چقدر کلمه "فولاد" را می شنویم. و نه تنها توسط متخصصان در زمینه تولید متالورژی، بلکه توسط مردم شهر نیز تلفظ می شود. هیچ ساختار محکمی بدون فولاد کامل نیست. در واقع، وقتی از چیزی فلزی صحبت می کنیم، منظور محصولی از فولاد است. بیایید دریابیم که از چه چیزی تشکیل شده است و چگونه طبقه بندی می شود.
تعریف
فولاد شاید محبوب ترین آلیاژ باشد که بر پایه آهن و کربن است. علاوه بر این، سهم دومی از 0.1 تا 2.14٪ متغیر است در حالی که اولی نمی تواند کمتر از 45٪ باشد. سهولت تولید و در دسترس بودن مواد اولیه از اهمیت تعیین کننده ای در توزیع این فلز در تمام زمینه های فعالیت انسانی برخوردار است.
ویژگی های اصلی ماده بسته به ترکیب شیمیایی آن متفاوت است. تعریف فولاد به عنوان آلیاژی متشکل از دو جزء آهن و کربن را نمی توان کامل نامید. برای مثال، ممکن است شامل کروم برای مقاومت در برابر حرارت، و نیکل برای مقاومت در برابر خوردگی باشد.
اجزای مورد نیازمواد مزایای بیشتری را ارائه می دهند. بنابراین، آهن آلیاژ را در شرایط خاص چکش‌خوار و به راحتی تغییر شکل می‌دهد و کربن همزمان با شکنندگی، استحکام و سختی را ایجاد می‌کند. به همین دلیل است که سهم آن در کل جرم فولاد بسیار ناچیز است. تعیین روش تولید آلیاژ منجر به محتوای منگنز در آن به مقدار 1٪ و سیلیکون - 0.4٪ شد. تعدادی ناخالصی وجود دارد که در حین ذوب فلز ظاهر می شود و سعی می کنند از شر آنها خلاص شوند. همراه با فسفر و گوگرد، اکسیژن و نیتروژن نیز خواص مواد را کاهش داده و دوام آن را کاهش داده و شکل پذیری آن را تغییر می دهد.
طبقه بندی
تعریف فولاد به عنوان فلزی با مجموعه ای از ویژگی ها، البته بدون تردید است. با این حال، دقیقاً ترکیب آن است که امکان طبقه بندی مواد را در چندین جهت فراهم می کند. بنابراین، برای مثال، فلزات با ویژگی های زیر متمایز می شوند:
- در مورد مواد شیمیایی؛
- ساختاری;
- با کیفیت؛
- همانطور که در نظر گرفته شد؛
- با توجه به درجه اکسیداسیون؛
- براساس سختی؛
- در مورد جوش پذیری فولاد.
تعریف فولاد، علامت گذاری و تمام مشخصات آن در زیر توضیح داده خواهد شد.
علامت گذاری
متاسفانه، هیچ عنوان جهانی فولاد وجود ندارد، که تجارت بین کشورها را بسیار پیچیده می کند. در روسیه، یک سیستم الفبایی تعریف شده است. حروف نشان دهنده نام عناصر و روش اکسید زدایی و اعداد نشان دهنده تعداد آنها است.
ترکیب شیمیایی
دو راه وجود داردتقسیم فولاد بر اساس ترکیب شیمیایی تعریف ارائه شده توسط کتاب های درسی مدرن، تمایز بین کربن و مواد آلیاژی را ممکن می سازد.
اولین ویژگی فولاد را به صورت کم کربن، متوسط کربن و پر کربن تعریف می کند و ویژگی دوم - کم آلیاژ، آلیاژ متوسط و پر آلیاژ است. یک فلز کم کربن نامیده می شود، که طبق GOST 3080-2005، ممکن است علاوه بر آهن، شامل اجزای زیر نیز باشد:
- کربن - تا 0.2٪. تقویت حرارتی را تقویت می کند و به همین دلیل استحکام کششی و سختی آن دو برابر می شود.
- منگنز به مقدار تا ۰.۸ درصد به طور فعال با اکسیژن وارد پیوند شیمیایی شده و از تشکیل اکسید آهن جلوگیری می کند. این فلز بهتر می تواند بارهای دینامیکی را تحمل کند و در برابر سخت شدن حرارتی سازگارتر است.
- سیلیکون - تا 0.35%. خواص مکانیکی مانند چقرمگی، استحکام، جوش پذیری را بهبود می بخشد.
