1. مقدمه
فولاد یکی از مهمترین مواد در مهندسی مدرن است, صنایع پشتیبانی از ساخت و ساز و تولید خودرو گرفته تا زیرساخت های هوافضا و انرژی.
تا کنون, همه فولادها به طور یکسان عمل نمی کنند. بسته به اینکه چه مقدار و کدام عناصر آلیاژ را در خود جای می دهند, فولادها به خانواده های فولادی کم آلیاژ و آلیاژ تقسیم شده تقسیم می شوند.
ایجاد تعادل مناسب بین عملکرد و هزینه های مربوط به درک این تمایزها.
بنابراین, در این مقاله به بررسی فولاد کم آلیاژ (لگد) و فولاد آلیاژ بالا (داشتن) از زوایای متعدد - شیمیایی, مکانیک, مقاومت در برابر خوردگی, پردازش, اقتصاد, و برنامه های دنیای واقعی-برای راهنمایی انتخاب مواد خود.
2. فولاد کم آلیاژ چیست (لگد)?
فولاد کم آلیاژ دسته ای از مواد آهنی است که برای دستیابی به عملکرد مکانیکی برتر و مقاومت در برابر محیط زیست از طریق افزودن عناصر آلیاژ با دقت کنترل شده مهندسی شده است.
تعریف شده توسط موسسه آهن و فولاد آمریکا (AISI) به عنوان فولادهای حاوی یک محتوای آلیاژ در کل بیش از 5% بر حسب وزن,
فولادهای کم آلیاژ تعادل تصفیه شده بین عملکرد ارائه می دهند, تولید, و هزینه - قرار دادن آنها به عنوان مواد اسب بخار در صنایع مختلف.
ترکیب شیمیایی و ریزساختار
برخلاف فولاد کربنی, که فقط به سیستم کربن آهن متکی است,
فولادهای کم آلیاژ انواع مختلفی از عناصر فلزی را شامل می شوند که به طور هم افزایی خصوصیات مواد را بهبود می بخشند بدون اینکه اساساً ساختار فاز فولاد را تغییر دهند.
رایج ترین عناصر آلیاژ و نقش های معمولی آنها شامل می شود:
- کروم (Cr): سخت بودن را تقویت می کند, مقاومت در برابر اکسیداسیون, و قدرت درجه حرارت بالا.
- نیکل (در): سختی شکستگی را بهبود می بخشد, به خصوص در دمای زیر صفر.
- مولیبدن (مو): قدرت در دمای بالا را افزایش می دهد و مقاومت خزش را افزایش می دهد.
- وانادیوم (V): اندازه دانه ریز را ترویج می کند و به سخت شدن بارش کمک می کند.
- مس (مس): مقاومت در برابر خوردگی جوی متوسط را فراهم می کند.
- تیتانیوم (از): کاربیدها را تثبیت می کند و ثبات ریزساختاری را تقویت می کند.
این عناصر آلیاژ بر ثبات فاز تأثیر می گذارد, تقویت جامد, و تشکیل کاربیدهای پراکنده یا نیتریدها.
در نتیجه, فولادهای کم آلیاژ به طور معمول ریزساختارهای متشکل از فریت, مروارید, بولیت, یا مارتنزیت, بسته به عملیات حرارتی خاص و محتوای آلیاژ.
به عنوان مثال, فولادهای کروم-مولیبدن (مانند AISI 4130 یا 4140 فولاد) پس از فرونشست و خلوص ، ساختارهای مارتنزیتی را فرموله می کنند, قدرت بالایی و مقاومت در برابر سایش بدون قربانی کردن انعطاف پذیری.
طبقه بندی و تعیین
فولادهای کم آلیاژ بر اساس رفتار مکانیکی آنها طبقه بندی می شوند, عملیات حرارتی, یا محیط خدمات در نظر گرفته شده. دسته بندی های مشترک شامل:
- فولادهای خاموش و معتدل: معروف به استحکام و مقاومت بالا.
- آلیاژ کم استحکام بالا (HSLA) فولادها: بهینه سازی شده برای کاربردهای ساختاری با شکل پذیری و قابلیت جوشکاری پیشرفته.
