تبلیغات
مهندسی مکانیک - فولاد شناسی


Admin Logo
themebox Logo
نویسنده :مهندس باقری
تاریخ:پنجشنبه 1390/11/13-02:06 ق.ظ

فولاد شناسی

فولاد های آلیاژی از آهن و کربن هستند که در اکثر حالات دارای انعطاف و شکل پذیری مناسبی می باشند.مقدار کربن در فولاد  تا حدود 7/1 درصد متغیر بوده و.......
ادامه مقاله را در ادامه مطلب بخوانید
فولاد شناسی

  

مقدمه:

بر مبنای یک تعریف قدیمی ،فولاد های آلیاژی از آهن و کربن هستند که در اکثر حالات دارای انعطاف و شکل پذیری مناسبی می باشند.مقدار کربن در فولاد  تا حدود 7/1 درصد متغیر بوده و از طرف دیگر عناصری نظیر منگنز و سیلیسیم در مقادیر کمتر از 1 درصد و گوگرد  و فسفر در مقادیر جزیی به عنوان ناخالصی  در فولاد موجود هستند.

امروزه تعریف فوق نمی تواند تمام فولاد ها را شامل شود زیرا فولاد هایی وجود دارند که مقدار عناصر آلیاژی متشکله آنها گاه از مرز 50 درصد نیز تجاوز می کند.

ترکیبی از استحکام بالا و قابلیت چکش خواری، فولاد ها را از دیگر آلیاژها و مواد فلزی متمایز می سازد.فولاد ها در مقابل اعمال تنش های متغیر و نیروهای ضربه ای بسیار مقاوم بوده و از طرف دیگر امکان استفاده از آنها در درجات حرارتی زیر صفر (100- درجه سانتیگراد)و حرارتی بالا(تا 800 درجه سانتیگراد و گاه بالاتر از آن)وجود دارد.استفاده از عناصر آلیاژی نظیر نیکل، کبالت،مولیبدن و تنگستن ، این خانواده از آلیاژهای صنعتی را برای مصرف در درجات حرارتی بالا مناسب نموده است.

چون تعداد و انواع فولاد ها بسیار زیاد است و خواص آنها اعم از : مکانیکی،فیزیکی،شیمیایی و متالورژیکی نیز بسیار متنوع می باشد و به علاوه با عملیات مختلف نظیر : ریخته گری،مکانیکی (شامل نورد،کشش،فشار و ...)عملیات حرارتی(دوباره پخت،آب دادن ،برگشت و ... )،عملیات شیمیایی (مانند سمانتاسیون،نیتروراسیون،سیانوره و ... )،تغییر حالت می دهند،لذا مطالعه کامل فولاد ها بسیار مفصل و طولانی است به همین علت در این قسمت فقط به مطالعه فولاد های ریختگی که در متالورژی صنعتی از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند پرداخته می شود.

لازم به توضیح است که امروزه ریخته گری فولاد اهمیت زیادتری پیدا کرده است و تهیه بسیاری از قطعات فولادی که قبلا با آهنگری و پرس انجام می گرفت،اکنون با روش ریخته گری تولید می شود.فولاد ها ممکن است بر حسب :ترکیب شیمیایی(ساده کربنی،مخصوص،کم عیار و مخصوص پر عیار)،جنس و یا دقت در کنترل جنس (متوسط،خوب و عالی)،روش تهیه (زیمنس مارتن،بسمر،توماس،ال دی و الکتریکی)یا از نقطه نظر کاربرد تقسیم بندی شوند.از لحاظ کاربرد و مصرف فولاد ها را می توان به صورت زیر تقسیم بندی کرد:

ریختگی،ساختمانی،جوشکاری،خوش تراش،ابزار،ماشین سازی،فولاد های لوله های بدون درز،نیتروراسیون،ساچمه،فنر،ضد زنگ،نسوز،مغناطیسی(سخت و نرم)،غیر مغناطیسی،آلیاژی مقاومت دار(الکتریکی)،مقاوم به ساییدگی،کاربرد های خاص(زنجیر،مفتول،کابل و ... )،مقاوم به سرما و غیره.

قطعات ریختگی فولادی به دو دسته اصلی شمشهای ریختگی و شکلهای ریختگی فولادی تقسیم می شوند.شمش های فولادی مورد استفاده مستقیم نداشته بلکه پس از انجام عملیات بعدی نظیر کار مکانیکی(نورد،کوبش....)به محصولات تمام شده ای نظیر ورق،نبشی- سپری- تیرآهن و قطعات مهندسی نظیر میل لنگ،شاتون،اتصالات و شیرها ،گلوله های آسیاب و ... تبدیل می گردند.فولاد هایی که صرف تولید شمشها می شوند نیاز به قابلیت تغییر شکل پذیری مکانیکی داشته به همین دلیل،فولاد های کارپذیر نامیده می شوند.شکلهای ریختگی فولادی که عموما واژه قطعات ریختگی فولادی در مورد آنها به کار می رود،قطعات ریختگی در شکلهای مختلف از ساده تا پیچیده بوده که روی آنها(بعد از ریخته گری)عملیات مکانیکی خاصی انجام نمی گیرد. یک حالت استثنا روش جدید تولید قطعات ریختگی (از جمله قطعات فولادی) از طریق فرآیند توام ریخته گری و کار مکانیکی در محفظه قالب می باشد.

