تاثیر عناصر آلیاژی در فولاد و چدن، خواص مکانیکی و دیگر ویژگی‌ها

آیا می‌دانستید فولادها معمولا به صورت آلیاژی به کار می‌روند؟ آیا می‌دانستید فولاد، گسترده‌ترین کاربرد را در صنعت فلزات داراست؟ آیا میدانستید که عناصر آلیاژی جه تاثیری بر قیمت آهن آلات دارد؟ شاید جالب باشد که بدانید فولاد‌های آلیاژی نرم تا فولاد‌های ابزار که بسیار سخت هستند، در گروه فولاد‌های آلیاژی قرار می‌گیرند؟ با آرتان پرس همراه باشید تا به بررسی تاثیر عناصر آلیاژی در فولاد پرداخته شود.

فولاد و آلیاژ‌های آن گسترده‌ترین کاربرد‌ها را در صنعت فولاد دارد. دلیل این به این موضوع بر‌می‌گردد که عنصر آهن عناصر آلیاژی گوناگون را در ترکیب شیمایی خود می‌پذیرد. خواص فولادی که عناصر آلیاژی به آنها اضافه شده است، بسیار متنوع است. در بازار انواع گوناگونی از فولاد وجود دارد، از فولاد‌های آلیاژی نرم گرفته تا فولاد‌های ابزار که بسیار سخت هستند، در گروه فولاد‌های آلیاژی قرار می‌گیرند.

همانطور که می‌دانید در حالت کلی فولاد ترکیبی از آهن و کربن است. اما با توجه به نیاز در صنعت و دستیابی به خواص مورد‌‌نظر معمولا فولاد را به صورت آلیاژی تولید می‌کنند. به عنوان مثال برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی عنصری بایستی به عنوان آلیاژی به فولاد افزوده شود تا مقاومت آن را در برابر زنگ‌زدگی که یکی از یزرگترین نقاط ضعف فولاد‌ها است، افزایش دهد.

عبارت فولاد آلیاژی مثل فولاد vcn و یا spk را معمولا برای فولاد‌هایی که در ترکیب شیمایی خود غیر از کربن عنصر دیگری نیز دارند، به کار می‌برند. تاثیر وزن عنصر آلیاژی در فولاد می‌تواند به اندازه ۵۰ درصد فولاد باشد و خواصی نظیر مقاومت در برابر سایش، خوردگی، مقاومت حرارتی ، انعطاف پذیری و … را در فولاد ایجاد کند. از مهمترین عناصری که به فولاد افزوده می‌شود، می‌‌توان به کربن، سیلیسیم، سدیم، کروم، نیکل، کبالت، مس، آرسینیک، مولیبدن و … اشاره کرد. اما لازم به ذکر است که دانش چگونگی تاثیر این عناصر بر فولاد و ساختار آنها بسیار پیچیده است و اغلب مهندسین مواد و متالورژی در این زمینه سر‌رشته دارند.

معمولا عنصر کربن به عنوان جزء جدایی نا‌پذیر در ترکیب شیمایی فولاد‌ها است. این عنصر در واقع مهمترین و موثرترین در ترکیب فولاد است. فولاد آلیاژی معمولا در ترکیب شیمایی خود علاوه بر کربن، عنصر دیگری مانند منگنز، فسفر، کروم و… را  نیز در ترکیب خود دارد. هر کدام از عناصر آلیاژی به کار رفته تاثیرات منحصر‌به‌فردی دارد که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت.

*** تاثیر عناصر آلیاژی در فولاد چیست؟

عناصر آلیاژی معمولا با تاثیر گذاشتن روی ساختار و فازهای تعادلی در دیاگرام آهن-کربن، به طور متفاوت روی خواص فولاد آلیاژی تاثیر می‌گذارد.

دیاگرام تعادلی آهن-کربن نشانگر تغییرات ساختاری است که در آلیاژهای آهن-کربن نسبت به دما وجود دارد. اما با توجه به اینکه بسیاری از فولاد‌ها به صورت آلیاژی به کار می‌روند، خطوط تعادلی در این دیاگرام را تحت تاثیر قرار داده و موقعیت آنها را تغییر می‌دهند.

