گچ

فهرست مطالب

فولاد چیست؟

فولاد که در زبان انگلیسی با عبارت steel شناخته می‌شود، مهم‌ترین ماده ساختمانی و مهندسی عصر ما می‌باشد که تقریبا در هشتاد درصد محصولات فلزی به کار می‌رود. فولادها، به دلیلی داشتن استحکام، شکل‌پذیری آسان، هزینه کم و دیگر خواص مفید در سال‌های اخیر مورد توجه خاص قرار گرفته است. یکی از کاربردهای گسترده فولاد در تولید مصالح ساختمانی فلزی می‌باشد.

فولاد، آلیاژی است از آهن و کربن و ماده اصلی در تولید انواع فولادها، آهن است. فلزی سفید نقره ای و کم تنش که مالیبل و داکتیل است و تقریبا نرم . اما کربن این خصوصیبات را تغییر می دهد. اضافه کردن مقدار خیلی جزئی از کربن به آهن آن را به فولاد تغییر می دهد. آلیاژی سخت و خشن و قوی و شکل پذیر. بیشتر از ابزارها و تجهیزات ساختمانی فولادی برای هزاران سال استفاده می کرده است.

اصطلاح فولاد یا پولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰٫۰۲۵ تا حدود ۲ درصد کربن دارند بکار می‌رود فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.

تاریخچه فولادها

بشر اولیه بطوریکه می دانیم و حتی کشف کرد که گرم کردن ابزارهای آهنی در آتش کیفیت آن را بالای برآنها را لخت و قابل خمیدگی می‌کند. و اگر زغال سنگ هم وجود داشته باشد. فلز حتی لخت تر از قبل از آتش بیرون می‌آید. عملیات حرارتی هزاران سال عمر دارد در حالیکه علم عملیات حرارتی عمری بیش از ۱۰۰ سال ندارد. و اما عملیات حرارتی فلزات هم علم است و هم هنر. با کنترل زمان و درجه حرارت ما می توانیم فولاد را سخت و شکننده سازیم مثل این و یا نرم و قابل خمیدگی مثل این ما می توانیم با عملیاتمان به فولاد هر خصوصیتی که می خواهیم بدهیم.

تفاوت زیادی بین فولادهای کربنی اولیه و آنچه که ما امروزه به عنوان فولادهای آلیاژی، فولادهای زنگ نزن و فولادهای ابزار می‌شناسیم وجود دارد. این‌ها تماما انواع مختلفی از موضوعات مربوط به فولاد هستند. پایه ای عملیات حرارتی ممکن است چیزهایی باشد مشابه آنها به صورت متفاوتی تحت عملیات حرارتی قرار می گیرند. حال ما قصد مطالعه تنها یکی از فولادها را داریم. فولادهای ساده کربنی این ساده ترین نوع فولاد است. مخلوطی ۲ عنصر پایه آهن و کربن برای تولید فولاد کربن در مقادیر بسیار کمی اضافه می شود. اضافه کردن چیزی حدود ۱ تا ۱٫۱۵ درصد وزنی، کربن، خواص فولاد به شکل عجیبی تغییر می‌دهد.

فولاد چیست؟

کاربرد و کارایی

کاربرد فولادها بسیار گسترده و متفاوت است. برخی از آنها نسبتا نرم و شکل‌پذیرر هستند و به راحتی می‌توان آنها را به اشکال مختلفی درآورد، مثل فولادهایی که در سپر و بدنه خودروها به کار می‌رود. برخی دیگر قابلیتت سخت شدن را دارند. به طوری که می‌توان آنها را در ساخت ابزارهایی چون تیعه‌های برش و تراش به کار برد. می‌توان گروه دیگری از فولادها را ساخت علاوه بر استحکام، چقرمگی خوبی هم داشته باشد. کاربرد آنها در ساخت اکسل های خودروها و محور پروانه کشتی های اقیانوس پیما می‌باشد.

از فولادی که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.

مثال ساده کاربرد فولادهای سخت استفاده آن در ساختن تیغ‌های ریش تراش است. با توجه به این مثال ها، به نظر می‌رسد که کلمه فولاد یک اصطلاح کلی است که زیر مجموعه‌های زیادی دارد که در واقع اگر بر اساس ترکیبات متفاوت محصولات و به صورت تجاری فولادها را مورد بررسی  قرار دهیم، درمی‌یابیم که هزاران نوع از آن وجود دارد. توانایی ما، در تولید فولادهای متفاوت با مصارف متنوع اعم از فولادهای نرم و فولادهای سخت بستگی به عملیات حرارتی مناسب دارد که در حین شکل‌گیری و یا پس از آن بر روی فولاد و دیگر آلیاژهای  آهنی بپردازیم بهتر است به طور خلاصه با این کالا و ساختارهای داخلی آن آشنا شویم

روش تولید انواع فولاد

فولاد عنصر نیست بلکه معروفترین آلیاژ دنیا است که بین ۱٫۵ تا ۲ درصد کربن دارد. فولاد پرمصرفترین فلز آهنی است. این فلز را از آهن خام سفید می‌سازند. بدین ترتیب که آهن خام سفید را همراه با مقداری آهن قراضه حرارت می‌دهند تا کربن آن بسوزد و برخی از ناخالصی‌های آن نیز به صورت سرباره خارج شود. در حال حاضر تقریباً ۵۰ درصد تولید کنونی فولاد در دنیا از آهن قراضه است.

همه فولادها ترکیب‌های ساده یا پیچیده‌ای از آلیاژهای آهن و کربن هستند. همه فولادهای کربنی ساده، دارای درصدهای خاصی از منگنز و سیکلون به علاوه مقادیر بسیار کمی از فسفر و سولفور می باشند. برای مثال ترکیب اسمی فولاد ۱۰۵۴ استاندارد AISI یا SAE ممکن است شامل : ۴۵٪ کربن،، ۷۵٪ فسفر، ۵۰٪ سولفور، و ۲۲٪ گوگرد باشد.

فولادهای آلیاژی دسته دیگری از فولادها هستند که درر ترکیب شیمیایی خودشان عناصر دیگری هم دارند. بیشترین عناصری که در ترکیب فولادهای آلیاژی به کار رفته‌اند، عبارتند از: نیکل، کرم، مولیبدن، وانادیوم، تنگستن.

وقتی که درصد منگز از یک درصد باشد این عنصر هم جزء عناصر آلیاژی به حساب می‌آید. برای رسیدن به خواص مطلوب فولاد در کاربردهای مهندسی، یک یا چند عنصر از عناصر فوق را به فولاد اضافه می‌کنند. عنصر کربن اصلی‌ترین عنصر در تمام فولادها است به طوری که میزان کربن موجود در فولادهای کربنی ساده تاثیر زیادی بر خواص فولاد و انتخاب عملیات حرارتی مناسب فولاد دارد. این عملیات به منظور به دست آوردن خواص مطلوب بر روی فولاد انجام می‌شود.

به دلیل اهمیت میزان کربن در فولادها، یکی از تقسیم‌‌بندی‌های فولادهای کربنی ساده بر اساس مقدار کربن آنها می‌باشد. وقتی که فقط مقدار کمی کربن در فولادی موجود باشد، آن فولاد را کم کربن یا فولاد نرم‌ می‌نامند. اگر مقدار کربن کمتر از ۳۰٪ درصد وزنی فولادی باشد، آن را فولاد کم کربن گویند. اگر میزان کربن فولاد تقریبا ۳۰٪ درصد الی ۶۰٪ درصد وزنی باشد در گروه فولادهای متوسط کربن قرار می‌گیرد و فولادهایی که بیشتر از ۶۰٪ درصد وزنی کربن داشته باشند، فولادهای پر کربن نامیده می‌شوند. اگر مقدار کربن فولادی بیشتر از ۷۷٪ درصد وزنی باشد فولادهای ابزار می‌نامند. میزان کربن فولادها به ندرت بین ۱٫۳ الی ۲ درصد قرار می‌گیرد.

بیشترین حد کربن در فولادها، تقریبا ۲ درصد می‌باشد و زمانی که مقدار کربن آن بیش از این باشد، آن را آلیاژ چدن می‌نامند. مقدار کربن در چدن‌ها معمولا بین ۳٫۲ الی ۴ درصد می‌باشد. چدن‌ها گروه مهمی از آلیاژهای ریخته‌گری هستند.

