۱۶ اردیبهشت ۱۴۰۰

پیشگامان توسعه
مواد سام,مواد سام,مواد سام

فولادها (Steels) گروهی از آلیاژهای آهنی هستند که در آن‌ها مقادیر مختلفی از عناصر آلیاژی‌ وجود دارد که خواص ویژه‌ای به آن‌ها می‌بخشد.

فولادها

فولادها (Steels) گروهی از آلیاژهای آهنی هستند که در آن‌ها مقادیر مختلفی از عناصر آلیاژی‌ وجود دارد که خواص ویژه‌ای به آن‌ها می‌بخشد [۱] .

فولادها دارای محتوی اندکی کربن هستند که باعث بهبود استحکام و مقاومت به شکست آن‌ها در مقایسه با آهن می‌شود . فولادهای زنگ نزن (Stainless steels) یکی از مهمترین انواع فولاد است که حاوی مقادیر بالایی از کروم است . فولاد زنگ نزن حاوی ۱۱ درصد کروم است که باعث افزایش مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون در فولاد می‌شود [۱] . وجود نیکل در فولاد نیز باعث افزایش چقرمگی و در مقادیر بالاتر باعث افزایش مقاومت به خوردگی می‌شود . تاثیر سایر عناصر آلیاژی بر فولادها در ادامه متن مورد بررسی قرار گرفته است .

انواع فولادها

فولادها به سه گروه فولاد کربنی (Carbon steel) ، فولاد کم آلیاژی (Low-alloy steel) و فولاد آلیاژی یا فولاد پر آلیاژی (Higher alloy steel)  تقسیم می‌شوند .

فولاد کربنی یا فولاد ساده کربنی گروهی از فولادها است که حاوی ۰/۰۵ الی ۲/۱ درصد وزنی کربن هستند . حداکثر محتوی منگنز ، سیلیسیم و مس در این مواد به ترتیب ۱/۶۵ ، ۰/۶۰ و ۰/۶۰ درصد است . فولاد آلیاژی فولادی است که با ۵۰-۱ درصد وزنی از عناصر دیگر آلیاژ شده است تا خواص مکانیکی آن بهبود یابد . فولاد آلیاژی به دو گروه فولاد کم آلیاژ و فولاد پر آلیاژ تقسیم می‌شود [۲] .

خواص فولادها

فولادها (steels) بدلیل خواصی که دارند، جزء مهمترین مواد در مهندسی و صنایع ساخت و ساز در جهان هستند . مهمترین خواص فولاد قابلیت شکل پذیری بالا ، دوام و ماندگاری ، استحکام کششی و استحکام تسلیم خوب و رسانایی حرارتی مطلوب است . برجسته‌ترین ویژگی فولادها ، که مربوط به فولاد زنگ نزن (Stainless steel) است ، مقاومت بالا در برابر خوردگی است . شناخت و کنترل خواص مواد ، از جهت انتخاب درست ماده در کاربردهای خاص ، ضروری است . خواص مکانیکی فولاد می‌تواند از طریق انتخاب درست ترکیب شیمیایی ، فرآیند و عملیات حرارتی مناسب ، که منجر به ریزساختار نهایی در آن‌ می‌شود ، با دقت کنترل شود .

آلیاژها و عملیات حرارتی مورد استفاده در تولید فولاد ، خواص مختلفی را در آن‌ ایجاد می‌کند ؛ به همین دلیل نیاز است تا خواص نهایی فولادها تعیین شده و اطمینان حاصل شود که از استانداردهای مربوطه تبعیت می‌کند . برای تعیین خواص فولاد ، سیستم‌های اندازه گیری متعددی وجود دارد . بعنوان مثال، استحکام تسلیم ، انعطاف پذیری و سفتی یا فنریت (Stiffness) فولادها با استفاده از آزمون کشش (Tensile testing) تعیین می‌شوند . چقرمگی (Toughness) با آزمون ضربه (Impact testing) و سختی (Hardness) با اندازه گیری میزان مقاومت نفوذ سطح در برابر یک جسم سخت تعیین می‌شود . آزمون کشش یک روش برای تعیین ارزیابی ساختاری فولاد در برابر بارهای اعمالی است . نتیجه این آزمون به صورت رابطه بین تنش (Stress) و کرنش (Strain) بیان می‌شود .

رابطه بین تنش و کرنش معیاری برای خاصیت ارتجاعی یا الاستیک (Elasticity) مواد است . نسبت تنش به کرنش ، مدول یانگ (Young’s modulus) نامیده می‌شود . متفاوت‌ترین خواص فولاد ، مدول یانگ بالای آن‌ است . مدول یانگ فولادها ۲۱۰-۱۹۰ گیگاپاسکال است که حدودا سه برابر مدول یانگ آلومینیوم است [۳] .

