درجه بندی فولاد: خواص آن

سیستم‌های درجه‌بندی فولاد ترکیب شیمیایی، تصفیه و خواص مکانیکی را در نظر می‌گیرند تا سازندگان بتوانند محصول مناسب را برای کاربرد خود انتخاب کنند. جدا از درصد واقعی کربن و سایر آلیاژها در مواد، ریزساختار نیز تأثیر قابل توجهی بر خواص مکانیکی فولاد دارد.

درک تعریف ریزساختار و نحوه دستکاری ریزساختار فولاد با استفاده از شکل دهی سرد و گرم و پس از ساخت بسیار مهم است. از این تکنیک ها می توان برای تولید محصولاتی با خواص مکانیکی خاص استفاده کرد. با این حال، دستکاری ترکیب و ریزساختار منجر به مبادله بین خواص مختلف خواهد شد. به عنوان مثال، فولاد سخت تر ممکن است با کاهش استحکام پایان یابد.

ریزساختار

ریزساختار یک ماده روشی است که در آن مولکول ها با نیروهایی که بین آن مولکول ها کار می کنند به یکدیگر متصل می شوند. فرآیندهای گرمایش و سرمایش برای تغییر ریزساختار از یک شکل به شکل دیگر و در نتیجه تغییر خواص مواد استفاده می شود.
ریزساختار با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیست اما می توان آن را زیر میکروسکوپ مطالعه کرد. فولاد می تواند چندین ریزساختار متمایز را اتخاذ کند – فریت، پرلیت، مارتنزیت، سمنتیت و آستنیت.

فریت

فریت اصطلاحی است که برای ساختار مولکولی آهن خالص در دمای اتاق استفاده می شود. فولاد با محتوای کربن بسیار کم نیز همین ریزساختار را خواهد داشت. شکل مشخصه فریت یک ساختار کریستالی مکعبی (BCC) است. به صورت بصری، مکعبی را با یک مولکول در هر گوشه و یک مولکول در مرکز مکعب تصور کنید. مولکول‌ها در BCC نسبت به سایر ریزساختارها که حاوی مولکول‌های بیشتری در هر مکعب هستند، شل‌تر هستند. با این حال، مقدار کربنی که می توان بدون تغییر ریزساختار فریت اضافه کرد، در دمای اتاق تنها 0.006 درصد است.

آستنیت

آستنیت یک ریزساختار است که وقتی آلیاژهای مبتنی بر آهن در دمای بالاتر از 1500 درجه فارنهایت و کمتر از 1800 درجه فارنهایت گرم می شوند، تشکیل می شود. اگر آلیاژ صحیحی مانند نیکل در فولاد وجود داشته باشد، ماده این ریزساختار را حتی زمانی که سرد می شود حفظ می کند. شکل مشخصه آستنیت یک ساختار کریستالی مکعبی (FCC) است. به صورت بصری، مکعبی را با یک مولکول در هر گوشه و یک مولکول در مرکز هر طرف مکعب تصور کنید. مولکول‌های موجود در آرایش آستنیتی متراکم‌تر از مولکول‌های فریت هستند. آستنیت می تواند تا 2 درصد کربن داشته باشد و یک ریزساختار رایج از فولاد ضد زنگ است.

سیمانیت

هنگامی که فولاد کربنی در محدوده آستنیت گرم می شود – و سپس بدون هیچ آلیاژی خنک می شود تا شکل آستنیت حفظ شود – ریزساختار به فرم فریت باز می گردد. با این حال، اگر محتوای کربن بیشتر از 0.006٪ باشد، اتم‌های کربن اضافی با آهن ترکیب می‌شوند و یک ترکیب شیمیایی به نام کاربید آهن (Fe3C) را تشکیل می‌دهند که به نام سمنتیت نیز شناخته می‌شود. سمنتیت به خودی خود ایجاد نمی شود زیرا برخی از مواد به شکل فریت باقی می مانند.

پرلیت

پرلیت یک ساختار چند لایه است که توسط لایه های متناوب فریت و سمنتیت تشکیل شده است. زمانی اتفاق می‌افتد که فولاد به آرامی سرد می‌شود و یک مخلوط یوتکتیک ایجاد می‌کند. مخلوط یوتکتیک مخلوطی است که در آن دو ماده مذاب به طور همزمان متبلور می شوند. در این شرایط، فریت و سمنتیت هر دو به طور همزمان تشکیل می شوند و در نتیجه لایه های متناوب در ریزساختار ایجاد می شوند.

پس از نورد، اجزای فولادی با استفاده از تکنیک های پس از عملیات برای جلوگیری از خوردگی و بهبود خواص مکانیکی تکمیل می شوند:

پوشش
درمان سطحی
حرارت درمانی

حرارت درمانی
اثرات عملیات حرارتی

ریزساختار فولاد را می توان با گرمایش و سرمایش کنترل شده تغییر داد. این امر منجر به توسعه روش های مختلف عملیات حرارتی برای اصلاح ریزساختار و دستیابی به تغییر مطلوب در خواص مکانیکی شده است.

ریزساختارهای فولادی در دماهای معینی دچار تغییرات فازی می شوند. عملیات حرارتی مبتنی بر درک و دستکاری چند نکته تغییر شکل است:

نرمال سازی دما

آستنیت فازی است که سایر ساختارها از آن تشکیل می شوند. بیشتر عملیات حرارتی با حرارت دادن فولاد به فاز آستنیتی یکنواخت در دمای 1500-1800 درجه فارنهایت آغاز می شود.
دمای بحرانی بالا
دمای بحرانی بالایی نقطه‌ای است که در زیر آن سمنتیت یا فریت شروع به تشکیل می‌کند. این زمانی اتفاق می‌افتد که فولاد از دمای معمولی خود سرد شود. بسته به محتوای کربن، این نقطه بین 1333-1670 درجه فارنهایت است.
دمای بحرانی پایین تر
دمای بحرانی پایین تر، نقطه گذار از آستنیت به پرلیت است. آستنیت نمی تواند زیر دمای بحرانی پایین 1333 درجه فارنهایت وجود داشته باشد.