سنگ آهن تولید آهن خام روش های آهن گدازی ذوب آهن آهن خالص آهن معمولی
عناصر موجود در فولاد
  • کربن (C): تغییر میزان کربن در فولاد باعث تغییر خواص فیزیکی آن میشود. کربن فولاد را ترد می‌کند، مقاومت کششی و سختی آن را افزایش داده و دمای ذوب آن را کاهش می‌دهد. هر چه میزان کربن در فولاد کمتر باشد، فولاد نرمتر شده و قابلیت چکش خواری بهتری خواهد داشت. ولی با فولادی که درصد کربن آن کم است نمی‌توان ابزار ساخت.
  • سیلیسیم (Si): این عنصر نیز مقاومت کششی و سختی فولاد را افزایش می‌دهد ولی آن را ترد و تیره رنگ می‌کند و قابلیت چکش خواری آن را نیز کاهش می‌دهد. میزان سیلیسیم در فولاد نباید از ۰٫۳۵ درصد وزنش بیشتر باشد.
  • منگنز (Mn): مقاومت کششی و سختی فولاد را افزایش و چکش خواری آن را کاهش می‌دهد. میزان منگنز در فولاد ۰٫۵ تا ۱ درصد وزن آن است. با فولاد منگنزی، ساچمه‌های سخت فولادی می‌سازند.
  • کُرُم (Cr): حداقل ۱۲ درصد کرم در فولاد، مقاومت کششی آن را افزایش داده و مانع زنگ زدگی آن می‌شود. از فولاد کرمدار قاشق، چنگال، کارد و ظروف فولادی می‌سازند.
  • مس (Cu): برای جلوگیری از زنگ زدن فولادهایی که در مناطق مرطوب مورد استفاده قرار می‌گیرند، به آنها مس می‌زنند (۰٫۲۵ تا ۰٫۵۵ درصد وزن فولاد).
  • گوگرد (S) و فسفر (P): این دو عنصر نیز همانند آنچه در مورد چدن گفته شد، باید در فولاد به حداقل ممکن برسند.

کدبندی و نام‌گذاری انواع فولادها

  • سیستم کد بندی  S/A

فولادهای کربنی بسته به مقدار کربن در درجات مختلفی موجود می باشند. بنابراین انواع زیادی از فولادهای موجود اند و تعدادی از سیستمها برای شناسایی انواع فولادهای کربنی برای شناسایی مواد و عناصری که ممکن است با آنها آلیاژ شوند به کار گرفته می شوند.

سیستمی که گسترده ترین استفاده را دارد سیستم شماره گداری S/ A می باشد. S/ A آهن و فولاد آمریکا می باشد. سیستم S/ A از ۴ عدد و گاهی ۵ مد ساخته شده است. این اعداد هر دو فلز پایه و بیشتر اوقات درصد تقریبی عنصر اصلی در مخلوط را مشخص می کند. در این حالت ۲ مداول نشانگر فلز پایه هستند ، ۱۰ نشانگر فولاد کربنی است. ۱۰ همچنین نشاندهنده تعدادی عناصر گریز در فولاد هستند مثل توگرد ، فسفر ، منگنز ، سیلسیم که همچنین ممکن است در مقادیر کنترل شده ای باشندو اما تمامی تمرکز پای این است که IU نشانگر فولاد ساده کربنی است که از آهن و مقدار معینی کربن تشکیل شده است. ۲ رقم باقیمانده در سیستم مصرف AU درصد کربن در فولاد را در ۱۰۰ برای آن معین می کند.

آنها با توجه به این برای S/ A که می دانیم یک فولاد کربنی است و ۱۰ بیانگر این است و ۴۰ مقدار کربن در فولاد را می گوید حتی ۰٫۴۰ درصد و آن یعنی مقدار خیلی اندکی اما همانطور که خواهیم دید مقدار خیلی اندکی از کربن تمامی چیزی است که ، احتیاج داریم برای ساختن فولادهای بسیار متفاوتی و هر کدام با مشخصات مختلف فولاد کم کربن ۱۰۱۰ در شرایط نرم و برای کارهایی که راکسیتیلیه بالا احتیاج است استفاده می شود. فلزات ارزان برای درهای اتونیل معمولا از فولا ۱۰۱۰ بهره می گیرند. مقایسه فولاد متوسط کربن ۱۰۵۰ خیلی محکم است وقتی که سخت سازی تمیر شود. فولاد ۱۰۵۰ در بخشهای ساختاری اتومبیل مانند اکسل و شافت و تورج های سنگین پر مصرف استفاده می شود.

فولاد پر کربن ۱۰۸۰ می توان سخت کاری و بعد از آن تمیر یا شود برای رسیدن به استحکام خیلی بالا و این فولادی است که خیلی از فنرها برای آن ساخته شود مثل لخت خواب و فنر اتومبیل کامیون.

در محتوای کربن فولاد هم همچنین محدودیتهایی وجود دارد. فولادهای کاربردی تا حدود ۱۵% کربن دارند و بیشتر از %۱۵ مقدار کربن اضافی در فولاد است. و آن را به سمت چدن می برد. آلیاژی با آهن بالا ، کربن ، سیلیکیون چدن ها دارای خواص مختلفی هستند. معمولا به عنوان فولاد کربنی شناخته نمی شوند. اگر ما می توانستیم اتمهای دوران یک قطعه فولاد را ببینیم ما چیزی شبیه این را می دیدیم.

میلیاردها اتم آهن درون قطعه و احتمالا مقدار خیلی جزئی و اتمهای کربن فولاد کربنی های بیشترین مقدار استفاده در جدولهایی به وسیله درهای S/ A لیت شده اند. این مخلوط فلزی شیمیایی آهن و کربن را نشان دهند. توجه داشته باشید که این جدول و همچنین نشاندهنده در حد منیزیم در فولاد است. MN علامت شیمیایی عنصر منیزیم می باشد و C علامت شیمیایی کربن تعدادی از این عناصر اضافی از فولاد وجود دارند. ما آنها را یا عناصر باقیمانده می نامیم. خیلی کوچکتر از آنکه در جدول ترکیب شیمیایی عنوان شوند.

با افعال عناصری مثل کردم ، نیکل مولیبدن و کربن بعضی اوقات از طریق ضایعات به مذاب ، یا محصول ما می رسند و نهایتا راهی به فولاد نهایی یا در مراحل نهایی می یابد. و حتی اگرچه در جدول ترکیبات شیمیایی قرار نگرفته اند این عناصر رسوبی  می توانند در فولاد کربنی اختلاف ایجاد کنند. زمانیکه قصد این عناصر اضافه شوند. به آنها عناصر آلیاژی می گوییم و زمانیکه مقداری این عناصر به صورت کافی زیاد شود فولا دیگر به عنوان فولاد کربنی طبقه بندی نمی شود.

به عنوان عملیات حرارتی می کنند ، خیلی مهم است که ما با عناصر رسوبی و آلیاژی آشنا شویم. چون آنها می توانند نقش مهمی در خصوصیات فلز ایفا کنند. به عنوان مثال بعضی از درجات فولا به عنوان فولادهای کربنی درجه بندی می شوند. اما در طبقه فولادهای با قابلیت  ماشینکاری قرار می گیرند. چون نسبتا دارای مقادیر زیادی گوگرد هستند و کد S/ A آنها سری ۱۱۰۰ است که اغلب با ۱۱ و ۲ تا x نشان داده می شود. ×× فولاد کربنی با قابلیت  ماشینکاری با گوگرد و فسفر در S/ A به صورت ×× ۱۲ طبقه بندی می شود. بعضی اوقات مقدار کمی سرب هم برای خواص ماشینکاری به آن اضافه می شود که در این صورت حرف L در بین رقم اول کد S/ A و ۲ رقم آخر آن اضافه می شود. پس ۱۲l14 یک فولاد با قابلیت ماشینکاری به علاوه فسفر و گوگرد خواهد بود. که ۱۲ مصرف آن است و مقدار کمی که با L نمایش داده شده و ۱۴/. کربن.

