مقدار کربن فولاد کم کربن چقدر است ؟
مقدار کربن فولاد کم کربن چقدر است ؟
ویژگیهای عمومی و کاربردهای فولاد کم کربن
فولاد کم کربن، که اغلب به عنوان فولاد ملایم شناخته میشود، مهمترین و پرمصرفترین نوع فولاد در صنایع مختلف است.ورق آجدار تهران ویژگی بارز آن، درصد کربن پایین (معمولاً زیر ۰.۲۵ درصد وزنی) است که منجر به ترکیبی بهینه از استحکام معقول، شکلپذیری عالی، و چقرمگی بالا میشود. این فولادها به دلیل داشتن ساختار عمدتاً فریت، نرمی کافی برای عملیات شکلدهی سرد و گرم را فراهم میکنند، به طوری که میتوان آنها را به راحتی به اشکال پیچیده پرس، خم یا جوش داد بدون آنکه مستعد ترکخوردگی شوند. این ویژگیهای برجسته، فولاد کم کربن را به مادهای ایدهآل برای ساخت قطعاتی تبدیل کرده است که نیاز به تحمل تنشهای کششی و تغییر شکلهای پلاستیک قابل توجهی دارند، امری که آن را در خط مقدم تولیدات مهندسی قرار میدهد.
کاربردهای فولاد کم کربن بسیار گسترده است و عملاً در هر صنعتی که نیاز به مواد ساختاری مقرونبهصرفه با قابلیت کاربری بالا باشد، حضور دارد. در صنعت ساختمانسازی، از این فولاد برای ساخت تیرآهنها، میلگردهای آرماتوربندی و ورقهای ساختاری استفاده میشود که نیاز به مقاومت کافی در برابر بارهای ثابت و دینامیکی دارند. همچنین، در صنعت خودروسازی، بخش اعظم بدنه، شاسی و قطعات داخلی از این نوع فولاد تولید میشوند تا بتوانند انرژی ضربه را به طور مؤثر جذب کنند. ورق آجدار آهن مکان علاوه بر این، لولهها، سیمها، میخها و بسیاری از قطعات ماشینآلات سبک نیز با استفاده از فولاد ملایم تولید میشوند، زیرا قیمت مناسب و سهولت در تولید انبوه، مزیت رقابتی بزرگی برای آن ایجاد میکند.
ترکیب شیمیایی و محدودهی درصد کربن در فولادهای ملایم
ترکیب شیمیایی فولاد کم کربن به گونهای تنظیم شده است که اطمینان حاصل شود تأثیرات سختیکنندگی کربن حداقل باقی بماند. محدوده استاندارد برای کربن در این فولادها از حدود ۰.۰۵ درصد تا حداکثر ۰.۲۵ درصد متغیر است؛ اگر درصد کربن از این مقدار فراتر رود، فولاد به سمت دستهبندی فولادهای کربن متوسط سوق پیدا کرده و ویژگیهای انعطافپذیری آن کاهش مییابد. ورق آجدار شادآباد در کنار کربن، مقادیر کمی از عناصر دیگر مانند منگنز (به عنوان گوگردزدا)، سیلیکون و فسفر و گوگرد وجود دارند که باید در حد مجاز باقی بمانند؛ به خصوص گوگرد و فسفر که اگر بیش از حد باشند، میتوانند چقرمگی و جوشپذیری فولاد را به شدت تحت تأثیر قرار دهند و آن را مستعد پدیدههایی مانند ترک گرم کنند.
اهمیت درصد کربن در این فولادها مستقیماً با مقدار فازهایی که پس از سرد شدن آهسته تشکیل میشوند، در ارتباط است. در این محدوده، ریزساختار تعادلی عمدتاً از فریت (محلول جامد آهن-کربن با کربن بسیار کم) و مقدار کمی پرلیت (مخلوط لایهای فریت و سمنتیت) تشکیل شده است. این ساختار دو فازی، به ویژه غلبه فریت، مسئول شکلپذیری و نرمی مطلوب است. ورق آجدار سیاه به همین دلیل، مهندسان مواد تلاش میکنند با حفظ کربن در محدوده پایین، از تشکیل فازهای سختتر مانند مارتنزیت که نیازمند عملیات حرارتی کوئنچ هستند، جلوگیری کنند تا در شرایط نرمال، مادهای قابل اعتماد و آسان برای فرآوری به دست آورند.