تولید فولاد های کار پذیر که بعدا تحت عملیات مکانیکی قرار می گیرند به مراتب بیشتر از قطعات ریختگی است.

قطعات فولادی بسیار متنوع و در وزن های 150 گرمی تا 20 تنی را در بر می گیرد و استحکام کششی آنها نیز از 400 تا 2000 نیوتن بر میلیمتر مربع تغییر کرده و از انعطاف کافی نیز برخوردارند. امروزه فولادهای جدید بالاترین استحکام ممکن را در میان خانواده فلزات و آلیاژها به خود اختصاص داده اند.از این میان می توان فولادهای مارایجینگ (Maraging) را که محتوی نیکل – کبالت،مولیبدن،تیتانیم و آلومینیوم هستند نام برد که دارای استحکام کششی حدود 2100 نیوتن/ میلیمتر مربع می باشند.انواع جدیدتر فولاد های با استحکام بالا فولاد های TRIP و فولاد های اوس فورمد(Ausformed) هستند که دارای استحکام شگفت آور 3500 نیوتن/میلیمتر مربع یعنی حدود 7 برابر استحکام فولاد های معمولی می باشند.لذا هنگامی که تولید قطعات با استحکام های بسیار بالا مورد نظر باشد انتخاب فولاد تنها پاسخ مناسب به نیاز های صنایع خواهد بود.

قطعات ریختگی فولادی دارای موارد مصرف زیادی در صنایع ماشین سازی،خودروسازی ،صنایع کشاورزی ،راه آهن و راه سازی ، صنایع نفت ،پتروشیمی و شیمیایی، صنایع متالوژی نظیر واحد های آهن و فولاد ،نورد،صنایع معدنی و سیمان،صنایع دفاعی.. می باشد.مثال هایی در این زمینه: پوسته توربین ها – انواع چرخ دنده های کوچک و بزرگ ،چرخ قطار،اکسل خودروهای سنگین،ناخنک های ماشین های خاک بردار،فک سنگ شکنها، زره آسیابها ، مواد معدنی،مته های حفاری، غلطک های نورد،میل لنگ موتورهای دیزلی و ... می باشد.

مصرف قطعات فولادی به علل قابلیت اطمینان و دوام بیشتر در شرایط کار حساس و امکان نازک کردن جداره قطعات ریختگی فولادی به علت بالا بودن استحکام آنها مرتبا در جهان رو به افزایش است.

یک مزیت شاخص فولاد به ویژه در مقایسه با چدن ها سهولت جوشکاری آنها است.در حقیقت فولاد ها را می توان بدون آن که مشخصات آنها تنزل یابد جوشکاری کرد. این خصوصیت ،ساخت آن دسته از قطعات صنعتی که قسمتی از آن ریختگی و قسمتی کار شده است را از طریق اتصال با روش جوشکاری  میسر یاخته است.تجربه نشان داده است که بسیاری از قطعات ریختگی فولادی در صورتی که عاری از حفره های انقباضی،گازی و ترکهای حرارتی باشند دارای خواص مکانیکی مشابه فولاد های کوبشی(آهنگری یا فورج شده)هستند،ضمن آن که قیمت پایین تری نیز دارا می باشند.این واقعیتی است که تولید قطعات فولادی عاری یا با حداقل معایب سطحی داخلی نیاز به کنترل شدید در فرآیند تولید،طراحی قطعه و انتخاب آلیاژ مناسب دارد.

قطعات ریختگی فولادی را می توان از طریق ترکیب شیمیایی ،ساختار قطعات،روش تولید و موارد مصرف آنها تقسیم بندی نمود.در زیر انواع روشهای تقسیم بندی فولاد های ریختگی تشریح شده است.

فولاد ها به دو دسته فولاد های کربنی و آلیاژی تقسیم می شوند.فولاد های کربنی خود به سه دسته:«فولاد های کم کربن (9/0 تا 2/0 درصد کربن)،فولاد های میان کربن(2/0 تا 5/0)و فولاد های پر کربن(بالای 5/0 درصد کربن)تقسیم می گردند.فولاد های آلیاژی نیز به 3 گروه کم آلیاژی (تا حدود 5/2 درصد  عنصر آلیاژی)، میان آلیاژی (5/2 تا 10 درصد) و پر آلیاژی (بالای 10 درصد) تفکیک می شوند.توضیح آن که در بیشتر موارد فولاد های آلیاژی را به دو دسته کم آلیاژی (تا 5/0 درصد عناصر آلیاژی)و آلیاژی (بالای 5%)تقسیم بندی می نمایند.

فولاد های ریختگی بر حسب نوع ساختار میکروسکوپی آنها به صورت زیر طبقه بندی می شوند:

نوع هیپویوتکتوئید(فرو یوتکتوئید) که دارای فریت آزاد(نه فریتی که به همراه سمنتیت تشکیل پرلیت را می دهد)می باشد. چنین ساختاری ویژه فولاد های کربنی و کم آلیاژی است.ذکر این نکته ضروری است که مفهوم فوق آن نیست که در ساختار میکروسکوپی این نوع فولاد فقط فریت آزاد وجود دارد بلکه وجود فریت آزاد قطعی بوده و در کنار آن فاز های دیگری نظیر برلیت و ... نیز وجود دارند.