- فولادهای مقاوم در برابر خزش: برای حفظ قدرت در دمای بالا طراحی شده است.
- فولادهای هوازدگی (به عنوان مثال, ASTM A588/Corten): برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی جوی ایجاد شده است.
در سیستم تعیین AISI-SAE, فولادهای کم آلیاژ اغلب توسط مشخص می شوند اعداد چهار رقمی با "41" شروع می شود, "43", "86", یا "87", نشانگر ترکیبات خاص آلیاژ (به عنوان مثال, 4140 = 0.40% سی, فولاد CR-MO).
3. فولاد آلیاژ بالا چیست (داشتن)?
فولاد آلیاژ بالا به طبقه گسترده ای از فولادها اشاره دارد که حاوی کل محتوای عنصر آلیاژ است 5% بر حسب وزن, اغلب رسیدن به سطح 10% به 30% یا بیشتر, بستگی به درجه و کاربرد دارد.
برخلاف فولاد کم آلیاژ, که با افزودنیهای متوسط ، خواص را بهبود می بخشد, فولاد آلیاژ بالا به غلظت قابل توجهی از عناصر متکی است
مانند کروم (Cr), نیکل (در), مولیبدن (مو), تنگستن (دبلیو), وانادیم (V), و کبالت (شرکت) برای دستیابی به ویژگی های عملکرد بسیار تخصصی.
این فولادها برای نیاز به محیط های خواستار نیاز به مهندسی دارند مقاومت در برابر خوردگی استثنایی, استحکام مکانیکی, پایداری در دمای بالا, یا مقاومت در برابر سایش.
مثالهای متداول شامل فولادهای ضد زنگ, فولادهای ابزار, فوسه های مسکونی, و سوپالیاژهای.
ترکیب شیمیایی و ریزساختار
فولادهای آلیاژ بالا دارای شیمیایی پیچیده ای هستند که برای کنترل ریزساختار فولاد در هر دو اتاق و درجه حرارت بالا طراحی شده اند. هر عنصر آلیاژ نقش دقیقی ایفا می کند:
- کروم (12 ≥): با تشکیل یک نازک ، منفعل را ترویج می کند, لایه اکسید چسبنده, که برای مقاومت در برابر خوردگی در فولادهای ضد زنگ ضروری است.
- نیکل: سختی را تقویت می کند, مقاومت در برابر ضربه, و مقاومت در برابر خوردگی, در حالی که فاز آستنیتی را نیز تثبیت می کند.
- مولیبدن: استحکام را در دماهای بالا افزایش می دهد و مقاومت در برابر خوردگی و خوردگی شکاف را بهبود می بخشد.
- وانادیوم و تنگستن: شکل گیری کاربید خوب را برای مقاومت در برابر سایش و سختی گرم ترویج کنید.
- کبالت و تیتانیوم: در ابزار و استفاده از فولادها برای تقویت جامد و سخت شدن بارش استفاده می شود.
این استراتژی های آلیاژ امکان پذیر است دستکاری فاز دقیق, از جمله حفظ آستنیت, تشکیل مارتنزیت, یا تثبیت ترکیبات بین فلزی و کاربیدهای پیچیده.
به عنوان مثال:
- فولادهای زنگ نزن آستنیتی (به عنوان مثال, 304, 316): محتوای CR و NI زیاد یک مکعب غیر مغناطیسی صورت محور را تثبیت می کند (FCC) ساختار, حفظ انعطاف پذیری و مقاومت در برابر خوردگی حتی در دمای کرایوژنیک.
- نمرات مارتنزیتی و بارش بارش (به عنوان مثال, 17-4PH, فولاد ابزار H13): دارای یک چهار ضلعی بدن محور است (BCT) یا ساختار مارتنزیتی که می تواند با عملیات حرارتی به طور قابل توجهی سخت شود.