تأثیر ناخالصیهای منگنز و سیلیکون بر خواص فولاد کم کربن
در فولادهای کم کربن، علاوه بر کربن، حضور ناخالصیها و عناصر آلیاژی دیگر مانند منگنز و سیلیکون نقش حیاتی در تعیین خواص نهایی ایفا میکند. منگنز (Mn) عنصری مهم است که عمدتاً به عنوان گوگردزدا (Sulfur Scavenger) عمل میکند. گوگرد میتواند در فولادها باعث ایجاد مرزدانههای شکننده (به شکل سولفید آهن) شود که در دمای آهنگری باعث ترکخوردگی (Hot Shortness) میشوند؛ منگنز با پیوند یافتن به گوگرد، سولفیدهای منگنز را تشکیل میدهد که کمتر مضر هستند و چقرمگی در دماهای بالا را حفظ میکنند. وجود منگنز همچنین مقدار کمی سختیکاری محلول جامد ایجاد میکند که استحکام کلی را اندکی افزایش میدهد.
سیلیکون (Si) نیز معمولاً به عنوان اکسیژنزدا در فرآیند تولید فولاد استفاده میشود تا اکسیژن محلول را کاهش دهد. سیلیکون حل شده در شبکه فریت میتواند سختی و استحکام را به طور جزئی افزایش دهد، اما افزایش بیش از حد آن میتواند به قیمت کاهش انعطافپذیری تمام شود. ورق آجدار آلومینیوم در فولادهای کم کربن که هدف اصلی حفظ نرمی است، میزان سیلیسیم باید به دقت کنترل شود تا از تبدیل شدن فولاد به مادهای شکننده جلوگیری شود. بنابراین، این عناصر به عنوان تنظیمکنندههای خواص عمل میکنند که در کنار درصد پایین کربن، تضمین میکنند محصول نهایی قابلیتهای شکلپذیری و جوشپذیری مطلوب را دارا باشد.
ریزساختار فاز فریت و پرلیت در فولادهای کربن پایین
ریزساختار تعادلی فولاد کم کربن در دمای محیط، ترکیبی از دو فاز اصلی است: فریت (آلفا-آهن) و پرلیت. فریت خالص، محلول جامد کربن در آهن با ساختار بلوری مکعب مرکز پر (BCC) است که در دمای اتاق مقادیر بسیار کمی کربن (کمتر از ۰.۰۲۱۸ درصد) را در خود جای میدهد. ورق آجدار گالوانیزه به دلیل ساختار BCC، فریت نرم و شکلپذیر است و عمدتاً مسئول انعطافپذیری و چقرمگی بالای فولادهای ملایم میباشد. در فولادهای با کربن بسیار پایین (مانند ورقهای نرم)، فریت بخش غالب ساختار را تشکیل میدهد و استحکام در سطوح پایینتری باقی میماند.
پرلیت، فاز دوم، یک ترکیب لاملی یا لایهای از فریت غنی شده و سمنتیت (کاربید آهن، $\text{Fe}_3\text{C}$) است که از سرد شدن آستنیت در دمای $\text{A}_1$ (۷۲۷ درجه سانتیگراد) به وجود میآید. ورق آجدار استیل در فولادهای کم کربن، درصد پرلیت در مقایسه با فریت بسیار کم است (مثلاً در ۰.۱٪ کربن، حدود ۱۰٪ پرلیت وجود دارد). وجود این مقدار اندک پرلیت، که سختتر و مقاومتر از فریت است، به فولاد اجازه میدهد تا استحکام تسلیم قابل قبولی کسب کند. توزیع این لایههای سخت پرلیت در بستر نرم فریت، نقش مهمی در افزایش مقاومت کلی ماده بدون به خطر انداختن قابلیت شکلپذیری ایفا میکند.