متغییر دیگر در فولاد کربنی ، افزودن مقدار کمی از بور است و معمولا کمتر از ۰۰۳/.% بور ممکن است به فولاد اضافه می شود. اما حتی این مقدار کم از بور و بعضی اوقات حتی کمتر از آن ، کاملا کافی است برای شامل شدن در کد S/ A.

۱۰B21 یک فولاد کربنی است با برد ۲۱/.% کربن وقتی در کد AU ، B را می بینیم ما می دانیم که عملیات حرارتی و کونیچ روی این فولاد با همان کار در فولاد ساده کربنی متفاوت خواهد بود.

خوب ، برای کد گذاری فولادهای کربنی خیلی زیر گفتیم. حالا صورت مختصر سیستمهای کد گذاری مورد استفاده برای شناسایی فلزات و آلیاژها را سرور می کنیم .و چیز مهم برای بخاطر داشتن اینها هستند که در کد گذاری S/ A 2  رقم اول نشانه فلز پایه است که ۱۰ برای فولاد کربنی است دو رقم آخر نشانه در مقدار کربن فولاد ضربدر در درصد می باشد.

  • سیستم شماره کدگذاری واحد

کدگذاری فولادهای استاندارد آلیاژی و کربنی بر اساس AISI یا SAE طراحی شد. اما در حال حاضر، انجمن آمریکائی آزمایش و مواد (ASTM E527) و انجمن مهندسین اتومبیل (SAE J 1086) کدگذاری این فولادها را به روش سیستم شماره گذاری واحد انجام می‌دهند. شماره فولادهای سیستم UNS و سیستم AISI – SAE در جدول‌های ۲ تا ۱۰ نشان داده شده است. شماره فولاد UNS را یک پیشوند حرفی و یک عدد پنج رقمی تشکیل می‌دهد. که حرف G نشان دهنده انواع استاندارد فولادهای آلیاژی یا  کربنی است. در حالی که پیشوند H انواع استاندارد فولادهایی را که قابلیت سختی‌پذیری معینی دارند، نشان می‌دهد. چهار رقم اول از کد گذاری UNS مشابه کد گذاری سیستم AISI – SAE می باشد، در حالی که رقم آخر (غیر از صفر) ترکیبات اضافی از قبیل سرب و بور را نشان می‌دهد. بعضی اوقات، عدد ۶ برای کدگذاری فولادهایی به کار می‌رود که طی مراحل ویژه‌ای در کوره الکتریکی ساخته می شود.

اصطلاح فولاد کربنی بدین معنا نیست که دیگر عناصر آلیاژی در این فولاد وجود ندارد. بلکه مقدار عناصر آلیاژی در فولادهای کربنی از محدودیتی خاصی برخوردار است. فولاد کربنی فولادی است که برای رسیدن به الیاژ مطلوب، مقداری عناصر آلیاژی از جمله آلومنیوم (به غیر از اکسیژن زدایی یا کنترل اندازه دانه)، کروم، کبالت، کلومبیوم، (نیوبیوم)، مولیبدن، نیکل، تیتانیم، تنگستن، وانادیوم، زیرکونیوم و دیگر عناصر به آن اضافه شود.

این محدودیتها عبارتند از:

الف) حداقل مقدار مس بیشتر از ۴۰٪ نباشد یا

ب) حداقل مقدار منگنز از ۶۵/۱، سیلکون از ۶۰٪، مس ۶۰٪ کمتر نباشد. برای افزایش قابلیت سختی پذیری به فولادهای کربنی بور اضافه می‌شود.

در فولادهای کربنی (کربن دار) مقدار کمی عناصر آلیاژی از قبیل نیکل، کروم و مولیبدن وجود دارد.

وجود این عناصر غیر قابل انکار است زیرا که از مواد خام گرفته می‌شوند و در ذوب فولاد از آنها استفاده می شود. مقدار کم این عناصر برای تولیدکنندگان تاثیر بسزایی ندارد.


انواع فولادهای صنعتی و ساختمانی

  • انواع فولادهای سولفور نشده استاندارد

ترکیبات ۴۱ نوع فولاد سولفور نشده استاندارد با حداکثر ۰/۱ منگنز موجود است. به منظور افزایش قابلیت ماشین‌کاری، بسیاری از این فولاد از ۱۵٪ تا ۳۵٪  سرب اضافی دارند. حرف L بین رقم‌های دوم و سوم نشان دهنده این است که فولاد سرب دارد.

به عنوان مثال فولاد سر بدار ۱۰۵۴ را به این صورت ۱۰L54نشان می‌دهند.

  • فولادهای کربنی سولفور شده استاندارد

ترکیبات فولادهای کربنی سولفور شده موجود است. به منظور افزایش قابلیت ماشین‌کاری، میزان گوگرد این فولاد تا ۳۳٪ افزایش یافته است. و برای این که قابلیت ماشینکاری این فولادها بیشتر شود به آنها سرب اضافه می‌شود.

  • فولادهای کربنی سولفور و  فسفر شده استاندارد

فولادهای کربنی سولفور و  فسفر شده استاندارد فولادهایی هستند که که میزان فسفر و گوگرد آنها بیشتر از حد معمول است. فقط فولاد ۱۲L14 سولفوره وفسفره شده و سرب‌دار می‌باشد. تمام شرایط این فولادها (سولفور، فسفره، و سرب‌دار) قابلیت ماشین کاری آنها را افزایش می‌دهد. فولادهای این گروه با اضافه کردن ۱۵ تا ۳۵٪ سرب تولید می‌کند.


فولادهای آلیاژی

فولادهای آلیاژی فولادی است که میزان عناصر آلیاژی از حدود زیر بیشتر باشد، شامل:

  • منگنز
  • سیلیسیم
  • مس

برای رسیدن به آلیاژی خاص مقدار معینی از عناصر زیر را داشته باشد:

  • آلومنیوم
  • کرم
  • کبالت
  • کولومبیم (نبوبیم)
  • مولیبدن
  • نیکل
  • تیتانیم
  • تنگستن
  • وانادیوم
  • زیرکونیوم

در واقع مقدار آلیاژ در فولادهای استاندارد سیستم AISI – SAE و فولادهای آلیاژی از ۰/۴ فراتر نمی‌رود. در ضمن این مقدار از مقدار موجود در فولادهای کربن دار بیشتر است.


ترکیبات شیمیایی
  • ترکیبات فولادهای آلیاژی استاندارد

به دلیل تشابه زیاد در بین این فولادها می‌توان تعداد آنها را کاهش داد. در هر صورت، برای ساختن محصولات مختلف با خواص که متفاوت لازم است که این قابلیت ساخت و جنبه اقتصادی آنها نیز باید در نظر گرفته شود.

مقادیر ترکیبات فولادها یکسان نیست. هر کدام از این فولادهای مقادیر مشخصی دارند که بیشتر آنها در مراکز خدمات فولاد وجود دارند. ۵۸ نوع فولاد مشخص شده‌اند که به منظور افزایش در قابلیت ماشین‌کاری این فولاد، ترکیبات سربی به آن اضافه می‌شود.

  • ترکیبات فولادهای بوردار استاندارد

فولادهای آلیاژی که از ۰٫۰۰۰۵ تا ۰٫۰۰۳ بور دارند موجود است. به دلیل وجود بور در این فولادها، قابلیت سختی پذیری آنها افزایش می‌یابد.


سختی پذیری فولادها

همان طوری که قبلا اشاره کردیم با اضافه شدن بور، قابلیت سختی‌پذیری فولاد افزایش می‌یابد. قابلیت سختی‌پذیری فولاد بدین معنا نیست که باید فولاد بر اساس معیار سختی راکول یا برینل سخت شود. به عنوان مثال فولادی که تا HRS40 قابلیت سختی‌پذیری بالایی دارد. ممکن است فولاد با سختی‌پذیریی بیشتری داشته باشد. قابیلت سختی‌پذیری فولاد عبارت است از ظرفیت سختی فولاد بیشتر از حداکثر سختی مورد نظر بستگی دارد.


نقش کربن در میزان سختی و مقاومت فولاد

برای رسیدن به حداکثر میزان سختی، کربن موجود در فولاد خیلی مهم است.

