1. مقدمة
الصلب هي واحدة من أهم المواد في الهندسة الحديثة, الصناعات الداعمة التي تتراوح من البناء وتصنيع السيارات إلى الطيران والبنية التحتية للطاقة.
حتى الآن, ليس كل الفولاذ يؤدي بشكل مماثل. اعتمادًا على مقدار العناصر التي تحتوي عليها وعناصر صناعة السبائك, تنقسم الفولاذ إلى عائلات فولاذية منخفضة الفولاذ.
تحقيق التوازن الصحيح بين الأداء والمفصلات التكلفة على فهم هذه الفروق.
لذلك, هذه المقالة تفحص الفولاذ ذي الصلة منخفضة (لاس) والصلب العالي (لديه) من زوايا متعددة - الكيمياء, الميكانيكا, مقاومة التآكل, يعالج, الاقتصاد, وتطبيقات العالم الحقيقي-لتوجيه اختيار المواد الخاص بك.
2. ما هو الفولاذ المنخفض (لاس)?
الفولاذ المنخفض الفولاذ هي فئة من المواد الحديدية المصممة لتحقيق الأداء الميكانيكي المتفوق والمقاومة البيئية من خلال إضافة عناصر صناعة السبائك التي يتم التحكم فيها بعناية.
حدده معهد الحديد والصلب الأمريكي (إيسي) كما الفولاذ التي تحتوي على محتوى السبائك الكلية لا يتجاوز 5% بالوزن,
يقدم الفولاذ المنخفض من جميع الأوقات توازنًا دقيقًا بين الأداء, التصنيع, والتكلفة - وضعهم كمواد العمود الفقري عبر صناعات متعددة.
التركيب الكيميائي والبنية المجهرية
على عكس الكربون الصلب, الذي يعتمد فقط على نظام الكربون الحديدي,
يتضمن الفولاذ المنخفض من جميع أنحاء مجموعة متنوعة من العناصر المعدنية التي تعمل على تحسين خصائص المواد بشكل تآزري دون تغيير بنية طور الصلب بشكل أساسي.
تشمل عناصر السبائك الأكثر شيوعًا وأدوارها النموذجية:
- الكروم (كر): يعزز الصلابة, مقاومة الأكسدة, وقوة درجة الحرارة العالية.
- النيكل (في): يحسن صلابة الكسر, خاصة في درجات الحرارة دون الصفر.
- الموليبدينوم (شهر): يزيد القوة في درجات الحرارة المرتفعة ويعزز مقاومة الزحف.
- الفاناديوم (V): يعزز حجم الحبوب الدقيقة ويساهم في تصلب هطول الأمطار.
- نحاس (النحاس): يوفر مقاومة تآكل معتدلة في الغلاف الجوي.
- التيتانيوم (ل): يثبت كربيد ويعزز الاستقرار المجهرية.
تؤثر عناصر صناعة السبائك هذه على استقرار المرحلة, تقوية الحل الصلبة, وتكوين كربيد أو نيتريدات مشتتة.
نتيجة ل, عادةً ما تظهر الفولاذ المنخفضة الفولاذ المجهرية المكونة من الفريت, بيرليت, بوليت, أو مارتنسيت, اعتمادًا على المعالجة الحرارية المحددة ومحتوى السبائك.
على سبيل المثال, chromium-molybdenum فولاذ (مثل أيسي 4130 أو 4140 فُولاَذ) تشكل هياكل مارتينيتيك بعد التبريد والتهدئة, تقديم قوة عالية وارتداء المقاومة دون التضحية بالليونة.
التصنيف والتسمية
يتم تصنيف الفولاذ المنخفضة من جميع الأعمدة بناءً على سلوكها الميكانيكي, استجابة المعالجة الحرارية, أو بيئة الخدمة المقصودة. وتشمل الفئات الشائعة:
- الفولاذ المراوغ والمخفف: معروف بالقوة العالية والصلابة.