خواص فیزیکی فولادها به فیزیک مواد مانند دانسیته ، رسانایی حرارتی ، مدول الاستیک ، نسبت پواسون (Poison’s ratio) و غیره مرتبط است . برخی از خواص فیزیکی این مواد در جدول زیر ارائه شده است [۳] .  

برخی از خواص فیزیکی فولادها [۳] .

فولاد آلیاژی می‌تواند شامل محدوده گسترده‌ای از عناصر باشد . هر کدام از این عناصر می‌توانند خواص مختلفی مانند مکانیکی، حرارتی و مقاومت به خوردگی را در فولاد بهبود بخشند . افزودن محتوی کمتر از ۵ درصد وزنی از عناصر به فولاد ، باعث بهبود خواص مکانیکی نظیر قابلیت سختی پذیری و استحکام در آن‌ می‌شود ؛ در حالی که محتوی عناصر آلیاژی بالاتر (تا حدود ۲۰ درصد وزنی) ، مقاومت به خوردگی و پایداری فولاد را در دماهای پایین و بالا افزایش می‌دهد . اثر افزودن عناصر مختلف و مقادیر مختلف (درصد وزنی) آن‌ها به فولاد در جدول زیر بیان شده است [۴] .

اثر افزودن عناصر مختلف و مقادیر مختلف آن‌ها به فولاد [۴] .

ترکیب شیمیایی و خواص برخی از فولادهای تجاری در جدول زیر لیست شده است [۵] .

ترکیب شیمیایی و خواص برخی از فولادهای تجاری [۵] .

انواع عملیات حرارتی فولادها

در فولادها فرآیندهای عملیات حرارتی (Heat treating processes) مختلفی اعمال می‌شوند . متداول‌ترین آن‌ها فرآیند آنیل کردن (Annealing) ، کوئنچ کردن (Quenching) و تمپر کردن (Tempering) است . عملیات حرارتی روی ترکیباتی موثر است که بالاتر از ترکیب یوتکتوئید (Eutectoid composition) که ۸/۰ درصد کربن دارد ، باشند ؛ به این فولادها ، فولادهای هایپر یوتکتوئید (Hypereutectoid) می‌گویند . عملیات حرارتی فولادهای هیپو یوتکتوئید (Hypoeutectoid) تاثیر خاصی نداشته و معمولا انجام نمی‌شود [۱] .

شکل زیر دیاگرام آهن- کربن را برای فولادهای کربنی نشان می‌دهد . در این تصویر دماهای بحرانی A۰ ، A۱ ، A۲ و A۳ برای عملیات حرارتی مشخص شده است [۱] .

دیاگرام فازی آهن- کربن برای فولادهای کربنی [۱] .

عملیات حرارتی آنیل ، فرآیند حرارت دهی فولاد در یک دمای بالا با هدف کاهش تنش‌های داخلی موضعی است . آنیل محصول نرمی را تولید نمی‌کند و تنها تنش‌ها و کرنش‌های داخلی موضعی را درون مواد حبس می‌کند . فرآیند آنیل شامل سه مرحله بازیابی (Recovery) ، تبلور مجدد (Recrystallization) و رشد دانه (Grain growth) است . درجه حرارت یا دمای لازم برای آنیل یک فولاد خاص، به نوع آنیل و اجزای آلیاژی بستگی دارد .

به فرآیند حرارت دهی فولاد با هدف ایجاد فاز آستنیت (Austenite) و سپس فرو بردن آن در آب یا روغن ، عملیات کوئنچ کردن می‌گویند . این سرمایش سریع باعث ایجاد یک ساختار مارتنزیتی سخت اما ترد می‌شود . فولاد پس از کوئنچ با یک نوع خاصی از آنیل مجددا تمپر می‌شود تا تردی کاهش یابد . در این نوع از آنیل (که برای تمپر کردن استفاده می‌شود) مقداری از مارتنزیت به سمانتیت (Cementite) یا پرلیت کروی (Spheroidite) تبدیل می‌شود ؛ از این رو تنش‌های داخلی و عیوب کاهش می‌یابند . حاصل این عملیات ، فولادی با مقاومت به شکست و انعطاف پذیری بالاتر است [۱] .

ویدئوی زیر فرآیند عملیات حرارتی کوئنچ کردن رینگ فولادی را نشان می‌دهد . این گوی‌ها در صنایع معدنی (مانند فرآیند تولید سیمان) برای خردایش سنگ‌های معدنی کاربرد دارند .