طبق GOST، تعریف فولاد به عنوان فولاد کم کربن به فلزی داده می شود که علاوه بر مفید، تعدادی ناخالصی مضر در مقادیر زیر نیز دارد. این است:
- فسفر - تا 0.08٪ مسئول ظاهر شکنندگی سرد است، استقامت و قدرت را مختل می کند. چقرمگی فلز را کاهش می دهد.
- گوگرد - تا 0.06٪. پردازش فلز را با فشار پیچیده می کند، شکنندگی مزاج را افزایش می دهد.
- نیتروژن. خواص فنی و مقاومتی آلیاژ را کاهش می دهد.
- اکسیژن. استحکام را کاهش می دهد و با ابزارهای برش تداخل می کند.
لازم به ذکر است که کم یافولادهای کم کربن به خصوص نرم و انعطاف پذیر هستند. آنها به خوبی در گرم و سرد تغییر شکل می دهند.
تعریف فولاد کربن متوسط و همچنین ترکیب آن البته با موادی که در بالا توضیح داده شد متفاوت است. و بزرگترین تفاوت میزان کربن است که از 0.2 تا 0.45 درصد متغیر است. چنین فلزی دارای چقرمگی و شکل پذیری کم همراه با خواص استحکام عالی است. فولاد کربن متوسط معمولاً برای قطعاتی که تحت بارهای برق معمولی استفاده می شوند استفاده می شود.
اگر محتوای کربن بیش از 0.5٪ باشد، به چنین فولادی فولاد پرکربن گفته می شود. سختی را افزایش داده، ویسکوزیته را کاهش داده، شکل پذیری دارد و برای مهر زنی ابزارها و قطعات با تغییر شکل سرد و گرم استفاده می شود.
علاوه بر شناسایی کربن موجود در فولاد، تعیین ویژگی های ماده از طریق وجود ناخالصی های اضافی در آن امکان پذیر است. اگر علاوه بر عناصر معمولی، کروم، نیکل، مس، وانادیم، تیتانیوم، نیتروژن به صورت هدفمند به فلز وارد شود، آن را دوپ می گویند. چنین افزودنی هایی خطر شکستگی شکننده را کاهش می دهند، مقاومت در برابر خوردگی و استحکام را افزایش می دهند. تعداد آنها نشان دهنده درجه آلیاژ شدن فولاد است:
- کم آلیاژ - دارای تا 2.5% افزودنی های آلیاژی؛
- آلیاژ متوسط - از 2.5 تا 10٪؛
- خیلی آلیاژ - تا 50%.
این به چه معناست؟ به عنوان مثال، افزایش هر ملک به شرح زیر شروع شد:
- افزودن کروم. مثبتویژگی های مکانیکی در حال حاضر به میزان 2٪ از کل را تحت تاثیر قرار می دهد.
- معرفی نیکل از 1 تا 5 درصد حاشیه ویسکوزیته دمایی را افزایش می دهد. و شکنندگی سرما را کاهش می دهد.
- منگنز مانند نیکل عمل می کند، اگرچه بسیار ارزان تر. با این حال، به افزایش حساسیت فلز به گرمای بیش از حد کمک می کند.
- تنگستن یک افزودنی تشکیل دهنده کاربید است که سختی بالایی را ایجاد می کند. زیرا هنگام گرم شدن از رشد دانه جلوگیری می کند.
- مولیبدن یک افزودنی گران قیمت است. که مقاومت حرارتی فولادهای پرسرعت را افزایش می دهد.
- سیلیکون. مقاومت اسیدی، الاستیسیته، مقاومت در برابر رسوب را افزایش می دهد.
- تیتانیوم. وقتی با کروم و منگنز ترکیب شود، ممکن است ساختار دانه ریز را تقویت کند.
- مس. خواص ضد خوردگی را افزایش می دهد.
- آلومینیوم. مقاومت در برابر حرارت، پوسته پوسته شدن، چقرمگی را افزایش می دهد.
ساختار
تعیین ترکیب فولاد بدون مطالعه ساختار آن ناقص خواهد بود. با این حال، این علامت ثابت نیست، و ممکن است به تعدادی از عوامل، مانند: حالت عملیات حرارتی، سرعت خنک کننده، درجه آلیاژی بستگی دارد. طبق قوانین، سازه فولادی باید پس از آنیل یا نرمال سازی تعیین شود. پس از بازپخت، فلز به زیر تقسیم می شود:
- ساختار طرفدار یوتکتوئید - با فریت اضافی؛
- eutectoid، که از پرلیت تشکیل شده است؛
- hypereutectoid - با کاربیدهای ثانویه؛
- لدبوریت - با کاربیدهای اولیه؛
- آستنیتی - با شبکه کریستالی در مرکز صورت؛
- فریت - با یک شبکه مکعبی در مرکز بدن.