- سبائك منخفضة القوة عالية (HSLA) الفولاذ: محسّن للتطبيقات الهيكلية مع تعزيز القابلية للتشكيل وقابلية اللحام.
- الفولاذ المقاوم زحف: مصمم للحفاظ على القوة في درجات حرارة مرتفعة.
- فولاذ التجوية (على سبيل المثال, ASTM A588/Corten): تم تطويره لتحسين مقاومة التآكل في الغلاف الجوي.
في نظام تعيين AISI-SAE, غالبًا ما يتم تحديد الفولاذ المنخفض من قبل أرقام مكونة من أربعة أرقام تبدأ بـ "41", "43", "86", أو "87", تشير إلى مجموعات سبائك محددة (على سبيل المثال, 4140 = 0.40% ج, CR-MO الصلب).
3. ما هو الصلب العالي (لديه)?
يشير الفولاذ العالي إلى وجود فئة واسعة من الفولاذ التي تحتوي 5% بالوزن, في كثير من الأحيان تصل إلى مستويات من 10% ل 30% أو أكثر, اعتمادًا على الصف والتطبيق.
على عكس الفولاذ منخفضة الكل, الذي يحسن الخصائص مع إضافات متواضعة, يعتمد الفولاذ العالي على تركيزات كبيرة من العناصر
مثل الكروم (كر), النيكل (في), الموليبدينوم (شهر), التنغستن (دبليو), الفاناديوم (V), والكوبالت (شركة) لتحقيق خصائص الأداء المتخصصة للغاية.
تم تصميم هذه الفولاذ للبيئات المتطلبة التي تتطلب مقاومة استثنائية للتآكل, القوة الميكانيكية, استقرار درجات الحرارة العالية, أو ارتداء المقاومة.
وتشمل الأمثلة الشائعة الفولاذ المقاوم للصدأ, فولاذ الأداة, الفولاذ مراوغ, و superalloys.
التركيب الكيميائي والبنية المجهرية
يمتلك الفولاذ العاليين كيمياء معقدة مصممة للتحكم في البنية المجهرية للصلب في كل من الغرفة ودرجات حرارة مرتفعة. يلعب كل عنصر من عناصر السبائك دورًا دقيقًا:
- الكروم (≥12 ٪): يعزز التخميل من خلال تشكيل رقيقة, طبقة أكسيد ملتصقة, وهو أمر ضروري لمقاومة التآكل في الفولاذ المقاوم للصدأ.
- النيكل: يعزز المتانة, مقاومة التأثير, ومقاومة التآكل, بينما استقرت أيضًا في مرحلة أوستنيكية.
- الموليبدينوم: يزيد من القوة في درجات حرارة عالية ويحسن مقاومة التآكل وتآكل الشقوق.
- الفاناديوم وتنغستن: تعزيز تكوين كربيد جيد لمقاومة التآكل والصلابة الساخنة.
- الكوبالت وتيتانيوم: تستخدم في الأداة والمهارة الفولاذ لتقوية الحل الصلبة وتصلب هطول الأمطار.
تتيح استراتيجيات صناعة السبائك هذه التلاعب بالمرحلة الدقيقة, بما في ذلك الاحتفاظ بأوستنيت, تشكيل martensite, أو تثبيت المركبات المتداخل والكربيدات المعقدة.
على سبيل المثال:
- الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ (على سبيل المثال, 304, 316): محتويات CR و NI عالية تثبيت مكعب غير مغناطيسي (لجنة الاتصالات الفيدرالية) بناء, الحفاظ على ليونة ومقاومة التآكل حتى في درجات الحرارة المبردة.
- درجات مارتينيتيك وترسيخ هطول الأمطار (على سبيل المثال, 17-4الرقم الهيدروجيني, أداة الصلب H13): ميزة رباعي محور الجسم (الفريق القتالي) أو هيكل مارتينيسيتي الذي يمكن تصلبه بشكل كبير عن طريق المعالجة الحرارية.