برخی از عناصر آلیاژی محدوده آستنیت را تثبیت می کنند. از این عناصر می‌توان به نیکل، منگنز، کبالت و مس اشاره کرد که محدوده تشکیل آستنیت را افزایش می‌دهند. برخی دیگر از عناصر مانند کروم، تنگستن، مولیبدن، وانادیوم، آلومینیم و سیلیکون تثبیت کننده فریت هستند. در واقع این عناصر می‌توانند به کاهش حلالیت کربن در آستنیت کمک کنند. این ویژگی باعث می‌شود که تعداد کاربیدها افزایش یابد.

تشکیل کاربید که به واسطه حضور برخی از عناصر آلیاژی مانند کروم، تنگستن، مولیبدن، تیتانیوم، نیوبیوم و زیرکونیوم ایجاد می‌شود، سختی و استحکام در فولاد را افزایش می‌دهد. برای ساختن فولاد ابزار گرم کار از این عناصر آلیاژی استفاده می‌کنند. اما در مقابل عناصری مانند، نیکل، کبالت و آلومینیم می‌توانند باعث ناپایداری کاربیدها و شکسته شدن آنها شوند، و تشکیل گرافیت آزاد دهند.

*** عنصر آلیاژی مهم برای فولاد چیست؟

آلیاژسازی برای این صورت می گیرد که به خواص منحصر‌به‌فرد که بدون حضور آنها و استفاده از فولاد ساده به دست نمی‌آید. به عنوان مثال فولاد ضد‌زنگ نمونه‌ای از این فولاد‌های آلیاژی است، که در نتیجه افزودن کروم به ترکیب شیمایی آن است. در ادامه به بررسی هر کدام از عناصر به صورت جداگانه می‌پردازیم.

*** تاثیر کربن در فولاد

همانطور که قبلا اشاره شد، کربن مهمترین عنصر آلیاژی است که در ترکیب شیمیایی فولاد حضور دارد. کربن استحکام کششی، سختی پذیری و مقاومت در برابر سایش را افزایش می‌دهد. اما در عوض انعطاف پذیری، چقرمگی را کاهش می‌دهد و ماشین‌کاری آن را سخت می‌کند. لازم به ذکر است که این عنصر تاثیری روی مقاومت فولاد در برابر خوردگی در آب و اسید ندارد.

*** تاثیر کروم در فولاد

کروم یک فلز به رنگ خاکستری، سخت و شکننده و دارای نقطه ذوب ۱۹۰۷ درجه سانتی‌گراد است. کروم به خاطر اینکه مقاومت در برابر خوردگی فولاد را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد، یکی از مهمترین عناصر آلیاژی است که برای تولید فولاد استنلس استیل مورد استفاده قرار میگیرد.. تاثیر کروم به این شکل است که کمی سختی را افزایش می‌دهد، سختی‌پذیری را به طور متوسط زیاد می‌کند، همانطور که گفته شد مقاومت در برابر خوردگی و اکسایش را زیاد می‌کند. و استحکام در دماهای بالا را افزایش می‌دهد.

یکی از آلیاژ‌هایی که در صنعت بسیار پر‌مصرف استآ فولاد ضد‌زنگ دارای کروم ۱۰٫۵ درصد است. این فولاد در برابر آب، گرما و محیط خورنده بیشترین مقاومت را از خود نشان می‌دهد.

یکی دیگر از مزایای کروم این است که حساسیت‌های مربوط به سخت‌کاری و بازپخت را افزایش می‌دهد. در واقع کروم سرعت سرد کردن را به واسطه تشکیل ساختار مارتنزیتی کاهش می‌دهد. اما چقرمگی و شکل پذیری فولاد کمی کاهش می‌یابد. ج.ش پذیری نیز در فولاد کروم‌دار کاهش می‌یابد.

از کروم به عنوان یک عنصر کاربید‌ساز استفاده می‌شود، که به واسطه آن مقاومت در برابر سایش را افزایش می‌دهد. این عنصر همانطور که گفته شد باعث می‌شود ناحیه فاز گاما یا آستنیت محدود شود و برعکس ناحیه فریت را گسترده می‌کند. با افزایش همزمان کربن و کروم تا میزان ۳ درصد، پایداری مغاطیسی فولاد افزایش می‌یابد.