برای دستیابی به این سختی، حدود ۰٫۰۶ درصد کربن لازم است، اگر چه اطلاعات به صورت تئوری می‌باشد اما بدین صورت است که قسمت‌های نازک صیقلی از دمای آستنیته تا دمای اطاق سرد شده‌اند سپس ساختار ۱۰۰ درصد مارتنزیتی شکل گرفته است. بنابراین شرایط موجود در شکل ۱ در عمل به ندرت به وجود می‌آید.

برای دسترسی به حداکثر سختی مهمترین عامل جرم فلز که تند سرمایی شده است. وقتی که قسمت‌های نازک سریع حرارت داده می‌شوند، سرعت سرد شدن بحرانی فولاد افزایش می‌یابد. سرعت سرد شدن بحرانی سرعتی است که  از تشکیل محصولات غیر مارتنزیتی جلوگیری شود.

برای رسیدن به سختی کامل حدود HRS63 قطر قطعات کوچک ۱۳ میلی متر (۰٫۵ اینج) می باشد. در حالی که قطر قطعه کاهش می‌یابد. چرا که سرعت سرد شدن بحرانی این فولاد افزایش نداشته باشد. بنابراین قابلیت سختی‌پذیری فولاد کم می‌باشد. فولادهای ساده کربنی قابلیت سختی‌پذیری پایین وو زمان‌های سرد شدن کوتاه است. قابلیت سختی‌پذیری تمام فولادها به طور مستقیم به سرعت‌های سرد شدن بحرانی بستگی دارند. با افزایش زمان سرد شدن بحرانی، قابلیت سختی‌پذیری فولاد هم زیاد می‌شود. که در این مورد میزان کربن را در نظر نمی‌گیرند.


نقش عناصر آلیاژی

دلیل عمده استفاده از عناصر آلیاژی در فولادهای آلیاژی استاندارد شده این است که قابلیت سختی‌پذیری این فولادها را افزایش می‌دهد. این عناصر عبارتند از: الف) منگنز، ب) سیلیکون، ج) کروم، د) نیکل، ه) مولیبدن، و) وانادیوم. و چون عنصر بورکم استفاده می‌شود آن را به عنوان یک آلیاژ معرفی نمی‌کنند.

فولادهای آلیاژی یا کربنی که عنصر بور دارند، به فولادهای بورونه شده معروف هستند. به طور کلی عناصر کبالت، تنگستن، زیرکونیوم و تیتانیوم را در فولادهای ابزاری ویژه به کار می‌برند.

تاثیر عناصر منگنز، سیلیکون، کروم، نیکل، مولیبدن، وانادیوم بر روی قابلیت سختی‌پذیری فولادهای یکسان نیست. (تاثیر عناصر آلیاژی وقتی که جداگانه یا با همدیگر در فولاد به کار می‌روند متفاوت است.) در این زمینه تحقیقات وسیعی انجام شده است که هر چه تعداد این عناصر بیشتر باشد، قابلیت سختی پذیری فولاد افزایش می‌یابد. که نتیجه این تحقیقات در جدول ۷ مشخص شده است. این روش نه تنها  باعث نگهداری آلیاژهای کمیاب می شود بلکه کمترین هزینه قابلیت سختی‌پذیری فولاد افزایش می‌یابد.

بنابراین قابلیت سختی‌پذیری فولادها یک موضوع ویژه و پراهمیت بوده و واضح است که مهمترین عامل در تشخیص کیفیت انواع فولادها، قابلیت سختی‌پذیری فولاد است.


روش‌های ارزشیابی سختی‌پذیری فولاد

در زمینه قابلیت سختی‌پذیری فولاد آزمایشاتی انجام شده است که هر کدام از آنها اهمیت بسزایی دارند. بیشتر این آزمایشات یا کاربرد زیادی نداشته‌اند یا این که در موارد خاص از آنها استفاده شده است.


آزمایش تندسرمایی انتهایی

روشی است که به بالاترین درجه تکرار ثابت شده است و به منظور ارزشیابی قابلیت سختی‌پذیری فولادهای کربنی استاندارد و تعدادی از فولادهای کربن به کار می‌رود. این آزمایش نسبتا ساده و در عین حال اطلاعات مفیدی را ارائه می‌دهد.

میله‌های قابل کاربرد در آزمایش تندسرمایی انتهایی

معمولا میله‌هایی که در آزمایش تندسرمایی انتهایی به کار می‌برند. ۱ اینچ (۲۵٫۴ میلی متر) و ۴ اینچ (۱۰۲ میلی متر) طول دارند. یک حلقه نگه‌دارنده به قطر  (۲۵٫۵ میلی متر) نمونه را از یک طرف نگه می‌دارد.

در این آزمایش جریان آب به وسیله یک شیر کنترل می شود، کار این شیر کنترل حجم و سرعت مقدار آب خروجی است. آب با ته نمونه برخورد کرده و فرو می‌ریزد. بدین ترتیب سرعت سرد شدن نقاط مختلف قطعه از قسمت پایین آن به طرف بالا کمتر میشود. به طوری که قسمت بالای قطعه به وسیله هوای ساکن سرد می شود. بنابراین سختی موازی با طول میله تغییرات زیادی خواهد داشت.

باید از این تندسرمایی شد، سطح آزمایش در امتداد طول میله عمق ۰٫۱۵ اینچ (۰٫۳۸۱ میلی متر) سنگ زده می‌شود. سپس در امتداد طول فاصله هر ۰٫۰۶۲۵ اینچ سختی ( بر حسب راکول سیلیکون) اندازه‌گیری می‌شود.

برای راحتی چنین گیره و همچنین دقت کار، بهتر است که نمونه را با گیره نگه دارند. چنین گیره یا نگهدارنده‌هایی جز متعلقات دستگاه اندازه‌گیری سختی می‌بااشد. مرحله بعدی کار، خواندن و ثبت سختی‌های اندازه‌گیری شده بر روی کاغذ است.

اگر این آزمایش را برای چند فولاد مختلف انجام دهند نتایج را با هم مقایسه کنند در آن صورت می‌‌توان قابلیت سختی پذیری هر فولاد را  تخمین زد.

فولادهایی که قابلیت سختی‌پذیری بالاتری دارند در فاصله مشخص از انتهای میله، سختی بیشتری از خود نشان می‌دهند. بنابراین منحنی‌هایی که شیب کمتری دارند، قابلیت سختی‌پذیری بالاتری دارند. چون در آزمایش سختی‌پذیری انتهایی اندازه‌گیری سختی حداکثر تا ۲ اینچ (۵۱ میلی متر) قابل اندازه‌گیری  است.

بنابراین در منحنی‌های سختی‌پذیری انتهایی، سختی فقط تا این فاصله اندازه‌گیری می‌شود، از طرفی تاثیر آب در تندسرمایی حداکثر تا این فاصله است. و از این فاصله به بعد عملا قطعه در هوا تند سرمایی می شود.

منحنی هایی که به صورت خط راست می باشند، نشان دهنده قابلیت سختی‌پذیری  بسیار بالای فولاد هستند، به طوری که این فولاد در هوا کاملا تند سرمایی می شود. نمونه این فولادها، فولادهای ابزار هستند که در بخش بعدی این مقاله به آنها می پردازیم.


تغییرات در قابلیت سختی‌پذیری فولاد

از آنجا که ویژگی قابلیت سختی‌پذیری نقش اساسی در انتخاب فولاد دارد، به دلیل تنوع این خصوصیت در فولادهای مختلف تعداد فولادهای آلیاژی و کربنی زیاد است. به طور کلی قابلیت سختی‌پذیری  در فولادهای کربنی استاندارد خیلی کم است. اگر چه تغییرات زیادی به مقدار سختی‌پذیری  در میان انواع فولاد زیاد است. این تغییرات بستگی زیادی به مقدار منگنز فولاد دارد گاهی اوقات میزان عناصر آلیاژی فولاد، مقداری سختی‌پذیری  را تغییر می‌دهد. اطلاعات داده شده به این نکته اشاره می‌کند که حداکثر سختی فولاد با توجه به میزان کربن به دست‌ می‌آید در حالی که تفاوت در میزان عناصر آلیاژی بر روی قابلیت سختی‌پذیری  فولاد تاثیر می‌گذراند.


