . در فولادهای کربنی، محتوای کربن بیشتر، نقطه ذوب را کاهش می دهد. [2]

خواص

فولاد کربن اغلب به دو دسته اصلی تقسیم می شود: فولاد کم کربن و فولاد پر کربن. همچنین ممکن است حاوی عناصر دیگری مانند منگنز، فسفر، گوگرد و سیلیکون باشد که می تواند بر خواص آن تأثیر بگذارد. فولاد کربنی را می توان به راحتی ماشین کاری و جوش داد و آن را برای کاربردهای مختلف همه کاره می کند. همچنین می توان آن را برای بهبود استحکام، سختی و دوام آن تحت عملیات حرارتی قرار داد.

فولاد کربنی مستعد زنگ زدگی و خوردگی است، به ویژه در محیط هایی با سطوح رطوبت و/یا نمک بالا. می توان آن را با پوشش دادن رنگ، لاک یا مواد محافظ دیگر در برابر خوردگی محافظت کرد. از طرف دیگر، می توان آن را از یک آلیاژ فولاد ضد زنگ که حاوی کروم است، که مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی ایجاد می کند، ساخته شده است. فولاد کربن را می توان با عناصر دیگر آلیاژ کرد تا خواص آن را بهبود بخشد، مانند افزودن کروم و/یا نیکل برای بهبود مقاومت آن در برابر خوردگی و اکسیداسیون یا افزودن مولیبدن برای بهبود استحکام و چقرمگی آن در دماهای بالا.

این یک ماده سازگار با محیط زیست است، زیرا به راحتی قابل بازیافت است و می تواند در کاربردهای مختلف مجددا استفاده شود. تولید آن از نظر انرژی کارآمد است، زیرا به انرژی کمتری نسبت به سایر فلزات مانند آلومینیوم و مس نیاز دارد. [ نیازمند منبع ]

تایپ کنید

فولاد ملایم یا کم کربن

فولاد ملایم (آهن حاوی درصد کمی کربن، قوی و سخت اما به آسانی تلطیف نمی شود)، همچنین به عنوان فولاد کربن ساده و فولاد کم کربن شناخته می شود، در حال حاضر رایج ترین نوع فولاد است زیرا قیمت آن نسبتاً پایین است در حالی که آن را فراهم می کند. خواص مواد که برای بسیاری از کاربردها قابل قبول است. فولاد نرم حاوی تقریباً 0.05-0.30٪ کربن [1] است که آن را چکش‌خوار و انعطاف‌پذیر می‌کند. فولاد نرم دارای استحکام کششی نسبتاً کمی است، اما ارزان و آسان است. سختی سطح را می توان با کربورسازی افزایش داد . [3]

چگالی فولاد نرم تقریباً 7.85 گرم بر سانتی متر مکعب (7850 کیلوگرم بر متر مکعب ؛ 0.284 پوند بر متر مکعب اینچ) است [4] و مدول یانگ 200 گیگا پاسکال (29 × 106  psi) است. [5]^

فولادهای کم کربن [6] خروجی نقطه تسلیم را نشان می دهند که در آن ماده دارای دو نقطه تسلیم است . اولین نقطه تسلیم (یا نقطه تسلیم بالا) بالاتر از نقطه دوم است و بازده پس از نقطه تسلیم بالا به شدت کاهش می یابد. اگر یک فولاد کم کربن فقط تا نقطه ای بین نقطه تسلیم بالا و پایین تحت فشار قرار گیرد، سطح نوارهای لودر ایجاد می کند . [7] فولادهای کم کربن حاوی کربن کمتری نسبت به سایر فولادها هستند و شکل سرد ساده‌تری دارند و کار با آن‌ها را آسان‌تر می‌کند. [3] کاربردهای معمول فولاد کم کربن قطعات خودرو، لوله‌ها، ساخت و ساز و قوطی‌های مواد غذایی است. [8]

فولاد با کشش بالا

فولادهای کششی بالا کم کربن یا فولادهایی هستند که در انتهای پایین محدوده کربن متوسط ​​قرار دارند، [ نیازمند منبع ] که دارای ترکیبات آلیاژی اضافی به منظور افزایش استحکام، خواص سایش یا استحکام کششی خاص خود هستند . این ترکیبات آلیاژی شامل کروم ، مولیبدن ، سیلیکون ، منگنز ، نیکل و وانادیوم است . ناخالصی هایی مانند فسفر و گوگرد حداکثر محتوای مجاز آنها محدود شده است.