روش‌های تولید فولادها

آهن استخراج شده از سنگ معدن دارای مقادیر بالایی از کربن است . آهن برای تبدیل شدن به فولاد ، نیاز به پردازش مجدد دارد تا کربن آن به مقدار مناسبی کاهش یابد . در هر مرحله از پردازش ، عناصر دیگر نیز می‌توانند افزوده شوند .

در گذشته محصولات فولادی خام برای فرآیندهای تصفیه بعدی ، به شکل شمش تولید و ذخیره می‌شدند . اما در امروزه و با امکانات مدرن ، ترکیب محصول اولیه نزدیک به ترکیب نهایی است و بطور مداوم در صفحات طولانی ریخته شده ، برش داده شده و به شکل شمش تولید می‌شوند . سپس عملیات حرارتی می‌شوند تا محصول نهایی بدست آید . امروزه تقریبا ۹۶ درصد فولادها بطور مداوم ریخته می‌شوند ، در حالی که تنها ۴ درصد به شکل شمش تولید می‌شوند . شمش‌ها در یک کوره همدما ساز (Soaking pit) گرم شده و در طی فرآیند نورد گرم (Hot rolled) به شکل تختال  (Slabs)، ورق‌ ضخیم (Billets) و شمشه (Blooms) تبدیل می‌شوند .

تختال‌ها تحت نورد سرد (Cold rolled) یا گرم به ورق‌ها و صفحات فلزی تبدیل می‌شوند . Billetها تحت نورد گرم یا سرد به شکل میله و سیم تبدیل می‌شوند . شمشه‌ها نیز تحت نورد گرم به فولادهای ساختمانی مانند تیرآهن I شکل و ریل‌ها تبدیل می‌شوند . در کارخانه‌های مدرن فولاد ، این فرآیندها با ورودی سنگ معدن آهن و خروجی محصولات فولادی نهایی اغلب در یک خط مونتاژ انجام می‌شود [۱] . برای ساخت فولاد دو روش کوره بلند (Blast furnace) و احیای مستقیم (Direct reduction) مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه توضیحات مختصری از این روش‌ها ارائه شده است.

کوره بلند (Blast furnace)

اصلی‌ترین روش تولید فولاد خام روش کوره بلند است . محصول نهایی کوره بلند آهن خام ناخالص (چدن) و سرباره است. آهن خام شامل کربن (تا حد اشباع) ، سیلیسیم ، منگنز ، فسفر و گوگرد است. بطور کلی در کوره بلند هر ترکیبی که احیا شود وارد چدن و هر ترکیبی که احیا نشود وارد سرباره می‌شود و یک توزیع تعادلی بین مواد موجود در چدن خام و ترکیبات آن‌ها در سرباره وجود دارد. کوره بلند شامل سه منطقه است که عبارتند از [۶] :

  1. منطقه بالایی کوره بلند یا منطقه پیش گرم یا آماده سازی
  2. منطقه میانی یا احیاء غیر مستقیم یا منطقه همدما (انتقال حرارت در این منطقه اندک است)
  3. منطقه پایین یا فرآوری یا ذوب یا احیای مستقیم

شکل زیر نمایی از توزیع دما و گاز را در طول کوره بلند به همراه واکنش‌های شیمیایی انجام شده در مناطق سه گانه آن نمایش می‌دهد [۶] .

نمایی از توزیع دما و گاز در طول کوره بلند [۶] .

اگر چه کوره بلند به سه ناحیه متفاوت تقسیم می‌شود اما این نواحی ممکن است بسته به توزیع گاز و واکنش‌های انجام شده با یکدیگر تلاقی پیدا کنند . پایین کوره بلند ناحیه احیای مستقیم و دمای آن بالاتر از ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد است . در این ناحیه دی اکسید کربن تولید شده از احیاء اکسیدهای آهن با کربن واکنش می‌دهد . احیای مستقیم الزاما محدود به پایین کوره بلند نیست و در هر محلی و در دماهای کمتر از ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد هم می‌تواند رخ دهد [۶] .

شکل زیر نمایی از تعادل مواد ورودی و خروجی یک کوره بلند برای تولید یک تن چدن خام را نشان می‌دهد [۶] .

نمایی از توازن مواد ورودی و خروجی کوره بلند [۶] .

در حالی که یک دمش داغی از هوا (گاهی اوقات اکسیژن تقریبا خالص) از قسمت پایین‌تر کوره دمیده می‌شود ، از بالای کوره سوخت (کک) ، سنگ معدن و گدازآور (Flux) به کوره وارد شده و واکنش شیمیایی انجام می‌شود . محصولات نهایی که معمولا شامل فلز مذاب و سرباره است وارد قسمت پایین‌ کوره شده و گازهای تشکیل شده (گاز احتراق) از بالای کوره خارج می‌شوند.