تعیین کلاس فولاد پس از نرمال شدن امکان پذیر است. این به عنوان یک نوع عملیات حرارتی شناخته می شود که شامل گرم کردن، نگهداری و خنک کردن بعدی است. در اینجا گریدهای پرلیت، آستنیتی و فریتی متمایز می شوند.
کیفیت
تعیین انواع از نظر کیفیت از چهار طریق ممکن شده است. این است:
- کیفیت معمولی - اینها فولادهایی با محتوای کربن تا 0.6٪ هستند که در کوره های اجاق باز یا در مبدل هایی با استفاده از اکسیژن ذوب می شوند. آنها ارزان ترین در نظر گرفته می شوند و از نظر خصوصیات نسبت به فلزات گروه های دیگر پایین تر هستند. نمونه ای از این نوع فولادها عبارتند از: St0، St3sp، St5kp.
- کیفیت. نمایندگان برجسته این نوع فولادهای St08kp، St10ps، St20 هستند. آنها با استفاده از کوره های مشابه، اما با نیازهای بالاتر برای شارژ و فرآیندهای تولید ذوب می شوند.
- فولادهای با کیفیت بالا در کوره های الکتریکی ذوب می شوند که افزایش خلوص مواد را برای اجزای غیرفلزی تضمین می کند، یعنی بهبود خواص مکانیکی. این مواد عبارتند از St20A، St15X2MA.
- به خصوص با کیفیت بالا - طبق روش متالورژی خاص ساخته می شوند. آنها در معرض ذوب مجدد الکتروسرباره قرار می گیرند که تصفیه را از سولفیدها و اکسیدها فراهم می کند. فولادهای این نوع عبارتند از St18KhG-Sh، St20KhGNTR-Sh.
فولادهای سازه
این شاید ساده ترین و قابل درک ترین نشانه برای افراد غیر عادی باشد. فولادهای ساختاری، ابزار و فولادهای خاص وجود دارد. ساختار معمولاً به این موارد تقسیم می شود:
- فولادهای ساختمانی فولادهای کربنی با کیفیت معمولی و نمایندگان سری کم آلیاژ هستند. آنها مشمول چندین الزام هستند که اصلی ترین آنها جوش پذیری در سطح به اندازه کافی بالا است. یک مثال StS255، StS345T، StS390K، StS440D است.
- مواد سیمانی برای ساخت محصولاتی استفاده می شود که تحت شرایط سایش سطحی کار می کنند و به طور همزمان بارهای دینامیکی را تجربه می کنند. اینها عبارتند از فولادهای کم کربن St15، St20، St25 و برخی از فولادهای آلیاژی: St15Kh، St20Kh، St15KhF، St20KhN، St12KhNZA، St18Kh2N4VA، St18Kh2N4MA، St18KhGT، St20KhGT، St3KhGT.
- برای مهر زنی سرد، از برگ های نورد شده از نمونه های کم کربن با کیفیت بالا استفاده می شود. مانند St08Yu، St08ps، St08kp.
- فولادهای قابل درمان که از طریق فرآیند کوئنچ و تلطیف بالا بهبود می یابند. اینها فولادهای کربن متوسط (St35، St40، St45، St50)، کروم (St40X، St45X، St50X، St30XRA، St40XR) و همچنین کروم، سیلیکون، منگنز، کروم، نیکل، مولیبدن و کرومنیکل هستند.
- فنرهای فنری خاصیت کشسانی دارند و آن را برای مدت طولانی حفظ می کنند، زیرا در برابر خستگی و تخریب مقاومت بالایی دارند. اینها نمایندگان کربن St65، St70 و فولادهای آلیاژی (St60S2، St50KhGS، St60S2KhFA، St55KhGR) هستند.
- نمونه های با مقاومت بالا آنهایی هستند که دو برابر فولادهای ساختاری دیگر استحکام دارند که با عملیات حرارتی و ترکیب شیمیایی به دست می آیند. در بخش عمده، اینها فولادهای آلیاژی با کربن متوسط هستند، به عنوان مثال، St30KhGSN2A، St40KhN2MA، St30KhGSA، St38KhN3MA، StOZN18K9M5T، St04KHIN9M2D2TYu.
- بلبرینگفولادها با استقامت ویژه، درجه بالایی از مقاومت در برابر سایش و استحکام مشخص می شوند. آنها ملزم به برآوردن شرایط لازم برای عدم وجود انواع مختلف هستند. این نمونه ها شامل فولادهای پر کربن با محتوای کروم در ترکیب (StSHKh9، StSHKh15) می باشد.
