در صنایع مهندسی و متالوژی، از فولاد ساده کربنی به عنوان مادر فولادها یاد می‌کنند. اگر قصد داریم پی به اهمیت چنین آلیاژ مهمی ببرید، همین بس که به شما بگوییم، فولاد ساده کربنی پس از نفت خام، به توان دومین ماده صنعتی پرمصرف در دنیا شناخته می‌شود.
به همین دلیل، فولاد کربنی یکی از پرمصرف‌ترین و مهم‌ترین ماده صنعتی در جهان و به خصوص در کشور خودمان محسوب می‌شود. همان‌طور که می‌دانید فولاد آلیاژیست که از عناصر و ترکیبات مختلفی تشکیل می‌شود. به همین دلیل، می‌توان گفت که آهن و کربن یکی از عناصر اصلی تشکیل‌دهنده فولاد کربنی هستند.
همیشه مقدار کربن نوع فولاد را تعیین می‌کند. در مورد فولاد کربنی هم می‌توان گفت که مقدار کربن استفاده شده در آن، حدود 2 درصد است. البته لازم به ذکر است که فولاد کربنی و یا تمام محصولات فولادی فقط از دو نوع عنصر تشکیل نمی‌شوند. بلکه در ساخت آنها از ترکیبات دیگری هم مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اما این دو عنصر در ساخت فولاد بسیار مهم بوده و میزان درصد استفاده شده از آنها نقش مهمی در نوع فولاد به دست آمده ایفا می‌کند.
به همین دلیل، می‌توان گفت که با تغییر ترکیبات عناصر مختلف فولادها، گریدهای مختلفی از آن تولید می‌گردد. آشنایی با دسته‌بندی مختلف محصولات فولادی به ما کمک خواهد کرد تا آنها را بیشتر و بهتر بشناسیم.
به طور کلی می‌توان فولاد را به دو دسته فولاد آلیاژی و فولاد ساده کربنی دسته‌بندی کرد که در این مقاله قصد داریم بیشتر راجع به فولاد ساده کربنی صحبت کنیم. پس برای اطلاعات بیشتر در مورد آشنایی با فولاد ساده کربنی، با ادامه این مقاله همراه ما باشید.
فولاد ساده کربنی چیست؟
فولاد ساده کربنی چیست؟
فولاد ساده کربنی یا (Plain Carbon Steel) جزو خانواده فولادها بوده که اصلی‌ترین عنصر تشکیل‌دهنده‌ی آن کربن است. در واقع، افزودن و یا کاستن هر نوع عنصر در آلیاژهای فولادی می‌تواند تاثیر بسزایی در خاصیت و ویژگی آنها بگذارد. وجود کربن هم، به عنوان اصلی‌ترین عنصر سازنده این نوع فولاد، می‌تواند تاثیر زیادی روی ویژگی‌های منحصربه‌فردش بگذارد.
در ادامه با 3 ویژگی اصلی فولاد ساده کربنی آشنا خواهیم شد که این ویژگی‌ها به ما کمک خواهد کرد تا با این نوع فولاد بیشتر و بهتر آشنا شویم:
- اولین ویژگی فولاد کربنی ساده این است که مقدار مس موجود در آن نباید کمتر از 0.04 درصد باشد.
- حداکثر مقدار و میزان عناصری نظیر سیلیسیوم، منگنز و مس هم، در این نوع فولاد به ترتیب باید 0.6، 1.65 و 0.6 درصد باشند.
- معمولا برای عناصری نظیر نیوبیوم، آلومینیوم، تنگستن، مولیبدن، زیرکونیوم، کروم، وانادیوم، کبالت، تیتانیوم و نیکل هیچ‌گونه میزان حداقلی برای استفاده در فولاد ساده کربنی تعیین نشده است. در نتیجه، از این عناصر به میزانی که ترکیب اصلی فولاد ساده کربنی را به هم نزند، می‌توان بدون محدودیت حداقلی، استفاده کرد.