طبقه بندی فولادهای آلیاژ بالا
فولادهای آلیاژ بالا به طور کلی به انواع اصلی زیر طبقه بندی می شوند:
| دسته | آلیاژهای معمولی | ویژگی های اصلی | برنامه های کاربردی رایج |
|---|---|---|---|
| فولاد ضد زنگ | 304, 316, 410, 17-4PH | مقاومت در برابر خوردگی از طریق CR-passivation; برخی از نمرات قدرت را ارائه می دهند + شکل پذیری | تجهیزات شیمیایی, ابزار پزشکی, معماری |
| فولاد ابزار | H13, D2, m2, T1 | سختی بالا, مقاومت در برابر سایش, سختی قرمز | بمیرد, ابزار برش, قالب ها |
| فولادهای ماراژینگ | 18در(250), 18در(300) | قدرت فوق العاده بلند, سختی; سخت شدن بارش مارتنزیت غنی از نیکل | هوافضا, دفاع, قطعات مکانیکی با کارایی بالا |
| سوپرآلیاژها | اینکونل 718, هاستلوی, دوباره 41 | قدرت استثنایی + مقاومت در برابر خوردگی/اکسیداسیون در دماهای بالا | توربین ها, موتورهای جت, راکتورهای هسته ای |
4. ویژگی های عملکردی کم آلیاژ در مقابل فولاد آلیاژ بالا
درک چگونگی تفاوت در برابر فولاد کم آلیاژ در مقابل آلیاژ بالا در عملکرد مکانیکی و محیطی برای مهندسان و طراحان ضروری است
هنگام انتخاب مواد برای یکپارچگی ساختاری, ماندگاری خدمات, و مقرون به صرفه بودن.
این ویژگی های عملکرد نه تنها از ترکیب شیمیایی بلکه از تیمارهای حرارتیکانیکی و کنترل ریزساختاری ناشی می شود.
برای مقایسه دقیق, ویژگی های کلیدی در زیر بیان شده است:
| اموال | فولاد کم آلود | فولاد آلیاژ بالا |
|---|---|---|
| استحکام کششی | به طور معمول از 450850 مگاپاسکال, بستگی به عملیات حرارتی و درجه دارد | اغلب فراتر از 900 MPa, مخصوصاً در فولادهای ابزار سخت شده یا نمرات ماسوره |
| قدرت تسلیم | می تواند برسد 350-700 MPa بعد از فرونشست و خستگی | می تواند پیشی بگیرد 800 MPa, به ویژه در فولادهای بارش و مارتنسیتی |
| شکل پذیری (ازدیاد طول %) | انعطاف پذیری متوسط تا خوب (10-25 ٪), مناسب برای شکل گیری | بسیار متفاوت است; نمرات Austenitic ارائه می دهد >30%, در حالی که فولادهای ابزار ممکن است باشد <10% |
سختی |
به دست می آید 200-350 HB; محدود بر سطح کربن و آلیاژ | بیش از 600 HV (به عنوان مثال, در فولادهای M2 یا D2); ایده آل برای کاربردهای مهم و مهم |
| مقاومت در برابر سایش | توسط کاربیدها در نمرات CR/MO تقویت شده است, اما به طور کلی متوسط | به دلیل کسری از حجم کاربید زیاد در ابزار و فولادهای مرده بسیار عالی است |
| چقرمگی شکست | به طور کلی در سطح مقاومت کم تا متوسط خوب است | فولادهای Austenitic سختی بالایی را ارائه می دهند; برخی از نمرات با استحکام بالا ممکن است حساس به درجه باشد |
| مقاومت در برابر خستگی | برای برنامه های بار پویا کافی است; حساس به پایان سطح و استرس | برتر در فولادهای آلیاژی مارتنزیتی و مروارید; مقاومت در برابر ترک |
مقاومت در برابر خزش |
قدرت بلند مدت محدود در بالا 450درجه سانتی گراد | عالی در فولادهای آلیاژ غنی از نیکل; در توربین ها استفاده می شود, دیگهای بخار |