فولادهای H

به دلیل تغییراتی که در ترکیب شیمیایی فولاد انجام می شود، نباید انتظار داشت که دقت منحنی سختی‌پذیری  این فولاد، بسیار بالا باشد. این فولاد در دمای ۰F1600 (c ۰ ۸۷۰) یکنواخت سازی شده سپس قبل از تندسرمایی انتهایی در دمای ۰f 1550 (C ۰ ۸۴۵۵) آستنیت سازی شده است.

انجمن‌های SAE ,AISI در تهیه منحنی‌های سختی‌پذیری  فولادهای الیاژی و کربنی (به ویژه فولادهای آلیاژی) نقش عمده‌ای داشتند. فولادهایی که با قابلیت سختی‌پذیری  تضمین شده فروخته می‌شوند، به فولادهای H معروف هستند. کدگذاری این فولادها مانند دیگر فولادهای استاندارد می باشد با این تفاوت که پسوند H نشان دهنده فولادیست که محدوده سختی‌پذیری  آن را می‌توان مشخص کرد.


محدوده ترکیبات شیمیایی

اگر چه بیشتر فولادهای آلیاژی را می‌توان به صورت فولادهای H خریدار کرد، اما این طور نیست که تمام فولادها دارای نوع H هستند. فقط فولادهای کربنی و آلیاژی H می‌باشند. تولید کنندگان فولاد برای تشکیل فولادهای H ترکیب شییمیایی فولادهای  عادی را تغییر می‌دهند. این تغییر محدوده ترکیبات شیمیایی را تنظیم می‌کند و این کار باعث می‌شود که عمل ذوب کاری بر روی محصولات اصلاح شود و از طرفی بر منحنی های قابلیت سختی‌پذیر تاثیر بگذارد.  در هر صورت این تغییرات چندان زیاد نیست که بر خصویات کلی تاثیر بگذارد

کاربرد فولاد در صنعت ساختمان

فولاد

کریستال‌های فلزی فولادها

برای فهمیدن اینکه طی عملیات حرارتی چه اتفاقاتی می افتد ، باید آنچه که طی پروسه گرم کردن و سرد کردن روی فلز اتفاق می افتد را به تصویر بکشیم. این تغییرات این مخلوط آهن و کربن ایجاد می شوند. درون هر اتم جداگانه در مولکول اتفاق می افتد. اتمهای آهن برای شکل دادن کریستال آن در طراحی خیلی ساده چیده شده اند. تمامی فلزات ساختاری کریستالی دارند. کریستالهای فلزی خیلی مشابه به شبکه سنگ و بقیه سنگهای متنوع هستند.

اما برای دیدن ساختاری کریستالی دارند. کریستالهای آهن ، ما باید یک نمونه فلزی را بررسی کنیم و با میکروسکوپ متالوژیکی سطح آن را ببینیم فلز را از سطح مقطع آن می بریم و پرداخت می کنیم اما به لایه ای صاف برسیم ، همچنین آنرا پوشش می کنیم با اسید اوج می می توانیم تا مرز دانه بین هر کریستال زیر میکروسکوپ کاملا واضح شود. هر کریستال جداگانه در نظر دانه نامیده می شود. اندازه دانه ها متفیر است چدن آنها هنگام بریده شدن در جهاتت مختلفی می چرخند کم می شود.

سایه بین دانه ها همچنین متفاوت است چون کریستال درجات مختلفی رشد می کند. و نور را درجات و با زاویه های مختلف و با طول مهرج های مختلفی منعکس می کنند. شکل آنها هم همچنین نامنظم ولی قاعده است چون آنها شکل گیری هم برخورد می کرده اند.

زمانیکه میکروسکوپ متالوژیکی یکی اختراع شد دانشمندان چیز زیادی درباره ساختار فلزات نمی دانستند. مرزهای بین دانه های فولادهای پر کربن به نظر می رسیدند که نقش چسب یا سیمان را ایفا می کنند و کریستالها را کنار هم نگه می دارند. آنها این ماده جدید را سمنیت نامیدند و حالا ما می دانیم که سمنیت ترکیبی از آهن و کربن است که همچنین به عنوان کاربید آهن شناخته می شود که حین سرد شدن فولاد شکل می گیرد. فرمول شیمیایی کابیت آهن Fe3 است.

هر دانه یا کریستال از یک فلز ، از میلیاردها اتم تشکیل شده برای دیدن اتمها نمونه نباید بیش از ۳۰ میلیون برابر بزرگ نمایی شود که کار خیلی مشکلی است. پس ما باید هر اتم آهن را و رسم کنیم و ساختار آنها را طی تغییرات دما در طول پروسه عملیات حرارتی به تصویر بکشیم این شبکه کریستالی به هم پیوسته آهن دارای بزرگنمایی یک میلیون برابر است. اتمها بصورت فشرده بسته بندی شده اند ولی بصورت منظمی بسته بندی نشده اند. اتمهای آهن دمای فلز در ساختاری بسیار مشخصی حل و چیده شده اند. دمای ۱۸۰۰ درجه کار نهایت تقریبا بیشترین دمایی است که ما توانسته ایم فولاد کربنی را در آن تحت عملیات حرارتی قرار دهیم.


ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد

آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن، گوگرد، فسفر، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی‌های دیگر است. در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود:

  1. سوزاندن ناخالصی‌های چدن
  2. افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می‌شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می‌شود و کربن هم می‌سوزد و مونوکسید کربن (CO) یا دی‌اکسید کربن (CO۲) در می‌آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولاً دی‌اکسید سیلسیم (SiO۲) است، بکار می‌برند:

MnO + SiO۲ ——-> MnSiO۳

و چنانچه ناخالصی اصلی سیلسیم یا فسفر باشد (و معمولاً چنین است)، یک کمک ذوب بازی که معمولاً اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید کلسیم (CaO) است، اضافه می‌کنند:

MgO + SiO۲ ——-> MgSiO۲

۶MgO + P۴O۱۰ ——-> ۲Mg۳(PO۴)۲


کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها

در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود:

  1. سوزاندن مقداری کربن و نیز سوزاندن ناخالصی‌های آهن خام سفید یا خروج آن‌ها به صورت سرباره.
  2. افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده (عناصر مورد نیاز در فولاد) به آهن خام سفید.

برای تولید فولاد از کوره‌ها و پاتیل‌های مختلفی استفاده می‌کنند که روش کار در هر یک از آن‌ها متفاوت است. در ادامه هر یک از کوره‌ها و پاتیل‌های فولاد سازی و روش‌کار آن‌ها مختصراً شرح داده خواهد شد:

  • کوره شعله‌ای: این کوره همانند کوره شعله‌ای چدن سازی است. امروزه دیگر از این کوره برای فولاد سازی استفاده نمی‌شود.
  • پاتیل بسمر: آستر این پاتیل از آجر نسوز اسیدی است که با سیلیس و خاک رس ساخته شده است. زیرا در این پاتیل فولاد اسیدی تولید می‌شود. در پاتیل بسمر، اکسیژن با فشار به روی آهن خام مذاب دمیده می‌شود و ناخالصی‌های آن را اکسید می‌کند. در پاتیل بسمر از آهک استفاده نمی‌کنند زیرا با سیلیس موجود در آستر، تولید سیلیکات کلسیم می‌کند و باعث خوردگی آن می‌شود.
  • پاتیل توماس: آستر این پاتیل از آجر نسوز قلیایی است که با دولومیت ساخته شده است. زیرا در این پاتیل فولاد قلیایی می‌سازند. در پاتیل توماس برای گرفتن ناخالصی فسفر، به آهن خام مذاب آهک اضافه می‌کنند تا سرباره فسفات کلسیم تشکیل شود.
  • کوره زیمنس مارتن (اُپن هارت): در این کوره با دمیدن هوای داغ، کربن آهن خام مذاب را می‌سوزانند. جنس فولاد تولید شده در این کوره ممتاز بوده و ناخالصی آن کم است زیرا در برابر حرارت به عمل می‌آید.
  • کوره الکتریکی: در این کوره حرارت ناشی از ایجاد قوس الکتریکی بین الکترودهای گرافیتی و آهن خام مذاب درون کوره، سبب ذوب و اکسید شدن ناخالصی‌ها میشود. این کوره نیاز به ماده سوختی و اکسیژن ندارد و فولاد حاصل از آن نیز از کیفیت بالایی برخوردار است. از این کوره برای تصفیه فولاد به دست آمده از کوره‌ها و پاتیل‌های دیگر و تبدیل آن به فولاد مرغوب نیز استفاده می‌کنند.

