فولادها آلیاژهای آهن-کربن ناخالص با محتوای کربن کم، معمولاً 0.1-1.5٪ کربن وزنی هستند. میزان کربن و سطح ناخالصی ها و عناصر اضافی، اعم از فلزی و غیرفلزی، تعیین کننده خواص هر کدام است. درجه فولاد [1].

انواع مختلفی از فولاد با توجه به خواص مورد نیاز برای کاربرد آنها تولید می‌شود و از سیستم‌های درجه‌بندی مختلف برای تمایز فولادها بر اساس این ویژگی‌ها استفاده می‌شود. طبق گزارش انجمن جهانی فولاد، بیش از 3500 گرید فولادی وجود دارد که دارای خواص شیمیایی، محیطی و فیزیکی متمایز هستند. [2].

اگر علاقه مند به خرید یا فروش نوع خاصی از فولاد هستید، Matmatch با Resourex همکاری کرده است تا یک بازار دیجیتال قابل اعتماد برای سفارشات لحظه ای فولاد با خریداران و فروشندگان تایید شده راه اندازی کند. در این مورد بیشتر بدانید اینجا.

در اینجا، با این موارد آشنا خواهید شد:

• ترکیب شیمیایی گریدهای فولادی،
• تأثیر ترکیب شیمیایی بر خواص مکانیکی مواد،
• سیستم های مختلف درجه بندی که در حال حاضر توسط صنایع مختلف استفاده می شود

ترکیب شیمیایی

در زیر برخی از عناصر شیمیایی مورد استفاده برای تأثیرگذاری بر خواص مکانیکی گریدهای فولادی ذکر شده است [3]:

• کربن
  کربن یکی از مهمترین عناصر شیمیایی فولاد است. با افزایش محتوای کربن، ماده ای با شکل پذیری کمتر و استحکام بالاتر تولید می شود.
• منگنز
  منگنز به عنوان خنثی کننده در تولید نورد گرم فولاد همراه با اکسیژن و گوگرد استفاده می شود و اثراتی مشابه خواص کربن بر روی خواص مواد فولادی دارد.
• کروم
  کروم به مقدار کم وجود دارد و در ترکیب با مس و نیکل برای افزایش مقاومت مواد در برابر خوردگی استفاده می شود.
• آلومینیوم
  آلومینیوم یکی از مهم ترین اکسید کننده ها است و به تشکیل ریزساختار کریستالی ریزدانه کمک می کند.
• مس
  همچنین از مس برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی استفاده می شود. این جزء اصلی ضد خوردگی فولادهای گریدهای A242 و A441 است (با برداشته شده، با A572 جایگزین شده است).
• مولیبدن
  مولیبدن استحکام فولاد را در دماهای بالا بهبود می بخشد و همچنین مقاومت آن را در برابر خوردگی افزایش می دهد. برای فولاد درجه A514، مقدار معمول مولیبدن بین 0.15-0.65٪ است.
• گوگرد و فسفر
  گوگرد و فسفر معمولاً مقدار محدودی را در آلیاژهای فولادی تشکیل می دهند زیرا اثرات نامطلوبی بر دوام و استحکام فولاد دارند.

سایر عناصر آلیاژی مانند تیتانیوم، نیتروژن و بور نیز در برخی از گریدهای فولادی به مقدار کم مورد استفاده قرار می گیرند. این عناصر شیمیایی با اجزای اصلی ترکیب می شوند تا عملکرد مواد را بیشتر بهبود بخشند [3].

فولادها را می توان بر اساس ترکیب شیمیایی آنها به طور کلی طبقه بندی کرد – فولاد آلیاژی، فولاد کربنی و فولاد ضد زنگ.

ویژگی های مکانیکی

هر گرید فولادی، با پیروی از استانداردهای بین المللی، نشان دهنده خواص مکانیکی اندازه گیری شده مواد است [4]:

• استحکام – قدرت
  قدرت اشاره دارد نیروی مورد نیاز برای تغییر شکل یک ماده استحکام فلزی فولاد را می‌توان از طریق نرمال‌سازی بهبود بخشید، که ریزساختار یکنواختی را در سراسر ماده ایجاد می‌کند.
• سختی
  سختی است توانایی مواد برای مقاومت در برابر سایش. افزایش محتوای کربن و خاموش کردن مواد منجر به بهبود سختی می شود.
• شکل پذیری
  شکل پذیری اشاره دارد توانایی یک فلز برای تغییر شکل پلاستیکی تحت تنش کششی. با بازپخت فولاد شکل‌دهی سرد، شکل‌پذیری کم آن را می‌توان بهبود بخشید، زیرا بازپخت باعث اصلاح کریستال‌ها می‌شود و در نتیجه نابجایی‌ها در ریزساختار را حذف می‌کند.
• ماشین کاری
  ماشینکاری اشاره دارد چقدر آسان است که فولاد آسیاب، برش یا سوراخ شود. به شدت تحت تأثیر سختی قرار می گیرد. با افزایش سختی، ماشینکاری دشوارتر می شود.
• سختی
  سختی است توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر استرس بدون شکستگی. چقرمگی را می توان با افزودن کروی ها در ریزساختار مانند تمپرینگ بهبود بخشید.
• قابلیت جوشکاری
  جوش پذیری اشاره دارد به راحتی می توان یک ماده را بدون نقص جوش داد. هدایت حرارتی، همراه با نقطه ذوب و هدایت الکتریکی می تواند بر جوش پذیری یک ماده تأثیر بگذارد. اما عمدتاً به عملیات حرارتی مورد استفاده و ترکیب شیمیایی مواد بستگی دارد.

