نقش و تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد

تاثیر عناصر آلیاژی بر فولادها به چه صورت است؟ این عناصر شامل چه مواردی می‌شوند؟ کدام خواص تحت تاثیر افزودن یا کاهش عناصر آلیاژی از ساختار یک فولاد دچار تغییر می‌شوند؟ برای استفاده از فولادها در دماهای بالا، شرایط خوردگی شدید، محیط‌های ترش و اسیدی، دماهای بسیار پایین، تحت سایش زیاد و... نیاز به استفاده از کدام عناصر آلیاژی است؟ در این مقاله به‌طور مفصل در مورد تاثیر عناصر آلیاژی در فولادها از کربن گرفته تا منگنز، نیکل، مولیبدن، گوگرد، کروم و غیره می‌پردازیم. راز دستیابی به فولادهایی با خواص برتر و متناسب با کاربرد موردنظر، در استفاده صحیح و اصولی از همین عناصر آلیاژی است.

نقش عناصر آلیاژی در فولادها

تصور کنید یک آشپز برای پختن غذا تنها از نمک به‌عنوان ادویه استفاده نماید. آیا در آن صورت می‌تواند غذای خوشمزه‌ای را بپزد؟ یقیناً خیر! چراکه مجموعه‌ای از طعم‌ها هستند که هر یک با ایفای نقش خود، یک غذای لذیذ را پدید می‌آورند. فولادها نیز چنین شرایطی دارند. هر فولاد با توجه به کاربرد و محدوده خواصی که دارد، قادر است تا فقط در همان محدوده تحت سرویس قرار گیرد. چنان‌چه قرار باشد از این محدوده خارج شود، یا باید به سراغ یک گرید دیگر از انواع فولادها برویم، یا اینکه فکری به حال بهبود خواص آن‌ها کنیم.

عناصر آلیاژی، نقش ادویه‌ها را در انواع فولادها ایفا می‌کنند. هر عنصر آلیاژی بر روی محدوده‌ای از خواص تاثیر می‌گذارد و این‌چنین، فولاد از نظر مکانیکی و شیمیایی تقویت می‌شود. بنابراین، اطلاع از تاثیر عناصر آلیاژی بر فولادها یک امر مهم و حیاتی در تعیین و ارزیابی خواص و کاربرد انواع فولاد است.

تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد

تاثیر کربن بر فولاد

کربن مهم‌ترین عنصر آلیاژی در فولادها است. تاثیر کربن در فولاد به‌قدری مهم است که اگر مقدار آن از 2 درصد فراتر رود، دیگر آن آلیاژ فولاد نبوده و به چدن تبدیل شده است. با انواع چدن‌ و کاربرد آن‌ها در این صفحه آشنا شوید.

کربن یک پایدارکننده قوی آستنیت است که استحکام کششی فولاد را از طریق افزایش درصد کاربیدها، افزایش می‌دهد. همچنین، کربن نقش مهمی در قابلیت سخت‌کاری فولاد دارد که آن را برای فرآیندهای کوئنچ و تمپر مطلوب می‌کند. این عنصر نقش منحصربه‌فردی نیز در تحولات آلوتروپیک فولاد دارد.

برخلاف خواص مطلوب یادشده در بالا، افزایش مقدار کربن، کاهش شدید چقرمگی و مقاومت به خوردگی را در فولادهای فریتی به دنبال دارد. در فولادهای مارتنزیتی نیز، افزایش کربن منجر به افزایش سختی و استحکام شده اما چقرمگی را کاهش می‌دهد. این اثر وقتی‌که کربن به‌صورت سمنتیت لایه‌ای به‌جای ذرات کروی در پرلیت وجود داشته باشد، بیشتر خواهد بود.

تاثیر منگنز بر فولاد

منگنز در فولادها حداکثر به میزان 1.8 درصد وزنی افزوده می‌شود. این عنصر با گوگرد ترکیب می‌شود و سولفید منگنز (MnS) را تشکیل می‌دهد که یک ترکیب کم‌خطر است. این ترکیب در فولادهای با گوگرد بالا، از خطر ترک گرم در حین جوشکاری جلوگیری می‌کند. در صورت عدم استفاده از منگنز، ترکیب بسیار ترد FeS در فولادها تشکیل خواهد شد که چقرمگی شکست را کاهش می‌دهد. ترکیب MnS برای فولادهای ضد زنگ بسیار مهم است زیرا به‌عنوان مناطق شروع خوردگی عمل می‌کند. بنابراین، در این نوع فولادها باید که مقدار MnS در حد کم نگه داشته شود.