| پایداری حرارتی | پایداری فاز و تخریب قدرت در بالا 500-600 درجه سانتیگراد | یکپارچگی ساختاری را تا 1000درجه سانتی گراد در SuperAlloys و نمرات High-CR |
| مقاومت در برابر خوردگی | فقیر تا متوسط; اغلب به روکش یا مهار کننده احتیاج دارند | عالی, مخصوصاً در فولادهای ضد زنگ >12% Cr و افزودنی ها |
| قابلیت عملیات حرارتی | به راحتی از طریق چرخه های خاموش و دما قابل سخت شدن است | درمان های پیچیده: بازپخت راه حل, سخت شدن بارش, مراحل کرایوژنیک |
قابلیت جوشکاری |
به طور کلی خوب است; برخی از خطر ترک خوردگی با انواع کربن بالا | متفاوت است; نمرات آستنیتیک به خوبی جوش داده می شود, دیگران ممکن است به فلزات گرمایشی یا پرکننده نیاز داشته باشند |
| ماشین کاری | منصفانه به خوب, به خصوص در انواع سرب یا تغییر شکل | به دلیل سختی و محتوای کاربید می تواند دشوار باشد (استفاده از ابزارهای روکش شده توصیه می شود) |
| شکل پذیری | مناسب برای خم شدن و نورد در کشورهای آنیل شده | عالی در فولادهای آستنیتی آنیل; محدود در فولادهای ابزار سخت شده |
مشاهدات کلیدی:
- قدرت در مقابل. تجارت سختی: فولادهای آلیاژ بالا اغلب قدرت بالاتری دارند, اما برخی از نمرات ممکن است انعطاف پذیری یا سختی را از دست بدهند.
فولادهای کم آلیاژ این خصوصیات را به طور موثری برای استفاده ساختاری متعادل می کنند. - عملکرد دما: برای عملیات درجه حرارت بالا (به عنوان مثال, نیروگاه ها, موتورهای جت), فولادهای آلیاژ بالا به طور قابل توجهی از همتایان کم آلیاژ بهتر عمل می کنند.
- حفاظت در برابر خوردگی: در حالی که فولادهای کم آلیاژ اغلب به پوشش های خارجی متکی هستند, فولادهای آلیاژ بالا-به ویژه ضد زنگ و فوق العاده آلیاژ-محافظت از خوردگی ذاتی را از طریق فیلم های اکسید منفعل ارائه می دهد.
- هزینه در مقابل. عملکرد: فولاد کم آلیاژ نسبت هزینه به عملکرد را برای برنامه های عمومی ارائه می دهد,
در حالی که فولاد آلیاژ بالا برای سناریوهایی که خواستار عملکرد تخصصی هستند محفوظ است.
5. برنامه های کاربردی در سراسر صنایع
فولاد کم آلود
- ساخت و ساز: پل, جرثقیل ها, میلگرد, پرتوهای ساختاری
- خودرو: محورهای, قاب ها, اجزای تعلیق
- روغن & گاز: فولاد خط لوله (API 5L x70, x80)
- ماشین آلات سنگین: تجهیزات معدن, مخازن تحت فشار
فولاد آلیاژ بالا
- هوافضا: پره های توربین, اجزای موتور جت, ارابه فرود
- پردازش شیمیایی: راکتورها, مبدل های حرارتی, پمپ ها
- پزشکی: ابزار جراحی, ایمپلنت های ارتوپدی (316من ضد زنگ)
- انرژی: راکتور هسته ای داخلی, خطوط بخار فوق بحرانی
6. نتیجه گیری
هر دو فولاد کم آلیاژ در مقابل آلیاژ بالا مزایای مهمی را ارائه می دهند, بسته به نیازهای عملکرد و چالش های زیست محیطی یک برنامه خاص.
فولادهای کم آلیاژ بین قدرت تعادل مطلوبی دارند, قابلیت پردازش, و هزینه, آنها را برای استفاده مهندسی عمومی ایده آل می کند.
فولادهای پر آلیاژ, از سوی دیگر, عملکرد مکانیکی و محیطی بی نظیر را برای صنایع پر سر و صدا مانند هوافضا ارائه دهید, پزشکی, و تولید برق.
