فولادها – بخش سوم

فولاد و فولادهای کربن دار

بخش سوم

بخش دوم این مقاله را اینجا بخوانید

به طور کلی قطعات ریختگی فولادی به دو دسته اساسی تقسیم می شوند:

خصوصیات فولاد توسط ترکیب شیمیایی خصوصا کربن کنترل می‌شود. اگر میزان کربن موجود در فولاد کم باشد فولاد کاملا نرم می‌باشد و استحکام آن نیز پایین خواهد بود و هر چه درصد کربن بالا رود استحکام افزایش و قابلیت انعطاف کاهش خواهد یافت. عملیات حرارتی نیز تاثیر اساسی بر خواص مکانیکی فولادها دارد. هر چه درجه حرارت تمپر بالا می‌رود از یک طرف قابلیت انعطاف و درصد کاهش سطح مقطع افزایش می‌یابد و از طرف دیگر سختی، استحکام نهایی و نقطه تسلیم افت می‌کند.

تقسیم‌بندی فولادهای ریختگی (فولادهای کربن دار) ازنظر ترکیب شیمیایی:

• فولادهای کم کربن: فولادهایی هستند که درصد کربن آنها کمتر از ۰٫۲ می‌باشد.
• فولادهای میان کربن: فولادهایی هستند که درصد کربن آنها بین ۰٫۲ تا ۰٫۵ می‌باشد.
• فولادهای پر کربن: فولادهایی هستند که درصد کربن آنها بالاتر از ۰٫۵ درصد می باشد.

 

اثر کربن روی اجزا آهن (فولادهای کربن دار)

از نظر مهندسی و صنعت آهن خالص علارغم آلوتروپیک بودن فلزی بی‌مصرف است. کربن عنصر آلیاژی اصلی برای آهن است که به پدیده آلوتروپیک بودن آن اهمیت می‌بخشد و آن را به ماده‌ای به نام فولاد تبدیل می‌کند که در دنیای صنعت نمونه و منحصر است. حتی در فولادهای زنگ‌نزن پر آلیاژ این کربن است که در مقادیر ناچیز خواص مهندسی آلیاژ را کنترل می‌کند. به طور کلی برای سهولت فرایندهای تولید، کربن در مقدار قابل ملاحظه ای در فولاد و چدن وجود دارد، مگر این که با روشهایی مقدار آن را کاهش دهیم.

کربن در آهن الفا تقریبا نامحلول ولی کاملا در آهن کاملا حل می شود. مکانهای بین نشینی در شبکه FCC  نسبت به شبکه BCC برای بین نشینی اتمهای کربن مناسبتر است، این برتری که به بزرگ بودن جاهای خالی در شبکه FCC مربوط می شود برای پیوند الکترونی و تعادل نیروی جاذبه و دافعه نیز مطرح است که خود زمینه‌ای برای پدیده آلوتروپی است.

 

چرا فولاد را فلزی «شگفت‌انگیز» می‌نامیم

بدون مشخص کردن عوامل ارزیابی منطقی نیست که ما فلزی را نسبت به فلز دیگر برتر بدانیم. برای مثال اگر از آلیاژهای تیتانیم و آلومینیم استفاده نکنیم امکان ساخت هواپیما و سفینه‌های فضایی ممکن نخواهد بود. فولاد به دلایل مشخص مصرف و کاربرد وسیعی در صنعت و زندگی بشر دارد. مردم عامه دلایل برتری و مصرف زیاد فولاد را معمولا در فراوانی سنگ معدن آهن و یا سهولت تهیه آن از سنگ معدن مربوطه می‌دانند. هیچ کدام از دلایل ذکر شده منطقی و صحیح نمی باشد. چون اولا آهن عنصری نیست که به وفور در طبیعت یافت شود، ثانیا تصفیه سنگ معدن آهن و تولید فولاد آسان نیست . در حالی که بعضی فلزات مانند مس حتی به صورت خالص در طبیعت یافت می شوند.

فولاد را فلز شگفت‌انگیز می‌نامیم، چرا که اولا قابلیت شکل پذیری دارد. بدین معنا که می‌توان آن را باروشهای مکانیکی به شکل‌های دلخواهی تبدیل کرد. ثانیا می‌توان با عملیات حرارتی خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی آن را تغییر داد.

 

کربن در فولاد و فولادهای کربن دار

اگر چه همه فولادها کربن دارند، اصطلاح‌های فولاد کربنی ساده برای تشخیص فولادی به کار می‌روند که کربن، بیش از هر سازنده دیگر، خواص آن را مشخص می‌کند و نشان دهنده این است که میزان آلیاژی ویژه‌ای نظیر نیکل، کروم یا مولیبدن در آن قابل توجه نیست. مقدار کربن فولاد ممکن است از چند صدم درصد تا نزدیک ۲٪ کربن تغییر کند. در درصدهای پایین تر فولاد‌ها در ردیف آهن خالص تجارتی قرار می گیرند. و خواص فولادهای بسیار کم کربن از خود نشان می‌دهند، تقریبا نظیر خاص آهن خالص هستند. حد بالاتر کربن به وسیله عمل تعیین شده‌اند و این حد به وسیله دو نتیجه بسیار واضح کنترل می‌شود :

• کاهش پلاستیسته و شکنندگی حاصل درصدهای بالاتر کربن.
• خطر تجزیه وسمنتیت به کربن گرافیتی و فریت.