تصنيف الفولاذ عالي السبائك
يتم تصنيف الفولاذ العالي بشكل عام إلى الأنواع الرئيسية التالية:
| فئة | السبائك النموذجية | الميزات الأولية | التطبيقات المشتركة |
|---|---|---|---|
| الفولاذ المقاوم للصدأ | 304, 316, 410, 17-4الرقم الهيدروجيني | مقاومة التآكل عن طريق تصويري CR; بعض الدرجات تقدم القوة + ليونة | المعدات الكيميائية, الأدوات الطبية, بنيان |
| أداة الصلب | ح13, D2, M2, T1 | صلابة عالية, مقاومة التآكل, صلابة حمراء | يموت, أدوات القطع, قوالب |
| ماراجينج ستيل | 18في(250), 18في(300) | قوة عالية للغاية, صلابة; تصلب هطول الأمطار من martensite الغنية بالني | الفضاء الجوي, دفاع, الأجزاء الميكانيكية عالية الأداء |
| السبائك الفائقة | إنكونيل 718, هاستيلوي, رينيه 41 | قوة استثنائية + مقاومة التآكل/الأكسدة في درجات حرارة عالية | توربينات, محركات طائرة, المفاعلات النووية |
4. خصائص الأداء من الفولاذ ذي الصلب ذي الصلة العالية
إن فهم مدى اختلاف الفولاذ المنخفض مقابل الفولاذ العالي في الأداء الميكانيكي والبيئي أمر ضروري للمهندسين والمصممين
عند اختيار مواد للنزاهة الهيكلية, خدمة طول الخدمة, وفعالية التكلفة.
لا تنشأ سمات الأداء هذه ليس فقط من التركيب الكيميائي ولكن أيضًا من العلاجات الميكانيكية الحرارية والتحكم في البنية الدقيقة.
لتقديم مقارنة مفصلة, الخصائص الرئيسية الموضحة أدناه:
| ملكية | الصلب منخفضة الصلب | الصلب عالي الكل |
|---|---|---|
| قوة الشد | تتراوح عادة من 450-850 ميجا باسكال, اعتمادًا على المعالجة الحرارية والصف | غالبًا ما يتجاوز 900 MPa, خاصة في فولاذ الأدوات المتصلب أو درجات مراوغة |
| قوة العائد | يمكن أن تصل 350-700 ميجا باسكال بعد التبريد والتهدئة | يمكن أن تتجاوز 800 MPa, لا سيما في الفولاذ المتصلب والهطول |
| ليونة (استطالة %) | ليونة معتدلة (10-25 ٪), مناسبة لتشكيل | يختلف على نطاق واسع; عرض الدرجات الأوستنيتي >30%, في حين أن فولاذ الأدوات قد يكون <10% |
صلابة |
يحقق 200-350 HB; يقتصر على مستويات الكربون والسبائك | يمكن أن تتجاوز 600 الجهد العالي (على سبيل المثال, في فولاذ M2 أو D2); مثالي للتطبيقات الماردة |
| ارتداء المقاومة | تعززها كربيد في درجات CR/MO, لكن معتدلة بشكل عام | ممتاز في الأداة والفولاذ بسبب ارتفاع حجم كربيد الكربريد |
| صلابة الكسر | بشكل عام جيد في مستويات القوة المنخفضة إلى المعتدلة | يوفر الفولاذ الأوستنيتيين صلابة عالية; قد تكون بعض الدرجات عالية القوة حساسة |
| مقاومة التعب | يكفي لتطبيقات التحميل الديناميكي; حساسة للتشطيب السطحي والإجهاد | متفوقة في الفولاذ المارتين; محسّنة مقاومة الكراك |
مقاومة زحف |
قوة طويلة الأجل محدودة أعلاه 450درجة مئوية | ممتاز في الفولاذ الغني بالنيكل; تستخدم في التوربينات, غلايات |