بررسی استحکام تسلیم و استحکام کششی فولاد کم کربن
استحکام تسلیم ($\text{Yield Strength}$) یکی از پارامترهای حیاتی برای فولاد کم کربن است، زیرا نشاندهنده تنشی است که ماده پس از آن شروع به تغییر شکل پلاستیک دائمی میکند. به دلیل غالب بودن فاز فریت نرم در این فولادها، استحکام تسلیم آنها نسبتاً پایین است؛ پروفیل z معمولاً در محدوده ۲۰۰ تا ۳۰۰ مگاپاسکال قرار دارد. این مقدار برای بسیاری از کاربردهای سازهای سبک که تحت بارهای استاتیکی یا متوسط قرار دارند، کفایت میکند. این نقطه تسلیم پایین به مهندسان این امکان را میدهد که با اطمینان از رفتار قابل پیشبینی ماده در برابر بارهای عملیاتی، طراحیهای ایمنی انجام دهند، بدون آنکه نگران شکست ناگهانی باشند.
در مقابل، استحکام کششی نهایی (Ultimate Tensile Strength) فولاد کم کربن کمی بالاتر از نقطه تسلیم است، اما همچنان در مقایسه با فولادهای آلیاژی یا کربن متوسط پایینتر است و اغلب زیر ۴۵۰ مگاپاسکال باقی میماند. ویژگی چشمگیر در اینجا، نسبت بالای استحکام به تسلیم به استحکام نهایی است که نشان میدهد ماده پس از رسیدن به نقطه تسلیم، توانایی قابل توجهی برای کرنشسختی (Strain Hardening) و تغییر شکل پلاستیک قبل از گسیختگی دارد. این خاصیت، یعنی وجود ناحیه پلاستیک بزرگ، ضامن اصلی چقرمگی و توانایی جذب انرژی ضربه در این نوع فولادها محسوب میشود.
مکانیسم تغییر شکل پلاستیک و استحکام بخشی در فولادهای ملایم
تغییر شکل پلاستیک در فولاد کم کربن اساساً از طریق مکانیزم لغزش نابهجاییها در شبکههای بلوری فریت صورت میگیرد. به دلیل غلبه فاز فریت و ساختار مکعب مرکز پر آن، حرکت نابهجاییها (نواقص ساختاری که جابجایی ماده را ممکن میسازند) نسبتاً آزادانه است، که این آزادی حرکت، منجر به انعطافپذیری و شکلپذیری استثنایی میشود.پروفیل مبلی هنگامی که تنش اعمالی از حد تسلیم فراتر میرود، این نابهجاییها شروع به تکثیر و حرکت در سراسر دانه میکنند و ماده دچار تغییر شکل دائمی میشود. این پدیده، امکان پرس کردن، کشیدن و خم کردن فولاد را بدون شکستگی فراهم میسازد.
استحکام بخشی در این فولادها از طریق محدود کردن حرکت این نابهجاییها به دست میآید. در فولاد کم کربن، مکانیزمهای اصلی استحکامبخشی در حالت سرد (مانند کار سرد یا کار سرد شدن) شامل افزایش چگالی نابهجاییها و ایجاد تداخل بین آنهاست که به آن کارسختی (Work Hardening) میگویند. همچنین، وجود پرلیت و سمنتیتهای کوچک به عنوان موانع میکرو ساختاری عمل کرده و بر سر راه حرکت نابهجاییها قرار میگیرند. این امر باعث میشود که تنش بیشتری برای ایجاد تغییر شکل لازم باشد، هرچند درجه استحکامبخشی به مراتب کمتر از فولادهای پرکربن است.
جوشپذیری عالی و کمترین ریسک ترکخوردگی در فولادهای با کربن پایین
یکی از بزرگترین مزایای مهندسی فولاد کم کربن، قابلیت جوشپذیری استثنایی آن است. به دلیل محتوای کربن پایین، ناحیه متأثر از حرارت (HAZ) در اطراف جوش در این فولادها به طور طبیعی دارای سختی بسیار پایینی باقی میماند. همانطور که پیشتر ذکر شد، کربن بالا باعث تشکیل مارتنزیت شکننده در HAZ میشود که ریسک ترکخوردگی حین سرد شدن (ترک سرد) را به شدت افزایش میدهد. پروفیل آلومینیوم در فولادهای ملایم، این ریسک عملاً ناچیز است، زیرا حتی اگر مقداری مارتنزیت تشکیل شود، نرمی فریت موجود به عنوان یک بافر عمل کرده و تنشهای انقباضی ناشی از سرد شدن را جذب میکند.