اگر مقدار کربن از ۱٫۴ ٪ تجاوز کند، فولاد سخت و شکننده می‌شود و خواص آن به طرف خواص چدن میل خواهد کرد. هدف از افزایش کربن افزایش سختی فولاد است، تحت این شرایط محیط ، اگر کربن از سمنتیت به گرافیت تبدیل شود، هدف افزایش مقدار کربن به دست نخواهد آمد. کربن گرافیتی یک فرم نرم و شکننده کربن است. و به عنوان عامل نرم کننده، کاهش دهنده سختی و استقامت آهن عمل می‌کند.

تمایل سمنتیت به گرافیتی شدن با افزایش مقدار کربن یا سمنتیت زیاد می‌شود. با این وجود، فولادهای کربن‌دار ساده پر کربن از فولادهای کم کربن نسبت به عمل گرافیتی شدن بیشتر مستعد هستند. با این حال، تحت شرایط معمولی گرم کردن و سرد کردن، فولادهای محتوی کمتر از ۱٫۴ ٪ ممکن است به طور سالم و بدون تشکیل هیچگونه کربن گرافیتی به کار روند.

کربن عامل اصلی کنترل ساختمان و خواص فولادهی کربن‌دار است. تاثیری که کربن در مقاومت و سخت کردن فولاد دارد به مقدار کربن موجود و ساختمان میکروسکوپی آن وابسته است. فولادهای آهسته سرد شده یک ساختمان میکروسکوپی پرلیتی نسبتا شکننده و نرم دارند در صورتی که فولادهای کربنی سریع سرد شده دارای ساختمان میکروسکوپی مارتنزیتی مقاوم ، سخت و شکننده دارند.

 

نقش کربن در فولادهای سخت شده

کربن نقش اساسی در سخت کردن فولادهای کربن دار دارد. در واقع مقدار کربن فولاد ، سختی پذیری آن را مشخص می‌کند. منطقی به نظر می رسد تا مادامی که کربن به ۰٫۷۷ % نرسیده باشد، تغیرات سختی به صورت خط راست نشود ولی بعد از این که درصد کربن از ۰٫۶۰ تجاوز کرد تغییر در سختی به وجود نمی‌آید. برای مثال اگر مقدار کربن فولادی مامعلوم باشد و وسیله آنالیز مهیا نگردد می‌توان قسمت کوچکی از آن را به صورت ورقه نازک بریده و بعد از عملیات کوئیچ در آب خواص مکانیکی و از جمله سختی ان را تعیین کرد. برای سختی ۵۰ HRC مقدار کربن ۰٫۲ % است. یا برای سختی ۶۰ HRC مقدار کربن ۰٫۴۰ % است. نکته مهم این است که این روش برای سختیهای بیشتر از ۶۰ HRC معتبر نیست، زیرا در این محدوده تغییرات سختی به صورت خط مستقیم است.

برای فولاد مشخصی مهمترین عاملی که روی حداکثر سختی ممکنه اثر می گذرد جرم و قطر فلز است. در مورد سطح کوچک حرارت سریعات انتقال می یابد و به این ترتیب سرعت بحرانی سرد شدن کاهش پیدا می کند. در حالی که برای سطوح بزرگتر مسئله برعکس می باشد یعنی سرعت انتقال حرارت کم شده و در نتیجه سرعت سرد شدن فلز از سرعت بحرانی کمتر خواهد شد. مثالی از این حالت در شکل آمده است. چنانچه مشهود است برای قطر کوچک تا ۰٫۵ اینچ سختی ۳۶HRC به دست می آید ولی برای قطرهای بزرگتر سرعت سرد شدن فلز کاهش یافته و در نتیجه سختی کمتری به دست می آید.

کربن نقش اساسی در فولادهای کربن دار دارد و آب‌گیری آنها را ممکن می سازد. کربن یک اکسید زداست که ضمنا به کشش و حد الاستیک را بالا برده و درصد افزایش طول و مقاومت به ضربه را کم می‌کند. فولادی که کمتر از ۲ درصد کربن داشته باشد عملا آب نمی‌گیرد. بیش از این تا حدود ۱۲ درصد سختی فولاد پس از آبدهی به سرعت زیاد می‌شود. از این حد به، بعد سختی فولاد افزایش نیافته بلکه خصوصیات خود را برای چکش‌کاری از دست می‌دهد. با این حال، آلیاژهی دیگری وجود دارند که مثلا دارای ۱۳ تا ۱۰ درصد کرم بوده و مقدار کربن آنها به ۱٫۸ تا ۲٫۳ درصد می رسد و کربورهی کرم بسیار مقاوم به وجود می‌آورند. وقتی که مقدار کربن بیش از ۰٫۰۰۲۵ درصد باشد در اطراف مرز دانه‌های فریت یک قشر سمانتیت تشکیل می شود که به مقدار زیادی پلاستیسیته و قابلیت چکش‌خواری آلیاژ را کاهش می‌دهد. حتی مقدار خیلی کم کربن روی خواص مکانیکی و فیزیکی فولاد اثر قابل توجهی دارد.