آیا تا به حال به این مورد فکر کرده‌اید که چرا فولادها تا این حد مستحکم و با دوام هستند؟ چه عاملی سبب ایجاد خواص مطلوب در فولادها می‌شود؟ چگونه می‌توان خواص فولاد را تغییر داد تا برای اهداف مدنظر ما مناسب شود؟ افزودن عناصر آلیاژی همیشه یکی از مهم‌ترین و اصلی‌ترین روش‌هاست. اما نقش عناصر آلیاژی در فولادها به چه صورت است؟ آیا تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد یکسان است یا هر عنصر آلیاژی برای هدفی خاص به فولاد افزوده می‌شود؟ در این مقاله تاثیر عناصر آلیاژی بر ساختار فولاد به طور کامل بررسی خواهد شد. به منظور خرید انواع فلزات ازجمله اطلاع از قیمت استیل ، به این لینک مراجعه نمایید.

 

مهم ‌ترین تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد

ترکیب شیمیایی فولاد از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا خواص مکانیکی محصول نهایی فولادی را تعیین کرده و میزان مقاومت به خوردگی و جوش پذیری فولاد را نیز کنترل می‌کند.

عناصر آلیاژی به فولاد اضافه می‌شوند تا ترکیب شیمیایی فولاد را تغییر دهند و خواص آن را نسبت به فولاد کربنی بهبود بخشند. هم‌چنین، عناصر آلیاژی مختلف به منظور برآورد نیازهای یک کاربرد خاص به فولادها افزوده می‌شوند. عناصر آلیاژی مختلف هر کدام تأثیر خاص خود را بر خواص فولاد دارند. فولادهای دارای عناصر آلیاژی در ترکیب، فولادهای آلیاژی نامیده می‌شوند.

مهم ‌ترین تاثیر عناصر آلیاژی در فولاد ها به شرح زیر است:

• افزایش حداکثر استحکام کششی
• تولید مقاطع ضخیم از فولادها با سختی بالا در سرتاسر مقطع
• قابلیت کوئنچ کردن کنترل شده با حداقل اعوجاج شکل یا ترک
• بهبود مقاومت در برابر ضربه در محدوده دمای بالا
• بهبود مقاومت در برابر خوردگی
• بهبود عملکرد دمای بالا

 

بیش از بیست عنصر در نسبت‌ها و ترکیب‌های مختلف در فرآیند تولید فولاد های کربنی و فولادهای آلیاژی استفاده می‌شوند. برخی از آنها به این دلیل استفاده می‌شوند که وقتی با فولاد آلیاژ می‌شوند (یعنی در آهن حل می‌شوند)، یا زمانی که با کربن ترکیب می‌شوند، به طور کامل یا جزئی، ترکیباتی به نام کاربید تشکیل می‌دهند. برخی دیگر از عناصر آلیاژی به این دلیل استفاده می‌شوند که در پاکسازی فولاد از ناخالصی‌ها یا بی‌ضرر کردن ناخالصی‌ها مفید هستند. 

گروه دیگری نیز برای مقابله با اکسیدها یا گازهای مضر در فولاد استفاده می‌شوند. عناصر این گروه آخر فقط به عنوان شار یا روبنده عمل می‌کنند و پس از انجماد به هیچ وجه در فولاد باقی نمی‌مانند. برخی از عناصر در بیش از یکی از گروه‌های فوق قرار می‌گیرند.

تاثیر عناصر آلیاژی کاربید ساز در فولاد

عناصر آلیاژی در فولادها را می‌توان در حالت آزاد، ترکیب بین فلزی با آهن، ترکیب شده با یکدیگر، اکسیدها، سولفیدها و یا به شکل کاربید و محلول در آهن یافت. از نظر ویژگی توزیع آنها در فولاد، عناصر آلیاژی را می‌توان به دو گروه تقسیم کرد.

عناصر گروه اول در فولاد کاربید تشکیل نمی‌دهند. به عنوان مثال می‌توان به نیکل، سیلیسیم، مس، کبالت، آلومینیوم و نیتروژن اشاره کرد. گروه دوم از عناصر کاربیدهای پایدار در فولاد تشکیل می‌دهند. از عناصر کاربید ساز در فولاد نیز می‌توان به کروم، منگنز، مولیبدن، تنگستن، وانادیوم، تیتانیم، زیرکونیم و نیوبیم اشاره کرد.