این عنصر مقداری بر افزایش استحکام فولاد نیز اثر می‌گذارد و چقرمگی را تا دمای اتاق بهبود می‌بخشد. افزایش قابلیت سخت‌کاری دیگر تاثیر منگنز در فولاد است. منگنز می‌تواند به‌عنوان عامل اکسید زدا در ذوب و ریخته‌ گری فولاد یا فیلرهای جوشکاری نیز عمل کند. ضمن اینکه، به کارپذیری فلز نیز کمک می‌کند. این عنصر، حلالیت نیتروژن را هم در آلیاژهای بر پایه نیکل افزایش می‌دهد. افزایش نفوذپذیری مغناطیسی نیز از آثار حضور منگنز در فولاد است.

تاثیر مولیبددن بر فولاد

افزودن مولیبدن، از طریق تغییر مشخصه‌های لایه غیرفعال سطح، منجر به کاهش اثرات مخرب ناشی از خوردگی‌های حفره‌ای و شکافی می‌شود. مولیبدن مهم‌ترین عنصر آلیاژی است که به‌منظور افزایش مقاومت به حمله کلریدها مورداستفاده قرار می‌گیرد. آلیاژهای نیکل متشکل از 25 درصد مولیبدن، مقاومت بسیارخوبی در برابر هیدروکلریک اسید دارند.

همچنین، دیگر تاثیر مولیبدن در فولادها به‌صورت استحکام دهی محلول جامد دمابالا به دلیل حضور کاربیدها است. آلیاژهای حاوی مولیبدن بالا که از حضور کروم نیز بهره می‌برند، باید مقدار نیکل بیشتری داشته باشند تا امکان تشکیل فاز سیگما به حداقل برسد. مولیبدن یک عنصر آلیاژی مهم در فولادهای Cr-Mo است، زیرا خواص خزشی را در این فولادها بهبود می‌بخشد. کاربرد اصلی فولاهای Cr-Mo در دماهای بالا است که احتمال رخ دادن پدیده خزش در آن‌ها وجود دارد. با انواع فولاد آلیاژی در این صفحه آشنا شوید.

تاثیر کروم بر فولاد

کروم یک عنصر آلیاژی بسیار ارزشمند در فولادسازی است و به فولادهای زنگ نزن خاصیت اصلی آن‌ها را که همان مقاومت در برابر خوردگی است، می‌بخشد. فولاد ضد زنگ با حداقل 10 درصد کروم آلیاژ شده است. افزایش مقدار کروم در فولاد ضد زنگ به معنای مقاومت بیشتر در برابر خوردگی است. کروم به‌عنوان پایدارکننده فریتی عمل می‌کند.

کروم تأثیر کمی بر استحکام فولاد دارد اما قابلیت سخت شدن فولاد را افزایش می‌دهد. همچنین، مقاومت فولاد در برابر تشکیل رسوبات یا اکسیدها هنگام گرم شدن تا دمای بالا به مقدار کروم بستگی دارد. بنابراین، کروم عنصر آلیاژی اصلی برای مواد با کاربردهای دمابالا مانند فولادهای Cr-Mo است. ضمن اینکه، کروم با کربن ترکیب می‌شود و کاربیدهای کروم را تشکیل می‌دهد که پایدارتر از سمنتیت هستند و با گذشت زمان در دمای بالا تجزیه نمی‌شوند. کروم به حفظ استحکام دمابالای فولاد کمک می‌کند و مقاومت به خزش را در آن بهبود می‌بخشد.

تاثیر گوگرد بر فولاد

گوگرد ماشین‌کاری در فولاد را بهبود می‌بخشد اما مقدار گوگرد باید همیشه در حد پایین نگه داشته شود، زیرا امکان تشکیل ترکیب یوتکتیکی Ni-Ni3S2 با نقطه ذوب پایین وجود دارد. ازآنجایی‌که گوگرد در مرز دانه‌ها جدایش ایجاد می‌کند، به دلیل وجود ترکیب میانی با نقطه ذوب پایین، احتمال خوردگی بین‌دانه‌ای را افزایش می‌دهد.

