افزایش کربن در فولاد باعث چه میشود ؟
افزایش کربن در فولاد باعث چه میشود ؟
تأثیر کربن بر سختی فولاد
کربن به عنوان مهمترین عنصر آلیاژی در فولاد، عامل اصلی و تعیینکننده سختی این آلیاژ است. این سختی از طریق مکانیزمهای متالورژیکی متعددی حاصل میشود که مهمترین آنها، تشکیل فازهای سخت و شکننده در ریزساختار نهایی است. ورق آجدار تهران با افزایش درصد کربن، حلالیت کربن در شبکه بلوری آهن کاهش یافته و این امر به رسوب ذرات کاربیدی مانند سمنتیت ($\text{Fe}_3\text{C}$) منجر میشود. سمنتیت به دلیل ساختار بلوری بسیار سخت و مقاومت بالای خود در برابر تغییر شکل پلاستیک، به شدت سختی کلی فولاد را افزایش میدهد. این افزایش سختی به ویژه در نواحی مارتنزیتی که کربن به صورت محلول جامد در شبکه مکعبی-مرکزی (BCC) به دام افتاده است، مشهود میباشد؛ هرچند حضور کربن در شبکه، تنشهای داخلی قابل توجهی ایجاد کرده که خود در سختی مؤثر است.
سختی نهایی فولاد تنها تابعی از مقدار کربن نیست، بلکه به نحوه توزیع آن در ریزساختار پس از عملیات حرارتی بستگی دارد. برای مثال، در فولادهایی که به سرعت سرد میشوند (کوئنچ میشوند)، حضور کربن در ساختار مارتنزیت، باعث افزایش چشمگیر سختی شده و رسیدن به سختیهای بسیار بالا را امکانپذیر میسازد. ورق آجدار آهن مکان در مقابل، در فولادهای آنیل شده یا نرمالیزه شده، تمرکز کربن در فازهای پرکربن مانند پرلیت یا سمنتیت، توزیع شده و سختی به میزان متعادلتری افزایش مییابد. درک این رابطه دوگانه—کربن هم به عنوان اتمهای محلول و هم به عنوان تشکیلدهنده فازهای ثانویه سخت—برای مهندسی خواص مکانیکی فولادها حیاتی است و امکان دستیابی به طیف وسیعی از سختیها را از چدنهای بسیار سخت تا فولادهای نرم فراهم میآورد.
مکانیسمهای افزایش استحکام توسط کربن
مکانیسم اصلی افزایش استحکام با افزودن کربن، تداخل فضایی اتمهای کربن در شبکه بلوری آهن است. هنگامی که اتمهای کربن که کوچکتر از اتمهای آهن هستند، در جایگاههای میانبافتی (Interstitial Sites) شبکه بلوری قرار میگیرند، باعث ایجاد تنشهای موضعی و اعوجاج در شبکه میشوند.ورق آجدار شادآباد این اعوجاج، حرکت نابهجاییها (Dislocations) را که اساس تغییر شکل پلاستیک هستند، به شدت محدود میکند. در نتیجه، نیروی بیشتری برای شروع و ادامه لغزش لازم است و این امر مستقیماً به افزایش استحکام تسلیم و نهایی فولاد منجر میشود. این پدیده که به عنوان “سختیکاری محلول جامد” (Solid Solution Strengthening) شناخته میشود، حتی در غلظتهای پایین کربن نیز مؤثر است.
علاوه بر سختیکاری محلول جامد، کربن با تشکیل فازهای ثانویه سخت، مکانیزم قویتری برای افزایش استحکام فراهم میکند. فاز کاربید آهن (سمنتیت) با سختی حدود 800 ویکرز، به مراتب سختتر از فریت نرم (حدود 90 ویکرز) است.ورق آجدار سیاه در ساختارهایی مانند پرلیت، لایههای متناوب فریت و سمنتیت، یک ساختار کامپوزیتی ایجاد میکنند که در آن سمنتیتها به عنوان تقویتکنندههای سخت عمل کرده و استحکام ماده را افزایش میدهند. در فولادهای هیپراوتکتوئید و به خصوص پس از کوئنچ، تشکیل ساختار مارتنزیت که حاوی کربن زیادی است، به دلیل گیر افتادن کربنها در شبکه و تنشهای شدید داخلی، بالاترین سطح استحکام ممکن را در سیستم آهن-کربن ایجاد میکند.