 

تاثیر عناصر آلیاژی بر ریزساختار فولاد ها

عناصر آلیاژی می‌توانند تشکیل گرافیت از کاربید را عملی سازند. فقط بخش کوچکی از این عناصر را می‌توان قبل از تشکیل گرافیت و شروع به تخریب خواص فولاد به فولاد اضافه کرد، مگر اینکه عناصری برای خنثی کردن اثر اضافه شوند. عناصری که تشکیل گرافیت را تسریع می‌کنند عبارت‌اند از Si، Co، Al و Ni.

دسته دیگری از عناصر آلیاژی می‌توانند به محلول جامد در آهن بروند و استحکام را افزایش دهند. عناصری که وارد محلول جامد می‌شوند عبارت‌اند از Si، Mo، Cr، Ni و Mg. کاربیدهای سخت (سیمنتیت) مرتبط با آهن و کربن را می‌توان با عناصر آلیاژی تشکیل داد. عناصری که تمایل به تشکیل کاربید دارند شامل کروم، منگنز، مولیبدن، تنگستن، وانادیوم، تیتانیم، زیرکونیم و نیوبیم می‌شوند.

عناصر آلیاژی که آستنیت را تثبیت می‌کنند و به آنها پایدار کننده آستنیت می گویند، عبارت‌اند از منگنز، نیکل، کروم و مس. این عناصر با کاهش دمای یوتکتوئید، دامنه پایداری آستنیت را افزایش می‌دهند و این امر جداسازی یا کاربیدها را به تأخیر می‌اندازد.

عناصر آلیاژی فریت ساز یا پایدار کننده فریت عبارت‌اند از Cr، W، Mo، V و Si. آن‌ها مقدار کربن محلول در آستنیت را کاهش می‌دهند و بنابراین حجم کاربید آزاد در فولاد را در یک محتوای کربن مشخص افزایش می‌دهند. این امر به طور مؤثر فاز آستنیت را با افزایش دمای یوتکتوئید و کاهش دمای پریکتتیک کاهش می‌دهد. به عنوان مثال، می‌توان ترکیب میانی FeCr تشکیل داد. عناصر آلیاژی می‌توانند ویژگی‌هایی مانند محتوای یوتکتوئید و نیز سرعت کوئنچ کردن که بینیت یا مارتنزیت تولید می‌کند را تنظیم کنند.

 

تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد

در ادامه به بررسی دقیق نقش عناصر آلیاژی در فولاد و نقش هر یک در خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی آن‌ها می‌پردازیم.

 

کربن ، اصلی ‌ترین عنصر آلیاژی در فولاد

کربن، عنصر اصلی آلیاژی فولاد، خواص مکانیکی مانند استحکام و سختی را افزایش می‌دهد. اما در کنار این افزایش، چکش خواری، شکل پذیری و چقرمگی کاهش می‌یابند. علاوه بر این، استحکام کششی می‌تواند تا یک حدی افزایش یابد.

افزایش محتوای کربن در ترکیب فولاد باعث کاهش شکل پذیری ماده می‌شود، بدین معنی که باعث می‌شود فولاد خواص شکننده از خود نشان دهد. خطر ترک خوردگی در فولادهای پر کربن به دلیل آستنیت باقیمانده وجود دارد که پس از اعمال عملیات حرارتی رخ می‌دهد. این امر بر خواص آهنگری و جوش پذیری فولاد تأثیر منفی می‌گذارد.

 

کروم ، عامل اصلی مقاومت به خوردگی

کروم رایج‌ترین عنصر آلیاژی مورد استفاده در فولاد است. مهم‌ترین ویژگی کروم این است که به دلیل لایه اکسیدی درخشانی که روی سطح فولاد ایجاد می‌کند، ویژگی ضد زنگ و مقاومت به خوردگی را به فولاد اضافه می‌کند. بیش از ۱۰٫۵ درصد کروم در ترکیب فولاد ضد زنگ وجود دارد.

کروم همچنین به لطف کاربیدهایی که در فولاد ایجاد می‌کند، سختی را افزایش می‌دهد. ضمن اینکه، کروم مقاومت کششی و پایداری حرارتی را مانند کربن افزایش می‌دهد، اما منجر به کاهش شکل پذیری فولاد می‌شود. به منظور آشنایی با مشخصات فولاد ضد زنگ به این لینک مراجعه نمایید.

