فولادهای ساده کربنی (Carbon Steels) دسته‌ای از فولادها هستند که حداکثر ۱/۲ درصد کربن دارد . این فولادها یا کربن استیل‌ها تقریبا ۹۰ درصد فولادهای تولید شده در جهان را تشکیل می‌دهند .
شکل زیر دانه‌های فریتی و پرلیتی فولاد AISI/SAE 1040 را نشان می‌دهد که با محلول‌های پیکرال و نایتال اچ شده است.
ریزساختار فولاد AISI/SAE 1040 با دانه‌های فریتی (بخش سفید رنگ) و پرلیتی (بخش سیاه رنگ) – اچ شده توسط محلول پیکرال ۴ درصد و نایتال ۲ درصد[۱].
رابطه بین درصد کربن و خواص مکانیکی در فولادهای غیر آلیاژی در جدول زیر قابل مشاهده است. همانطور که در جدول مشاهده می‌کنیم با افزایش مقدار کربن در فولادها، خواص مکانیکی آن‌ها (سختی، تنش کششی و تنش تسلیم) افزایش می‌یابد.
رابطه بین درصد کربن و خواص مکانیکی در فولادهای غیر آلیاژی[۲] .
جدول زیر رابطه بین درصد کربن و ریزساختار فولادهای غیر آلیاژی را با سختی نشان می‌دهد.
رابطه بین درصد کربن و ریزساختار فولادهای غیر آلیاژی[۲]
انواع فولادهای ساده کربنی
بر طبق استانداردهایSAE/AISI ، این فولادها به چهار گروه ۱۰xx، ۱۱xx، ۱۲xx و ۱۵xx طبقه‌بندی می‌شوند [۳] .
فولاد کربنی بدون گوگرد (Nonresulfurized carbon steels) سری ۱۰xx
فولادهای گوگرد دار (Resulfurized steels) سری ۱۱xx
فولادهای فسفر دار و گوگرد دار (Rephosphorized and resulfurized steels) سری ۱۲xx
فولاد کربنی منگنز بالا (High manganese carbon steels) سری ۱۵xx
خواص فولادهای ساده کربنی
در ادامه خواص برخی از این فولادها که با استانداردهای SAE/AISI نامگذاری شده‌اند ، بیان شده است .
خواص مکانیکی این فولادها
۱۰۱۸: عملیات حرارتی در تماس با کربن (کربن دهی)، سطح این فولاد را سخت می‌کند. این فولاد به آسانی خم، لحیم و جوشکاری می‌شود. حداکثر سختی راکول قابل دستیابی این فولاد B72، نقطه ذوب آن ۲۸۰۰ درجه فارنهایت و استحکام تسلیم آن ۷۷۰۰۰ psi است[۴].
۱۰۴۵: ماشینکاری و جوشکاری این فولاد از فولاد ۱۰۱۸ دشوارتر است. حداکثر سختی راکول قابل دستیابی این فولاد B90، نقطه ذوب آن ۲۸۰۰ درجه فارنهایت و استحکام تسلیم آن ۷۷۰۰۰ psi است[۴].
۱۱۴۴: یک فولاد گوگرد دار با قابلیت ماشینکاری عالی است. در این فولادها، حداکثر انعطاف‌پذیری با کمترین اعوجاج به کمک تنش زدایی حاصل می‌شود. حداکثر سختی راکول قابل دستیابی این فولاد B97، نقطه ذوب آن ۲۷۵۰ درجه فارنهایت و استحکام تسلیم آن ۹۵۰۰۰ psi است[۴].
۱۴L12: قابلیت ماشینکاری عالی و انعطاف‌پذیری خوبی دارد. جوشکاری این فولاد خیلی دشوار است. حداکثر سختی راکول قابل دستیابی این فولاد B75-B90، نقطه ذوب آن ۲۸۰۰ درجه فارنهایت و استحکام تسلیم آن ۶۰۰۰۰-۸۰۰۰۰ psi است[۴].
خواص شیمیایی این فولادها
خواص شیمیایی برخی از این فولادها یا کربن استیل‌ها در جدول زیر ارائه شده است. مقادیر موجود در جدول بر حسب درصد وزنی می‌باشند.
ترکیب شیمیایی برخی از فولادهای ساده کربنی[۵]
کاربرد فولادهای ساده کربنی
بدلیل تنوع بالای کربن استیل‌ها این مواد کاربردهای گسترده‌ای دارند و در صنایع مختلف از جمله نفت، گاز و پتروشیمی مورد استفاده قرار می‌گیرند . فولاد ساده کربنی همچنین در دیگ‌های بخار، مخازن تحت فشار، مبدل‌های حرارتی، لوله‌کشی و مواردی که نیاز به استحکام خوب و انعطاف‌پذیری مطلوب دارند، کاربرد دارد [۶].
جوشکاری این فولادها
فولادهای ساده کربنی جزئی از آلیاژهای آهنی هستند که ترکیبات شیمیایی مختلفی را شامل می‌شوند . در این فولادها ، وجود عناصر مختلف در کنار عنصر آهن می‌تواند تاثیر چشمگیری در جوشکاری آن داشته باشد. برای جوشکاری انواع فولاد ساده کربنی، باید موارد زیر را بدانیم[۷].