بررسی منحنیهای تعادل فاز آهن-کربن
منحنی تعادل فاز آهن-کربن، که هسته اصلی متالورژی فیزیکی فولادها را تشکیل میدهد، روابط همدمایی (Equilibrium) بین فازهای جامد مختلف (فریت، آستنیت، سمنتیت) و همچنین دماهای تبدیل را در یک سیستم با ترکیب مشخص کربن نشان میدهد.ورق آجدار آلومینیوم این منحنیها اطلاعات حیاتی را در مورد دماهایی که در آنها آستنیتی شدن کامل رخ میدهد (مانند خط $\text{A}_3$) و همچنین نقاط بحرانی مانند $\text{A}_1$ (دمای یوتکتوئید) فراهم میآورند. درک پروفیل این منحنیها برای طراحی فرآیندهای عملیاتی مانند آنیل کردن، نرمالسازی و کاربیدهسازی ضروری است؛ زیرا مرزهای فازی تعیینکننده رفتار ماده در دماهای عملیاتی و سرد شدن هستند.
مهمترین بخش این منحنیها، ناحیه زیر خط $\text{A}_1$ است که در آن تعادل بین فازهای فریت ($\alpha$) و سمنتیت ($\text{Fe}_3\text{C}$) برقرار است و فولاد به پرلیت تبدیل میشود، و همچنین ناحیه بین $\text{A}_1$ و $\text{A}_3$ که مخلوطی از آستنیت و فریت یا آستنیت و سمنتیت (در فولادهای پرکربن) را نشان میدهد. این دیاگرامها همچنین دماهای یوتکتیک و یوتکتوئید را مشخص میکنند که در فولادها، یوتکتوئید 0.77 درصد کربن در دمای 727 درجه سانتیگراد است.ورق آجدار گالوانیزه تحلیل این نمودارها به مهندسان اجازه میدهد تا پیشبینی کنند که چگونه یک فولاد با درصد کربن مشخص، هنگام سرد شدن از فاز آستنیتی، به چه ریزساختاری با چه خواصی دست خواهد یافت و برای رسیدن به فاز دلخواه (مثلاً فقط فریت) باید از چه محدوده دمایی عبور کند.
افزایش کربن در فولاد باعث چه میشود ؟
نقش کربن در تعیین ریزساختار نهایی فولادها
کربن نقش محوری در تعیین ریزساختار نهایی فولادها ایفا میکند، زیرا حضور آن مستقیماً بر ترمودینامیک و سینتیک تبدیل فازی تأثیر میگذارد. در دماهای بالا، کربن به طور کامل در شبکه بلوری آهن با ساختار مکعبی-مرکزی (FCC) حل شده و فاز آستنیت ($\gamma$) را تثبیت میکند. ورق آجدار استیلاین آستنیت به دلیل ساختار FCC، ظرفیت بالایی برای حل کردن عناصر دیگر دارد و فاز زمینه اصلی در حین عملیات حرارتی است. هنگامی که فولاد سرد میشود، بسته به نرخ سرد شدن و میزان کربن، آستنیت میتواند به فازهای مختلفی تبدیل شود؛ از پرلیت نرم در سرد شدن آهسته گرفته تا مارتنزیت فوقالعاده سخت در سرد شدن سریع.
علاوه بر این، درصد کربن، ترکیب و مورفولوژی فازهای تعادلی یا غیرتعادلی را دیکته میکند. به عنوان مثال، در فولادهای با کربن کم، ریزساختار نهایی غالباً از فریت نرم و مقادیر کمی پرلیت تشکیل میشود که نتیجه آن سختی پایین و شکلپذیری بالا است.پروفیل z در مقابل، فولادهای با کربن بالا (فولادهای پرکربن) در حالت تعادلی حاوی مقادیر قابل توجهی سمنتیت شبکهای یا بیندانهای خواهند بود که منجر به سختی و تردی بسیار زیاد میشود. در عملیات غیرتعادلی مانند کوئنچینگ، کربن تعیینکننده میزان تنشهای باقیمانده و تشکیل مارتنزیت است؛ هرچه کربن بیشتر باشد، عمق نفوذ سختی افزایش یافته و درصد مارتنزیت بیشتر خواهد بود که این تغییر ساختاری، مستقیماً بر سختی، استحکام و چقرمگی تأثیر میگذارد.
دستهبندی فولادها بر اساس درصد کربن (کم، متوسط، زیاد)
فولادها به طور سنتی بر اساس درصد وزنی کربن موجود در آنها به سه دسته اصلی تقسیم میشوند که هر دسته خواص مکانیکی و کاربردهای منحصر به فردی دارد. فولادهای کمکربن (معمولاً کمتر از 0.25% کربن) به دلیل غالب بودن فاز فریت، دارای شکلپذیری و جوشپذیری عالی هستند و استحکام نسبتاً پایینی دارند. این گروه که اغلب به عنوان فولادهای نرم شناخته میشوند، برای ساخت ورقها، سیمها و سازههایی که نیاز به عملیات شکلدهی گسترده دارند، ایدهآل هستند. پروفیل مبلیدر این دسته، کربن تنها تأثیر محدودی در سختیکاری محلول جامد دارد و مکانیسمهای افزایش استحکام بیشتر بر اساس فرآیندهای کار سرد یا آلیاژسازی با عناصر دیگر استوار است.