 

تأثیر نیکل در فولاد

نیکل ممکن است در ترکیب فولاد تا ۵ درصد وزنی وجود داشته باشد. نیکل بر خلاف کروم و کربن، خواص سختی و استحکام فولاد را بدون کاهش در شکل پذیری و چقرمگی، بهبود می‌بخشد. نیکل به طور گسترده‌ای در فولاد ضد زنگ استفاده می‌شود. از نیکل به عنوان افزایش دهنده مقاومت فولاد برای کاربردهای دما پایین نیز یاد می‌شود.

 

اثر منگنز در فولاد

منگنز خواصی همچون افزایش استحکام و کاهش شکل پذیری را برای فولاد به همراه دارد. این عنصر از طریق واکنش با گوگرد موجود در ترکیب فولاد، قابلیت چکش خواری را افزایش می‌دهد. هنگامی که از نقطه نظر حرارتی مشاهده می‌شود، عمق کوئنچ کردن را افزایش می‌دهد. توانایی منگنز برای افزایش سختی و استحکام به ترکیب کربن ماده نیز بستگی دارد. همچنین ممکن است باعث افزایش قابلیت جوشکاری فولاد شود.

 

گوگرد ، مضرترین عنصر آلیاژی در فولاد

گوگرد یک عنصر آلیاژی نامطلوب در فولاد است زیرا فولاد را ترد و شکننده می‌کند. بنابراین کنترل گوگرد در ترکیب فولاد بسیار مهم است. هنگامی که بخواهیم از فولاد حاوی گوگرد در سیستم‌های ترش که مقدار قابل توجهی گاز H₂S دارند استفاده کنیم، ترک خوردگی و نشت فولاد دور از انتظار نخواهد بود. به همین دلیل با واکنش با منگنز اثر آن به حداقل می‌رسانند.

با افزودن منگنز به فولاد حاوی گوگرد، ترکیب MnS به جای FeS تشکیل می‌شود تا نقش تردی ترکیب FeS کاهش یابد. MnS ترکیبی کروی است که تردی را کاهش می‌دهد اما چقرمگی شکست را نیز کم می‌کند.در روش‌های جدید برای کنترل گوگرد، از کلسیم کربید در کوره بلند استفاده می‌شود. اگرچه که گوگرد منجر به بهبود قابلیت ماشین کاری می‌شود، اما باید مقدار آن کمتر از ۰٫۵ درصد باشد.

 

سیلیسیم ، مهم ‌ترین عامل در بهبود سیالیت فولاد

سیلیسیم به عنوان یک عامل اکسیژن زدا و گاززدایی در طول تولید استفاده می‌شود. همچنین سیالیت در ریخته گری را فراهم می‌کند. خواص مغناطیسی فولاد را بهبود می‌بخشد و مقاومت حرارتی آن را افزایش می‌دهد. در مقابل، در حالی که سیلیسیم باعث افزایش سختی و مقاومت در برابر سایش در فولاد می‌شود، بر کیفیت سطح آن تأثیر منفی می‌گذارد و از قابلیت ماشین کاری فولاد می‌کاهد.

 

اثر مولیبدن بر فولاد

مولیبدن برای کاهش شکنندگی در فولادهای حاوی کروم کم و نیکل استفاده می‌شود. مقاومت حرارتی فولاد را افزایش می‌دهد. همچنین، مولیبدن مجر به افزایش اثر سایر عناصر آلیاژی می‌شود. به همین دلیل، استفاده از آن نه به تنهایی، بلکه با سایر عناصر آلیاژی رایج است. مولیبدن با کربن ترکیب می‌شود و کاربید می‌سازد. از آنجایی که کاربیدها سختی را افزایش می‌دهند، استفاده از مولیبدن در ساخت فولادهای ابزار رایج است.

 

تأثیر وانادیم بر فولاد

وانادیم استحکام، سختی و مقاومت در برابر سایش فولادها را افزایش می‌دهد. مقادیر کم وانادیوم اضافه شده می‌تواند از درشت شدن دانه جلوگیری کند. فرآیندهای تمپر و یا نرم کردن پس از عملیات حرارتی هیچ نتیجه‌ای بر فولادهای حاوی وانادیم ندارند. به همین دلیل این عنصر در فولادهای ابزار کاربرد فراوانی دارد.