نوع هیپریوتکتوئید(فرایوتکتوئید). در ساختار این نوع فولاد ،کاربید آزاد (نظیرFe3C)  که اصطلاحا کاربید ثانویه نامیده می شود وجود دارد.نظیر فولاد های پر کربن (83/0 تا 7/1 درصد کربن)،فولاد های میان آلیاژی و پر آلیاژی.

فولاد هایی که دارای ساختار کاملا فریتی و یا نیمه فریتی هستند محتوی مقادیر بالایی کرم،تنگستن،مولیبدن،وانادیم و سیلیسیم هستند.فولاد ها با ساختار و نیمه اوستنیتی دارای مقادیر زیادی منگنز،نیکل،کبالت و مولیبدن می باشند.اکثر قطعات فولادی تحت عملیات حرارتی قرار می گیرند.ساختار میکروسکوپی به دست آمده  از این عملیات مبنای تقسیم بندی قطعات قرار می گیرند.قطعات فولادی  عملیات حرارتی شده به صورت زیر طبقه بندی می شوند.

نوع پرلیتی که ویژه فولاد های کربنی،کم آلیاژی و میان آلیاژی است ،دارای ساختار میکروسکوپی مخلوط فریت و پرلیت است.نوع مارتنزیتی که از طریق سرد کردن قطعات در آب یا روغن به دست می آید شامل فولاد های پر کربن و فولاد های کم آلیاژی است.فولاد های مادفیلد(محتوی منگنز بالا)،فولاد های پر آلیاژی مقاوم در مقابل حرارت دارای ساختار میکروسکوپی اوستنیتی می باشند.

فولاد ها بر اساس روش تولید به انواع فولاد زیمنس مارتین(اسیدی و بازی)،فولاد های کنورتر و فولاد های کوره برقی(اسیدی و بازی) تقسیم بندی می گردند.

مذاب کوره های زیمنس مارتین به علت خواص خوب،قیمت پایین و ظرفیت زیاد کوره صرف تولید قطعات بزرگ و سنگین ریختگی می شود.فولاد های کوره برقی عموما از طریق ذوب در کوره های برقی قوسی تهیه شده و فولاد های پر آلیاژی در کوره های القایی تهیه می شوند.

بسته به نوع مصرف (نظیر اجزاء هیدرولیک،توربین ها،ماشین های الکتریکی،قطار ها،قالب و ...)قطعات ریختگی را می توان به فولاد های ابزار(فولاد های پر کربن و فولاد های پر آلیاژی) و فولاد های مخصوص نظیر فولاد های مقاوم در مقابل خوردگی،سایش،حرارت و اکسایش،اسید ها و انواع دیگری که در خانواده فولاد های پر آلیاژی قرار می گیرند تقسیم بندی نمود.

فولاد های کربنی:

فولاد های کربنی بیشترین تناژ تولید قطعات ریختگی فولادی را به خود اختصاص می دهد.این نوع فولاد ها متشکل از :کربن،منگنز،سیلیسیم،فسفر و گوگرد می باشند.کربن بیشترین تاثیر را در خواص مکانیکی قطعات تولیدی بر عهده داشته ،فسفر و گوگرد عناصر نامطلوب (به استثنا فولاد های خوش تراش که درصد گوگرد در آن را به منظور سهولت تراش فولاد،حدود 1 درصد در نظر می گیرند)می باشند.گوگرد از سیالیت مذاب فولاد کاسته و تمایل به ایجاد ترکهای حرارتی گرم را (که در جریان انجماد قطعه پیش می آید)افزایش می دهد.فسفر نیز موجب تنزل مقاومت قطعات ریختگی در مقابل ضربه شده و با افزایش مقدار آن در فولاد مقاومت قطعات در برابر ضربه شدیدا(به خصوص در درجات حرارتی پایین)کاهش می یابد.به دلایل فوق مجموع فسفر و گوگرد در فولاد نبایستی از مرز 1/0 درصد تجاوز نماید.

با افزایش مقدار کربن در فولاد،استحکام نهایی،سختی و تنش تسلیم قطعات افزایش یافته و در مقابل از درصد ازدیاد طول نسبی ،درصد کاهش سطح مقطع کششی و مقاومت در مقابل ضربه آنها کاسته می شود.منگنز در فولاد عنصر اکسیژن  زدا بوده و نقش مهم دیگر آن (نظیر حالت چدنها)خنثی نمودن تاثیر مضر گوگرد(جلوگیری از پیدایش FeS)و کمک به ایجاد MnS است. به این منظور مقدار منگنز را بایستی بیش از مقدار               S 71 /1 Mnدر نظر گرفت.مقدار منگنز در این نوع فولاد ها معمولا بین 3/0 تا 8/0 درصد است. سیلیسیم نیز نظیر منگنز عنصری اکسیژن زدا بوده و به منظور کنترل گاز های محتوی مذاب مورد استفاده قرار می گیرد.مقدار سیلیسیم در این نوع فولاد ها بین 2/0 تا 5/0 درصد است.