دسته بعدی، فولادهای کربن متوسط (بین 0.25% تا 0.60% کربن) هستند که تعادلی بین استحکام و شکلپذیری ارائه میدهند. این فولادها قابلیت سختکاری نسبی دارند و پس از عملیات حرارتی مناسب، میتوانند به خواص مکانیکی خوبی دست یابند و اغلب در ساخت قطعات ماشینآلات، ریلها و محورها استفاده میشوند. در نهایت، فولادهای پرکربن (بیش از 0.60% تا حدود 2.0%) قرار دارند که حاوی مقادیر زیادی سمنتیت در حالت تعادلی یا مارتنزیت در حالت کوئنچ شده هستند. این فولادها بالاترین سختی و مقاومت به سایش را ارائه میدهند، اما در مقابل، انعطافپذیری و جوشپذیری آنها به شدت کاهش مییابد و کاربرد اصلی آنها در ابزارهای برش، چرخدندههای سنگین و برخی از چدنها (که از نظر متالورژیکی به فولادهای بسیار پرکربن نزدیک هستند) است.
اثر کربن بر دمای آستنیتی شدن و فرآیند آنیل کردن
کربن به طور مستقیم بر دمای آستنیتی شدن (درجه حرارتی که در آن فولاد به طور کامل به فاز آستنیت تبدیل میشود) تأثیر میگذارد. همانطور که در نمودار فاز آهن-کربن دیده میشود، با افزایش درصد کربن، خط $\text{A}_3$ (مرز فریت و آستنیت) به سمت پایین شیب پیدا میکند، به این معنی که فولادهای با کربن بالاتر برای رسیدن به فاز آستنیت به دمای کمتری نیاز دارند. این موضوع در طراحی عملیات حرارتی آستنیته کردن بسیار مهم است؛ زیرا هدف، رسیدن به یک فاز آستنیت همگن است بدون آنکه دمای عملیات به قدری بالا برود که فرآیند دانهدرشت شدن یا اکسیداسیون بیش از حد رخ دهد.
در فرآیند آنیل کردن، هدف معمولاً نرم کردن فولاد و اصلاح ریزساختار از طریق آهسته سرد کردن است. نقش کربن در این فرآیند دوگانه است: اولاً، درصد کربن، دمای آنیل کردن را تنظیم میکند تا اطمینان حاصل شود که فازهای آستنیتی به اندازه کافی شکل گرفتهاند تا کربن بتواند توزیع یابد. ثانیاً، درصد کربن، میزان سمنتیت تشکیل شده در نهایت و نرخ سرد شدن را تحت تأثیر قرار میدهد. در فولادهای پرکربن، آنیل کردن شامل فرآیندی به نام کرویسازی (Spheroidizing) است که در آن سمنتیتهای لایهای و سوزنی شکل تبدیل به کرویهای مجزا در زمینه فریت میشوند تا انعطافپذیری ماده افزایش یابد؛ این تبدیل مستقیماً تابعی از محتوای کربن و زمان نگهداری در دمای بالا است.
افزایش کربن در فولاد باعث چه میشود ؟
تأثیر کربن بر کاهش چقرمگی و مقاومت به ضربه
یکی از مهمترین پیامدهای افزایش محتوای کربن در فولاد، کاهش ذاتی چقرمگی (Toughness) و مقاومت به ضربه (Impact Resistance) است. این پدیده عمدتاً به دو دلیل رخ میدهد: اول، تمایل به تشکیل فازهای سخت و شکننده و دوم، افزایش سختیپذیری و تشکیل ساختار مارتنزیت پس از کوئنچینگ. فازهای مارتنزیت و سمنتیت، ذاتاً دارای انرژی الاستیک ذخیره شده بالایی هستند و تمایل زیادی به شکست ناگهانی و ترد دارند، به ویژه در دماهای پایین. پروفیل آلومینیوماین ساختارها اجازه نمیدهند تا نابهجاییها به راحتی حرکت کرده و انرژی ضربه را جذب کنند.