فولادهای با کربن بالا

فولادهای کربنی که می توانند با موفقیت تحت عملیات حرارتی قرار گیرند دارای محتوای کربن در محدوده 0.30 تا 1.70 درصد وزنی هستند. ناخالصی های کمیاب عناصر مختلف دیگر می تواند به طور قابل توجهی بر کیفیت فولاد حاصل تأثیر بگذارد. مقادیر ناچیز گوگرد به ویژه فولاد را قرمز و کوتاه می کند ، یعنی در دمای کاری بالا، شکننده و شکننده می شود. فولاد کربن کم آلیاژ، مانند گرید A36 ، حاوی حدود 0.05 درصد گوگرد است و در حدود 1426-1538 درجه سانتیگراد (2600-2800 درجه فارنهایت) ذوب می شود. [9] منگنز اغلب برای بهبود سختی پذیری فولادهای کم کربن اضافه می شود. این اضافات ماده را بر اساس برخی تعاریف به یک فولاد کم آلیاژ تبدیل می کند، اما تعریف AISI از فولاد کربنی تا 1.65 درصد وزنی منگنز را مجاز می کند. دو نوع فولاد کربن بالاتر وجود دارد که عبارتند از فولاد پر کربن و فولاد فوق کربن. دلیل استفاده محدود از فولاد پر کربن این است که شکل پذیری و جوش پذیری بسیار ضعیفی دارد و هزینه تولید بالاتری دارد. بهترین کاربرد برای فولادهای پرکربن، استفاده از آن در صنعت فنر، صنعت کشاورزی و در تولید طیف وسیعی از سیم‌های با مقاومت بالا است. [10] [11]

طبقه بندی AISI

روش طبقه بندی زیر بر اساس استاندارد AISI/SAE آمریکا است . سایر استانداردهای بین المللی از جمله DIN (آلمان)، GB (چین)، BS/EN (بریتانیا)، AFNOR (فرانسه)، UNI (ایتالیا)، SS (سوئد)، UNE (اسپانیا)، JIS (ژاپن)، استانداردهای ASTM، و دیگران

فولاد کربن بر اساس محتوای کربن به چهار کلاس تقسیم می شود: [1]

فولاد کم کربن

فولاد کم کربن دارای محتوای 0.05 تا 0.15 درصد کربن (فولاد کربن ساده) است. [1]

فولاد کربن متوسط

فولاد با کربن متوسط ​​تقریباً 0.3-0.5 درصد کربن دارد. [1] انعطاف پذیری و استحکام را متعادل می کند و مقاومت در برابر سایش خوبی دارد. برای قطعات بزرگ، آهنگری و قطعات خودرو استفاده می شود. [12] [13]

فولاد پر کربن

فولاد پر کربن تقریباً 0.6 تا 1.0 درصد کربن دارد. [1] بسیار قوی است، برای فنرها، ابزارهای لبه دار و سیم های با استحکام بالا استفاده می شود. [14]

فولاد با کربن فوق العاده بالا

فولاد با کربن بسیار بالا تقریباً 1.25-2.0 درصد کربن دارد. [1] فولادهایی که می توانند تا سختی زیاد تلطیف شوند. برای مقاصد خاص مانند چاقوها، اکسل ها و منگنه ها (غیر صنعتی) استفاده می شود . اکثر فولادهای با محتوای کربن بیش از 2.5٪ با استفاده از متالورژی پودر ساخته می شوند .

عملیات حرارتی

نمودار فاز آهن-کربن ، که دما و محدوده کربن را برای انواع خاصی از عملیات حرارتی نشان می دهد