این جوشپذیری آسان، نیاز به فرآیندهای پیشگرمایش یا پسگرمایش پیچیده و گرانقیمت را به حداقل میرساند، که این امر هزینههای ساخت و ساز را در پروژههای بزرگ به شدت کاهش میدهد. این خاصیت امکان استفاده از جوشکاریهای با نرخ رسوب بالا و فرآیندهای جوشکاری سریع را فراهم میآورد.پروفیل صنعتی به همین دلیل، فولادهای کم کربن به ماده انتخابی برای ساخت اسکلتهای فولادی ساختمانها، مخازن تحت فشار کمفشار و اتصالات لولهای تبدیل شدهاند که در آنها یکپارچگی و اطمینان از اتصال بدون نقص جوش، اولویت اصلی است.
انعطافپذیری و چقرمگی بالا: مزیت اصلی فولاد کم کربن
انعطافپذیری (Ductility) و چقرمگی (Toughness) دو مشخصه برجسته فولاد کم کربن هستند که مستقیماً از ریزساختار غالب فریت نشأت میگیرند. انعطافپذیری به معنای توانایی ماده برای کشیده شدن و تغییر شکل پلاستیک قابل توجه قبل از شکست است؛ فولاد ملایم میتواند تا ۳۰ درصد یا حتی بیشتر تغییر طول داشته باشد. این خاصیت برای شکلدهی و همچنین برای جذب انرژی در هنگام وقوع سوانح یا بارهای ناگهانی حیاتی است. این انعطافپذیری تضمین میکند که سازهها تحت بارهای غیرمنتظره به جای شکست ترد و ناگهانی، دچار تغییر شکل مرئی شده و امکان مداخله فراهم شود.
چقرمگی که اغلب با انرژی شکست اندازهگیری میشود، نشاندهنده توانایی ماده برای جذب انرژی تا لحظه شکست نهایی است. فولاد کم کربن در دمای اتاق دارای چقرمگی بسیار بالایی است و به ندرت دچار شکست ترد میشود. این امر به دلیل عدم وجود فازهای بسیار سخت و شکننده در ساختار است که مانع از گسترش سریع ترک میشوند. در مقایسه با فولادهای پرکربن که با افزایش کربن، چقرمگی آنها به شدت کاهش مییابد، فولادهای ملایم عملکردی قابل اعتماد در محیطهای عملیاتی مختلف، از جمله دماهای نسبتاً پایین، از خود نشان میدهند.
بررسی رفتار فولاد کم کربن تحت بارهای دینامیکی و ضربه
تحت بارهای دینامیکی، مانند نیروهای باد، زلزله یا ضربههای ناگهانی، فولاد کم کربن عملکردی بسیار مطلوب از خود نشان میدهد. دلیل این امر، توانایی آن در جذب حجم زیادی از انرژی در ناحیه پلاستیک خود است. هنگامی که یک ضربه وارد میشود، فولاد به جای اینکه بلافاصله به ناحیه الاستیک خود محدود شود، تغییر شکل پلاستیک میدهد و انرژی ضربه را از طریق تغییر شکل داخلی خود جذب میکند و از انتقال کامل آن به کل سازه جلوگیری مینماید. این مکانیسم جذب انرژی، به عنوان یک ضربهگیر ذاتی عمل میکند.
در آزمونهای استاندارد ضربه (مانند چارپی)، فولاد کم کربن انرژی جذب شده بسیار بالایی را از خود نشان میدهد که این امر مستقیماً با چقرمگی ذاتی آن مرتبط است. از آنجا که ریزساختار آن عمدتاً فریت است، دماهای گذار از حالت چقرمه به ترد در فولادهای ملایم در دمای بسیار پایینتری نسبت به فولادهای پرکربن قرار دارد. این بدان معناست که فولاد کم کربن حتی در شرایط هوای سرد نیز پتانسیل کافی برای حفظ چقرمگی خود و جلوگیری از شکستهای ناگهانی و ترد را دارا است، که یک مزیت حیاتی برای سازههای بیرونی محسوب میشود.