تاثیر گوگرد در فولاد وقتی‌که با محیط‌های ترش حاوی گاز H2S سروکار داریم، بیشتر اهمیت می‌یابد. این گاز که به گاز فاضلاب نیز معروف است، در چاه‌های نفت وجود دارد. لوله‌های فولادی که در کاربردهای انتقال نفت به کار می‌روند اگر حاوی گوگرد باشند، در واکنش با این گاز، سبب تردی و نشت می‌شوند که درنهایت به شکست می‌انجامد.

اثر نیکل بر فولاد

نیکل مقاومت بالایی در برابر کربوریزه شدن و اکسیداسیون دارد. نیکل یک پایدارکننده آستنیتی است که ریزساختار FCC را تقویت می‌کند و باعث شکل‌پذیری و چقرمگی بیشتر آلیاژ می‌شود. نیکل برای جوش‌پذیری آلیاژ مفید است و به همین دلیل به آلیاژهای فولاد ضد زنگ مارتنزیتی اضافه می‌شود. نیکل به دلیل اثرات پایدارکننده FCC، عنصر اصلی فولاد ضد زنگ دماپایین و فولادهای حاوی 9 درصد نیکل است. با انواع گریدهای فولاد ضد زنگ در این لینک آشنا شوید.

نیکل تأثیر کمی بر استحکام و قابلیت سخت شدن فولاد دارد، اما به‌طور قابل‌توجهی چقرمگی دمای پایین آن را با ایجاد آستنیت پایدار حتی در دمای اتاق بهبود می‌بخشد. نیکل همچنین مقاومت در برابر خوردگی اتمسفری فولاد را افزایش می‌دهد.

تاثیر کبالت بر فولاد

هنگامی‌که هر عنصر آلیاژی در حالت محلول جامد قرار دارد، کبالت می‌تواند از طریق تقویت محلول جامد، استحکام را بهبود بخشد. همچنین، حلالیت کربن در کبالت نسبت به نیکل بیشتر است که این امر تا حدودی آسیب ناشی از کربورسازی را به حداقل می‌رساند.

کبالت به افزایش دمای محلول y' [Ni3(Al,Ti)] کمک می‌کند. درنتیجه حلالیت آلومینیوم و تیتانیوم را درزمینه کاهش می‌دهد و این‌چنین، رسوب y بیشتری را به همراه دارد. بنابراین استحکام در دمای بالا را بهبود می‌بخشد. کبالت همچنین تمایل دارد که توزیع این رسوب را ریز تر کند.

اثر سیلیکون بر فولاد

سیلیکون منجر به افزایش مقاومت به اکسیداسیون در فولادها چه در دماهای بالا و چه در دماهای پایین می‌شود. این عنصر یک پایدارکننده فریت است و منجر به تشکیل ساختار فریتی BCC می‌شود. سیلیسیم از طریق اکسیدزدایی، به بهبود استحکام فولاد کمک می‌کند. توانایی افزایش قابلیت سخت‌کاری فولاد توسط سیلیسیم در حد متوسط است.

اثر وانادیوم بر فولاد

وجود وانادیوم در فولادها منجر به تشکیل کاربیدها و نیتریدها شده و ساختار فریتی را نیز ایجاد خواهد کرد. این عنصر به‌منظور افزایش استحکام و چقرمگی فولاد از طریق پالایش دانه‌ها در شرایط نوردی یا نرماله به آن‌ها افزوده می‌شود. این عنصر در دستیابی به ‌سختی بالاتر در حالت تمپر پس از فرآیند کوئنچ-تمپر نقش دارد.

وانادیوم در فولادهای مورداستفاده در دماهای بالا نظیر Cr-Mo-V کاربرد دارد. این فولادها در انواع راکتورها به کار می‌روند. وانادیوم در فولادهای مارتنزیتی به سبب حضور کاربیدها، منجر به افزایش سختی می‌شود. این عنصر فقط در فولادهای ضد زنگ که قابلیت سخت‌کاری دارند استفاده می‌شود.

نقش مس در فولاد

مس به‌منظور افزایش مقاومت به خوردگی و بهبود استحکام به فولادها اضافه می‌شود. این عنصر، پایدارکننده آستنیت با ساختار FCC است. تاثیر مس بر چقرمگی و قابلیت سخت شدن فولاد خیلی کم است اما مقاومت به خوردگی جوی را تا حد بسیار زیادی بهبود می‌بخشد.