*** وانادیوم (V)؛ عنصری کاربیدساز و موثر در کنترل دانه‌ها

وانادیوم با تشکیل محلول جامد، سختی را به طور متوسط زیاد می‌کند. وقتی به صورت محلول جامد در می‌آید، سختی‌پذیری را خیلی شدید زیاد می‌کند. استحکام و مقاومت در برابر سایش نیز با حضور این عنصر افزایش می‌یابد. تمایل شدیدی به کاربیدسازی دارد. این عنصر باعث می شود از رشد دانه ها جلوگیری شود. بنابراین از وانادیوم برای کنترل اندازه دانه ها استفاده می‌کنند. ساختار ریز‌دانه به انعطاف پذیری و شکل پذیری فولاد کمک می کند.

*** با تنگستن خیالتان از مقاومت در برابر سایش راحت باشد

تنگستن باعث عمل پیرسختی در آلیاژهای پرتنگستن-آهن را موجب می‌شود. در مقادیر کم سختی پذیری را شدیدا افزایش می‌دهد. تمایل به کاربیدسازی آن شدید است. ذرات سخت و مقاوم به سایش در فولادهای ابزار تشکیل می‌دهد. سختی، سفتی و استحکام را در دماهای زیاد افزایش می‌دهد.

*** تاثیر منگنز در فولاد

معمولا منگنز را به صورت ترکیبی همراه گوگرد و فسفر استفاده می‌شود. معمولا منگنز به منظور افزایش قابلیت آهنگری فولاد افزوده می‌شود. به طور قابل توجهی فولاد را سخت می‌کند. اما از طرف دیگر قابلیت تغییر شکل مومسان را کم می‌کند. سختی پذیری را به طور متوسط زیاد می‌کند. با تردی ناشی از اثر گوگرد مقابله می‌کند. منگنز معمولا با گوگرد واکنش می‌دهد و سولفید منگنز تولید می‌شود، که از تشکیل سولفید آهن ممانعت می‌کند. یکی از کاربردهای منگنز از بین بردن اکسیژن اضافی در فولاد مذاب است. در واقع یک اکسیژن زدا است. این عنصر باعث می شود فولاد بسیار خوش تراش شود. با اضافه نمودن منگنز، قابلیت آهنگری و جوشکاری فولادها افزایش می‌یابد.

یکی دیگر از ویژگی‌های خوب منگنز این است که با اضافه کردن آن، سطح فولاد اگر در معرض تنش‌های ضربه‌ای باشد، کار سخت خواهد شد، در حالیکه مغز این فولادها بسیار چقرمه خواهد بود. بنابراین این فولادها تحت تاثیر نیروهای ضربه‌ای مقاومت خوبی از خود نشان می‌دهند. باعث ایجاد خاصیت فنری در فولاد می‌شود و هدایت الکتریکی را کاهش می‌دهد.

*** افزایش استحکام و چقرمگی با نیکل (Ni)

یکی دیگر از عناصر مهم در تولید فولاد ضدزنگ، نیکل است. که معمولا به اندازه بالای ۸ درصد اضافه می‌شود. با تشکیل محلول جامد، استحکام و چقرمگی را زیاد می‌کند و در عین حال مقاومت در برابر اکسیداسیون را زیاد می‌کند. سختی پذیری را به طور متوسط افزایش می‌دهد، ولی در درصدهای زیاد کربن، مقدار آستنیت باقیمانده را زیاد می‌کند. عنصری گرافیت‌زا است. موجب افزایش استحکام فولادهای آهسته سرد شده یا آنیل شده می‌شود. چقرمگی فولادهای فریتی-پرلیتی را زیاد می‌کند و موجب آستنیتی شدن فولادهای پرکروم خواهد شد.

*** تاثیر عناصر آلیاژی در فولاد ؛ زیرکونیوم (Zr)

این عنصر به صورت آلیاژی باعث افزایش استحکام می شود. همچنین اندازه دانه‌ها با افزودن این عنصر بهتر کنترل می‌شود. فولادهایی که میزان زیرکونیوم آن حدود ۰٫۱ درصد است، اندازه دانه‌های کوچکتری داشته و مقاومت خوبی در برابر شکست خواهد داشت.

