به عنوان ماده اساسی صنعت مدرن، عملکرد فولاد به طور مستقیم توسط ترکیب شیمیایی تنظیم می شود. از جمله کربن (C)، منگنز (Mn)، سیلیکون (Si)، گوگرد (S)، فسفر (P) پنج عنصر با تغییر سازمان متالورژیکی، ساختار کریستالی و توزیع ناخالصیها به طور قابلتوجهی بر استحکام، چقرمگی، فرآیندپذیری و مقاومت به خوردگی فولاد تأثیر میگذارند.
اول، عناصر کربن (C): استحکام و انعطاف پذیری تنظیم کننده هسته
کربن مهمترین عنصر آلیاژی در فولاد است و محتوای آن نقش تعیین کننده ای در عملکرد فولاد دارد. در محدوده فولاد یوتکتیک فرعی (میزان کربن 0.02٪ -0.77٪)، با افزایش محتوای کربن، تعداد ذرات کربوره در زمینه فریت، استحکام کششی و سختی به صورت خطی افزایش یافت، اما ازدیاد طول و چقرمگی ضربه به طور قابل توجهی کاهش یافت. هنگامی که محتوای کربن از نقطه یوتکتیک (0.77٪) فراتر می رود تا یک فولاد پریتکتیک ایجاد شود، باریک شدن فاصله بین لاملاهای پرلیت منجر به افزایش مداوم استحکام می شود، اما تعصب کاربید در مرزهای دانه خطر شکنندگی را ایجاد می کند.
موارد معمولی نشان می دهد که محتوای کربن 0.45٪ از فولاد کربن متوسط پس از عملیات حرارتی، استحکام کششی تا 800MPa، ازدیاد طول در 15٪ حفظ می شود. و محتوای کربن 1.2٪ از فولاد کربن بالا اگرچه سختی HRC62 است، اما چقرمگی ضربه کمتر از 10J/cm² است. عملکرد جوشکاری، محتوای کربن در هر افزایش 0.1٪، شاخص حساسیت ترک جوش 20٪ افزایش یافته است، نیاز به استفاده از الکترودهای هیدروژن کم و پیش گرم کردن تا 150 درجه یا بیشتر است.
دوم، عنصر منگنز (Mn): سختی پذیری و کارایی گرم تنظیم کننده دوگانه
منگنز به عنوان عناصر تشکیل دهنده کاربید ضعیف، از طریق تقویت محلول جامد و مکانیسم دوگانه کنترل سازمانی برای افزایش عملکرد فولاد. در فریت، اتمهای منگنز جایگزین اتمهای آهن میشوند تا باعث ایجاد اعوجاج شبکه شوند، قدرت تسلیم حدود 30MPa/% افزایش مییابد. در آستنیت، انبساط منگنز ناحیه -فاز به طوری که دمای بحرانی Ac3 تا 50{11}}80 درجه افزایش یافته است که به طور قابل توجهی سختی پذیری را بهبود می بخشد. داده های تجربی نشان می دهد که فولاد 45 حاوی 1.2 درصد منگنز می تواند پس از کوئنچ آب به سختی HRC45 برسد که 3 سطح سختی راکول بالاتر از فولاد بدون منگنز است.
In terms of hot working performance, manganese and sulfur form high melting point MnS (melting point 1610℃), which replaces low melting point FeS (melting point 988℃) to eliminate thermal embrittlement. However, excess manganese (>1.5 درصد منجر به درشت شدن دانه در حین دمکردن و افزایش 40 درصدی شاخص شکنندگی مزاج می شود و آستنیت باقیمانده باید با نگه داشتن در دمای 700 درجه حذف شود. در کاربردهای معمولی، فولاد 20MnSi با 0.8٪ -1.2٪ منگنز به طور گسترده برای میلگرد ساختمانی استفاده می شود و مقاومت تسلیم آن در مقایسه با فولاد Q235 25٪ افزایش یافته است.
سوم، عنصر سیلیکون (Si): تقویت کننده هم افزایی تقویت محلول جامد و مقاومت در برابر خوردگی
سیلیکون بهعنوان یک عنصر تشکیلدهنده فریت{0} قوی، خواص فولاد را از طریق مکانیسم دوگانه تقویت محلول جامد و لایه اکسید سطحی افزایش میدهد. در فریت، شعاع اتمهای سیلیکون 11 درصد بزرگتر از اتمهای آهن است که باعث ایجاد اعوجاج شبکهای میشود تا استحکام تسلیم را تا حدود 50MPa/%. آزمایش های اکسیداسیون سطحی نشان می دهد که محتوای سیلیکون 1.5٪ از فولاد در 800 درجه به مدت 24 ساعت اکسید شده است، ضخامت فیلم اکسید 60٪ کمتر از فولاد معمولی است، به لطف تشکیل لایه محافظ متراکم SiO2.