به طور خاص، هرچه درصد کربن در فولاد بیشتر باشد، چقرمگی شکست در دمای اتاق و به ویژه در دماهای پایینتر به شدت افت میکند. این امر باعث میشود که فولادهای پرکربن در کاربردهایی که تحت بارهای دینامیکی یا شوک قرار دارند، نامناسب باشند، مگر اینکه عملیات حرارتی خاصی برای نرم کردن و افزایش چقرمگی انجام شود. در مقابل، فولادهای کمکربن (که ساختار اصلی آنها فریت است) انرژی ضربه را از طریق تغییر شکل پلاستیک جذب میکنند و چقرمگی بسیار بالاتری از خود نشان میدهند. بنابراین، انتخاب درصد کربن باید یک موازنه دقیق بین نیاز به سختی و استحکام مورد نظر و نیاز به مقاومت در برابر شکست ترد باشد.
کربن به عنوان عنصر اصلی در تشکیل فازهای سخت (کاربیدها)
کربن عنصر ضروری برای تشکیل کاربیدها، به ویژه سمنتیت ($\text{Fe}_3\text{C}$)، است که سختترین فاز پایدار در سیستم آهن-کربن محسوب میشود. سمنتیت با دارا بودن 6.67 درصد وزنی کربن، به دلیل ساختار ششضلعی متراکم و سختی ذاتی خود، عامل اصلی افزایش مقاومت به سایش و سختی کلی فولادها است. در دمای اتاق، هر فولادی که درصد کربن آن از 0.77 درصد تجاوز کند، دارای مقادیری از سمنتیت خواهد بود که در ساختار نهایی (پرلیت یا سمنتیت لایهای) نقش حیاتی ایفا میکند. در فولادهای ابزار و چدنها، این کاربیدها نقش تقویتی اصلی را ایفا میکنند.
علاوه بر سمنتیت پایدار، کربن در ساختار مارتنزیت نیز وجود دارد که یک ساختار شبهپایدار است و سختی فوقالعادهای به فولاد میدهد. در مارتنزیت، کربن در شبکه تتراگونال مرکزی (BCT) آهن به دام افتاده است. این کربنهای گیر افتاده، تنشهای برشی زیادی را تحمیل میکنند و مانع از حرکت نابهجاییها میشوند، که نتیجه آن بالاترین درجه سختی است. در فولادهای با کربن بالا، پس از کوئنچ، حجم قابل توجهی از این ساختار سخت تشکیل میشود که کلید دستیابی به سختیهای بالای 60 راکول سی است. بنابراین، کربن نه تنها برای ایجاد فازهای تعادلی سخت (کاربیدها)، بلکه برای ایجاد ساختارهای غیرتعادلی بسیار سخت (مارتنزیت) نیز نقشی بنیادی دارد.
تأثیر کربن بر کوئنچپذیری (Hardenability) فولاد
کوئنچپذیری (سختشوندگی) به توانایی یک فولاد برای تبدیل شدن به ساختار مارتنزیتی در عمق مشخصی هنگام سرد شدن در محیط کوئنچ اشاره دارد و کربن مهمترین عنصر آلیاژی است که این خاصیت را کنترل میکند. در حالی که عناصر آلیاژی مانند کروم و مولیبدن بر سرعت تشکیل پرلیت در حین سرد شدن تأثیر میگذارند (که مقاومت در برابر کوئنچ را افزایش میدهد)، کربن تعیینکننده *سختی نهایی* مارتنزیت است. به عبارت دیگر، اگر یک فولاد بتواند به مارتنزیت تبدیل شود، کربن موجود، میزان سختی آن مارتنزیت را تعیین میکند.
هرچند که کربن به طور مستقیم بر *عمق نفوذ* سختی (سختشوندگی به معنای واقعی کلمه) به اندازه منگنز یا کروم تأثیر نمیگذارد، اما حضور آن در درصد بالا، به فولاد اجازه میدهد تا حتی در نرخهای سرد شدن نسبتاً آهسته، به سختی قابل قبولی برسد. فولادهای کمکربن به دلیل سختی پایین مارتنزیت حاصله، حتی اگر کاملاً آستنیته شوند، سختی نهایی مطلوبی نخواهند داشت.پروفیل صنعتی در عوض، فولادهای با کربن متوسط و بالا پس از کوئنچ سریع، ساختاری تشکیل میدهند که سختی آن مستقیماً با درصد کربن موجود در آن متناسب است. بنابراین، کربن حداکثر سختی بالقوهای را که فولاد میتواند پس از فرآیند سختکاری به دست آورد، تعریف میکند.