با درک مواد شیمیایی, مکانیکی, و اختلافات اقتصادی بین این خانواده های فولادی,
تصمیم گیرندگان می توانند مواد را برای ایمنی بهینه کنند, دوام, و هزینه کل مالکیت - حصول موفقیت مهندسی از طرح تا محصول نهایی.
این در صورت نیاز به کیفیت بالا ، انتخاب مناسبی برای نیازهای تولیدی شما است فولاد آلیاژی قطعات.
سوالات متداول
از جنس استیل ضدزنگ است که یک فولاد آلیاژ بالا در نظر گرفته می شود?
بله. فولاد ضد زنگ نوع متداول از فولاد آلیاژ بالا است. به طور معمول حداقل حاوی 10.5% کروم, که امکان شکل گیری یک فیلم اکسید منفعل را که در برابر خوردگی مقاومت می کند امکان پذیر است.
بسیاری از فولادهای ضد زنگ نیز حاوی نیکل هستند, مولیبدن, و سایر عناصر آلیاژی.
آیا می توان از فولاد کم آلیاژ در محیط های خورنده استفاده کرد?
فولادهای کم آلیاژ ارائه می دهند مقاومت در برابر خوردگی متوسط, مخصوصاً وقتی با عناصری مانند مس یا کروم آلیاژ می شود.
با این حال, آنها اغلب نیاز دارند پوشش های محافظ (به عنوان مثال, گالوانیزه کردن, نقاشی) یا حفاظت کاتدی هنگامی که در محیط های تهاجمی یا دریایی استفاده می شود.
محتوای آلیاژ چگونه بر جوشکاری تأثیر می گذارد?
محتوای بالاتر آلیاژ می تواند به دلیل افزایش سخت بودن و خطر ترک خوردگی ، قابلیت جوشکاری را کاهش دهد.
فولادهای کم آلیاژ به طور کلی جوشکاری بهتری دارند, هر چند قبل از گرم شدن و عملیات حرارتی پس از جوشکاری ممکن است هنوز لازم باشد.
فولادهای آلیاژ بالا اغلب نیاز دارند روشهای تخصصی جوشکاری و فلزات پرکننده.
آیا استانداردهای بین المللی وجود دارد که بین فولادهای کم و زیاد آلیاژ تمایز قائل است?
بله. استانداردهای سازمان هایی مانند ASTM, ASME, ISO, و SAE/AISI محدودیت های ترکیب شیمیایی را تعریف کرده و فولادها را بر این اساس طبقه بندی کنید.
این استانداردها همچنین خصوصیات مکانیکی را مشخص می کنند, شرایط عملیات حرارتی, و برنامه های کاربردی.
کدام نوع از فولاد آلیاژ برای برنامه های درجه حرارت بالا بهتر است?
فولادهای پر آلیاژ, به ویژه Superalloys مستقر در نیکل یا فولادهای ضد زنگ کروم بالا,
به دلیل مقاومت در برابر خزش ، در محیط های درجه حرارت بالا به طور قابل توجهی بهتر عمل می کنند, اکسیداسیون, و خستگی حرارتی.
فولادهای کم آلیاژ به طور معمول در دمای بالاتر از 500 درجه سانتیگراد تخریب می شوند.
فولادهای آلیاژ بالا برای ماشین و ساخت سخت تر هستند?
بله, به طور کلی. فولادهای پر آلیاژ, مخصوصاً فولادهای ابزار و نمرات ضد زنگ سخت, می تواند باشد ماشین دشوار است به دلیل سختی زیاد و محتوای کاربید.
قابلیت جوشکاری آنها نیز ممکن است در برخی از نمرات محدود باشد. برعکس, بسیاری از فولادهای کم آلیاژ برای جوشکاری آسان تر هستند, دستگاه, و فرم.
کدام نوع فولاد مقرون به صرفه تر است?
فولادهای کم آلیاژ از نظر معمولاً مقرون به صرفه تر هستند قیمت اولیه خرید و ساخت.
با این حال, فولادهای آلیاژ بالا ممکن است یک هزینه کل مالکیت پایین تر در خواستار درخواست های آنها دوام, مقاومت در برابر شکست, و نیازهای تعمیر و نگهداری را کاهش می دهد.