 

اثر تنگستن بر فولاد

تنگستن منجر به بهبود و افزایش مقاومت به سایش، سختی و چقرمگی فولادها می‌شود. ضمن اینکه، قابلیت کار گرم و برشکاری را برای فولاد در دماهای بالا فراهم می‌کند. به همین دلیل در فولادهای ابزار و فولادهای تند بر استفاده می‌شود.

 

تأثیر کبالت بر فولاد

کبالت از درشت شدن دانه در دماهای بالا جلوگیری می‌کند. هم‌چنین، مقاومت حرارتی مواد و استحکام را در دماهای بالا افزایش می‌دهد. به همین دلیل در فولادهای ابزار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

تأثیر آلومینیوم بر فولاد

آلومینیوم به عنوان یک اکسید کننده در فولاد استفاده می‌شود. ضمن اینکه، خاصیت پالایش دانه دارد؛ بنابراین از رشد دانه‌های آستنیت جلوگیری می‌کند. آلومینیوم مقاومت در برابر پیرسازی را افزایش می‌دهد. به همین دلیل ورق‌های تولید شده به روش کشش عمیق، حاوی آلومینیوم در ساختار خود هستند.

 

نقش فسفر در فولاد

فسفر نیز مانند گوگرد، فولاد را ترد و شکننده می‌کند. به همین دلیل، فسفر نیز نامطلوب است. سختی پذیری فولاد را افزایش می‌دهد. اما باعث افت شدید شکل پذیری می‌شود. این کاهش در فولادهای پرکربن بیشتر مشاهده می‌شود. همچنین، فسفر بهبود قابلیت ماشین کاری و کاهش جوش پذیری را به دنبال دارد. فسفر در فولاد نباید از ۰٫۴ درصد بیشتر باشد چون ترکیب Fe₃P تشکیل داده و منجر به کاهش جوش پذیری می‌شود.

 

اثر مس در فولاد

مس خواصی همچون مقاومت در برابر خوردگی و سختی را به فولاد می‌بخشد. اما در عین حال شکل پذیری را بسیار کاهش می‌دهد. به همین دلیل حداکثر ۰٫۵ درصد مس در ترکیب فولاد به کار می‌رود.

 

تأثیر نیتروژن بر فولاد

نیتروژن خواص استحکام و سختی فولاد را افزایش می‌دهد. این امر از طریق تشکیل نیترید در ساختار فولاد انجام می‌گیرد. ضمن اینکه، نیتروژن فرآیند ماشینکاری را تسهیل کرده و شکنندگی فولاد را افزایش می‌دهد.

 

اثر بور بر فولاد

بور برای بهبود سختی به فولاد کاملاً آرام شده یا fully killed steel اضافه می‌شود. هر گاه بور تا حدی جایگزین سایر عناصر آلیاژی شود، این کار باید تنها با در نظر گرفتن سختی پذیری انجام شود زیرا محتوای آلیاژی کاهش یافته می‌تواند برای برخی کاربردها مضر باشد. افزودن حدود ۰٫۰۰۳ درصد بور باعث افزایش سختی پذیری فولادها در شرایط کوئنچ و تمپر می‌شود.

 

اثر منگنز بر فولاد

منگنز یک اکسید زدا و گاز زدا است و با گوگرد واکنش می‌دهد تا قابلیت آهنگری و فورج را بهبود بخشد. منگنز استحکام کششی، سختی، سختی پذیری و مقاومت در برابر سایش را افزایش داده و تمایل به پوسته پوسته شدن و اعوجاج را کاهش می‌دهد. همچنین، سرعت نفوذ کربن را در کربورسازی افزایش می‌دهد.

 

جمع بندی

عناصر آلیاژی نقش بسزایی در بهبود ریزساختار و خواص انواع فولادها دارند. ان عناصر متناسب با هدفی خاص به ترکیب فولاد افزوده می‌شوند و هر یک اثری منحصر به فرد بر فولاد دارند. تاثیر عناصر آلیاژی در فولاد در قالب بهبود خواص مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی مشخص می‌شود. مهم ‌ترین تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد ها شامل تاثیر کروم، نیکل، بور، مس، کبالت، سیلیسم، منگنز و… می‌شوند.