منگنز و سیلیسیم در فولاد به صورت محلول بوده لذا در زیر میکروسکوپ قابل رویت نیستند. هر دو این عناصر قابلیت سختی پذیری قطعات ریختگی را (در جریان عملیات حرارتی و سرد کردن)افزایش می دهد. سولفور منگنز به صورت فازی خاکستری رنگ در ساختار میکروسکوپی قطعات فولادی دیده می شود.فسفر برخلاف حالت چدن ها که به صورت فاز استدیت در ساختار میکروسکوپی قطعات قابل رویت است در قطعات فولادی به علت محلول بودن آن در فولاد قابل مشاهده نیست.

بسته به شرایط مصرف و ویژگی های فولاد های کربنی قطعات ریختگی را می توان در سه گروه زیر تقسیم بندی نمود:

گروه اول فولاد های ریختگی برای مقاصد عمومی نظیر پایه ها و اجزای غیر حساس ماشین آلات.گروه دوم برای مقاصد اختصاصی و تولید قطعات صنعتی و مهندسی نظیر شیر ها و اتصالات چرخ دنده ها ... و گروه سوم قطعات برای مقاصد ویژه هستند.کار این گونه قطعات در تحت شرایط حساس بوده و رعایت اصول ایمنی و اطمینان از سلامت کار آنها ضروری است.نظیر چرخ قطار،اکسلها،سیستم های تعلیقی نظیر سگ دست خودرو ها و ...

تفاوت گروههای فوق در میزان فسفر و گوگرد محتوی فولاد می باشد.

حداکثر مقدار مجاز گوگرد و فسفر در گروههای سه گانه فوق به قرار زیر است:

گروه اول : 05/0-  07/0 درصد گوگرد و 05/0 تا 08/0 درصد فسفر.

گروه دوم: 045/0 – 06/0 درصد گوگرد و 04/0 تا 07/0 درصد فسفر.

گروه سوم : 045/0 – 05/0 درصد گوگرد و 04/0 تا 05/0 درصد فسفر.

مقدار کربن،منگنز و سیلیسیم فولاد ها در سه گروه فوق یکسان بوده و خواص مکانیکی قطعات تولیدی نیز مشابه خواهد بود.ترکیب شیمیایی فولاد های ساده کربنی در محدوده زیر قرار می گیرند.

منگنز 5/0 – 0/1

سیلیسیم 2/0 – 8/0

فسفر حداکثر 05/0

گوگرد حداکثر 06/0

فولاد های کم کربن :

این فولاد ها معمولا محتوی 12/0 تا 2/0 درصد کربن،35/0 تا 65/0 درصد منگنز، 15/0 تا 25/0 درصد سیلیسیم ،حدود 06/0 درصد فسفر و نزدیک 05/0 درصد گوگرد هستند.این نوع فولاد ها دارای سیالیت کم و تمایل به ایجاد ترک های گرم در قطعات ریختگی می باشند.استحکام کششی این نوع فولاد ها در حالت نرماله شده حدود 40 تا 42 کیلوگرم بر میلیمتر مربع (394 تا 410 نیوتن بر میلیمتر مربع) و ازدیاد طول نسبی حدود 25 درصد می باشند.مصرف اصلی این نوع فولاد ها در صنایع الکتریکی و صنایع ماشین سازی نظیر ریل راه آهن ،بدنه پاتیلها و قاب بدنه موتور ها می باشد. این نوع فولاد ها به دلیل نرمی آن بدون عملیات حرارتی مورد مصرف قرار می گیرند. سطح این نوع فولاد ها را می توان از طریق کربوره کردن سخت نمود.

فولاد های میان کربن :

 محتوی 2/0 تا 5/0 درصد کربن،35/0 تا 8/0 درصد منگنز،2/0 تا 45/0 درصد سیلیسیم،03/0 تا 05/0 درصد فسفر و 03/0 تا 05/0 درصد گوگرد می باشند این نوع فولاد ها دارای مشخصه ریخته گری بهتری از فولاد های کم کربن بوده ،سیال تر و تمایل کمتری به ایجاد ترک های گرم در قطعات ریختگی دارند.استحکام کششی آنها بین 42 تا 55 کیلوگرم بر میلیمتر مربع (410 تا 540 نیوتن بر میلیمتر مربع) و ازدیاد طول نسبی 12 تا 23 درصد می باشند.مصرف اصلی این نوع فولاد ها در صنعت ماشین سازی و در تولید قطعات ریختگی کوچک، متوسط و بزرگ،صنایع حمل و نقل،دستگاههای نورد و ماشین های راهسازی و ساختمانی است.در میان انواع فولاد های ساده کربنی این نوع فولاد ها بیشترین مقدار مصرف را دارا می باشند..