معمولاً جداره داخلی کوره‌ای را که برای تولید فولاد بکار می‌رود، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، می‌پوشانند. این پوششی مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذب می‌کند. برای جدا کردن ناخالصی‌ها، معمولاً از روش کوره باز استفاده می‌کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جای می‌گیرد.

بالای این ظرف، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می‌کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می‌دهند تا ناخالصی‌های موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می‌آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می‌کشد، البته مقداری از آهن، اکسید می‌شود که آن را جمع‌آوری کرده، به کوره بلند باز می‌گردانند.


روش دیگر جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن

در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن استفاده می‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره‌ای بشکه مانند که گنجایش ۳۰۰ تن بار را دارد، می‌ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می‌دهند.

اکسایش ناخالصی‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO۲ رها می‌شوند، توده مذاب را به هم می‌زنند، بطوری که آهن ته ظرف، رو می‌آید. دمای توده مذاب، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریباً به دمای جوش آهن می‌رسد و در چنین دمایی، واکنشها فوق‌العاده سریع بوده، تمامی‌ این فرایند، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می‌شود و معمولاً محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می‌آید.


تبدیل آهن به فولاد آلیاژی

آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم، کروم، تیتانیم، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل می‌کنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن، تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در دمای زیاد، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده، کاربید آهن (Fe۳C) به نام «’سمنتیت» تشکیل می‌دهند. این واکنش، برگشت‌پذیر و گرماگیر است:

Fe۳C <——- گرما + ۳Fe + C

هرگاه فولادی که دارای سمنتیت است، به کندی سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن، جابجا شده، کربن به صورت پولکهای گرافیت جدا می‌شود. این مکانیزم در چدن‌ها که درصد کربن در آنها بیشتر است، اهمیت بیشتری دارد. برعکس، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتاً به شکل سمنتیت باقی می‌ماند. تجزیه سمنتیت در دمای معمولی به اندازه‌ای کند است که عملا انجام نمی‌گیرد.


تهیه فولاد

محصول کوره ذوب آهن ، چدن است که معمولا دارای ناخالصی کربن و مقادیر جزئی ناخالصی‌های دیگر است که به نوع سنگ معدن و ناخالصی‌های همراه آن و همچنین به چگونگی کار کوره بلند ذوب آهن بستگی دارد. از آنجایی که مصرف عمده آهن در صنعت بصورت فولاد است، از این رو ، باید به روش مناسب چدن را به فولاد تبدیل کرد که در این عمل ناخالصی‌های کربن و دیگر ناخالصی‌ها به مقدار ممکن کاهش ‌یابند.


روش‌های تولید و تهیه فولاد

از سه روش برای تهیه فولاد استفاده می‌شود:

  • روش بسمه

در این روش ، ناخالصی‌های موجود در چدن مذاب را به کمک سوزاندن در اکسیژن کاهش داده ، آن را به فولاد تبدیل می‌کنند. پوشش جدار داخلی کوره بسمه از سیلیس یا اکسید منیزیم و گنجایش آن در حدود ۱۵ تن است. نحوه کار کوره به این ترتیب است که جریانی از هوا را به داخل چدن مذاب هدایت می‌کنند تا ناخالصی‌های کربن و گوگرد به‌صورت گازهای SO2 و CO2 از محیط خارج شود و ناخالصی‌های فسفر و سیلیس موجود در چدن مذاب در واکنش با اکسیژن موجود در هوا به‌صورت اکسیدهای غیر فرار P4O10 و SiO2 جذب جدارهای داخلی کوره شوند و به ترکیبات زودگداز Mg3(PO4)2 و MgSiO3 تبدیل و سپس به‌صورت سرباره خارج شوند.

سرعت عمل این روش زیاد است، به همین دلیل کنترل مقدار اکسیژن مورد نیاز برای حذف دلخواه ناخالصی‌های چدن غیرممکن است و در نتیجه فولاد با کیفیت مطلوب و دلخواه را نمی‌توان به این روش بدست آورد.

  • روش کوره باز (یا روش مارتن)

در این روش برای جدا کردن ناخالصی‌های موجود در چدن ، از اکسیژن موجود در زنگ آهن یا اکسید آهن به جای اکسیژن موجود در هوا در روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصی‌هایی مانند کربن ، گوگرد و غیره) استفاده می‌شود. برای این منظور از کوره باز استفاده می‌شود که پوشش جدار داخلی آن از MgO و CaO تشکیل شده است و گنجایش آن نیز بین ۵۰ تا ۱۵۰ تن چدن مذاب است. حرارت لازم برای گرم کردن کوره از گازهای خروجی کوره و یا مواد نفتی تأمین می‌شود. برای تکمیل عمل اکسیداسیون ، هوای گرم نیز به چدن مذاب دمیده می‌شود. زمان عملکرد این کوره طولانی‌تر از روش بسمه است. از این نظر می‌توان با دقت بیشتری عمل حذف ناخالصی‌ها را کنترل کرد و در نتیجه محصول مرغوب‌تری بدست آورد.

  • روش الکتریکی

از این روش در تهیه فولادهای ویژه‌ای که برای مصارف علمی ‌و صنعتی بسیار دقیق لازم است، استفاده می‌شود که در کوره الکتریکی با الکترودهای گرافیت صورت می‌گیرد. از ویژگی‌های این روش این است که احتیاج به ماده سوختنی و اکسیژن ندارد و دما را می‌توان نسبت به دو روش قبلی ، بالاتر برد.

این روش برای تصفیه مجدد فولادی که از روش بسمه و یا روش کوره باز بدست آمده است، به منظور تبدیل آن به محصول مرغوبتر ، بکار می‌رود. برای این کار مقدار محاسبه شده ای از زنگ آهن را به فولاد بدست آمده از روشهای دیگر ، در کوره الکتریکی اضافه کرده و حرارت می‌دهند. در این روش ، برای جذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده‌ای اکسید کلسیم و برای جذب اکسیژن محلول در فولاد مقدار محاسبه شده ای آلیاژ فروسیلیسیم (آلیاژ آهن و سیلیسیم) اضافه می‌کنند.


انواع فولاد و کاربرد آن‌ها

از نظر محتوای کربن ، فولاد به سه نوع تقسیم می‌شود:

  • فولاد نرم

این نوع فولاد کمتر از ۰,۲ درصد کربن دارد و بیشتر در تهیه پیچ و مهره ، سیم خاردار و چرخ دنده ساعت و … بکار می‌رود.

  • فولاد متوسط

این فولاد بین ۰,۲ تا ۰,۶ درصد کربن دارد و برای تهیه ریل و راه آهن و مصالح ساختمانی مانند تیرآهن مصرف می‌شود.

  • فولاد سخت

فولاد سخت بین ۰,۶ تا ۱,۶ درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و برای تهیه فنرهای فولادی ، تیر ، وسایل جراحی ، مته و … بکار می‌رود.