ریسک ترکخوردگی حین فرآیند کوئنچینگ در فولادهای پرکربن
فرآیند کوئنچینگ، با تبدیل آستنیت به مارتنزیت، به دلیل تغییرات حجمی بزرگ و ایجاد تنشهای داخلی شدید در فولاد، همواره با ریسک ترکخوردگی همراه است، اما این ریسک در فولادهای پرکربن به مراتب افزایش مییابد. این امر به دو عامل اصلی نسبت داده میشود: اول، حجم زیاد و سختی بسیار بالای مارتنزیت تشکیل شده که پلاستیسیته بسیار کمی دارد و نمیتواند تنشهای کششی ناشی از انقباض حجمی را جذب کند. دوم، وجود کاربیدهای سخت و غیرقابل تغییر شکل (سمنتیت) که به عنوان مراکز تمرکز تنش عمل میکنند و شکست را تسهیل مینمایند.
تنشهای ناشی از تبدیل فازی در فولادهای پرکربن، اغلب از حد مقاومت کششی ساختار ترد فراتر رفته و منجر به شکست ناگهانی و فاجعهبار میشوند، به خصوص اگر نرخ سرد شدن به شدت بالا باشد یا هندسه قطعه دارای تغییرات ناگهانی در ضخامت باشد. برای کاهش این ریسک، عملیات حرارتی فولادهای پرکربن اغلب شامل مرحله پیشسرد کردن در روغن یا نمکهای مذاب (کوئنچ مارتمپر یا آستمپِرینگ) است تا زمان کافی برای کاهش تنشها فراهم شود و از تشکیل مارتنزیت با تنش حداکثری جلوگیری شود. همچنین، پس از کوئنچ، فرآیند تمپر کردن (بازپخت) برای کاهش شکنندگی و جذب تنشهای باقیمانده، در این فولادها الزامی است.
کاهش انعطافپذیری و افزایش شکنندگی با افزایش کربن
افزایش محتوای کربن در فولاد به طور مستقیم با کاهش شدید انعطافپذیری (Ductility) و افزایش شکنندگی (Brittleness) همراه است، چه در حالت سختکاری شده و چه در حالت تعادلی. این روند معکوس به ماهیت فازهای حاوی کربن باز میگردد. فریت، فاز پایه در فولادهای کمکربن، دارای ساختار بلوری BCC بوده و به دلیل امکان لغزش آسان نابهجاییها، انعطافپذیری بالایی دارد و میتواند تغییر شکل پلاستیک قابل توجهی قبل از شکست از خود نشان دهد. با افزایش کربن، فریت جای خود را به پرلیت و سپس سمنتیت میدهد.
سمنتیت ($\text{Fe}_3\text{C}$) به عنوان یک ترکیب بینفلزی، دارای پیوندهای یونی و کووالانسی قوی است که مقاومت بسیار بالایی در برابر هرگونه تغییر شکل پلاستیک دارد. در نتیجه، هرچه درصد سمنتیت بیشتر باشد (یعنی کربن بیشتر باشد)، ماده تمایل کمتری به کشش و تغییر شکل دارد و در عوض تحت بارگذاری به سرعت دچار شکست خواهد شد. علاوه بر این، در حالت کوئنچ شده، مارتنزیت با کربن بالا، دارای شبکه بلوری بسیار منقبض و پر از تنش است که این ساختار به شدت شکننده بوده و توانایی جذب انرژی ضربه را از دست میدهد. این امر باعث میشود که فولادهای پرکربن در برابر ضربهها و بارهای چرخهای آسیبپذیر باشند.
کربن و تشکیل سمنتیت: اهمیت در سختی و سایش
سمنتیت، یا کاربید آهن ($\text{Fe}_3\text{C}$)، محصول نهایی حضور کربن در فولادهایی است که در شرایط تعادلی سرد میشوند، یا به عنوان بخشی از ساختار پرلیت در فولادهای کم کربن و در مقادیر زیاد به صورت فاز مجزا در فولادهای پرکربن و چدنها ظاهر میشود. اهمیت سمنتیت در این است که این فاز از لحاظ سختی (حدود 800 ویکرز) بسیار بالاتر از شبکه فریت (حدود 90 ویکرز) است. بنابراین، توزیع سمنتیت در ریزساختار، مستقیماً سختی و مهمتر از آن، مقاومت به سایش قطعه را کنترل میکند.
در کاربردهای سایش، مانند غلطکها یا ریلها، حضور سمنتیتهای سخت و ریز که به خوبی در زمینه فریت توزیع شدهاند، نقش مهمی در افزایش مقاومت سطح در برابر سایش سایش و خراش ایفا میکند. هرچند سختی بالا به طور کلی مطلوب است، اما باید تعادل حفظ شود؛ زیرا سمنتیت بیش از حد، شکنندگی را افزایش میدهد. در فولادهای ابزار، مهندسان تلاش میکنند با کنترل عملیات حرارتی، مقدار بهینه سمنتیت یا کاربیدهای سختتر (مانند کاربیدهای آلیاژی) را در ریزساختار حفظ کنند تا سختی و مقاومت به فرسایش مورد نیاز برای برش مواد دیگر به دست آید.