مقایسه نورد گرم و نورد سرد بر خواص مکانیکی فولاد ملایم
نورد گرم (Hot Rolling) فرآیندی است که در دماهای بالاتر از دمای بازتبلور (معمولاً بالای ۹۰۰ درجه سانتیگراد) انجام میشود. محصول این فرآیند، مانند تیرآهنهای ساختمانی، دارای دانههای نسبتاً درشت و ساختار فریت-پرلیتی است که نرمی و انعطافپذیری بالایی دارد، اما تلرانس ابعادی آن کمتر دقیق است. در نورد گرم، اثرات کار سختی به دلیل همزمان بودن تغییر شکل و بازتبلور، از بین میرود و ماده در یک حالت نسبتاً آنیل شده باقی میماند.
در مقابل، نورد سرد (Cold Rolling) در دمای محیط یا پایینتر از دمای تبلور مجدد انجام میشود. این فرآیند باعث افزایش قابل توجهی در استحکام کششی و استحکام تسلیم (تا ۳۰ درصد افزایش) به دلیل پدیده کارسختی (افزایش چگالی نابهجاییها) میشود، اما در عین حال، انعطافپذیری و چقرمگی فولاد کاهش مییابد. فولاد نورد سرد دقت ابعادی بسیار بالاتری دارد و سطحی صافتر ارائه میدهد و معمولاً برای ساخت ورقهایی که نیاز به دقت ابعادی بالا و استحکام کمی بیشتر دارند (مانند بدنه خودروها) استفاده میشود.
فرآیندهای عملیات حرارتی (مانند آنیل) بر فولادهای کم کربن
اگرچه فولاد کم کربن ذاتاً نرم است، اما عملیات حرارتی همچنان برای بهینهسازی خواص یا بازگرداندن شکلپذیری پس از فرآیندهای شکلدهی سرد شدید، ضروری است. فرآیند اصلی مورد استفاده، آنیل کردن (Annealing) است. آنیل کردن شامل گرم کردن فولاد تا دمای آستنیتی شدن (یا کمی پایینتر در برخی موارد)، نگه داشتن در آن دما و سپس سرد کردن بسیار آهسته (معمولاً در کوره) است. هدف اصلی آنیل کردن در فولاد ملایم، کاهش سختی ناشی از کار سرد، همگنسازی ریزساختار، و کروی کردن سمنتیت در پرلیت برای افزایش قابلیت چکشخواری است.
سرد کردن آهسته در آنیلینگ تضمین میکند که بیشترین مقدار ممکن از فاز فریت نرم تشکیل شود و هیچ مارتنزیتی به وجود نیاید. این فرآیند تنشهای داخلی ناشی از نورد، جوشکاری یا شکلدهی را از بین میبرد و مواد را برای فرآیندهای شکلدهی بعدی یا بهبود عملکرد در طول عمر خدمترسانی آماده میکند. در مقایسه، نرمالیزه کردن (که سرد کردن آن سریعتر از آنیل است) در فولاد کم کربن منجر به دانههای ریزتر و سختی اندکی بیشتر میشود، اما آنیل کردن به طور کامل هرگونه اثر کار سختی را خنثی میکند.
نقش فولاد کم کربن در ساخت سازههای ساختمانی و پلها
فولاد کم کربن، به دلیل نسبت عالی هزینه به عملکرد، به ستون فقرات صنعت ساخت و ساز مدرن تبدیل شده است. در ساخت سازههای ساختمانی، از این فولاد برای تولید پروفیلهای ساختاری سنگین مانند تیرهای H، I و کانالها استفاده میشود. استحکام تسلیم مناسب آن (مثلاً در استاندارد A36 حدود ۲۵۰ مگاپاسکال) برای تحمل بارهای مرده و زنده سازه کافی است، در حالی که انعطافپذیری بالای آن اطمینان میدهد که سازه در برابر بارهای لرزهای یا بادهای شدید، به جای شکست ناگهانی، تغییر شکل داده و انرژی را جذب میکند.
در ساخت پلها، نقش فولاد کم کربن حتی حیاتیتر است. پلها نیازمند موادی هستند که بتوانند بارهای متحرک مکرر، تنشهای خستگی و در عین حال پایداری در برابر محیط زیست را تحمل کنند. سهولت جوشپذیری آن امکان مونتاژ سریع و مطمئن بخشهای بزرگ سازه در محل پروژه را فراهم میآورد. علاوه بر اجزای اصلی سازهای، از ورقهای کم کربن در ساخت عرشههای پلها و همچنین در اتصالات و بستهای سازهای استفاده میشود که همگی مدیون قابلیت کار سرد و جوشپذیری بدون دردسر این ماده هستند.
