فولاد چيست؟

پايان نامه مراحل توليد فولاد

پايان نامه فولاد

همة فولادها، تركيب هاي ساده يا پيچيده اي از آلياژ هاي آهن و كربن هستند. همة فولادهاي كربني ساده ، داراي درصدهاي خاصي از منگنز، و سليكون بعلاوة مقادير بسيار  كمي از فسفر و سولفور مي باشند.

براي مثال، تركيب اسمي فولاد 1045 استاندارد AISI يا SAE ممكن است شامل 45/0كربن؛ 75/0 منگنز، 040/0 فسفر، 050/0 سولفور و 22/0  گوگرد باشد. فولادهاي آلياژي دستة ديگري از فولادها هستند كه در تركيب شيميايي خودشان عناصر ديگري هم دارند.

 بيشترين عناصري  كه در تركيب  فولادهاي آلياژي بكار رفته اند، عبارتند از: نيكل، كرم، موليبدن، واناديوم و تنگستن.

وقتي كه درصد منگنز بيشتر از يك درصد باشد اين عنصرهم جزء عناصر آلياژي بحساب مي آيد. براي رسيدن به خواص مطلوب فولاد در كاربرد هاي مهندسي، يك يا چند عنصر از عناصر فوق را به فولاد اضافه مي كنند.

عنصر كربن، اصلي ترين عنصر در تمام فولادها است؛ بطوريكه ميزان كربن موجود در فولاد هاي كربني ساده تأثير زيادي بر خواص فولاد و انتخاب عمليات حرارتي مناسب فولاد دارد. اين عمليات بمنظور بدست آوردن خواص مطلوب برروي فولاد انجام مي شود.

به دليل اهميت ميزان كربن در فولادها، يكي از تقسيم بندي هاي فولادهاي كربني ساده، براساس مقدار كربن آنها مي باشد. وقتي كه فقط مقدار كمي كربن در فولاد موجود باشد، آن فولاد را كم كربن يا فولاد نرم مي نامند. اگر مقدار كربن كمتر از 30/0درصد وزني فولاد باشد، آن را فولاد كم كربن گويند.  اگر ميزان كربن فولاد تقريباً 30/0 درصد الي 60/0 درصد وزني باشد،در گروه فولادهاي متوسط كربن دارد قرار مي گيرد و فولادهايي كه بيشتر از 60/0 درصد وزني كربن داشته باشند، فولاد پركربن ناميده مي شوند اگر مقدار كربن  فولاد بيشتر از 77/0 درصد وزني باشد، فولادهاي ابزار مينامند. ميزان كربن فولاد بندرت بين 3/1الي 2 درصد قرار مي گيرد.

بيشترين حد كربن در فولاد، تقريباً 2 درصد مي باشد و زماني كه مقدار كربن آن بيش از اين باشد، آن را آلياژ چدن مي نامند. مقدار كربن در چدن ها، معمولاً بين 3/2 الي 4 درصد مي باشد. چدن ها گروه مهمي از آلياژهاي ريخته گري هستند.

دلايل عمليات حرارتي

در عمليات حرارتي فولاد معمولاً  يكي از اهداف زير دنبال مي شود:

• تنش گيري حاصل از اكر يا تنش گيري حاصل از سردكردن ناهمگن
• بهينه سازي ساختار دانه در فولادهايي كه برروي آنها كار گرم انجام شده است وممكن است دانه هاي درشت داشته باشند.
• بهينه سازي ساختار دانه
• كاهش سختي فولاد و افزايش قابليت شكل پذيري
• افزايش سختي فولاد بمنظور زيادشدن مقاومت سايشي و يا سخت كردن فولاد براي مقاومت بيشتر در شرايط كاري
• افزايش چقرمگي فولاد بمنظور توليد فولادي كه استحكام بالا و انعطاف پذيري خوبي دارد و افزايش مقاومت فولاد در برابر ضربه
• بهبود قابليت ماشين كاري
• بهبود خواص برش در فولادهاي ابزار
• بهينه كردن خواص مغناطيسي فولاد
• بهبود خواص الكتريكي فولاد

بازپخت (TEMPERING)

شكل پذيري عبارت است از تغيير شكل فولاد قبل از شكست مارتنزيت تندسرمايي شده ، سخت و غير قابل شكل پذيري مي باشد.