افزایش مقاومت به سایش در فولادهای ابزار کربنی
فولادهای ابزار کربنی (مانند فولادهای $\text{C10xx}$) شهرت خود را مدیون کربن هستند؛ زیرا کربن عنصر اصلی فراهمکننده مقاومت به سایش لازم برای ابزارهای برش، برشکاری و سنبهزنی است. دلیل اصلی این مقاومت به سایش، افزایش چشمگیر سختی است که از طریق تشکیل درصد بالایی از سمنتیت در ریزساختار نهایی حاصل میشود. در این فولادها (که معمولاً بیش از 0.6% کربن دارند)، پس از کوئنچ و تمپر مناسب، یک ساختار مارتنزیتی با مقادیر قابل توجهی کاربیدهای مجزا یا سمنتیت لایهای در ترکیب پرلیت، به دست میآید.
این کاربیدها و ساختار سخت، هنگامی که سطح ابزار با ماده دیگری در تماس است، به دلیل سختی بالاتر، نیروی تماس را در ناحیه کوچکتری متمرکز میکنند و اجازه نمیدهند که تغییر شکل پلاستیک و سایش ناخواسته رخ دهد. اگر درصد کربن کم باشد، سختی به سرعت افت کرده و ابزار به سرعت کند میشود. با این حال، باید توجه داشت که مقاومت به سایش باید با چقرمگی متعادل شود؛ زیرا ابزارهای برشی تحت نیروهای ضربهای نیز قرار میگیرند. بنابراین، فولادهای ابزار کربنی اغلب در فرآیند کوئنچ و تمپر قرار داده میشوند تا سختی مورد نظر برای سایش به دست آید، در حالی که با تمپر کردن، شکنندگی بیش از حد کاهش یابد.
محدودیتهای جوشپذیری فولادها به دلیل محتوای کربن بالا
محتوای کربن یک عامل محدودکننده حیاتی در جوشپذیری فولادها است، به ویژه در فولادهایی که درصد کربن آنها از حد بحرانی 0.3% تجاوز میکند. دلیل اصلی این محدودیت، تمایل شدید فولادهای پرکربن به تشکیل ساختار مارتنزیتی در ناحیه متأثر از حرارت (HAZ) جوش است. حرارت شدید و سریع جوشکاری، فولاد را تا فاز آستنیت گرم کرده و پس از اتمام قوس، سرد شدن سریع محیط اطراف (که خود به عنوان کوئنچ طبیعی عمل میکند)، باعث میشود که آستنیت در HAZ به مارتنزیت تبدیل شود.
مارتنزیت حاصله بسیار سخت و شکننده است و توانایی جذب تنشهای کششی ناشی از انقباض ناشی از انجماد و انقباض حرارتی جوش را ندارد. این تنشهای داخلی منجر به ایجاد ترکهای سرد (ترکهایی که پس از انجماد و در دمای اتاق ظاهر میشوند) در HAZ میشود که دوام و یکپارچگی ساختار جوشکاری شده را به شدت به خطر میاندازد. برای جوشکاری موفقیتآمیز فولادهای پرکربن، نیاز به کنترل دقیق میزان حرارت ورودی، پیشگرمایش (Preheating) برای کاهش نرخ سرد شدن و همچنین استفاده از فیلرهای با کربن پایینتر است تا خطر تشکیل مارتنزیت در HAZ به حداقل برسد و اطمینان از حفظ انعطافپذیری در ناحیه حیاتی پیرامون جوش فراهم شود.
تأثیر کربن بر دمای ذوب و خواص ریختهگری
کربن تأثیر قابل توجهی بر دمای ذوب و در نتیجه خواص ریختهگری آلیاژهای آهن دارد. در سیستم آهن-کربن، با افزایش درصد کربن از صفر (آهن خالص) به 4.3% (نقطه یوتکتیک)، دمای ذوب به طور پیوسته کاهش مییابد. در حالی که آهن خالص در حدود 1538 درجه سانتیگراد ذوب میشود، نقطه یوتکتیک آهن-کربن در 1148 درجه سانتیگراد اتفاق میافتد، که این دما کمترین نقطه ذوب در این سیستم است. این پدیده اساسی دلیل اصلی استفاده از چدنها (آلیاژهای با کربن بالا) در ریختهگری است؛ زیرا مذاب با دمای پایینتر، قابلیت پر کردن بهتر قالبها (Fluidity) را دارد و همچنین نیاز به انرژی کمتری برای ذوب دارد.