فولاد های پر کربن :

این نوع فولاد ها محتوی 5/0 تا 6/1 درصد کربن،5/0 تا 8/0 درصد منگنز،04/0 تا 05/0 درصد فسفر و 04/0 تا 05/0 درصد گوگرد هستند.این فولاد ها دارای سیالیت بالا و عدم تمایل به ترک های حرارتی گرم است.مصرف عمده این نوع فولاد ها در تولید قطعاتی نظیر غلتک های نورد گرم،چرخ دنده ها ،قالبهای اکستروژن قطعات مقاوم در مقابل سایش است.

فولاد های آلیاژی

1.مقدمه

در مواردی که به استحکام و خواص مکانیکی بالایی نیاز نباشد فولاد های ساده کربنی بسیار مطلوب اند. این نوع فولاد ها به خوبی در دماهای معمولی و در محیط هایی که چندان خورنده نیستند به کار می روند ، ولی سختی پذیری کم ،مستحکم شدن آنها را به استثنای قطعاتی با مقطع نازک ،محدود می کند.تقریبا تمام فولاد های سخت شده را برای رفع تنشهای درونی باز پخت می کنند. در بخش قبل گفته شد که فولاد های ساده کربنی،با افزایش دما بسیار نرم می شوند.این رفتار، محدودیت هایی در کاربرد این نوع فولاد ها در دمای های بالا به وجود آورده است.بیشتر محدودیت های فولاد های ساده کربنی را می توان با افزودن عنصر های آلیاژی برطرف کرد.

فولاد آلیاژی را می توان به عنوان فولادی تعریف کرد که خواص مشخصه آن از عنصر  دیگری به غیر از کربن ناشی می شود. گرچه فولاد های ساده کربنی هم مقداری منگنز(تا حدود 9/0%)و سیلیسیم(تا حدود 3/0%)دارند،ولی آنها را فولاد آلیاژی نمی نامیم،چون این عنصرها برای اکسید زدایی به فولاد افزوده شده اند.کار این عنصرها ترکیب شدن با اکسیژن و گوگرد برای کاهش اثرات مضر آنهاست.

2. هدف از آلیاژی کردن

عنصرهای مختلف با اهداف مختلفی به فولاد افزوده می شوند،مهمترین اهداف عبارتند از:

1.     افزایش سختی پذیری

2.     افزایش استحکام در دماهای معمولی

3.     افزایش خواص مکانیکی در دماهای بالا و پایین

4.     افزایش چقرمگی در هر سختی و استحکام

5.     افزایش مقاومت سایشی

6.     افزایش مقاومت در برابر خوردگی

7.     بهبود خواص مغناطیسی

عنصرهای آلیاژی،بسته به نحوه توزیع  در اجزای مختلف فولاد تابکاری شده ،به دو طبقه تقسیم می شوند.

گروه 1 عنصرهایی که در فریت حل می شوند.

گروه 2 عنصر هایی که با کربن ترکیب می شوند و کاربید های ساده یا پیچیده تشکیل می دهند.

3. اثر عنصر های آلیاژی بر فریت

می توان گفت همه عنصر ها تا حدودی در فریت حل می شوند،ولی همه آنها کاربید تولید نمی کنند. عنصرهایی مانند نیکل ، آلومینیوم، سیلیسیم، مس و کبالت به مقدار زیادی در فریت حل می شوند،عنصر های گروه دوم نیز در غیاب کربن به مقدار زیادی در فریت حل می شوند.تمایل به تولید کاربید زمانی به وجود می آید که کربن کافی هم موجود باشد.رفتار تک تک  عنصر ها در جدول 1 نشان داده شده است.تمایل نسبی برخی عنصر ها برای حضور در هر دو گروه با اندازه سر پیکان مشخص شده است.

جدول 1 رفتار عنصر ها در فولاد تابکاری شده

 

 

طبق اصول کلی سخت کردن محلول جامد، هر عنصری که در فریت حل شود،سختی و استحکام آن را افزایش می دهد.عنصر های زیر به ترتیب، در صورتی که به مقدار مساوی وزنی افزوده شوند،نقش بیشتری در افزایش استحکام آهن دارند: کروم ،تنگستن ،وانادیم ، مولیبدن ، نیکل ،منگنز  و سیلیسیم (شکل1) . در واقع اثر سخت کنندگی عنصر های حل شده کم است و مستحکم کردن فریت در استحکام کلی فولاد سهم اندکی دارد.در شکل 2 یک فولاد کم کربن  کروم دار مشاهده می شود.منحنی بالایی نشان دهنده تاثیر کروم در تغییر استحکام کششی از طریق تغییر ساختار فولاد و منحنی پایینی نشان دهنده نقش کم کروم ،بدونم تغییر ساختار است.