براي بهبود قابليت شكل پذيري مارتنزيت، بايد آنرا بازپخت كرد البته در اين حالت استحكام آن مقداري كاهش مي يابد. از طرفي بازپخت مقاومت مارتنزيت را در برابر ضربه ناگهاني افزايش مي دهد. به عنوان مثال، اگر چكشي تندسرمايي شود ساختار آن كاملاً مارتنزيتي مي شود كه احتمالاً بعد از اولين ضربات ترك خواهد خورد. اما  با استفاده از  عمليات بازپخت ضربه پذيري چكش افزايش مي يابد (شكنندگي كم مي شود) و در عوض سختي و ستحكام قطعه سخت شده تا حدودي كاهش خواهد يافت، عمليات بازپخت به اين ترتيب است كه قطعه تندسرمايي شده را تا دمايي زير دماي انتقال حرارت مي دهند و سپس با توجه به اندازه قطعه به مدت يك ساعت يا بيشتر در اين دما نگه مي دارند. بيشتر فولادها در دماي 400 تا 1100( 205 تا 959) بازپخت مي شوند.

 هر چه دماي بازپخت بيشتر شود چقرمگي و ضربه پذيري فولاد بيشتر مي شود. در عوض سختي واستحكام آن  كم مي شود. از بين رفتن مارتنزيت سوزني شكل و رسوب ذرات بسيار ريز كاربيد از جلمة تغييرات ساختماني در ضمن بازپخت مي باشد. ساختمان ميكروس كوپي فولادهاي تندسرمايي و بازپخت شده به عنوان مارتنزيت بازپخت شده معرفي شده اند.

آنيل

عمليات حرارتي  تندسرمايي و سپس بازپخت فولاد باعث ميشود كه استحكام و قابليت شكل پذيري  و مقاومت به ضربة آن بالا برود. علميات ماشين كاري و خمكاري در ساخت اغلب محصولات فولادي بكار ميرود بنابراين بمنظور بهبود خواص ماشين كاري و قابليت تغيير فرم فولاد، آن  را آنيل مي كنند. حتي در برخي از موارد ماشين كاري و  خم كاري قطعات بازپخت شده نيز مشكل است براي رفع اين مشكل نيز قطعات را آنيل ميكنند.

آنيل مرحله اي

فولاد را به مدت كوتاهي در زير دماي  حرارت ميدهند، اين كار باعث ميشود كه فولاد آسانتر شكل بگيرد، اين نوع عمليات حرارتي را در توليد ورق و سيم استفاده مي شود و دماي كاري آن بين 1020 تا  1200(550 تا  650) است.

  آنيل كامل

آنيل كامل عبارت است از حرارت دادن فولاد تا بالاي دماي آستنيت و سپس سردكردن آهسته آن، طوريكه آستنيت كاملاً تجزيه شود. فولادهاي هيپريوتكتوئيد را تا دماوي بين 50 تا  100(   90 تا  180) بالاي دماي  و فولادهاي هيپرتكتوئيد را تا بالاي دماي حرارت مي دهند و پس از آن آهسته سرد مي كنند. اين كار باعث مي شود كه فولاد آسان تر خم شده و يا بريده شود. در آنيل كامل فولاد بايد خيلي آهسته سرد شود تا پرليت درشت دانه تشكيل شود. در آنيل فولاد مرحله اي لازم نيست كه آهسته سرد شود، براي اين كه هر نوع سرعت سرد كردن در دماي زير  منجر به تشكيل ساختار ميكروسكوپي و سخيت يكسان فولاد مي شود. در حين تغيير شكل سرد فولاد، تمايلي كه به سخت شدن در قسمت هاي تغيير شكل يافته وجود دارد مانع از خم شدن و آمادگي قطعه را براي شكست بيشتر مي كند. بنابراين در محصولات فولادي، توليد آنها در چند مرحله تغيير فرم انجام مي شود پس از هر مرحله تغيير فرم قطعه را آنيل مي كنند.