  • فولاد ضدزنگ

بر روی کارد و چنگال آشپز خانه کلمات Stain steel را می بینید و همین طور در پشت ساعت ها . فولاد ضد زنگ را فولاد زنگ نزن نیز می گویند . فولاد ضد زنگ آلیاژی است که در آن کروم به کار رفته است . سه نوع فولاد ضد زنگ وجود دارد . نوع اول آن دارای ۱۳ درصد کروم و مقداری نیکل و بقیه آهن . نوع دوم آن دارای ۱۷ درصد کروم و ۲ درصد نیکل و بقیه آهن است . نوع سوم آن دارای ۱۸ درصد کروم و۶ درصد نیکل وبقیه آهن است . فولاد ضد زنگ در تهیه آلات برنده به کار می رود و علت آن مقاومت این آلیاژ در برابر خوردگی است . آلیاژ های کروم بدون آهن شامل آلیاژ نیکروم و کرومل است که در وسایل گرمایی مختلف به علت خاصیت مقاومت الکتریکی شان به کار می روند .کروم چون زنگ نمی زند برای روکش کردن سایر فلزات به کار می رود . ترکیبات کروم در رنگرزی و دباغی نیز به کار می روند . مواد نسوزی که به عنوان آستر کوره های الکتریکی مصرف می شوند از مخلوط کردن سنگ معدن کرومیت با خاک چینی یا اکسید منیزیم تهیه می شوند . فولاد کروم که دارای ۴ درصد کروم و ۱ در صد کربن است بسیار سخت بوده و موارد استعمال فراوان دارد . فولاد کروم ـ وانادیم خیلی سخت و محکم بوده و در ساختن فنرها و چرخ های اتومبیل به کار می رود . فولادکروم ـ نیکل در روکش کردن سلاح های جنگی و فولاد های کروم تنگستن و کروم مولیبدن در ساختن ابزار هایی که با سرعت خیلی زیاد کار می کنند مصرف می شود . نیکروم که قبلا به آن اشاره شد آلیاژی است که دارای ۱۱ تا ۲۵ درصد کروم و بقیه نیکل است . استلیت آلیاژی است که دارای کروم کبالت وتنگستن است و در وسایل جراحی و قسمت هایی از موتور اتوموبیل به کار رفته است . در شیشه های رنگی نیز مفداری از نمک های کروم دار مصرف شده است.

  • فولاد کاغذی

نگرانی که ذهن اکثر فولادسازان جهان را به خود مشغول کرده، این است که هر چقدر افزایش تقاضا برای مصرف فولاد از میزان روزهای اوج خود کمتر شود، افزایش چشمگیر و قابل ملاحظه در ظرفیت تولید فولاد چین به سمت صادرات به بازارهای مصرف خارج گرایش پیدا خواهد کرد.

سال‌های آغازین قرن بیستم، تولید فولاد یکی از شاخص‌های مهم قدرت در عرصه بین‌المللی به شمار می رفت. در واقع، تولید فولاد نشان‌دهنده قدرت کشورهای تولیدکننده بود. در حال حاضر نیز با وجودی که بیشتر توجهات به سمت صنایع دانش‌محور نظیر صنایع مهندسی و نرم‌افزارهای رایانه‌ای معطوف شده است، ولی هنوز هم هر نوع تغییر و تحول در بازار فولاد، باعث خبرسازی در جهان اقتصاد می‌شود. البته دنیای امروز فولاد بیشتر تحت تأثیر انفجار اقتصادی چین قرار دارد، زیرا این کشور هم‌اکنون به تنهایی یک‌چهارم کل فولاد تولیدی جهان را مصرف می‌کند. در حقیقت، افزایش چشمگیر تقاضای مصرف فولاد این کشور در اواخر سال ۲۰۰۳، باعث خروج این صنعت از کسادی شد. این در حالی بود که در همان زمان آمریکا برای جلوگیری از ورشکستگی سریالی کارخانجات فولادسازی خود، اقدام به وضع تعرفه واردات بر فولاد کرده بود، ولی مصرف فولاد در چین در این فاصله زمانی آنچنان بالا ‌رفت که در نوع خود موجب افزایش قیمت فولاد در سراسر جهان گردید. برای مثال، ورق فولادی مورد استفاده در ساخت خودرو و یخچال از ۲۰۰ دلار در هر تن به بیش از ۶۰۰ دلار افزایش پیدا کرد.

کاربرد فولاد

صادرات محدود فولاد در جهان

تجارت جهانی فولاد(واردات-صادرات) سالیانه حدود ۳۰ الی ۳۵ درصد کل تولید جهانی آن می‌باشد. دلیل عمده کم ‌بودن حجم تجارت فولاد، مشکل حمل و نقل فولاد و هزینه‌بر بودن آن است. به همین دلیل، تولیدکنندگان فولاد سعی می‌کنند که عمده تولیداتشان را در داخل کشور خود عرضه نمایند و اگر بخواهند صادرات هم داشته باشند، به دنبال بازارهای نزدیک و محلی هستند. کشورهایی مثل ژاپن و ترکیه در دسته صادرکنندگان بزرگ فولاد هستند .آمریکا نیز با وجود صادراتی که دارد، جزو بزرگترین واردکنندگان فولاد می باشد.


رشد تولید در مناطق مختلف جهان

میزان رشد تولید فولاد در کشورهای مختلف صنعتی، در سال‌های بین ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۴ نکته‌ای قابل تامل است؛ تولید فولاد ژاپن در این مدت حدود ۱٫۲ درصد افزایش داشته است. در همین مدت، رشد تولید در آمریکا منفی بوده است؛ البته این رشد منفی را باید به بحران‌های اقتصادی آمریکا نسبت داد که حتی سبب ورشکستگی بعضی از تولیدکنندگان آمریکایی نیز شده است. به طور کلی، تولید فولاد در آمریکای شمالی به سبب تأثیرپذیری از بحران‌های اقتصادی آمریکا، رشد منفی داشته است.

رشد تولید فولاد در اروپا، در سال‌های بین ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۴ حدود ۰٫۹ درصد بوده،که یکی از دلایل آن واردات فولاد بویژه فولادهای با قیمت پایین از سایر کشورها می‌باشد. در مقابل، تولید فولاد در کشورهای اروپای شرقی، هنوز جای رشد دارد. میزان رشدی که طی ده سال آینده برای تولید فولاد جهان پیش‌بینی می‌شود، بین ۱٫۷ تا ۲٫۵ درصد است که بیشترین رشد مربوط به کشورهای در حال توسعه نظیر چین و هند خواهد بود. با در نظر داشتن جایگاه این دو کشور پرجمعیت در دسته‌بندی ارایه شده برای کشورهای مختلف، و در جهت رشد و توسعه آنها می‌توان گفت این کشورها در آینده نیاز به تولید فولاد بسیار زیادی خواهند داشت.


دلایل کاهش رشد تولید فولاد در کشورهای صنعتی

یکی از مسائلی که در زمینه تولید فولاد قابل توجه است، سعی کشورهای پیشرفته به انتقال تولید فولاد به کشورهای در حال توسعه است که یکی از دلایل مهم آنرا می‌توان آلاینده بودن صنعت فولاد ذکر نمود . لازم به توضیح است که، استانداردهای محیط زیست در کشورهای پیشرفته بسیار سخت‌گیرانه‌اند در حالیکه متاسفانه در کشورهای در حال توسعه توجه چندانی به استانداردها در این زمینه نمی‌شود. همچنین، ارزان بودن نیروی انسانی و فراوانی مواد اولیه در کشورهای در حال توسعه، قابل مقایسه با کشورهای پیشرفته نیست؛ به علاوه، تولیدکنندگانی چون کشورهای آسیای میانه، به علت مشکلات اقتصادی تمایل دارند تولیدات خود را در مراحل اولیه تولید (تولید شمش) سریع‌تر و با قیمت پایین به فروش برسانند. لذا میزان تولید بالا و قیمت پایین تولید در کشورهای مذکور و برخی کشورهای آمریکای جنوبی، تهدیدی جدی برای صنایع فولاد کشورهای پیشرفته به حساب می‌آید.

عوامل مذکور سبب شده است که آمریکا برای بقای صنایع فولاد خود مجبور به وضع قوانین تعرفه‌ای برای واردات فولاد شود. همچنین با توجه به این عوامل است که،کشورهای پیشرفته در صنعت فولاد به سمت سرمایه‌گذاری در بخشهایی از صنعت فولاد با آلایندگی کمتر و ارزش افزوده بیشتر مانند نورد، فولادهای آلیاژی و کیفی و محصولات نهایی جدیدحرکت مینمایند.


چالش‌های پیش رو در صنعت فولاد

تامین قراضه یکی از مسائل مهم صنعت فولاد ایران است جهت مقابله با این مشکل کنار گذاشتن تجهیزات فرسوده، احداث واحدهای جدید پلیت‌سازی و تولید آهن اسفنجی الزامی است.

در حال حاضر قراضه ایران جوابگو صنایع  فولاد کشور نمی باشد و از خارج نیز تامین می‌شود.