نقش بور در فولاد

نقش بور در افزایش سختی فولادهای کم‌کربن است به‌گونه‌ای که افزودن مقدار بسیار کمی از آن، سختی قابل‌توجهی را به همراه دارد. تاثیر افزایش سختی بور در فولاد وقتی دوچندان می‌شود که این عنصر با عناصری همچون مولیبدن، تیتانیم و وانادیوم ترکیب شود.

اثر نیوبیوم بر فولاد

نیوبیوم که از آن تحت عنوان کلمبیوم نیز یاد می‌شود، یک کاربید ساز قوی و پایدارکننده فریت است. این عنصر با تشکیل ساختارهای همگن منشور فشرده یا HCP، در استحکام دهی به روش رسوب سختی مورداستفاده قرار می‌گیرد. نیوبیوم در مقادیر کم، برای کمک به کاهش حساسیت به خوردگی استفاده می‌شود. این عنصر به میزان 1 تا 1.75 درصد در فولادهای PH وجود دارد که به حد کربوره کردن و نیز افزایش مقاومت به فرسایش کمک می‌کند.

نقش نیتروژن در فولاد

نتیتروژن معمولاً در فولادهای ضد زنگ استفاده می‌شود. این عنصر در پایداری آستنیت و کاهش رسوبات فاز میانی نقش دارد. به‌عنوان‌مثال، فاز سیگما، استحکام کششی و تسلیم را بدون کاهش شکل‌پذیری افزایش می‌دهد و مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای و شکافی را افزایش می‌دهد. البته باید توجه داشت که وجود نیتروژن اضافی بیش از 0.1 تا 0.2 درصد بسته به آلیاژ، منجر به تخلخل خواهد شد.

اثر آلومینیوم بر فولاد

افزودن مقدار مشخصی از آلومینیوم، مقاومت به اکسیداسیون را در آلیاژها افزایش می‌دهد. به همین دلیل، از آن در مواد مقاوم در برابر حرارت استفاده می‌شود. افزودن آلومینیوم در فولادهای رسوب سخت شونده، منجر به تشکیل ترکیبات بین فلزی می‌شود که افزایش استحکام را از طریق فرآیند پیرسازی به همراه دارد.

نقش تنگستن در فولاد

تنگستن موجب افزایش سختی در دماهای بالا از طریق تشکیل کاربیدهای پایدار و ریز کردن سایز دانه‌ها می‌شود. تنگستن را می‌توان در برخی گریدهای مخصوص نظیر آلیاژ 686 و گرید فوق دوفازی 4501 یافت که مقاومت به خوردگی بالایی دارند. چگونگی انتخاب فولاد آلیاژی مناسب با توجه به کاربرد و خواص مدنظر، یکی از مهم‌ترین چالش‌ها به‌منظور استفاده بهینه و صحیح از فولادها است.

سوالات متداول

1- برای بهبود سختی و استحکام فولاد کدام عناصر به آن افزوده می‌شوند؟

کربن، بور، وانادیوم، تیتانیم، تنگستن، مولیبدن و نیوبیوم

2- تاثیر فسفر در فولاد به چه صورت است؟

فسفر قابلیت ماشین‌کاری را بهبود می‌بخشد اما نباید از 0.4 درصد افزایش یابد. چون‌که Fe3P تشکیل می‌شود که یک ترکیب ترد است و جوش‌پذیری را کاهش می‌دهد.

3- برای بهبود ماشین‌کاری کدام عنصر باید به فولاد افزوده شود؟

گوگرد و فسفر قابلیت ماشین‌کاری را بهتر می‌کنند. گوگرد یک عنصر مضر است و باید در حد هزارم درصد در فولاد باشد. چون در محیط‌های حاوی گازهای ترش سبب نشتی می‌شود.

4- برای استفاده از فولاد در دماهای بالا کدام عناصر باید به آن اضافه شوند؟

کروم و مولیبدن اصلی‌ترین عناصر جهت مقاومت به خوردگی دمابالا و مقاومت به خزش در فولادها هستند.

5- برای کاربردهای زیر صفر درجه، فولاد باید حاوی کدام عناصر باشد؟

افزودن نیکل سبب می‌شود که نمودار تبدیل نرمی به تردی یا DBTT به سمت چپ منتقل شود و این‌چنین فولاد در دماهای خیلی پایین، ترد نخواهد شد.