نرخ سرمایش – از دمای نرمال شدن تا دمای بحرانی بالا و پایین – ریزساختار حاصل از فولاد را در دمای اتاق تعیین می کند.

عملیات حرارتی شامل تعدادی فرآیند از جمله بازپخت، خاموش کردن و تمپر کردن است. در فولاد، شکل پذیری و چقرمگی رابطه معکوس دارند. عملیات حرارتی می تواند شکل پذیری را به بهای استحکام افزایش دهد یا بالعکس.

انواع عملیات حرارتی

کروی شدن

کروی شدن زمانی اتفاق می افتد که فولاد کربنی به مدت 30 ساعت تا دمای 1290 درجه فارنهایت گرم شود. لایه‌های سمنتیت در ریزساختار پرلیت، کروی‌هایی را تشکیل می‌دهند که در نتیجه شکل ظریف‌تر و شکل‌پذیر فولاد را به وجود می‌آورند.
کاملا آنیل شده

فولاد کربنی ابتدا با حرارت دادن کمی بالاتر از دمای بحرانی بالا، نگه داشتن آن دما به مدت یک ساعت، و سپس خنک شدن با سرعت حدود 36 درجه فارنهایت در ساعت، بازپخت می شود. استرس ها
فرآیند آنیلینگ

فرآیند بازپخت تنش را در فولاد کم کربن سخت شده (> 0.3% C) کاهش می دهد. فولاد به مدت یک ساعت تا دمای 1025-1292 درجه فارنهایت گرم می شود. دررفتگی در ریزساختار با تغییر شکل کریستال قبل از سرد شدن ترمیم می شود.
درخشش همدما

فولاد پر کربن ابتدا بالاتر از دمای بحرانی بالا گرم می شود. سپس نگه داشته می شود، تا دمای بحرانی پایین تری خنک می شود و سپس دوباره نگه داشته می شود. سپس به تدریج تا دمای اتاق خنک می شود. این فرآیند تضمین می کند که ماده قبل از مرحله خنک سازی بعدی به دمای یکنواخت و ریزساختار برسد.

استاندارد سازی

فولاد کربنی به مدت یک ساعت تا دمای عادی گرم می شود. در این مرحله، فولاد به طور کامل به فاز آستنیتی تبدیل می شود. سپس فولاد با هوا خنک می شود. نرمال سازی یک ریزساختار پرلیتی ظریف با استحکام و سختی بالا ایجاد می کند.

کربن متوسط یا زیاد

فولاد تا دمای نرمال گرم می شود و سپس تا دمای بحرانی فوقانی (سرد شدن سریع با غوطه وری در آب، آب نمک یا روغن) سرد می شود. فرآیند کوئنچ یک ساختار مارتنزیتی بسیار سخت اما شکننده ایجاد می کند.

فولاد سخت شده

رایج ترین عملیات حرارتی است زیرا نتیجه آن بسیار قابل پیش بینی است. فولاد سخت شده در زیر نقطه بحرانی پایینی گرم شده و سپس سرد می شود. دماها بسته به نتیجه مورد نظر متفاوت خواهد بود، که متداول ترین محدوده آن بین 298 تا 401 درجه فارنهایت است. این فرآیند استحکام را به فولاد سخت و شکننده باز می گرداند و به شکل گیری اسفروئیدیت اجازه می دهد.

ویژگی های مکانیکی

خواص مکانیکی بر اساس استانداردهای بین المللی مانند ASTM (انجمن تست و مواد آمریکا) یا SAE (انجمن مهندسین خودرو) اندازه گیری می شود.

خواص مکانیکی اصلی فولاد

سختی

سختی توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر سایش است. افزایش سختی را می توان با افزایش محتوای کربن و کوئنچ که منجر به تشکیل مارتنزیت می شود به دست آورد.

انعطاف پذیری

مقاومت فلز نیروی مورد نیاز برای تغییر شکل ماده است. عادی سازی یک قطعه فولاد با ایجاد یک ریزساختار ثابت در سراسر ماده، استحکام آن را بهبود می بخشد.

پلاستیسیته

شکل پذیری توانایی فلز برای تغییر شکل تحت تنش کششی است. فولاد سرد کار شده به دلیل دررفتگی در ریزساختار، شکل پذیری کمی دارد. فرآیند بازپخت این را با اجازه دادن به کریستال‌ها برای اصلاح و حذف برخی از جابجایی‌ها بهبود می‌بخشد.

قدرت توانایی تحمل استرس بدون شکستن است. فولاد سخت شده را می توان با کوئنچ سخت کرد، که کروی ها را به ریزساختار اضافه می کند.

ماشین کاری

ماشینکاری آسانی است که با آن می توان فولاد را با برش، سنگ زنی یا سوراخ کردن شکل داد. کارایی عمدتا به سختی بستگی دارد. هر چه مواد سخت‌تر باشد، ماشین‌کاری سخت‌تر است.

قابلیت جوشکاری

جوش پذیری به معنای قابلیت جوشکاری فولاد بدون عیب است. این عمدتا به ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی بستگی دارد. نقطه ذوب و همچنین رسانایی الکتریکی و حرارتی بر جوش پذیری مواد تأثیر می گذارد.