| الاستقرار الحراري | استقرار المرحلة والقوة تتحلل أعلاه 500-600 درجة مئوية | يحتفظ بالسلامة الهيكلية حتى 1000درجة مئوية في درجات Superalloys و High-CR |
| مقاومة التآكل | فقير إلى معتدل; غالبًا ما يحتاج إلى الطلاء أو المثبطات | ممتاز, خاصة في الفولاذ المقاوم للصدأ مع >12% كر وأنت إضافات |
| قابلية المعالجة الحرارية | يمكن تصلبها بسهولة عن طريق تبريد ودورات المزاج | علاجات معقدة: الحل الصلب, تصلب هطول الأمطار, الخطوات المبردة |
قابلية اللحام |
عموما جيد; بعض مخاطر التكسير مع المتغيرات عالية الكربون | يختلف; درجات أوستنيكية لحام جيد, قد يحتاج الآخرون إلى تسخين المعادن أو الحشو |
| القدرة على التصنيع | عادل إلى جيد, خاصة في المتغيرات المحتوية أو التي تم إعادة إدراجها | يمكن أن يكون صعبًا بسبب الصلابة ومحتوى الكربيد (استخدام الأدوات المطلية الموصى بها) |
| القابلية للتشكيل | مناسبة للانحناء والتداول في الدول الصلب | ممتاز في الفولاذ الأوستنيتي الصلب; محدودة في فولاذ الأدوات المتصلب |
الملاحظات الرئيسية:
- القوة مقابل. المقايضة المتانة: غالبًا ما تقدم الفولاذ العالي قوة أعلى, لكن بعض الدرجات قد تفقد ليونة أو صلابة.
توازن الفولاذ المنخفض من جميع الأوقات هذه الخصائص بشكل فعال للاستخدام الهيكلي. - أداء درجة الحرارة: لعمليات درجات الحرارة العالية (على سبيل المثال, محطات توليد الطاقة, محركات طائرة), الفولاذ العالي الفولاذ يتفوق بشكل كبير على نظرائهم منخفضة.
- الحماية من التآكل: بينما يعتمد الفولاذ المنخفضة في كثير من الأحيان على الطلاءات الخارجية, يوفر الفولاذ العالي-وخاصة غير القابل للصدأ والرائع-حماية تآكل جوهري عبر أفلام الأكسيد السلبي.
- التكلفة مقابل. أداء: يوفر الفولاذ المنخفض نسبة من حيث التكلفة للتكلفة للتطبيقات العامة,
في حين أن الفولاذ العالي مخصص لسيناريوهات تتطلب وظائف متخصصة.
5. التطبيقات عبر الصناعات
الصلب منخفضة الصلب
- بناء: الجسور, الرافعات, حديد التسليح, الحزم الهيكلية
- السيارات: محاور, إطارات, مكونات التعليق
- زيت & الغاز: فولاذ خط الأنابيب (API 5L X70, x80)
- الآلات الثقيلة: معدات التعدين, أوعية الضغط
الصلب عالي الكل
- الفضاء الجوي: شفرات التوربينات, مكونات المحرك النفاث, معدات الهبوط
- المعالجة الكيميائية: المفاعلات, مبادلات حرارية, مضخات
- طبي: الأدوات الجراحية, يزرع العظام (316ل مقاوم للصدأ)
- طاقة: المفاعل النووي الداخلية, خطوط البخار فوق الحرج
6. خاتمة
يقدم كل من الفولاذ المنخفضة مقابل جميع الفوائد فوائد حرجة, اعتمادًا على احتياجات الأداء والتحديات البيئية لتطبيق معين.
يقوم الفولاذ المنخفض بتجميع توازن إيجابي بين القوة, قابلية المعالجة, والتكلفة, جعلها مثالية للاستخدام الهندسي العام.
سبائك الصلب عالية, على الجانب الآخر, تقديم أداء ميكانيكي وبيئي لا مثيل له للصناعات ذات المخاطر العالية مثل الفضاء, طبي, وتوليد الطاقة.