کارخانه فولاد


اتصالات در سازه‌های فولادی

با توجه به افزایش ساخت وساز، و پیشرفت روز افزون علم ،این انتظار میرود که سازه های اجرا شده ازمقاومت بالایی برخورد باشند ، لذا شناخت کافی از هر دو سازه فولادی و بتنی، مزیت ها و معایب ان امری بسیار مهم است.

مزایای سازه‌های فولادی

مقاومت زیاد، مقاومت مصالح مقاومت، خواص ارتجاعی، دوام، شکل پذیری، پیوستگی مصالح، تقویت پذیری ،ضریب نیروی لرزه ای، سرعت نصب، پرت مصالح، وزن کم، اشغال فضا و شرایط نصب اسان است،که به اختصار توضیح داده شده است.

معایب سازه‌های فولادی

ضعف در دمای زیاد، خوردگی و فساد در مقابل عوامل خارجی،جوش نا مناسب و تمایل قطعات فشاری به کمانش است.

از دیگر مواردیکه باعث کاهش مقاومت سازه های فلزی می شوند ، می توان به جوش نا مناسب اشاره کردکه علل ان را می توان در:

عدم انطباق اجرای سازه های فولادی با ایین نامه ها و دستور العمل ها

کیفیت پایین جوش به علت عدم اموزش کلاسیک کافی در این زمینه برای جوشکاران

نبود نظارت اصولی و دقیق بر اجرای جوشکاری در ساختمان شهری در کشور

در ساختمانهای فلزی اتصال قطعات به همدیگر با جوش ، پرچ ، پیچ صورت میگیرد . استفاده از پیچ و مهره وتهیه ، ساخت قطعات در کارخانجات اقتصادی ترین ، فنی ترین کار می باشد که در کشور ما برای ساختمانهای متداول چنین امکاناتی مهیا نیست . اتصال با جوش بعلت عدم مهارت جوشکاران ، استفاده از ماشین آلات قدیمی ، عدم کنترل دقیق توسط مهندسین ناظر ، گران بودن هزینه آزمایش جوش و …… برزگترین ضعف میباشد.

براساس تجربه های حاصل از زلزله های گذشته و مطالعات انجام گرفته سازه هایی در برابر زلزله دارای عملکرد بهتری هستند که بتوانند ضمن حفظ پایداری و انسجام کلی خود انرژی ناشی از زلزله را تا حد امکان جذب و مستهلک نمایند.با توجه به منحنی نیرو-تغییر مکان  سازه ها و توجه به  این مطلب که سطح بین منحنی نیرو-تغییرمکان و محور تغییرمکان نشان دهنده میزان انرژی جذب شده توسط سازه است.

هر چه سازه شکل پذیرتر باشد انرژی بیشتری را  هنگام زلزله جذب کرده و رفتار مطلوبتری دارد.فولاد نرمه به علت طبیعت شکل پذیر از این نظر ماده مناسبی می باشد و می تواند میزان زیادی انرژی جذب کند.

نحوه مقاوم ساختن سازه های فولادی در مقابل زلزله

روش اول

کلیه نیروهای زلزله را به تیر ها و ستون ها داد که در این صورت ابعاد ستون ها و تیر ها باید از حالت معمول قطورتر باشد که مقرون به صرفه نیست.

روش دوم

ابعاد باد بند تیرها و ستون ها که باد بندها معمولا از دو عدد پروفیل نبشی ودوعدد تیر آهن یا دو ناودانی تشکیل شده که بهتر است این باد بند ها بصورت ضربدری به اسکلت جوش داده شود. در صورتی که امکان ایجاد بادبند ضربدری نباشد، می توان از بادبند های ذوزنقه ای استفاده کرد.

با توجه به اینکه تیر موازی ورق اتصال که عمود بر ستون نصب شده است نیست، در یک جهت تیر طول بسیاری از آن غیر قابل جوش به ورق اتصال گیردار می باشد (فلش مشکی). بنا براین، طول جوش لازم برای انتقال لنگر گیرداری تیر به ستون کافی نخواهد بود (احتمالا اتصال برای این حالت طرح نشده است چون ورق اتصال مانند بقیه ورق های اتصال می باشد) وعملا تیر، لنگر مورد نظر  در تحلیل را درهنگام زلزله نمی تواند تحمل کند و سهم بیشتری از نیروی زلزله به تیرهای اطراف آن وارد میشود.

 اجزای سازه­ای تشکیل دهنده قاب فولادی سبک

اعضای این سیستم به صورت مقاطع سرد نورد شده و در مواردی مقاطع ترکیب شده از چند عضو با اتصالات پیچی هستند.

ستونک (وادار)

اعضای عمودی در این سیستم ستونک نام دارند و بارهای قائم را به شالوده انتقال می­دهند.

لاوک

اعضای افقی در این سیستم لاوک­ها هستند که ستونک­ها بر روی آنها قرار می­گیرند. انتهای ستون­ها در تراز سقف هم به وسیله همین اعضا به یکدیگر متصل می­شوند.

تیرچه

تیرچه­‌ها بار کف را به لاوک­ها انتقال می­دهند.

اتصال دهنده‌­های داخلی دیوارها

این اعضای افقی موجب اتصال ستونک­ها و رفتار یکپارچه این اعضا می­شوند. تعداد و موقعیت قرارگیری اعضای افقی، کاملاً وابسته به طراحی ستونک­ها است. این اعضای افقی معمولاً به هر دو طرف ستونک­ها در یک تراز پیچ می­شوند.

سخت کننده جان

این سخت کننده­ها در نقاطی که بار متمرکز بر تیر وارد می­شود برای افزایش مقاومت و سختی جان تیر یا تیرچه اجرا می­شوند.

نبشی اتصال

برای اتصال اعضا به یکدیگر در صورتی که اتصال سیستم کافی نباشد، از نبشی اتصال بین این قطعات استفاده می­شود.

پیچ­های اتصال دهنده

برای اتصال اعضا به یکدیگر از پیچ استفاده می­شود. این پیچ­ها در اندازه­ها و شکل­های مختلف موجودند. برای سوراخ کردن هم می­توان از مته­های مخصوص استفاده کرد. هر یک از این پیچ­ها برای شرایط خاص استفاده می­شوند.

ابزار ساخت و نصب

برای اتصال قطعات سازه­ای و غیرسازه­ای و اجرای عملیات نصب سازه فولادی سبک، ابزارهای مختلفی وجود دارد که می­تواند سبب سهولت عملیات ساخت، نصب و تکمیل قطعات شود.

بخش­های مختلف سیستم قاب فولادی سبک نورد سرد

شالوده

همواره برای انتقال بار یک سازه به خاک، نیاز به یک سازه میانی است که این بار را بدون ایجاد تغییر شکل­های زیاد به زمین منتقل کند. در سیستم قاب فولادی سبک به دلیل وزن کم سازه و دیوارها از شالوده­های گسترده استفاده می­شود. برای نمونه شالوده دیوارها برای زمین­های با مقاومت خاک حدود یک کیلوگرم بر سانتیمتر مربع در شکل نمایش داده شده است.

مقدار ضخامت شالوده با توجه به میزان بار موجود بر روی شالوده تعیین می­شود. به دلیل سبک بودن و کاهش بارهای وارده در این سیستم سازه­ای، ضخامت شالوده بسیار کم است، بنابراین مقدار حداقل برای ضخامت شالوده مطابق آیین­نامه در نظر گرفته می­شود، ضخامت شالوده باید در هر حال از بیرون­زدگی شالوده از دیوار بیشتر باشد (T>P).

اتصال اجزای قاب فولادی سبک (ستونک یا لاوک) به شالوده از طریق میله­های اتصال شالوده انجام می­شود. اتصال سازه فولادی سبک به شالوده با استفاده از یکی از دو روش زیر انجام می­شود:

  • نصب ستونک به شالوده: در این روش، ستونک­ها به صورت مستقیم از طریق میله­های اتصال به شالوده وصل می­شوند.
  • اتصال لاوک به شالوده: در این روش ابتدا لاوک­ها به میله­های اتصال شالوده بسته شده و سپس ستونک­ها به لاوک­ها وصل می­شوند.
گچ پلیمری
خرید آنلاین گچ
گچ گیپتون
فهرست
error: این محتوا تحت حفاظت است