هدف از عملیات حرارتی فولاد کربنی تغییر خواص مکانیکی فولاد، معمولاً شکل پذیری، سختی، استحکام تسلیم یا مقاومت در برابر ضربه است. توجه داشته باشید که هدایت الکتریکی و حرارتی فقط کمی تغییر می کند. مانند بسیاری از تکنیک های تقویت فولاد، مدول یانگ (الاستیسیته) تحت تأثیر قرار نمی گیرد. همه روش های انعطاف پذیری فولاد برای افزایش استحکام و بالعکس تجارت می کنند. آهن حلالیت بیشتری برای کربن در فاز آستنیت دارد . بنابراین تمام عملیات حرارتی، به جز کروی کردن و بازپخت فرآیند، با حرارت دادن فولاد تا دمایی که فاز آستنیتی در آن وجود داشته باشد، شروع می شود. سپس فولاد با سرعت متوسط ​​تا کم خاموش می شود (حرارت خارج می شود) و به کربن اجازه می دهد تا از آستنیت به بیرون پراکنده شود و کاربید آهن (سیمنتیت) را تشکیل می دهد و فریت را ترک می کند یا با سرعت بالا کربن را در آهن به دام می اندازد و در نتیجه مارتنزیت را تشکیل می دهد. . سرعت سرد شدن فولاد از طریق دمای یوتکتوئید (حدود 727 درجه سانتیگراد یا 1341 درجه فارنهایت) بر سرعت انتشار کربن از آستنیت و تشکیل سمنتیت تأثیر می گذارد. به طور کلی، سرد شدن سریع کاربید آهن را به خوبی پراکنده می کند و پرلیت دانه ریز تولید می کند و سرد شدن آهسته باعث ایجاد پرلیت درشت تری می شود. خنک کردن یک فولاد هیپویوتکتوئیدی (کمتر از 0.77 درصد وزنی C) منجر به ساختار لایه‌ای-پرلیتی از لایه‌های کاربید آهن با α- فریت (آهن تقریباً خالص) می‌شود. اگر فولاد هایپریوتکتوئیدی (بیش از 0.77 درصد وزنی C) باشد، ساختار پرلیت پرلیت با دانه های ریز (بزرگتر از لاملا پرلیت) سمنتیت است که بر روی مرزهای دانه تشکیل شده است. یک فولاد یوتکتوئیدی (0.77 درصد کربن) ساختاری پرلیت در سرتاسر دانه‌ها خواهد داشت که در مرزها سمنتیت وجود ندارد. مقادیر نسبی اجزاء با استفاده از قانون اهرم پیدا می شود . در زیر لیستی از انواع عملیات حرارتی ممکن آمده است:

کروی شدن
اسفرویدیت زمانی تشکیل می شود که فولاد کربنی به مدت بیش از 30 ساعت تا دمای 700 درجه سانتیگراد (1300 درجه فارنهایت) گرم شود. اسفرویدیت می تواند در دماهای پایین تر تشکیل شود، اما زمان مورد نیاز به شدت افزایش می یابد، زیرا این یک فرآیند کنترل شده با انتشار است. نتیجه ساختاری از میله ها یا کره های سمنتیت در ساختار اولیه است (فریت یا پرلیت، بسته به اینکه در کدام سمت یوتکتوئید قرار دارید). هدف نرم کردن فولادهای کربنی بالاتر و امکان شکل پذیری بیشتر است. این نرم ترین و انعطاف پذیرترین نوع فولاد است. [15]
بازپخت کامل
فولاد کربنی تا حدود 400 درجه سانتیگراد (750 درجه فارنهایت) به مدت 1 ساعت گرم می شود. این تضمین می کند که تمام فریت به آستنیت تبدیل می شود (اگرچه اگر محتوای کربن بیشتر از یوتکتوئید باشد سمنتیت ممکن است همچنان وجود داشته باشد). سپس فولاد باید به آرامی، در محدوده 20 درجه سانتیگراد (36 درجه فارنهایت) در ساعت خنک شود. معمولاً فقط در کوره خنک می شود، جایی که کوره خاموش می شود و فولاد هنوز داخل آن است. این منجر به یک ساختار پرلیت درشت می شود، به این معنی که "باند" پرلیت ضخیم است. [16] فولاد کاملا آنیل شده نرم و انعطاف پذیر است ، بدون تنش داخلی، که اغلب برای شکل دهی مقرون به صرفه ضروری است. فقط فولاد کروی شده نرم تر و انعطاف پذیرتر است. [17]
فرآیند آنیلینگ
فرآیندی که برای کاهش تنش در فولاد کربنی سرد کار شده با دمای کمتر از 0.3 درصد سانتی‌گراد استفاده می‌شود. فولاد معمولاً به مدت 1 ساعت تا دمای 550 تا 650 درجه سانتی‌گراد (1000 تا 1200 درجه فارنهایت) گرم می‌شود، اما گاهی اوقات دمای آن به 700 درجه می‌رسد. C (1300 درجه فارنهایت). تصویر بالا ناحیه بازپخت فرآیند را نشان می دهد.
بازپخت همدما
این فرآیندی است که در آن فولاد هیپویوتکتوئیدی بالاتر از دمای بحرانی بالا گرم می شود. این دما برای مدتی حفظ می شود و سپس به زیر دمای بحرانی پایین کاهش می یابد و دوباره حفظ می شود. سپس تا دمای اتاق خنک می شود. این روش هرگونه گرادیان دما را حذف می کند.
عادی سازی
فولاد کربنی به مدت 1 ساعت تا حدود 550 درجه سانتیگراد (1000 درجه فارنهایت) گرم می شود. این تضمین می کند که فولاد کاملاً به آستنیت تبدیل می شود. سپس فولاد با هوا خنک می شود که سرعت خنک شدن آن تقریباً 38 درجه سانتیگراد (100 درجه فارنهایت) در دقیقه است. این منجر به ساختار پرلیتی ظریف و ساختاری یکنواخت تر می شود. فولاد نرمال شده استحکام بالاتری نسبت به فولاد آنیل شده دارد. استحکام و سختی نسبتاً بالایی دارد. [18]
خاموش کردن
فولاد کربنی با حداقل 0.4 درصد وزنی C تا دمای عادی گرم می شود و سپس به سرعت در آب، آب نمک یا روغن خنک می شود (خنک می شود) تا دمای بحرانی. دمای بحرانی به محتوای کربن بستگی دارد، اما به عنوان یک قاعده کلی با افزایش محتوای کربن کمتر است. این منجر به ساختار مارتنزیتی می شود. شکلی از فولاد که دارای محتوای کربن فوق اشباع در ساختار کریستالی مکعبی (BCC) تغییر شکل یافته است که به درستی چهارضلعی متمرکز بر بدنه (BCT) نامیده می شود، با تنش داخلی زیاد. بنابراین فولاد خاموش شده بسیار سخت اما شکننده است و معمولاً برای اهداف عملی بسیار شکننده است. این تنش های داخلی ممکن است باعث ایجاد ترک های تنشی در سطح شوند. فولاد کوئنچ شده تقریباً سه برابر سخت تر (چهار با کربن بیشتر) از فولاد نرمال شده است. [19]
مارتمپرینگ (مارکنچ)
Martempering در واقع یک روش معتدل نیست، از این رو اصطلاح marquenching به آن تعلق می گیرد . این نوعی عملیات حرارتی همدما است که پس از خاموش کردن اولیه، معمولاً در حمام نمک مذاب، در دمایی درست بالاتر از «دمای شروع مارتنزیت» اعمال می‌شود. در این دما، تنش‌های پسماند درون ماده کاهش می‌یابد و ممکن است مقداری بینیت از آستنیت باقی‌مانده تشکیل شود که زمان تبدیل شدن به چیز دیگری را ندارد. در صنعت، این فرآیندی است که برای کنترل شکل پذیری و سختی یک ماده استفاده می شود. با مارچینگ طولانی تر، شکل پذیری با حداقل از دست دادن استحکام افزایش می یابد. فولاد در این محلول نگه داشته می شود تا دمای داخلی و خارجی قطعه یکسان شود. سپس فولاد با سرعت متوسط ​​خنک می شود تا گرادیان دما در حداقل بماند. این فرآیند نه تنها تنش های داخلی و ترک های تنشی را کاهش می دهد، بلکه مقاومت در برابر ضربه را نیز افزایش می دهد. [20]
معتدل کردن
این رایج‌ترین عملیات حرارتی است که با آن مواجه می‌شویم، زیرا خواص نهایی را می‌توان دقیقاً با دما و زمان تمپر تعیین کرد. تمپر شامل گرم کردن مجدد فولاد خاموش شده تا دمای کمتر از دمای یوتکتوئید و سپس خنک شدن است. دمای بالا اجازه می دهد تا مقادیر بسیار کمی اسفروئیدیت تشکیل شود که شکل پذیری را بازیابی می کند اما سختی را کاهش می دهد. دماها و زمان های واقعی برای هر ترکیب با دقت انتخاب می شوند. [21]
Austmpering
فرآیند austempering مانند martempering است، با این تفاوت که کوئنچ قطع می شود و فولاد در حمام نمک مذاب در دمای بین 205 تا 540 درجه سانتی گراد (400 تا 1000 درجه فارنهایت) نگهداری می شود و سپس با سرعت متوسط ​​خنک می شود. فولاد حاصل که بینیت نامیده می شود، یک ریزساختار سوزنی شکل در فولاد ایجاد می کند که دارای استحکام زیاد (اما کمتر از مارتنزیت)، شکل پذیری بیشتر، مقاومت در برابر ضربه بیشتر و اعوجاج کمتری نسبت به فولاد مارتنزیت است. عیب آسمپر کردن این است که فقط روی چند ورق فولادی قابل استفاده است و نیاز به حمام نمک خاصی دارد. [22]