استفاده از فولاد کم کربن در صنعت خودروسازی و شاسیسازی
صنعت خودروسازی به شدت به فولاد کم کربن وابسته است، زیرا این ماده امکان ساخت قطعاتی را فراهم میکند که هم باید ایمن باشند و هم تولید آنها مقرون به صرفه باشد. در ساخت شاسی و اسکلت اصلی خودرو، فولاد ملایم به دلیل خاصیت جذب انرژی در تصادفات بسیار ارزشمند است. در هنگام برخورد، این فولادها دچار تغییر شکل پلاستیک کنترل شده میشوند که انرژی ضربه را از کابین سرنشینان دور کرده و ایمنی سرنشینان را به حداکثر میرساند.
علاوه بر اجزای ایمنی، بخش قابل توجهی از بدنه بیرونی (مانند پانلهای درب، کاپوت و سقف) از ورقهای فولادی کم کربن (اغلب نورد سرد شده برای بهبود سطح) ساخته میشوند. قابلیت شکلدهی عمیق (Deep Drawing) این فولادها به تولیدکنندگان این امکان را میدهد که اشکال پیچیده و آیرودینامیک بدنه را با حداقل ضخامت و وزن ممکن تولید کنند. اگرچه برای نواحی حساس به ضربه یا استحکام بسیار بالا (مانند ستونهای محافظ جان)، از فولادهای پیشرفتهتر استفاده میشود، اما پایه و اساس ساختار همچنان بر فولاد کم کربن استوار است.
قابلیت ماشینکاری و شکلدهی سرد در فولادهای با کربن کمتر از ۰.۲۵٪
فولاد کم کربن به دلیل نرمی و انعطافپذیری بالا، قابلیت ماشینکاری و شکلدهی سرد بسیار خوبی دارد. در فرآیند ماشینکاری، نرمی فریت باعث میشود که تنش کمتری برای برش نیاز باشد و ابزار برش دچار سایش کمتری شود، اما این نرمی میتواند چالشهایی نیز ایجاد کند. ماشینکاری در سرعتهای پایین میتواند منجر به “گلوگیری” (Built-up Edge) شود، جایی که ماده ماشین شده به لبه ابزار میچسبد. برای غلبه بر این مشکل، معمولاً از سرعتهای برش بالاتر و روانکنندههای مناسب استفاده میشود تا تراشهها به صورت برادههای کوتاه و جدا از هم تشکیل شوند.
در شکلدهی سرد مانند خمش، کشش عمیق و پرسکاری، فولاد ملایم عملکردی استثنایی دارد. این فرآیندها بدون نیاز به حرارتدهی انجام میشوند و از کار سختی برای افزایش نهایی استحکام محصول بهره میبرند. انعطافپذیری بالا به این معناست که میتوان شعاعهای خمشی بسیار کوچکی را بدون نگرانی از ایجاد ترک در ناحیه خارجی خم ایجاد کرد. این توانایی شکلدهی سرد، به ویژه در تولید قطعات با هندسه پیچیده و تلرانسهای تنگ، به طور قابل توجهی هزینههای تولید را کاهش میدهد و فرآیند تولید را سادهتر میسازد.
مقاومت به سایش پایینتر و راهکارهای بهبود آن در فولادهای ملایم
یکی از اصلیترین معایب فولاد کم کربن، مقاومت پایین آن در برابر سایش (Wear Resistance) در مقایسه با فولادهای پرکربن یا چدنها است. این ضعف مستقیماً ناشی از غالب بودن فاز فریت نرم و وجود مقدار بسیار کم سمنتیت سخت در ریزساختار است. در کاربردهایی که قطعات در معرض تماس لغزشی یا ساینده قرار دارند (مانند دندهها، غلتکها یا سطوح لود شده)، فولاد ملایم به سرعت دچار فرسایش میشود و عمر مفید قطعه کوتاه خواهد بود.