از نظر قابلیت ماشینکاری، محتوای سیلیکون بیش از 0.8٪ مقاومت تغییر شکل سرد را تا 20٪ افزایش می دهد، که نیاز به یک فرآیند چند{2}} با حجم های تغییر شکل کوچک دارد. کاربردهای معمول، محتوای سیلیکون 0.2% -0.5% فولاد 40SiMn مورد استفاده در ساخت میلههای اتصال خودرو، عمر خستگی آن نسبت به فولاد کربن معمولی 1.5 برابر افزایش مییابد. محتوای سیلیکون 15٪ -20٪ چدن با سیلیکون بالا در اسید سولفوریک متوسط نرخ خوردگی<0.1mm / a, become the preferred material for corrosion-resistant parts of chemical equipment.
چهارم، عناصر گوگرد (S): عملکرد گرم کار ناوشکن نامرئی
گوگرد به شکل اجزاء FeS در مرزهای دانه فولاد، آسیب آن عمدتاً در پردازش حرارتی و جوشکاری دو صحنه منعکس می شود. FeS و Fe که توسط نقطه ذوب کریستال هم{1}} تنها 988 درجه ایجاد میشوند، زمانی که فولاد تا 1150 درجه گرم میشود، مرزهای دانه در FeS مایع منجر به کاهش استحکام موضعی میشود که مستعد ترکخوردگی حرارتی است. داده های تجربی نشان می دهد که محتوای گوگرد 0.05٪ فولاد در فرآیند ریخته گری مداوم، بروز نرخ ترک حرارتی 5 برابر بیشتر از محتوای گوگرد 0.01٪ است.
از نظر عملکرد جوشکاری، گاز SO2 تولید شده در اثر واکنش بین گوگرد و اکسیژن، منافذی را در جوش ایجاد میکند و سطح مقطع موثر فلز جوش را تا 30% کاهش میدهد. موارد معمولی نشان می دهد که محتوای گوگرد 0.08٪ از فولاد Q235 در جوشکاری قوس دستی، چقرمگی ضربه فلز جوش کمتر از 8J/cm²، تنها 1/3 از مواد پایه است. فرآیند فولادسازی مدرن با افزودن عناصر خاکی کمیاب برای تشکیل نقطه ذوب بالای سولفید، شاخص خطر گوگرد تا 70٪ کاهش می یابد.
پنج عنصر فسفر (P): چقرمگی دمای پایین-قاتل کشنده
فسفر در حلالیت جامد فریت 0.9٪، شعاع اتمی آن 14٪ بزرگتر از اتم آهن است، که باعث ایجاد اعوجاج جدی شبکه می شود. دادههای تجربی نشان میدهند که محتوای فسفر 0.1٪ فولاد در -20 درجه زمانی که چقرمگی ضربه 65٪ کمتر از دمای معمولی است، که از اتمهای فسفر در شکلگیری انحراف صفحه کریستالی{100} خوشههای گاز کرشنر در اثر جابجایی پینینگ ناشی میشود. آزمایشهای شکنندگی در دمای پایین نشان میدهد که فولاد با محتوای فسفر 0.15 درصد در دمای 40- درجه دچار شکستگی ناپیوسته میشود، با یک شکست که با ویژگیهای ایکو وجهی مشخص میشود.
از نظر قابلیت ماشینکاری برش، اثر هم افزایی فسفر و گوگرد منجر به کاهش 20 درصدی نیروهای برشی و افزایش 1.5 برابری در طول عمر ابزار شد. در کاربردهای معمولی، فولاد برش آزاد 1215 با محتوای فسفر 0.08٪ - 0.15٪ به طور گسترده برای ماشینکاری قطعات دقیق، با زبری سطح تا 0.8 میکرومتر استفاده می شود. البته لازم به ذکر است که با محتوای فسفر بیش از 0.12 درصد، میزان خوردگی فولاد در محیط دریایی به میزان 3 افزایش می یابد که باید با افزودن عناصر مسی برای تشکیل یک لایه محافظ، از آن جلوگیری کرد.