يكنواخت سازي( نرمال كردن)

فرآيند يكنواخت سازي عبارت است از حرارت دادن قطعه تا دمايي بالاي  و سپس سردكردن آن در هواي آزاد. درجه حرارت لازم يكنواخت سازي بستگي به تركيب فولاد دارد كه معمولاً حدود 1600( 870) مي باشد. فرآيند يكنواخت سازي به عمليات همگن سازي يا جوانه زايي موسوم مي باشد.در هر قطعه فولاد، تركيب معمولاً در كليه سطوح يكنواخت نيست. بدين معني كه ميزان كربن در يك قسمت از فولاد ممكن است بيشتر از بخش هاي ديگر باشد. اين تفاوت هاي تركيباتي در عمليات حرارتي فولاد تأثير مي گذارد. اگر فولاد را در دمايي بالا حرارت دهند، كربن مي تواند به آساني در تمام سطح فولاد تركيبي يكنواخت داشته باشد در اين صورت فولاد همگن تر شده و آمادگي بهتر براي عمليات حرارتي دارد.

به دليل خواصي كه قطعات ريختگي دارند، معمولاً شمشها را قبل از استفاده يكنواخت سازي مي كنند. به همين ترتيب فولادهاي ريختگي و آهنگري شده را قبل از سخت گرداني همگن مي كنند.

تنش زدايي

 وقتي كه فلز را در دمائي بالا حرارت مي دهند، فلز منبسط مي شود و برعكس هنگامي كه فلز را از دماي بالا سرد مي كنند، انقباض صورت مي گيرد. در حين جوشكاري با آهنگري وقتي كه يك قسمت از لوله يا ورق فولادي بيشتر از قسمت هاي ديگر گرم مي شود تنش هاي داخلي زيادي در فولاد بوجود مي آيد. در حين گرم شدن فولاد، قسمت هاي منبسط شده جايي براي قرارگيري ندارد بنابراين قطعه تغيير فرم مي دهد.

درهنگام سردشدن، انقباض قطعه مانع از ايجاد فلز سرد و سخت در اطراف منطقه حرارت ديده مي شود نيروهايي كه درحين انقباض در قطعه بوجود  آمده اند، هنوز آزاد نشده اند و هنگامي كه فلز مجدداً سرد مي شود اين نيروها به عنوان تنشهاي داخلي باقي مي مانند. تنشهاي داخلي در اثر تغييرات حجمي و انتقال و رسوب فلز نيز به وجود مي آيند.

اصطلاح تنش كاربرد وسيعي در رشته متالورژي دارد و عبارت است از بار يانيروي كه بر سطح مقطع فولاد وارد مي شود. نتنش هاي داخلي و تنشهاي باقيمانده براي فولاد مضر هستند زيرا ممكن است درحالي كه فولاد ماشين كاري مي شود باعث ايجاد ترك در آن شوند. براي رهاسازي ازاين تنش ها، فولاد را دماي حدود1100(595) حرارت ميدهند، تاوقتي كه مطمئن شوند تمام قسمت هاي فولاد بطور يكنواخت حرارت ديده اند، سپس آن را تا دماي اتاق آهسته سرد مي كنند اين مراحل را آنيل تنش گيري يا فقط همان تنش زدايي مي نامند.

دسته بندي فولادها

تعداد كل فولاد هاي موجود بالغ بر  هزا ر نوع است، ولي نمي توان تركيب و ساير متغيرهاي آنها را دقيقاً مشخص كرد اما بنابه قرارداد فولادها را به پنج دسته تقسيم كرده اند: اين پنج دسته عبارتند از: فولاد كربني، فولاد  آلياژي، فولاد زنگ نزن، فولاد ابزاري، و فولاد ويژه چهار دسته اول در استاندارد

(American Iron and Steel Institute(  AISI

كام مشخص شده اند و خود زير گروههايي را شامل هستند ولي فولادهاي دسته پنجم تركيبات مختلفي داشته و كاملاً اختصاصي مي باشند با اين حال بسياري از اين فولادها تركيبي مشابه فولادهاي ديگر دارند. براي مثال در استاندارد AISI قريب 75 نوع فولاد زنگ نزن مشخص شده است كه به چهار گروه استاندارد تقسيم شده اند.علاوه بر اين تعداد حداقل صد نوع تركيب ديگري نيز وجود دارند كه غير استاندارد هستند، ولي براي اهداف خاص توسعه يافته اند.