برای بهبود مقاومت به سایش فولاد کم کربن، عموماً از روشهای سطحی استفاده میشود، چرا که افزایش کربن کلی ساختار، ویژگیهای مطلوب نرمی و جوشپذیری را از بین میبرد. رایجترین روش، **کربنگیری سطحی (Carburizing)** است که در آن سطح قطعه با کربن غنی شده و سپس سخت میشود (کوئنچ)، در حالی که مغز فولاد همچنان نرم و چقرمه باقی میماند. همچنین استفاده از پوششدهیهای مقاوم به سایش مانند کروم سخت یا استفاده از لایههای نیتریدینگ نیز راهکارهای مؤثر دیگری برای تقویت لایه سطحی در عین حفظ چقرمگی مغزی هستند.
تفاوت کلیدی فولاد کم کربن با فولادهای کربن متوسط
تفاوت اساسی بین فولاد کم کربن و فولاد کربن متوسط (معمولاً ۰.۲۵ تا ۰.۶۰ درصد کربن) در ریزساختار و در نتیجه خواص مکانیکی آنها نهفته است. فولاد کم کربن عمدتاً از فریت نرم و مقادیر کمی پرلیت تشکیل شده است و به همین دلیل انعطافپذیری بسیار بالایی دارد اما سختی پایینی دارد. در مقابل، فولاد کربن متوسط دارای درصد پرلیت قابل توجهی است که باعث میشود استحکام تسلیم و کششی بسیار بالاتری داشته باشد و پس از عملیات حرارتی کوئنچ، به سختی قابل توجهی دست یابد.
این تفاوتها مستقیماً بر کاربرد تأثیر میگذارد؛ فولاد کم کربن برای ساخت قطعاتی که نیاز به شکلدهی و جذب انرژی دارند (مانند ورقها و سازهها) ایدهآل است. اما فولاد کربن متوسط به دلیل سختی بیشتر، برای ساخت قطعات ماشینآلات تحت سایش و تنش مانند محورها، چرخدندهها و فنرها ترجیح داده میشود. همچنین، جوشپذیری فولاد کربن متوسط به دلیل پتانسیل بالاتر برای تشکیل مارتنزیت در HAZ، دشوارتر بوده و معمولاً به پیشگرمایش نیاز دارد، در حالی که فولاد کم کربن جوشکاری سادهتری دارد.
معایب اصلی فولاد ملایم: سختی و مقاومت حرارتی محدود
مهمترین محدودیت ساختاری فولاد کم کربن، سختی ذاتی پایین آن است. همانطور که گفته شد، ساختار غالب فریت نمیتواند در برابر نیروهای سایش یا تنشهای فشاری بالا مقاومت کند و این امر کاربرد آن را در قطعاتی که نیاز به حفظ شکل در بارهای سنگین یا فرسایش مداوم دارند، محدود میسازد. در واقع، اگرچه انعطافپذیری مزیت است، اما این نرمی به معنای عدم کفایت در مواجهه با بارهای نقطهای یا سایش شدید است و اغلب نیازمند آلیاژسازی یا عملیات سطحی برای جبران این نقص است.
علاوه بر سختی، مقاومت حرارتی فولادهای ملایم نیز محدود است. اگرچه فولاد به طور کلی مقاومت خوبی در برابر حرارت دارد، اما در دماهای بالا (نزدیک به دمای بازتبلور)، استحکام و تنش تسلیم آن به سرعت کاهش مییابد. این پدیده در فولادهای کم کربن به دلیل وجود فاز فریت، بیشتر نمود پیدا میکند. در نتیجه، استفاده از این فولادها در کاربردهای ساختاری که به طور دائم در معرض دماهای بالا قرار دارند (مانند برخی بخشهای کورهها یا موتورها)، مناسب نیست و باید از فولادهای آلیاژی با مقاومت دمایی بالاتر استفاده شود.
استانداردهای رایج بینالمللی برای شناسایی فولادهای کم کربن (مانند ASTM A36)
به دلیل اهمیت جهانی فولاد کم کربن، استانداردهای متعددی برای اطمینان از خواص مکانیکی و ترکیب شیمیایی ثابت تعریف شدهاند. یکی از رایجترین و پرکاربردترین این استانداردها در آمریکای شمالی، استاندارد **ASTM A36** است. فولاد A36 به عنوان یک فولاد ساختمانی با کربن پایین مشخص میشود که حداقل استحکام تسلیم آن ۲۵۰ مگاپاسکال (۳۶ ksi) و حداقل استحکام کششی آن ۴۰۰ مگاپاسکال (۵۸ ksi) است. این استاندارد، به دلیل تعادل عالی بین جوشپذیری، شکلپذیری و هزینه، در ساخت سازهها بسیار محبوب است.