- تعریف فولاد اتوماتیک به شرح زیر است. اینها نمونه هایی برای استفاده در ساخت محصولات غیر بحرانی مانند پیچ، مهره، پیچ هستند. چنین قطعات یدکی معمولاً ماشین کاری می شوند. بنابراین، وظیفه اصلی افزایش ماشینکاری قطعات است که با وارد کردن تلوریم، سلنیوم، گوگرد و سرب به مواد حاصل می‌شود. چنین افزودنی هایی به تشکیل براده های شکننده و کوتاه در حین ماشینکاری کمک می کنند و اصطکاک را کاهش می دهند. نمایندگان اصلی فولادهای اتوماتیک به شرح زیر تعیین می شوند: StA12, StA20, StA30, StaAS11, StaAS40.
- فولادهای مقاوم در برابر خوردگی، فولادهای آلیاژی با محتوای کروم حدود 12٪ هستند، زیرا یک لایه اکسیدی روی سطح تشکیل می دهد که از خوردگی جلوگیری می کند. نمایندگان این آلیاژها عبارتند از: St12X13، St20X17N2، St20X13، St30X13، St95X18، St15X28، St12X18NYUT،
- نمونه های مقاوم در برابر سایش در محصولاتی که تحت اصطکاک ساینده، ضربه و فشار قوی عمل می کنند استفاده می شود. به عنوان مثال، قطعات خطوط راه آهن، سنگ شکن ها و ماشین های کاترپیلار، مانند St110G13L.
- فولادهای مقاوم در برابر حرارت می توانند در حرارت بالا کار کنند. از آنها در ساخت لوله، قطعات یدکی توربین گاز و بخار استفاده می شود. اینها عمدتاً نمونه های کم کربن با آلیاژ بالا هستند که لزوماً حاوی نیکل هستند که ممکن است حاوی مواد افزودنی به شکل باشد.مولیبدن، نوبیوم، تیتانیوم، تنگستن، بور. یک مثال می تواند St15XM، St25X2M1F، St20XZMVF، St40HUS2M، St12X18N9T، StXN62MVKYU باشد.
- مقاوم در برابر حرارت به ویژه در برابر آسیب های شیمیایی در هوا، گاز و کوره، محیط های اکسید کننده و کربن دار مقاوم هستند، اما تحت بارهای شدید خزش نشان می دهند. نمایندگان این نوع عبارتند از: St15X5، St15X6SM، St40X9S2، St20X20H14S2.
فولادهای ابزار
در این گروه، آلیاژها به قالب های ابزار برش و اندازه گیری تقسیم می شوند. دو نوع فولاد قالبی وجود دارد.
- مواد برای شکل دهی سرد باید دارای درجه بالایی از سختی، استحکام، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر حرارت باشد. اما ویسکوزیته کافی داشته باشید (StX12F1، StX12M، StX6VF، St6X5VMFS).
- مواد تشکیل دهنده گرم دارای استحکام و چقرمگی خوبی است. همراه با مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر مقیاس (St5KhNM، St5KhNV، St4KhZVMF، St4Kh5V2FS).
فولادهای ابزار اندازه گیری، علاوه بر مقاومت در برابر سایش و سختی، باید از نظر ابعادی پایدار بوده و به راحتی آسیاب شوند. کالیبرها، منگنه ها، قالب ها، خط کش ها، ترازوها، کاشی ها از این آلیاژها ساخته می شوند. یک مثال می تواند آلیاژهای StU8، St12Kh1، StKhVG، StKh12F1 باشد.
تعیین گروه های فولادی برای ابزارهای برش نسبتاً آسان است. چنین آلیاژهایی باید توانایی برش و سختی بالایی برای مدت طولانی داشته باشند، حتی در صورت قرار گرفتن در معرض حرارت. اینها شامل ابزار کربن و آلیاژ و همچنینفولادهای پرسرعت در اینجا می توانید نمایندگان برجسته زیر را نام ببرید: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, StR6M5, Stryuk5F5.
اکسید زدایی آلیاژ
تعیین فولاد با درجه اکسیداسیون بر سه نوع آن دلالت دارد: آرام، نیمه آرام و جوشان. مفهوم اصلی به حذف اکسیژن از آلیاژ مایع اشاره دارد.
فولاد ساکت تقریباً در طول انجماد گازی منتشر نمی کند. این به دلیل حذف کامل اکسیژن و تشکیل یک حفره انقباض در بالای شمش است که سپس قطع می شود.