احیای مستقیم (Direct reduction)

آهن احیای مستقیم که آهن اسفنجی (Sponge iron) نامیده می‌شود از احیای مستقیم سنگ معدن آهن (در اشکال گندله و کلوخه) به آهن توسط یک گاز احیا کننده یا کربن معدنی تولید شده از گاز طبیعی یا زغال سنگ تولید می‌شود. سنگ معدن‌های زیادی برای احیای مستقیم مناسب هستند. احیای مستقیم فرآیند حالت جامد است که اکسید آهن را در دماهای پایین‌تر از نقطه ذوب آهن به آهن فلزی احیا می‌کند. فرآیند احیای مستقیم به دو گروه احیای مستقیم بر پایه گاز و احیای مستقیم بر پایه زغال سنگ تقسیم می‌شود. در هر دو مورد هدف فرآیند ، خارج کردن اکسیژن از اشکال مختلف سنگ معدن آهن و تبدیل سنگ معدن آهن به آهن فلزی بدون ذوب کردن آن ( پایین تر از ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد) است [۷] .  

ویدئوی زیر روش تولید گوی‌های فولادی را نشان می‌دهد . این گوی‌ها در صنایع معدنی (مانند فرآیند تولید سیمان) برای خردایش سنگ‌های معدنی کاربرد دارند .

کاربرد فولادها

فولادها بدلیل خصوصیات ویژه‌ای که دارند کاربردهای گسترده‌ای در صنایع دارند .

فولاد کربنی در سیم‌ها ، لوله‌ها ، ساخت و ساز ، قطعات ماشین آلات ، چرخ‌دنده ، پیچ و مهره ، فنرها ، ابزارهای برش و غیره کاربرد دارد . برخی از فولادهای کربنی بر طبق استانداردهای AISI/SAE شامل ۱۰۱۰ ، ۱۰۲۰ ، ۱۰۳۰ ،  1040 ، ۱۰۸۰ ، ۱۰۹۵ و غیره هستند [۸] .

فولادهای کم آلیاژی بدلیل استحکام بسیار بالا ، قابلیت ماشینکاری ، مقرون به صرفه و در دسترس بودن بسیار مورد توجه صنایع قرار گرفته‌ است . این مواد در وسایل نقلیه نظامی ، تجهیزات ساخت و ساز ، کشتی‌ها ، خطوط لوله ، مخازن تحت فشار در سکوهای حفاری نفت و اجزای ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند . مثال‌هایی از این گروه شامل HY-80 و HY-100 می‌باشند [۴] .

فرآیند ساخت و تولید فولادهای پر آلیاژی بسیار پیچیده و پر هزینه است . با این حال ، سختی عالی ، چقرمگی و مقاومت به خوردگی این مواد ، آن‌ها را برای کاربرد در اجزای ساختمان ، خودرو ، تجهیزات فرآیندهای شیمیایی و مولدهای برق مناسب می‌سازد . مثال‌هایی از فولادهای پر آلیاژی شامل گریدهای HE , HF , HH , HI , HK و HL است [۴] .

فولادها گروهی از آلیاژهای آهنی هستند که خصوصیات ویژه‌ای دارند . این مواد به فولاد کربنی و فولاد آلیاژی (کم آلیاژ و پر آلیاژ) تقسیم می‌شوند . نوع عناصر و درصد هر کدام ، باعث بهبود برخی از خواص فولادها می‌شود . فولادها کاربردهای وسیعی در صنایع مختلف دارند و در صنایع ساخت و ساز ، خودرو سازی ، نظامی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد . این مواد همچنین در کشتی‌ها ، پیچ و مهره‌ها ، قطعات ماشین آلات و غیره نیز کاربرد دارند .

[۱]         “https://en.wikipedia.org/wiki/Steel.” .

[۲]         “https://en.wikipedia.org/wiki/Alloy_steel.” .

[۳]         “https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=SteelProperties&LN=EN.” .

[۴]         “https://matmatch.com/learn/material/alloy-steel.” .

[۵]      کاویانی‌نژاد، فریدون, انتخاب مواد و طراحی برای مهندسین مواد- مکانیک- شیمی. موسسه آموزشی و تحقیقاتی صنایع دفاعی.

[۶]       سعیدی، علی؛ ستوده، نادر, تولید آهن. ۱۳۸۵.

[۷]         “https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_reduced_iron.” .

[۸]         “https://matmatch.com/learn/material/carbon-steel.” .