پارامتر هاي مؤثر بر روي سختي پذيري

در صورتي سختي پذيري يك فولاد زياد است كه حتي در آهنگهاي سرد شدن نسبتاً آهسته نيز دگرگوني نفوذي تشكيل پرليت انجام نشده و آستنيت به مارتنزيت تبديل شود. بر عكس در فولادهايي كه سختي پذيري آنها كم است، تشكيل مارتنزيت مستلزم سرد شدن سريع است. در هر دو حالت، پارامتر محدود كننده، آهنگ تشكيل پرليت در دماهاي بالاست. به طور كلي هر عاملي كه خطوط تشكيل پرليت در نمودار CCT را به سمت راست منتقل كند امكان تشكيل مارتنزيت در آهنگهاي سرد شدن كمتر را فراهم مي كند. بنابراين، انتقال دماغه نمودار CCT به سمت راست همراه با افزايش سختي پذيري است. به بيان ديگر مي توان گفت، هر عاملي كه باعث كاهش آهنگ جوانه زني و رشد پرليت شود (زمان براي جوانه زني و رشد پرليت را افزايش دهد) سختي پذيري را در فولاد ها افزايش مي دهد. اين عوامل عبارت اند از:

سختي و سختي پذيري

 ميكروساختار مارتنزيتي سخت ترين ميكروساختاري است كه ميتواند در يك فولاد كربني ساده بوجود آيد. تشكيل ميكروساختار مارتنزيتي در  صورتي امكان پذير است كه از دگرگوني آستنيت به مخلوط فريت و سمنتيت در  دماهاي بالا جلوگيري شود.

اندازه دانه آستنيت

از آنجائيكه با ريزشدن دانه ها  كل سطوح مربوط به مرزدانه ها افزاش مي يابد در يك فولاد با دانه هاي ريز تشكيل پرليت به مراتب سريعتر از يك فولاد با دانه هاي درشت است. در نتيجه سختي پذير فولاد با دانه هاي ريز كمتر از سختي پذيري فولاد با دانه هاي درشت خواهد بود. ليكن استفاده از فولاد با دانه هاي درشت بمنظور افزايش سختي پذيري عملاً كاربرد صنعتي ندارد، زيرا افزايش سختي پذيري از اين روش با تغييرات ناخواسته و زيان آور در خواص فولاد نظير افزايش  تردي و كاهش انعطاف پذيري همراه است. از جمله معايب ديگر كه بيشتر در فولادهاي دانه درشت بوجود مي آيد عبارت است از: تركهاي ناشي از سريع سردكردن [1] يا تركهاي ناشي از شوك هاي حرارتي[2] كه در اثر تنشهاي حاصل از عمليات حرارتي بوجود مي آيند.

درصد كربن

سختي پذيري يك فولاد شديداً تحت تأثير درصد كربن آن تغيير مي كند بدين صورت كه اگر كربن به صورت محلول در آ ستنيت باشد افزايش آن باعث افزايش سختي پذيري ميشود. دليل اين امر را مي توان در اين حقيقت جستجو كرد كه با افزايش درصد كربن تشكيل پرليت و فاز پرويوتكتوئيد مشكلترشده و در نتيجه نمودار CCT به سمت راست جابجا مي شود اين موضوع نه تنها براي فولادهاي هيپوپوتكتوئيد بلكه براي فولادهاي هايپرپوتكتوئيد كه قبل از سريع سردشدن كاملاً آستنيته شده باشند نيز صادق است.

عناصرآلياژي

عناصر آلياژي  بجز كبالت  تا حدي كه در آستنيت كاملاً حل شده باشند سختي پذيري را افزايش ميدهند.

عناصر آلياژي در  حد متوسط مي توانند سختي مارتنزيت حاصل از سريع سرد شدن فولادهاي كم كربن و كربن متوسط را به ميزان بسيار كم افزايش دهند. با افزايش درصد كربن  احتمال كاهش سختي حاصل از سريع سردشدن در فولاد هاي يادشده افزايش مي يابد. اين پديده ناشي از افزايش درصد آستنيت باقيمانده در ساختار حاصل است. بجز موارد فوق، عناصر آلياژي اثرات بسيار جزئي بر روي سختي مارتنزيت حاصل از سريع سردشدن دارند.