علاوه بر دمای ذوب، کربن بر خواص ریختهگری دیگری مانند انقباض و تمایل به انجماد نهایی تأثیر میگذارد. در فولادهای با کربن بالا، به دلیل تشکیل مقادیر زیادی سمنتیت در حین انجماد (به ویژه در نزدیکی نقطه یوتکتیک)، انقباض حجمی کمتری هنگام انجماد رخ میدهد که این امر میتواند به کاهش مشکلات ناشی از تخلخل انقباضی کمک کند. با این حال، وجود کربن بالا (به خصوص در چدنها) باعث میشود که مذاب تمایل بیشتری به تشکیل ساختارهای کاربیدی پایدار (سمنتیت) داشته باشد که در صورت کنترل نشدن، میتواند منجر به شکنندگی بیش از حد در محصول نهایی شود. تنظیم دقیق درصد کربن برای دستیابی به یک ریختپذیری بهینه و در عین حال خواص مکانیکی قابل قبول، یکی از چالشهای اصلی ریختهگری است.
مقایسه خواص مکانیکی فولادهای پرکربن و چدنها
فولادهای پرکربن (معمولاً 0.8% تا 2.0% کربن) و چدنها (معمولاً 2.0% تا 4.3% کربن) هر دو به دلیل محتوای بالای کربن، دارای سختی و استحکام بیشتری نسبت به فولادهای کم و متوسط کربن هستند، اما تفاوتهای اساسی در ریزساختار و خواص مکانیکی آنها وجود دارد. فولادهای پرکربن، حتی در حالت سختکاری شده، غالباً حاوی ساختاری مبتنی بر مارتنزیت یا پرلیت بسیار ریز هستند که تعادلی بین سختی و چقرمگی را فراهم میسازند و از آنها برای ساخت فنرها یا ابزارهای خاص استفاده میشود.
در مقابل، چدنها به دلیل داشتن درصد کربن بسیار بالاتر، در حالت تعادلی ساختاری مبتنی بر فاز سمنتیت در زمینه فریت یا پرلیت دارند. این ساختار پر از کاربید منجر به سختی بسیار بالا و مقاومت عالی در برابر سایش در چدنهای خاکستری یا سفید میشود.پروفیل گالوانیزه با این حال، چدنها به دلیل وجود سمنتیت فراوان و یا گرافیت (در چدن خاکستری) دارای چقرمگی (Ductility) بسیار پایینی هستند و مقاومت به ضربه آنها به مراتب کمتر از فولادهای پرکربن است. در حالی که فولاد پرکربن میتواند تغییر شکل پلاستیک جزئی داشته باشد، چدنها در هنگام رسیدن به تنش تسلیم خود اغلب به صورت ترد شکست میخورند.
نقش کربن در فولادهای مقاوم به خوردگی (به جز استنلس استیل)
در فولادهای مقاوم به خوردگی که آلیاژسازی اصلی آنها بر پایه کروم است (مانند فولادهای سختشونده با بارش یا فولادهای ابزار کرومی با مقاومت به اکسیداسیون)، کربن نقشی دوگانه و گاهی متناقض ایفا میکند. از یک طرف، کربن برای تشکیل کاربیدهای سخت و بهبود مقاومت به سایش ضروری است؛ به ویژه در فولادهایی که نیاز به حفظ سختی در دماهای بالا دارند. از طرف دیگر، کربن میتواند بر توانایی کروم برای ایجاد لایه محافظ اکسید کروم (لایه پسیو) تأثیر منفی بگذارد.
هنگامی که فولاد با درصد کربن بالا حرارت داده میشود (مثلاً در حین عملیات حرارتی)، کربن موجود میتواند با اتمهای کروم واکنش داده و کاربیدهای کروم-کربن ($\text{Cr}_x\text{C}_y$) تشکیل دهد. این واکنش، کروم آزاد موجود در زمینه فلزی را کاهش میدهد و اگر میزان کروم آزاد به زیر حد بحرانی (معمولاً حدود 12%) برسد، توانایی فولاد برای پسیو شدن و مقاومت در برابر خوردگی به شدت کاهش مییابد. بنابراین، در طراحی فولادهای مقاوم به خوردگی (غیر از استنلس استیل)، کنترل دقیق درصد کربن برای اطمینان از وجود کروم کافی برای پسیو شدن و جلوگیری از تشکیل کاربیدهای کروم بسیار حیاتی است.