بیشتر بخوانید: آلیاژ چیست + نمونه
آشنایی با دسته‌بندی کلی فولاد ساده کربنی
در بالا به این موضوع اشاره کردیم که به جز کربن و آهن، عناصر متعدد دیگری هم وجود دارند که می‌توانند به فولاد ساده کربنی اضافه شوند. اما مورد مهمی که در این باره باید بدانیم این است که چنین عناصری به سه روش می‌توانند در فولاد ساده کربنی وجود داشته باشند که به شرح ذیل هستند:
- عناصری نظیر گوگرد، نیتروژن، اکسیژن، فسفر و هیدروژن که برای این نوع فولاد مناسب نیستند و باید بسیار کمتر از آنها استفاده شود. چرا که این نوع عناصر روی خواص مکانیکی فولاد تاثیر زیادی گذاشته و آن را تضعیف می‌کند.
- عناصری نظیر منگنز و سیلسیوم که مشکلی برای فولاد ایجاد نمی‌کند و می‌تواند به صورت اتفاقی در فولاد ساده کربنی وجود داشته باشد. بدین معنا که وجود چنین عناصری تا مقدار مشخص، هیچ ضرری برای فولاد ساده کربنی نخواهد داشت.
- عناصری نظیر مولیبدن، آلومینیوم، کروم، وانادیم و نیکل که به صورت کاملا برنامه‌ریزی‌شده به این نوع فولاد اضافه می‌شوند تا در ویژگی خاص آن تاثیرگذار باشند. یعنی این عناصر دقیق برعکس نوع دوم هستند که به صورت اتفاقی در فولاد وجود دارند و کاملا برنامه‌ریزی‌شده و عامدانه به فولاد ساده کربنی اضافه می‌شوند. اضافه کردن چنین عناصری می‌تواند تاثیر بسزایی در بحث جوش‌پذیری، استحکام، سختی، کنترل اندازه دانه‌های، مقاومت در برابر خوردگی، بهبود مقاومت خزشی و همچنین مقاومت در برابر سایش داشته باشد.
تقسیم‌بندی فولادهای کربنی
همان‌طور که از نام فولادهای کربنی مشخص است، نقش کربن در آنها به قدری اهمیت دارد که حتی در تقسیم‌بندی‌شان هم تاثیرات بالقوه‌ای دارد. به همین دلیل، معمولا با توجه به میزان کربن استفاده شده در فولادهای کربنی آنها را دسته‌بندی می‌کنند. معمولا 2 دسته‌بندی کلی برای فولادهای کربنی وجود دارد که به شرح ذیل هستند:
- در حالت اول اگر مقدار کربن فولاد کمتر از 0.2 درصد باشد، آن را با نام فولاد کم کربن یا (low carbon steel) می‌شناسند. نوع دیگری هم وجود دارد که فولاد کم کربن متوسط یا (medium carbon steel) نامیده شده و مقدار کربن استفاده شده در آن بین 0.2 تا 0.6 درصد است. علاوه بر این دو، فولاد پر کربن هم وجود دارد که نام انگلیسی آن (high carbon steel) است. مقدار کربن استفاده شده در این نوع فولاد بیشتر از 0.6 درصد است.
- فولادهایی که بر اساس درصد کربن کمتر از نقطه یوتکتوئید یعنی 0.76 درصد و یا بیشتر از آن دسته‌بندی می‌شوند که شامل: فولادهای هیپویوتکتوئید (Hypoeutectoid)، فولادهای هایپریوتکتوئید (Hypereutectoid) و فولادهای یوتکتوئید (Eutectoid) هستند.
فولاد های ساده کربنی
عناصر آلیاژی چه تاثیراتی روی خواص فولاد ساده کربنی دارند؟
با این که در بالا به وجود عناصر مختلف و نقش مهم آنها در تغییر خواص فولاد اشاره کردیم. اما بهتر است بدانیم که هر یک از این عناصر آلیاژی دقیقا چه تاثیری می‌توانند روی فرایند محصول نهایی فولاد داشته باشند. به عبارت دیگر، وجود این عناصر آلیاژی و کم و زیاد شدنشان در محصولات فولادی دقیقا چه نقشی ایفا خواهد کرد؟
کربن
یکی از مهم‌ترین عناصری که تاثیر بسیار زیادی در خاص فولادهای کربنی می‌گذارد، کربن است.