4. فولاد های نیکلی (سری xxx2)

نیکل یکی از قدیمیترین و اصلی ترین عنصر های آلیاژی فولاد محسوب می شود.حلالیت این عنصر در آستنیت نامحدود و در فریت زیاد است و باعث افزایش استحکام و چقرمگی این فاز می شود.نیکل، دمای بحرانی فولاد را پایین می آورد ، گستره دمای عملیات گرمایی موفق را وسعت می بخشد،تجزیه آستنیت را به تاخیر می اندازد ، و از تشکیل کاربید که حل شدن آن در هنگام آستنیتی کردن مشکل است جلوگیری می کند. نیکل مقدار کربن اوتکتویید را هم کاهش می دهد ؛ بنابراین ساختار فولاد  نیکلی سخت نشده بیشتر از فولاد ساده کربنی با ترکیب مشابه پرلیت دارد.همچنین پرلیتی که در دمای پایین تری شکل گرفته ظریف تر و چقرمه تر از پرلیت فولاد های غیر آلیاژی است.این عوامل باعث دست یافتن به استحکام بالاتر با کربن کمتر و همچنین افزایش چقرمگی، مومسانی و مقاومت در برابر خستگی می شود.فولاد های نیکلی به مثابه فولاد های ساختاری بر استحکامی که می توان آنها را به حالت نوردیده مصرف کرد و با قطعات آهنگری شده بزرگ که با آب دادن سازگاری ندارند بسیار مناسب اند.از فولاد هایی با 5/3% نیکل (سری xx23 )و کربن کم ، به طور وسیعی برای کربن دهی چرخدنده ها ،پیچ های میل-رابط (شاتون)،پرچها و شاه پین ها استفاده می شود.چقرمگی فولاد هایی که 5% نیکل دارند (سریxx25)بیشتر است و در موارد شاق مانند چرخ دنده ها،بادامکها و میل لنگ های اتوبوس و کامیون کاربرد دارند.اثر نیکل بر سختی پذیری کم است ولی در افزایش چقرمگی به ویژه در دماهای پایین نقش برجسته ای دارد. هر چند فولاد های نیکلی سری xxx2 از طبقه بندی AISLSAE حذف شده اند،ولی این امر به معنای تولید نشدن این فولاد ها نیست،بلکه مقدار تولید آنها از حداقل معینی کمتر است.در بسیاری کاربرد ها،فولاد های این سری با فولاد های ارزان قیمت آلیاژی سه تایی سری xx86 جایگزین شده اند.

5. فولاد های کروم دار (سری xxx5)

کروم عنصری ارزان تر از نیکل است که کاربید های ساده (Cr7C3 , Cr4C) و پیچیده ((FeCr)3C) تولید می کند . این کاربید ها سختی بالا و مقاومت سایشی خوبی دارند.کروم تا 13% در آهن  و به طور نامحدود در فریت حل می شود.در فولاد های کم کربن،کروم تمایل به حل شدن و افزایش استحکام و چقرمگی فریت دارد.در صورتی که مقدار کروم فولاد از 5% بیشتر باشد خواص دما- بالا مقاومت در برابر خوردگی آن بسیار افزایش می یابد.

فولاد های ساده کروم دار یعنی سری xx51 حاوی 64/0 – 15/0% کربن و 15/1 – 7/0% کروم اند.فولاد های آلیاژی این سری عموما کربن دهی می شوند.وجود کروم باعث افزایش مقاومت سایشی سطح می شود،ولی چقرمگی مغز فولاد همچون فولاد های نیکلی بالا نیست . در صورت وجود کربن به مقدار متوسط، این فولاد ها در روغن سخت می شوند و برای ساختن فنر ها،پیچ موتور ها، پرچ ، محور و غیره به کار می روند.سختی و مقاومت سایشی فولاد آلیاژی پر کربن (1%) و پر کروم(5/1%) سری (52100) زیاد است.از این فولاد به طور گسترده ای در ساختن بلبرینگ،رولبرینگ و سنگ شکنها استفاده می شود.نوع ویژه ای از این فولاد ها که حاوی 1% کربن و 4-2%کروم است،خواص مغناطیسی عالی دارد و برای ساختن مغناطیس های دایمی به کار می رود.

فولادهای پر کروم که بیش از 10% کروم دارند در برابر خوردگی مقاوم اند و در بخش 15 بررسی خواهند شد.

6. فولاد های نیکل کروم (سری xxx3)

در این نوع فولاد ها نسبت تقریبی نیکل به کروم 5/2 به 1 است.ترکیب خواص چند عنصر آلیاژی معمولا تلفیقی از خواص هر یک است.اثر نیکل افزایش چقرمگی و داکتیل بودن و اثر کروم افزایش سختی پذیری و مقاومت سایشی است.باید به یاد داشته باشیم که اثر ترکیبی دو یا چند عنصر بر سختی پذیری ، معمولا از جمع آثار همان عنصرها به طور مجزا بیشتر است.

فولاد های آلیاژی کروم- نیکلی  کم کربن ،کربن دهی می شوند.کروم مقاومت سایشی سطح را افزایش می دهد و هر دو عنصر باعث چقرمگی مغز می شوند.از فولاد های سری (xx31)که 5/1% نیکل و 6/0%کروم دارند برای ساختن دنده های مارپیچی،پین پیستون و غیره استفاده می شود .برای کاربرد های سنگین همانند چرخ دنده ها، محور ها و بادامکهای هواپیما مقدار نیکل به 5/3% و میزان کروم به 5/1% افزایش می یابد(xx32).از فولاد های کروم – نیکلی با کربن متوسط برای ساختن میل رابطهای اتومبیل و محور های محرک استفاده می شود.