در فولاد نیمه آرام، گازها تا حدی آزاد می شود، یعنی بیشتر از فولاد آرام، اما کمتر از فولادهای در حال جوش. در اینجا مانند مورد قبلی پوسته ای وجود ندارد، اما حباب هایی در بالا ایجاد می شود.
آلیاژهای در حال جوش هنگام جامد شدن مقدار زیادی گاز آزاد می کنند و در مقطع عرضی کافی است به سادگی متوجه تفاوت ترکیب شیمیایی بین لایه های بالایی و پایینی شوید.
سختی
این مفهوم به توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر نفوذ سخت تر به آن اشاره دارد. تعیین سختی با استفاده از سه روش ممکن شد: L. Brinell، M. Rockwell، O. Vickers.
طبق روش برینل، یک توپ فولادی سخت شده در سطح زمین نمونه فشرده می شود. با مطالعه قطر چاپ، سختی آن را تعیین کنید.
روش تعیین سختی فولاد بر اساس راکول. این بر اساس محاسبه عمق نفوذ نوک مخروط الماس 120 درجه است.
طبق گفته ویکرز در نمونه آزمایشییک هرم چهار وجهی الماس در آن فشرده شده است. با زاویه 136 درجه در وجوه مخالف.
آیا می توان عیار فولاد را بدون آنالیز شیمیایی تعیین کرد؟ متخصصان در زمینه متالورژی قادر به تشخیص عیار فولاد توسط یک جرقه هستند. تعیین اجزای تشکیل دهنده فلز در طول فرآوری آن امکان پذیر است. به عنوان مثال:
- فولاد CVG دارای جرقه های زرشکی تیره با نقاط و تافت های زرد-قرمز است. در انتهای رشته های منشعب، ستاره های قرمز روشن با دانه های زرد در وسط ظاهر می شوند.
- فولاد P18 نیز با جرقه‌های زرشکی تیره با تافت‌های زرد و قرمز در ابتدا مشخص می‌شود، البته نخ‌ها صاف هستند و چنگال ندارند. در انتهای بسته ها جرقه هایی با یک یا دو دانه زرد روشن وجود دارد.
- گریدهای فولادی ХГ، Х، ШХ15، ШХ9 دارای جرقه های زرد با ستاره های روشن هستند. و دانه های قرمز روی شاخه ها.
- فولاد U12F با جرقه های زرد روشن با ستاره های متراکم و بزرگ متمایز می شود. با چند تافت قرمز و زرد.
- فولادهای 15 و 20 دارای جرقه های زرد روشن، چنگال ها و ستاره های زیادی هستند. اما چند تافت.
تعیین فولاد با جرقه روشی نسبتاً دقیق برای متخصصان است. با این حال، مردم عادی نمی توانند فلز را تنها با بررسی رنگ جرقه مشخص کنند.
جوش پذیری
خاصیت فلزات برای ایجاد اتصال در اثر ضربه معین، جوش پذیری فولادها نامیده می شود. تعیین این شاخص پس از تشخیص محتوای آهن و کربن امکان پذیر است.
اعتقاد بر این است که آنها به خوبی از طریق جوش به هم متصل می شوندفولادهای کم کربن هنگامی که محتوای کربن از 0.45٪ بیشتر شود، جوش پذیری بدتر می شود و زمانی که محتوای کربن بالا باشد بدتر می شود. این نیز به این دلیل اتفاق می‌افتد که ناهمگنی مواد افزایش می‌یابد و آخال‌های سولفیدی در مرز دانه‌ها برجسته می‌شوند که منجر به ایجاد ترک‌ها و افزایش تنش داخلی می‌شود.
اجزای آلیاژی نیز عمل می کنند و اتصال را بدتر می کنند. نامطلوب ترین عناصر برای جوشکاری عناصر شیمیایی مانند کروم، مولیبدن، منگنز، سیلیکون، وانادیم، فسفر هستند.
با این حال، رعایت این فناوری هنگام کار با فولادهای کم آلیاژ، درصد خوبی از جوش پذیری را بدون استفاده از اقدامات خاص فراهم می کند. تعیین قابلیت جوشکاری پس از ارزیابی تعدادی از کیفیت های مهم مواد، از جمله:امکان پذیر است.
- سرعت خنک کننده.
- ترکیب شیمیایی.
- نمای تبلور اولیه و تغییرات ساختاری در حین جوشکاری.
- توانایی فلز در ایجاد ترک.
- تمایل مواد به تشکیل سخت شدن.
