مقایسه فولادهای کربنی و آلیاژی
تفاوت بین فولادهای کربنی و فولادهای آلیاژی به شرح زیر است:
فولادهای کربنی
فولادهای کربنی، کمهزینه و پرکاربرد هستند. ترکیب اصلی آنها آهن و کربن است و عناصر دیگر مثل منگنز و سیلیسیم فقط در حد ناخالصیهای عادی یا مقادیر کم وجود دارند.
چرا از آنها استفاده میکنیم؟ چون ارزان هستند، به راحتی در دسترساند و خواص مکانیکی خوبی برای کاربردهای عمومی (مثل اسکلت ساختمانها، پلها یا لولههای معمولی) ارائه میدهند. خواص آنها تقریبا فقط به میزان کربن موجود در ساختار و عملیات حرارتی بستگی دارد.
فولادهای آلیاژی
فولادهای آلیاژی، با اضافه کردن عناصر آلیاژی، خواصی را به دست میآورند که از توان فولاد کربنی خارج است.
از آنها استفاده میکنیم چون نیاز به خواص بهتری داریم؛ مثلا قطعهای که باید در برابر اسیدها مقاوم باشد (نیاز به کروم و نیکل)، یا ابزاری که باید لبهاش را در دمای بالا حفظ کند (نیاز به مولیبدن و وانادیم). این فولادها گرانترند، اما برای شفتهای موتور جت، ابزارهای برش پرسرعت، یا قطعات زیر آب، چارهای جز استفاده از آنها نیست.
چگونه عناصر آلیاژی فولادهای خاص (مانند زنگ نزن و ابزار) را ایجاد میکنند؟
در فولادهای زنگ نزن، همانطور که گفتیم، کروم وجود دارد. یک فولاد برای این که ضد زنگ نامیده شود، باید حداقل 11 تا 12 درصد کروم داشته باشد تا بتواند لایه اکسید محافظ را تشکیل دهد.
وقتی نیکل (معمولاً حدود 8% یا بیشتر) به کروم اضافه میشود، فولاد ضد زنگ از حالت فریتی به حالت آستنیتی تبدیل میشود. این خانواده (مانند گرید 304) بسیار شکلپذیرتر و مقاوم به خوردگی عمومی هستند.
اگر فولاد زنگ نزن قرار است در محیطهای بسیار خورنده یا حاوی یون کلرید (مثل آب دریا) کار کند، مولیبدن اضافه میشود. مولیبدن به فولاد کمک میکند تا در برابر یک نوع خوردگی موضعی خطرناک به نام حفرهزایی مقاومت کند (مانند گرید 316).
برای مقاومت به سایش (گروه D، مثل D2): فولادهای ابزار (Tool Steels)T دارای کربن و کروم بسیار بالا هستند. کربن و کروم با هم ترکیب شده و کاربیدهای بزرگ و بسیار مقاوم به سایش را ایجاد میکنند که عملاً مانند تکههای الماس در ساختار فولاد عمل میکنند.
برای کار در دمای بالا (گروه H، مثل H13): فولاد ابزار باید در دمای کاری بسیار داغ (مثلا هنگام ریختهگری آلومینیوم مذاب) نرم نشود. بنابراین، ترکیبی از کروم، مولیبدن و وانادیم به آنها افزوده میشود. این عناصر کاربیدهایی میسازند که حتی در دمای بالا هم پایدار مانده و استحکام فولاد را حفظ میکنند.
تاثیر عناصر آلیاژی بر قابلیت جوشکاری
قاعده کلی این است که هرچه فولاد سختتر باشد (کربن و عناصر آلیاژی بیشتر)، جوشکاری آن سختتر است. دلیل اصلی آن، افزایش احتمال تشکیل ساختار شکننده به نام مارتنزیت در ناحیه جوش است. اگر جوش خیلی سریع سرد شود، فولادهای آلیاژی با C, CR, MO بالا به سرعت مارتنزیت تشکیل داده و این سختی بیش از حد، همراه با تنشهای جوش، میتواند منجر به ترکخوردگی سرد (ترک هیدروژنی) شود.
برای پیشبینی سختی جوشکاری، مهندسان از فرمولی به نام معادل کربن استفاده میکنند. این فرمول، تأثیر تمامی عناصر آلیاژی را بر قابلیت سخت شدن فولاد، در قالب یک عدد معادل کربن نشان میدهد.
نکات مهم برای جوشکاری فولادهای آلیاژی
پیشگرمایش: قبل از جوشکاری، قطعه را گرم کنید. این کار سرعت سرد شدن جوش را کاهش داده و از تشکیل مارتنزیت شکننده جلوگیری میکند.
کنترل هیدروژن: از الکترودها و مواد پرکننده بسیار خشک استفاده کنید تا هیدروژن محلول در فلز جوش به حداقل برسد (هیدروژن عامل اصلی ترکخوردگی سرد است).
پسگرمایش (Post-weld Heat Treatment): بلافاصله پس از جوشکاری، گرم نگه داشتن یا عملیات حرارتی برای “بازگشت” (Tempering) ناحیه جوش، تنشها را از بین برده و ساختار شکننده را نرم میکند.