همچون فولاد های نیکلی،فولاد های این سری هم از طبقه بندی حذف شده اند.در بعضی  موارد این فولاد ها  با فولاد های سه آلیاژی سریهای xx88 و xx87 که ارزانترند جایگزین شده اند.

درباره فولاد هایی که نیکل – کروم بسیار دارند در بخش 15 بحث می شود.

7. فولاد های منگنزی (سری xx31)

منگنز یکی از ارزان ترین عنصر های آلیاژی است و در تمام فولاد ها به عنوان اکسید زدا وجود دارد.منگنز تمایل به شکنندگی گرمایی(پارگی سرخ) ناشی از وجود گوگرد را کاهش می دهد و در نتیجه می توان بر فلز کار گرم انجام داد.در صورت کم بودن یا نبودن منگنز در فولاد، فاز سولفیدی FeS خواهد بود که در حین انجماد فولاد،ترکیب اوتکتیکی به صورت قشر نازک در پیرامون بلور های اولیه تشکیل می دهد.در دمای نورد فولاد،این قشر ذوب می شود و در هنگام انجام کار،در طول مرز دانه ها تمایل به ترک خوردگی به وجود می آورد.منگنز برجسته ترین عنصری است که با گوگرد ترکیب می شود.نقطه ذوب منگنز سولفید خیلی بالاتر از نقطه ذوب اوتکتیک آهن سولفید است؛در هنگام نورد منگنز سولفید جامد می ماند و اثر منفی کمی بر خواص نورد گرم فولاد ها دارد.

تنها در صورتی که میزان منگنز از 8/0%فراتر رود ، فولاد را به عنوان فولاد آلیاژی منگنزی می شناسیم.منگنز در افزایش سختی و استحکام فولاد نقشی موثر ولی کم تاثیر تر از نقش کربن دارد و در فولاد های پر کربن موثر تر است.این عنصر کربیدزای ضعیفی است و اثر متوسطی بر سختی پذیری دارد.همچون نیکل ، منگنز نیز در پایین آوردن گستره بحرانی و کاهش مقدار کربن اوتکتوئید اثر دارد.

فولاد های منگنزی ریز دانه استحکام و چقرمگی غیر عادی دارند.از این فولاد ها برای ساختن چرخدنده ها ،هزار خارها، محور ها و لوله های تفنگ استفاده می شود.با افزودن مقدار متوسطی وانادیم ، می توان  از فولاد منگنزی برای ساختن قطعات آهنگری شده بزرگ که باید در هوا خنک شوند استفاده کرد.بعد از یکنواخت سازی،خواص این فولاد مانند خواص فولاد ساده کربنی کاملا سخت و باز پخت شده خواهد بود.

اگر مقدار منگنز از 10% فراتر رود، با آهسته سرد کردن فولاد آستنیتی خواهد شد.فولادی مخصوص که فولاد هدفیلد منگنزی نامیده می شود دارای 12% منگنز است.بعد از عملیات گرمایی کاملا کنترل شده،استحکام و داکتیل بودن ین فولاد افزایش می یابد و مقاومت سایشی آن عالی می شود.فولاد هدفیلد ماده ای مناسب برای کاربردهایی است که نیاز به مقاومت در برابر سایش و فرسایش دارند،نمونه این کاربردها ساختن ظرف بیل های مکانیکی ،ناخنک بولدوزر ،سنگ شکنها و آسیا ها و ریل های راه آهن است. اگر این فولاد از دمایCْ940 ( Fْ 1750) به آهستگی خنک شود،ساختار آن از کاربید های ترد و بزرگی که دانه های آستنیت را احاطه کرده اند تشکیل خواهد شد. استحکام و داکتیل بودن این ساختار کم است.در این حالت استحکام کششی به حدود kg/mm250 (psi70000)و طویل شدگی به کمتر از 1% کاهش می یابد.اما اگر آلیاژی ا ترکیب مشابه پس از حل شدن همه کاربید ها ، از دمای Cْ950 ( Fْ 1850) آبداده شود ساختاری کاملا آستنیتی با استحکام کششی در حدود kg/mm285 (psi120000) و طویل شدگی 45% و سختی 180 برینل خواهیم داشت.در این حالت مقدار استحکام و داکتیل بودن آلیاژ خیلی بیشتر از خواص نظیر ساختار تابکاری شده است.فولاد معمولا تا زیر Cْ245 ( Fْ 500) باز گرم می شود تا تنشهای ناشی از آبدادن کاهش یابند.پس از سریع سرد کردن و در شرایط آستنیتی ،فولاد خیلی سخت نیست ولی با قرار گرفتن در محیط کارو تحمل ضربه های مداوم،سختی آن به حدود 500 برینل افزایش می یابد.دلیل این افزایش سختی،کار سختی پذیری سریع فولاد های منگنزی و تبدیل مقداری از آستنیت به مارتنزیت است.

8 . فولاد های مولیبدونی (سری xxx4)

مولیبدن عنصر آلیاژی نسبتا گرانبهایی است،حلالیت محدودی در آهن  و  دارد و کاربید زایی قوی است.مولیبدن اثر شدیدی بر سخی پذیری دارد و نظیر کروم ، استحکام و سختی را در دماهای بالا حفظ می کند.حساسیت فولاد مولیبدنی نسبت به تردی باز پختی از دیگر فولاد های آلیاژی کمتر است.این عنصر غالبا همراه با نیکل یا کروم و یا هر دو به کار می رود.در صورت کربن دهی این فولاد،سطحی سخت و مغزی چقرمه ایجاد می شود.