من خلال فهم المادة الكيميائية, ميكانيكية, والاختلافات الاقتصادية بين هذه العائلات الصلب,
يمكن لصانعي القرار تحسين المواد من أجل السلامة, متانة, والتكلفة الإجمالية للملكية - إرجاع النجاح الهندسي من المخطط إلى المنتج النهائي.
هذا هو الخيار الأمثل لاحتياجات التصنيع الخاصة بك إذا كنت بحاجة إلى جودة عالية سبائك الصلب أجزاء.
الأسئلة الشائعة
هل يعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ فولاذًا عاليًا?
نعم. الفولاذ المقاوم للصدأ هو نوع شائع من الفولاذ عالي الجمع. عادة ما يحتوي على على الأقل 10.5% الكروم, الذي يتيح تكوين فيلم أكسيد سلبي يقاوم التآكل.
العديد من الفولاذ المقاوم للصدأ يحتوي أيضا على النيكل, الموليبدينوم, وعناصر صناعة السبائك الأخرى.
يمكن استخدام الفولاذ المنخفض في البيئات المسببة للتآكل?
عرض الفولاذ المنخفض مقاومة التآكل المعتدلة, خاصة عندما تبلد عناصر مثل النحاس أو الكروم.
لكن, غالبا ما تتطلب الطلاء الواقي (على سبيل المثال, الجلفنة, تلوين) أو الحماية الكاثودية عند استخدامها في البيئات العدوانية أو البحرية.
كيف يؤثر محتوى السبائك على قابلية اللحام?
يمكن أن يقلل محتوى السبائك الأعلى من قابلية اللحام بسبب زيادة الصلابة وخطر التكسير.
يعرض الفولاذ المنخفضة بشكل عام قابلية لحام أفضل, بالرغم من تسخين وتسخين المعالجة الحرارية بعد الولادة قد لا يزال ضروريًا.
غالبًا ما تتطلب الفولاذ العالي إجراءات اللحام المتخصصة والمعادن الحشو.
هل هناك معايير دولية تميز بين الفولاذ المنخفض والعالي?
نعم. معايير منظمات مثل أستم, ASME, ايزو, و SAE/AISI حدد حدود التركيب الكيميائي وتصنيف الفولاذ وفقًا لذلك.
تحدد هذه المعايير أيضًا الخصائص الميكانيكية, ظروف المعالجة الحرارية, والتطبيقات.
أي نوع من الصلب من سبائك أفضل للتطبيقات ذات درجة الحرارة العالية?
سبائك الصلب عالية, خصوصًا Superalloys المستندة إلى النيكل أو الفولاذ المقاوم للصدأ عالية الفولاذ,
أداء أفضل بكثير في البيئات عالية الحرارة بسبب مقاومتها للزحف, أكسدة, والتعب الحراري.
عادةً ما تتحلل الفولاذ المنخفضة من جميع الأدوات عند درجات الحرارة التي تتجاوز 500 درجة مئوية.
من الصعب على الجهاز الصعود إلى الجهاز والتصنيع?
نعم, على العموم. سبائك الصلب عالية, وخاصة فولاذ الأدوات والدرجات المقاوم للصدأ الصلبة, يمكن أن يكون من الصعب الجهاز بسبب صلابة عالية ومحتوى كربيد.
قد تكون قابلية لحامهم محدودة أيضًا في بعض الدرجات. على العكس من ذلك, من الأسهل لحام العديد من الفولاذ المنخفض, آلة, والشكل.
أي نوع من الصلب أكثر فعالية من حيث التكلفة?
الفولاذ منخفضة الفولاذ عادة ما تكون أكثر فعالية من حيث التكلفة من حيث سعر الشراء الأولي والتصنيع.
لكن, فولاذ من جميع الفولاذ قد تقدم أ انخفاض التكلفة الإجمالية للملكية في طلب الطلبات بسبب متانة, مقاومة الفشل, وتقليل احتياجات الصيانة.