سیستم شماره گذاری گریدهای فولادی

گرید فولاد ترکیب شیمیایی، خواص، فرآیندهای ساخت، عملیات حرارتی و اشکال فولاد را به اشتراک می گذارد. درجه بندی برای سازندگان، مهندسان و مصرف کنندگان بسیار مهم است زیرا زبان استانداردی را برای یادداشت موثر خواص فولاد ارائه می دهد. [4].

در زیر تعدادی از متداول‌ترین سازمان‌های استاندارد بین‌المللی فهرست شده‌اند که هر کدام دارای سیستم شماره‌گذاری گریدهای فولادی خود هستند.

موسسه آهن و فولاد آمریکا (AISI)

AISI محبوب ترین و قدیمی ترین سیستم شماره گذاری برای همه فولادها در ایالات متحده است. این ترکیب شیمیایی یک آلیاژ را بر اساس آنالیز ملاقه بیان می کند اما خواص دیگر را نشان نمی دهد. AISI از یک سیستم شماره گذاری چهار رقمی برای فولادهای کربنی و یک سیستم شماره گذاری سه رقمی برای فولادهای زنگ نزن استفاده می کند که دارای پیشوند “نوع” برای شناسایی است. برخی از گریدهای فولادی حاوی پسوندهایی هستند که نشان دهنده تغییرات در ترکیب هستند، مانند نوع 303Se که نشان دهنده افزودن سلنیوم به ترکیب است. ترکیبات و نامگذاری های AISI به عنوان استانداردهای اولیه برای طیف گسترده ای از صنایع عمل می کنند [5].

انجمن بین المللی مهندسان خودرو (SAE)

به طور مشابه برای SAE، فولادهای آلیاژی و کربنی با یک عدد چهار رقمی تخصیص داده می شوند که رقم اول عنصر آلیاژی اصلی را مشخص می کند. عدد دوم عنصر درجه بالا را نشان می دهد در حالی که دو رقم آخر ترکیب کربن فولاد را نشان می دهد (در صدم درصد وزنی) [6].

جدول زیر طبقه بندی های مختلف فولاد و نام SAE مربوط به آن را نشان می دهد [7]:

برای فولاد ضد زنگ، SAE از یک سیستم شماره گذاری پنج رقمی استفاده می کند که سه شماره آخر آن مطابق با تعیین استانداردهای آلیاژ AISI است. [5]. اساساً استانداردها و شیوه هایی را توصیف می کند که می توانند پایه طراحی، ساخت و مشخص کردن اجزای خودرو باشند.

سیستم شماره گذاری یکپارچه (UNS)

UNS از یک حرف پیشوند و یک سیستم شماره گذاری پنج رقمی استفاده می کند که برای ارتباط بین سیستم های شماره گذاری مختلف برای آلیاژها و فلزات طراحی شده است که به طور تجاری توسط کشورهای مختلف و سازمان های استاندارد استفاده می شود. [5].

در زیر جدول دسته بندی های مختلف UNS نشان داده شده است [8]:

انجمن آمریکایی آزمایش و مواد (ASTM)

سیستم درجه فولاد ASTM ترکیب شیمیایی و الزامات عملکرد مواد را فراهم می کند. همچنین دارای استانداردهای روش آزمایش به همراه مقادیر حداقل و رایج برای انواع خواص فیزیکی و مکانیکی است [5]. به عنوان مثال می توان به ASTM 36 و ASTM A53 اشاره کرد.

سازمان‌های دیگری که از سیستم‌های شماره‌گذاری خود استفاده می‌کنند عبارتند از: موسسه استانداردهای ملی آمریکا (ANSI)، انجمن مهندسین مکانیک آمریکا (ASME)، انجمن بنیان‌گذاران فولاد آمریکا، و انجمن جوشکاری آمریکا (AWS) [9].

[1] دبلیو هیوم-روتری، ساختار آلیاژهای آهن: مقدمه ای ابتدایی،HM Finniston، DW Hopkins، WS Owen (Ed.s)، Elsevier، 2016.

[2] “متداول ترین انواع فولاد در صنعت لوله کشی فرآیندی”، nd [Online]. موجود: https://www.theprocesspiping.com/common-types-steel-process-piping-industry/

[3] “ترکیب شیمیایی فولادهای ساختاری”، nd [Online]. موجود: http://web.mit.edu/1.51/www/pdf/chemical.pdf

[4] “رده بندی فولاد: شیمی و خواص”، 2018، از: https://www.reliance-foundry.com/blog/steel-grades

[5] E. Klar، PK Samal، فولادهای زنگ نزن متالورژی پودر: پردازش، ریزساختارها و خواص، OH: ASM International، 2007.

[6] EP Degarmo، JT Black، RA Kohser، مواد و فرآیندها در تولید (ویرایش نهم).وایلی، 2003.

[7] ال اف جفوس، جوشکاری: اصول و کاربردها. Cengage Learning، 2016.

[8] E. Oberg، HL Horton، FD Jones، HH Ryfell، و CJ McCauley، کتابچه راهنمای ماشین آلات (ویرایش بیست و نهم).Industrial Press Inc.، 2012.

[9] “اطلاعات فنی راهنمای مهندسی”، nd [Online]. موجود: https://www.isibang.ac.in/~library/onlinerz/resources/Enghandbook.pdf