از فولاد های ساده مولیبدنی ( سری های xx44 و xx40)کم کربن،پس از کربن دهی برای ساختن هزار خارها ، چرخ دنده های انتقال حرکت و قطعات مشابهی که شرایط کاری خیلی سخت ندارند استفاده می شود.در صورت وجود کربن بیشتر، از این فولاد برای ساختن فنر های مار پیچ و شمش اتومبیل ها استفاده می شود.فولاد کروم – مولیبدنی (سری xx41) نسبتا ارزان و دارای خواص سخت شدن تا عمق، داکتیل بودن و جوشکاری پذیری است. از این فولاد به طور گسترده برای ساختن مخزن های تحت فشار،قطعات اسکلت هواپیما ، محور اتومبیل و دیگر کاربرد های مشابه استفاده می شود.فولاد های نیکل – مولیبدنی (سری های xx48  و xx46) دارای مزیت هایی مانند استحکام بالا و داکتیل بودن ناشی از وجود نیکل ، همراه با سخت شدن تا عمق و سهولت ماشین کاری حاصل از مولیبدون اند. آنها چقرمگی خوب ، استحکام خستگی و مقاومت سایشی بالا دارند.از این فولاد ها برای ساختن چرخ دنده های انتقال قدرت، پین های زنجیر ،محور ها و یاتاقان ها استفاده می شود.فولاد های سه آلیاژی نیکل – کروم – مولیبدنی ( سری های xx47 و xx43) دارای خواص خوب فولادهای نیکل – کرومی بعلاوه سختی پذیری بالای حاصل از مولیبدن اند.از این فولاد ها به طور گسترده در ساخت قطعات ساختاری بدنه و بال و دم هواپیما و هم چنین ارابه فرود استفاده می شود.

9 . فولاد های تنگستنی

تنگستن اثر زیادی بر سختی پذیری دارد و کاربید زایی قوی است، همچنین نرم شدن مارتنزیت در هنگام باز پخت را به تاخیر می اندازد.نقش کلی تنگستن در فولاد شبیه مولیبدن است، هر چند که در شرایط مشابه به مقدار بیشتری از آن نیاز است. تقریبا 2 تا 3 درصد تنگستن معادل 1% مولیبدن است.به دلیل گرانتر بودن تنگستن و نیاز بیشتر به آن ، کاربرد تنگستن در فولاد های عمومی مهندسی است و بیشتر در فولاد های ابزار به کار می رود.

10. فولاد های وانادیمی

وانادیم در میان عنصر های معمولی آلیاژی گرانترین است.با افزودن حدود 5/0% وانادیم، ساختار قطعه ریخته گری شده یکنواخت، سالم و ریز دانه خواهد شد.وانادیم در صورت حل شدن اثر زیادی بر سختی پذیری دارد و فولاد با سرد شدن در هوا به خواص مکانیکی بالایی می رسد. فولاد های کربن – وانادیمی در قطعات سنگین آهنگری شده لوکوموتیو ها و ماشین ها ، که یکنواخت سازی می شوند، مصرف دارند.

فولاد های کم کربن کروم- وانادیمی (سری xx61)در شرایط سطح – سخت شده در ساخت قطعاتی چون پین ها و میل لنگ ها به کار می روند.فولاد های کربن متوسط کروم – وانادیمی دارای چقرمگی و استحکام بالا بوده و برای ساختن محور ها و فنر ها مناسب اند.سختی و مقاومت سایشی نوع پر کربن آنها بالاست و برای ساختن یاتاقانها و ابزار به کار می روند.

11 . فولاد های سیلیسیمی(سری xx92)

سیلیسیم نیز مانند منگنز به عنوان اکسید زدای ارزان در همه فولاد ها یافت می شود.اگر مقدار سیلیسیم در فولاد از 6/0% فراتر رود،در طبقه بندی فولاد سیلیسیمی قرار می گیرد.سیلیسیم هم، مانند نیکل،کاربید ساز نیست،اما بیشتر در فریت حل می شود و استحکام و چقرمگی را افزایش می دهد. فولاد حاوی 1 تا 2 درصد سیلیسیم فولاد دریایی نام دارد و برای ساختن قطعاتی که نیاز به نقطه تسلیم بالا دارند مصرف می شود.فولاد هدفیلد سیلیسیمی با کمتر از 01/0% کربن و حدود 3% سیلیسیم خواص مغناطیسی عالی دارد و در هسته ها و قطبهای ماشین های الکتریکی به کار می رود.

ترکیب متعادلی از سیلیسیم و منگنز فولادی می سازد که دارای استحکام بالای غیر عادی و چقرمگی خوبی است و داکتیل نیز هست.از فولاد سیلیسیم – منگنزی (9260)به طور گسترده برای ساختن فنر های مارپیچ و شمش ،رنده ها و منگنه ها استفاده می شود.








http://mecnic.mihanblog.com