استانداردهای دیگری مانند سری AISI 10xx (به عنوان مثال 1018 یا 1020) نیز به فولادهای کربن پایین اشاره دارند که در آن دو رقم آخر نشاندهنده درصد کربن ضربدر ۱۰۰ است (مثلاً ۱۰۰۸ به معنای ۰.۰۸٪ کربن). در اروپا، استانداردهایی مانند سری S235 یا S275 (که اعداد نشاندهنده حداقل استحکام تسلیم بر حسب نیوتن بر میلیمتر مربع هستند) عملکردی مشابه فولادهای کم کربن را پوشش میدهند. این استانداردها تضمین میکنند که هر مادهای با این نام، خواص مورد نیاز برای کاربردهای حیاتی سازهای را برآورده میکند.
مقدار کربن فولاد کم کربن چقدر است ؟
بررسی پدیده خزش (Creep) در فولادهای کم کربن تحت دماهای بالا
پدیده خزش یا تغییر شکل پلاستیک دائمی در طول زمان تحت تنش ثابت و در دماهای بالا رخ میدهد. اگرچه فولادهای کم کربن برای کاربردهای با دمای بالا طراحی نشدهاند، اما درک رفتار خزش آنها در دماهای فراتر از حد عملیاتی یا در مواجهه با تنشهای طولانی مدت، ضروری است. در دماهای بالا، حرکت نابهجاییها تسهیل شده و مکانیسمهای نفوذ (Diffusion) فعال میشوند که میتواند منجر به انبساط و تغییر شکل آهسته و دائمی ماده شود.
در فولادهای کم کربن، به دلیل غالب بودن فاز فریت نرم، مقاومت به خزش (Creep Resistance) نسبتاً ضعیف است. با افزایش دما، به خصوص نزدیک به دمای بازتبلور، نرخ خزش به طور نمایی افزایش مییابد. این امر در طراحی اجزایی که به طور مداوم در معرض تنش و حرارت هستند (مانند دیگهای بخار یا لولههای انتقال حرارت) یک محدودیت جدی محسوب میشود. برای کاربردهای داغ، معمولاً فولادهای کربن متوسط یا آلیاژهای با کروم و مولیبدن (فولادهای مقاوم به حرارت) ترجیح داده میشوند، زیرا کاربیدهای پایدارتر میتوانند به طور مؤثر جلوی حرکت نابهجاییها و نفوذ اتمی را بگیرند.
روشهای ارزان قیمت تولید و فرآوری فولادهای کم کربن در مقیاس بزرگ
تولید فولاد کم کربن به دلیل سادگی نسبی ترکیب شیمیایی، ذاتاً یکی از ارزانترین فرآیندهای متالورژیکی است. اصلیترین روش تولید، استفاده از فرآیند کنورتر اکسیژنی پایه (Basic Oxygen Furnace – BOF) است که در آن کربن موجود در چدن خام از طریق تزریق اکسیژن با نرخ بالا، به سرعت کاهش مییابد تا به درصد مطلوب کربن پایین برسد. این روش، به دلیل سرعت بالا و بازدهی حرارتی خوب، امکان تولید حجم عظیمی از فولاد را با هزینهای پایین فراهم میکند.
فرآوری ثانویه این فولادها نیز عمدتاً بر روشهای شکلدهی سریع و کمهزینه متمرکز است. ریختهگری مداوم (Continuous Casting) رایجترین روش برای تولید اسلبها، بیلتها و بلومها است که ضایعات مواد را به حداقل میرساند. سپس این مقاطع از طریق نورد گرم و نورد سرد پردازش میشوند. نورد گرم به دلیل انجام در دماهای بالا، انرژی کمتری برای تغییر شکل نیاز دارد و معمولاً برای تولید مقاطع بزرگ ساختمانی استفاده میشود. سهولت در جوشکاری و عدم نیاز به عملیات حرارتی پس از جوشکاری نیز هزینههای مونتاژ نهایی را در پروژههای ساختمانی و لولهکشی به شدت کاهش میدهد.