*** کاربیدسازی تیتانیوم (Ti)

در فولادهای پرتیتانیوم-آهن، موجب پیرسختی می‌شود. وقتی حل می‌شود، سختی‌پذیری را احتمالا به طور شدید افزایش می‌دهد. اما اثرات کاربید سختی‌پذیری را کاهش می‌دهد. بیشترین تمایل را برای کاربید‌سازی دارد.

سختی مارتنزیت را در فولاد با کربن متوسط کاهش می‌دهد. از تشکیل آستنیت در فولادهای پرکروم جلوگیری می‌کند. از فقیر شدن موضعی کروم در فولادهای زنگ‌نزن در ضمن حرارت دادن طولانی جلوگیری می‌کند. استحکام و مقاومت را در برابر خوردگی افزایش می‌دهد. کربن با تیتانیوم ترکیب می‌شود و کروم در مرزهای دانه باقی می‌ماند، که این باعث می‌شود مقاومت در برابر اکسیداسیون افزایش یابد.

*** تاثیر گوگرد و فسفر در فولاد

گوگرد (S) به میزان کم باعث بهبود ماشین کاری می‌شود و باعث می‌شود فولاد در برابر حرارت نشکند. لازم به ذکر است که منگنز شکستن در اثر حرارت را بیشتر کاهش می‌دهد. چون که سولفید منگنز تولید شده نقطه ذوب بالایی دارد.

فسفر معمولا به تنهایی به فولاد افزوده نمی‌شود و اغلب به همراه گوگرد برای بهبود ماشین‌کاری افزوده می‌شود. با تشکیل محلول جامد، سختی را شدیدا افزایش می‌دهد. این عنصر سختی‌پذیری را نیز افزایش می‌دهد. استحکام فولادهای کم‌کربن را زیاد می‌کند. مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد. اما این عنصر بیش از ۰٫۴ درصد باعث می‌شود جوش شکننده شود. و احتمال ایجاد ترک وجود دارد.

*** تاثیر مولیبدن در فولاد

در آلیاژهای پرمولیبدن- آهن ، سیستم پیرسختی را به وجود می‌آورد . سختی‌پذیری را به میزان قابل توجهی زیاد می‌کند. تمایل به کاربیسازی در آن بیشتر از کروم است. سختی و استحکام را به خصوص در دمای بالا افزایش می‌دهد. عمق سختی را زیاد می‌کند. با تردی حرارتی مقابله می‌کند. استحکام خزش گرم را افزایش می‌دهد. مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ‌نزن را بهبود می‌دهد. در این آلیاژها، مولیبدن فولاد را در برابر خوردگی حفره‌ای ناشی از کلریدها و مواد شیمیایی محافظت می‌کند. ذرات مقاوم در برابر سایش را تشکیل می‌دهد.

*** تاثیر عناصر آلیاژی در فولاد ؛ مس

با اینکه این عنصر اثر خوبی در آلیاژها ندارد، برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی اضافه می‌شود. با حضور مس، نقطه تسلیم و نسبت نقطه تسلیم به استحکام نهایی افزایش می‌یابد.

*** کبالت؛ ایده آل در دماهای بالا

با تشکیل محلول جاد، سختی را به طور قابل ملاحظه‌ای زیاد می‌کند. وقتی در آستنیت حل شود، سختی‌پذیری را کم می‌کند. با تشکیل محلول جامد، سختی را زیاد می‌کند. از رشد دانه‌ها در دماهای بالا جلوگیری می‌کند. با سخت کردن فریت، استحکام گرم را بهبود می‌دهد. مقاومت در برابر بازپخت شدن را زیاد می‌کند.

*** نقش آلومینیوم در فولاد

با تشکیل محلول جامد، سختی را به طور قابل ملاحظه‌ای زیاد می‌کند. اگر در آستنیت حل شود، سختی‌پذیری را به طور متوسط زیاد می‌کند. به اندازه کافی اکسیژن‌زدایی می‌کند. با تشکیل اکسیدها و نیتریدهای پراکنده رشد دانه‌ها را محدود می‌کند. معمولا این عنصر در جایی استفاده می‌شود که نیتروژن‌دهی می‌شوند.

منبع: آرتان پرس