سخت شدن مورد

فرآیندهای سخت شدن بدنه فقط قسمت بیرونی قسمت فولادی را سخت می‌کند و پوستی سخت و مقاوم در برابر سایش ایجاد می‌کند ("قاب") اما فضای داخلی سخت و انعطاف‌پذیر را حفظ می‌کند. فولادهای کربنی خیلی سخت شدنی نیستند به این معنی که نمی توان آنها را در تمام مقاطع ضخیم سخت کرد. فولادهای آلیاژی دارای سختی پذیری بهتری هستند، بنابراین می توان آنها را از طریق سخت کاری کرد و نیازی به سخت شدن موردی ندارند. این خاصیت فولاد کربنی می‌تواند مفید باشد، زیرا ویژگی‌های سایش خوبی به سطح می‌دهد اما هسته را انعطاف‌پذیر و ضربه‌گیر می‌کند.

دمای آهنگری فولاد

[23]

همچنین ببینید

مراجع

  1. ^ abcdefg "طبقه بندی فولادهای کربنی و کم آلیاژی". کل مواد کلید فلزات نوامبر 2001 . بازبینی شده در 29 آوریل 2023 .
  2. ↑ ناولز، پیتر رجینالد (1987)، طراحی سازه های فولادی (ویرایش دوم)، تیلور و فرانسیس، ص. 1, ISBN 978-0-903384-59-9.
  3. ^ ab "فولاد کم کربن". eFunda ​بازبینی شده در 29 آوریل 2023 .
  4. ↑ الرت، گلن، چگالی فولاد ، بازیابی شده در 23 آوریل 2009.
  5. ↑ مدول الاستیسیته، خواص مقاومتی فلزات – آهن و فولاد ، بازیابی شده در 23 آوریل 2009.
  6. ↑ «فولاد 1020». steel-bar.com . 21 مه 2022. بایگانی شده از نسخه اصلی در 1 مه 2023.{{cite web}}: CS1 maint: URL نامناسب ( پیوند )
  7. ↑ DeGarmo, Black & Kohser 2003, p. 377
  8. ↑ «انواع مختلف فولاد چیست؟». نماهای فلزی 18 آگوست 2020 . بازبینی شده در 29 ژانویه 2021 .
  9. ↑ «MSDS، فولاد کربنی» (PDF) . گرداو آمری استیل. بایگانی شده از نسخه اصلی در 18 اکتبر 2006.{{cite web}}: CS1 maint: URL نامناسب ( پیوند )
  10. ↑ "مقدمه ای بر فولاد کربنی | انواع، خواص، کاربردها و کاربردها". MaterialsWiz . بازبینی شده در 18 اوت 2022 .
  11. ^ ویتزمتال
  12. ^ نیشیمورا، نائویا؛ موراسه، کاتسوهیکو؛ ایتو، توشیهیرو؛ واتانابه، تاکرو؛ نواک، رومن (1391). "تشخیص التراسونیک آسیب پوسته ناشی از برخورد مکرر با سرعت کم". مجله مهندسی اروپای مرکزی . 2 (4): 650-655. Bibcode :2012CEJE....2..650N. doi : 10.2478/s13531-012-0013-5 .باز کردن نماد دسترسی
  13. ↑ «فولاد با کربن متوسط». eFunda ​بازبینی شده در 29 آوریل 2023 .
  14. ↑ «فولاد پر کربن». eFunda ​بازبینی شده در 29 آوریل 2023 .
  15. ↑ اسمیت و هاشمی 2006، ص. 388
  16. ↑ Alvarenga HD، Van de Putte T، Van Steenberge N، Sietsma J، Terryn H (اکتبر 2014). "تأثیر مورفولوژی و ریزساختار کاربید بر سینتیک کربن زدایی سطحی فولادهای C-Mn". متال ماتر ترانس A. 46 (1): 123-133. Bibcode :2015MMTA...46..123A. doi :10.1007/s11661-014-2600-y. S2CID  136871961.
  17. ↑ اسمیت و هاشمی 2006، ص. 386
  18. ↑ اسمیت و هاشمی 2006، صص 386-387
  19. ↑ اسمیت و هاشمی 2006، صص 373-377
  20. ↑ اسمیت و هاشمی 2006، صص 389–390
  21. ↑ اسمیت و هاشمی 2006، صص 387–388
  22. ↑ اسمیت و هاشمی 2006، ص. 391
  23. ^ بردی، جورج اس. کلاوزر، هنری آر. Vaccari A., John (1997). کتاب مواد (ویرایش چهاردهم). نیویورک، نیویورک: مک گراو هیل. شابک 0-07-007084-9.

کتابشناسی

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی مربوط به فولاد کربنی موجود است .