روشهای بهینهسازی محتوای کربن برای کاربردهای خاص
بهینهسازی محتوای کربن فرآیندی مهندسی است که هدف آن دستیابی به مجموعه خواص مکانیکی مورد نیاز برای یک کاربرد خاص با کمترین هزینه و بالاترین قابلیت ساخت است. برای کاربردهای نیازمند سختی و مقاومت به سایش بالا (مانند ابزارها)، کربن باید در بالاترین حد ممکن (مثلاً بالای 1.0%) حفظ شود، اما این امر باید با استفاده از عملیات حرارتی کنترلی (مانند تمپر کردن مناسب) همراه باشد تا از شکنندگی بیش از حد جلوگیری شود. در این موارد، هدف، دستیابی به درصد بهینهای از مارتنزیت یا کاربید است.
در مقابل، برای کاربردهایی که شکلپذیری و جوشپذیری در اولویت هستند (مانند سازههای جوش داده شده)، محتوای کربن باید به حداقل برسد (معمولاً کمتر از 0.25%). با این حال، گاهی اوقات میتوان از طریق فرآیندهایی مانند “کربنگیری سطحی” (Carburizing) به بهینهسازی دست یافت. در این روش، هسته فولاد با کربن کم برای حفظ چقرمگی باقی میماند و فقط لایه سطحی با کربن بالا سخت میشود تا مقاومت به سایش افزایش یابد. این روش به مهندسان اجازه میدهد تا همزمان از مزایای سختی بالا در سطح و انعطافپذیری بالای هسته بهرهمند شوند، که این خود اوج بهینهسازی کربن است.
کربنگیری سطحی (Carburizing) و کنترل عمق نفوذ
کربنگیری سطحی فرآیندی است که در آن فولادهای کمکربن در دمای آستنیتی در معرض منبع کربن قرار میگیرند تا اتمهای کربن به لایه سطحی نفوذ کرده و غلظت کربن در آنجا افزایش یابد. هدف نهایی این فرآیند، دستیابی به یک سطح بسیار سخت و مقاوم به سایش (با کربن بالا) در حالی که هسته قطعه کمکربن باقی مانده و چقرمگی خود را حفظ میکند، میباشد.ورق هاردوکس 450 این فرآیند به ویژه برای چرخدندهها، میللنگها و سایر قطعات تحت سایش سطحی بسیار حیاتی است.
کنترل عمق نفوذ کربن از اهمیت بالایی برخوردار است و مستقیماً تابع دمای فرآیند و زمان نگهداری در این دما است. عمق نفوذ از قوانین انتشار فیک پیروی میکند؛ بنابراین، زمان نگهداری طولانیتر منجر به نفوذ بیشتر کربن به داخل قطعه میشود. در مهندسی، عمق نفوذ به دقت توسط اندازهگیری سختی در مقاطع مختلف کنترل میشود تا اطمینان حاصل شود که لایه سطحی دارای سختی کافی (مثلاً بالای 55 راکول سی) است و لایه انتقالی به نرمی کافی برای جذب شوکهای اعمالی از هسته چقرمه باقی میماند. این فرآیند یک مثال عالی از نحوه استفاده هدفمند از کربن برای مهندسی خواص سطحی است.
تأثیر کربن بر قابلیت ماشینکاری فولادها
تأثیر کربن بر قابلیت ماشینکاری فولادها پیچیده است و بستگی به مقدار کربن و وضعیت ریزساختار نهایی ماده دارد. در فولادهای کمکربن، سختی پایین و وجود فاز فریت باعث میشود که ماده به راحتی تغییر شکل پلاستیک دهد، اما این تغییر شکل زیاد باعث میشود که تراشهها به صورت پیوسته و رشتهای ایجاد شوند که این امر باعث چسبیدن تراشه به لبه ابزار (Built-up Edge) و افزایش سایش ابزار میشود؛ در نتیجه قابلیت ماشینکاری ضعیف است.
با افزایش کربن تا محدوده متوسط (حدود 0.4% تا 0.6%) و پس از عملیات حرارتی مناسب (مانند نرمالسازی یا آنیل کردن)، تشکیل پرلیت کنترل شده، قابلیت ماشینکاری به بهترین حالت خود میرسد. در این حالت، سمنتیتهای ریز و توزیع شده به عنوان “روان کننده جامد” عمل کرده و به شکستن آسانتر تراشهها کمک میکنند و در نتیجه تراشهها به شکل برادههای کوچک و جدا از هم در میآیند. با این حال، در فولادهای پرکربن که سمنتیت فراوان و سخت یا مارتنزیت شکننده وجود دارد، سختی بیش از حد ماده باعث میشود که ابزار به سرعت کند شده یا حتی بشکند و قابلیت ماشینکاری مجدداً کاهش یابد. بنابراین، بهترین قابلیت ماشینکاری معمولاً در فولادهای با کربن متوسط و ساختار پرلیتی نرم به دست میآید.