- محتوای کربن
- کربن معادل
- نرخ سرمایش
- ترکیبات شیمیایی دیگر
محتوای کربن
یکی از موارد مهمی که بایستی در هنگام جوشکاری فولادهای ساده کربنی در نظر بگیریم ، درصد کربن موجود در آن است . بسته به مقدار کربن موجود در این فولادها ، قابلیت جوشکاری آن‌ها متفاوت است . مثلا فولادهایی از این دسته که کربن پایینی دارند برای جوشکاری مناسب‌تر هستند . هر چه مقدار کربن موجود در این فولادها افزایش یابد ، قابلیت جوشکاری آن‌ها کاهش می‌یابد . هر چه مقدار کربن در فولادهای ساده کربنی افزایش یابد ، برای جلوگیری از پیدایش عیوب و ترک‌های جوشکاری ، احتمال انجام عملیات‌های پیش گرم و پس گرم کردن افزایش می‌یابد . در فولادهای ساده کربنی که کربن خیلی بالایی دارند ، علاوه بر عملیات پیش گرم و پس گرم کردن ممکن است به فلزات پرکننده‌ی مخصوص جوشکاری نیاز باشد [۷] .
کربن معادل
از فرمول کربن معادل می‌توان برای تعیین قابلیت جوشکاری فولادهای ساده کربنی استفاده کرد . فرمول کربن معادل علاوه بر کربن ، عناصر دیگر در فولاد را در نظر می‌گیرد . بطور کلی هر چه کربن معادل فولادی بالاتر از فولاد ساده کربنی باشد ، قابلیت جوشکاری آن کمتر است . اگر فولاد ساده کربنی ، کربن معادل نسبتا بالایی داشته باشد ، ممکن است برای جلوگیری از ترک خوردگی جوش ، فرآیندهای پیش گرم و پس گرم اجرا شوند . لازم به ذکر است که کربن معادل بطور معمول در فولادهای آلیاژی بیشتر اهمیت دارد [۷] .
نرخ سرمایش
نرخ سرمایش جوش در جوشکاری فولادهای ساده کربنی ، دارای اهمیت است . نرخ سرمایش بالا احتمال ترک خوردگی جوش را افزایش می‌دهد . بطور کلی ، یک فولاد ساده کربنی با مقادیر بالاتر کربن و عناصر دیگر در فرمول کربن معادل ، برای جلوگیری از ترک خوردگی جوش ، به نرخ سرمایش کندتری نیاز دارد . فاکتورهای زیادی در نرخ سرمایش جوش نقش دارند . یک عامل ضخامت فولاد ساده کربنی تحت جوشکاری است . مواد ضخیم ، حجم بیشتری از گرما را پراکنده می‌کنند . این حجم بیشتر به جوش اجازه می‌دهد تا سریع‌تر از قسمت‌های نازک‌تر سرد شود . یکی دیگر از عوامل موثر در سرعت سرمایش جوش دمای محیط است . قبل از جوشکاری فولاد در طول ماه‌های زمستان ، پیش گرم کردن ممکن است ضروری‌تر باشد [۷] .
ترکیبات شیمیایی دیگر
برخی از عناصری که در فولاد ساده کربنی وجود دارند ، قابلیت جوشکاری این مواد را کاهش می‌دهند . مثلا فولادهای ساده کربنی که حاوی سرب هستند ، باعث ترک خوردگی جامد در جوش‌ها می‌شوند . مواد دیگری که می‌تواند باعث ترک خوردگی جوش شوند ، گوگرد و فسفر هستند . این فولادها با مقادیر اندکی از گوگرد و فسفر قابل جوشکاری هستند ، اما مقادیر بیش از ۰/۰۵ از هر دو این عناصر می‌تواند باعث ایجاد ترک در جوش شود [۷] .
فولادهای ساده کربنی دارای حداکثر ۲/۱ درصد کربن و ۱/۶۵ درصد وزنی منگنز هستند . این فولادها کاربردهای متعددی در صنایع نفت ، گاز و پتروشیمی دارند . هرچه مقدار کربن موجود در فولادهای ساده کربنی کمتر باشد ، قابلیت جوشکاری آن‌ها بالاتر و بهتر است .
منابع
[۱] B. L. Bramfitt and A. O. Benscoter, “Introduction to Steels and Cast Irons,” Metallogr. Guid., pp. 1–۲۱, ۲۰۱۹.
[۲] کاویانی‌نژاد، فریدون, انتخاب مواد و طراحی برای مهندسین مواد- مکانیک- شیمی. موسسه آموزشی و تحقیقاتی صنایع دفاعی.
[۳] Myer kutz, Handbook of Materials Selection. .
[۴] D. H. Stamatis, “TQM Engineering Handbook,” TQM Eng. Handb., 1997.
[۵] A. Iron, “CLASSIFICATIONS OF STEELS Base Metals Code Designations and Filler Metal Classifications as per AISI , SAE , ASME and CSA AISI-SAE Classification of Steels AISI-SAE Standard carbon steels,” pp. 218–۲۲۸.
[۶] E. December, “Carbon Steel Handbook,” vol. 3, no. 3, 2006.
[۷] “https://www.metalsupermarkets.com/welding-carbon-steel/.”