ساختار و خواص فولادهای کربنی ارتباط مستقیمی با وجود کربن در آنها دارد. اگر مقدار کربن در فولاد بیشتر باشد، سختی آن هم بالاتر می‌رود. به همین دلیل است که در فولادهای هیپویوتکتوئید با درصد بالای کربن، شاهد استحکام کششی بسیار بالایی هستیم.
البته این موضوع می‌تواند در فولادهای هایپریوتکتوئید تاثیر کاملا متفاوتی بگذارد. چرا که با افزایش کربن در این نوع فولاد ما شاهد کاهش انعطاف‌پذیری آن خواهیم بود. جالب است بدانید که فولادهایی وجود دارند که به خاطر وجود مقدار کربن کم، یعنی 1.3 درصد، به شدت شکننده و آسیب‌پذیر هستند.
منگنز
منگنز یکی از عناصریست که اکثر در تمامی فولادها وجود دارد. منگنز نقش اکسیژن‌زدایی در فولاد دارد. اگر منگنز با گوگرد ترکیب شود، سولفید منگنز (MnS) را به وجود خواهد آورد که یک ترکیب دیرگداز به شمار می‌آید. علاوه بر آن، منگنز می‌تواند استحکام کششی و یا نقطه تسلیمی فولاد را افزایش بدهد.
اما نکته مهم در مورد مقدار استفاده از آن، این است که اگر درصد منگنز در فولاد بیشتر شود، می‌تواند موجب ایجاد ترک و یا اعوجاج در آن شود.
سیلیسیوم
این عنصر هم می‌تواند به مقدار متفاوت در فولادهای کربنی وجود داشته باشد. مانند منگنز، اگر سیلیسیوم در قالب فروسیلیس اضافه شود، می‌تواند خاصیت اکسیژن‌زدایی در فولاد ایجاد کند.
این موضوع می‌تواند تاثیرات نامطلوب فولاد کربنی را کاهش بدهد. با انحلال در فاز فریت، سیلیسیوم موجب افزایش استحکام فولادهای کربنی خواهد شد. چرا که در چنین شرایطی، سیلیسیوم تشکیل محلول جامد داده و از این طریق مقاومت آن را بالاتر می‌برد.
مس
یکی از ویژگی‌هایی که این عنصر در فولاد دارد، افزایش دادن مقاومت آن در برابر خوردگی است. البته این مقدار باید تا 0.04 درصد باشد و اگر بیشتر از آن شود، می‌تواند در کاهش قابلیت کار گرم فولاد تاثیر بسزایی داشته باشد.
فسفر
وجود فسفر معمولا از ایجاد ترک‌های سطحی فولاد، به خصوص هنگام عملیات کار مکانیکی، جلوگیری می‌کند. گفته می‌شود که فسفر قادر است استحکام تسلیمی و کششی فولاد را اهم افزایش بدهد. اما نکته منفی که در مورد آن وجود دارد این است که به همان مقدار می‌تواند انعطاف‌پذیری فولاد را هم کاهش بدهد.
گوگرد
این عنصر به دو شکل سولفید منگنز و یا سولفید آهن در فولاد وجود دارد. اگر گوگرد به شکل سولفید آهن در فولاد وجود داشته باشد، می‌تواند خواص مکانیکی آن را به شدت کاهش بدهد. اما سولفید منگنز ضرر کمتری در فولاد ایجاد کرده و حتی از رشد ترک‌های آن هم جلوگیری می‌کند.
اکسیژن
معمولا اکسیژن می‌تواند باعث ایجاد خواص جهت‌دار در فولاد شده و پیوستگی ساختار آن را از بین ببرد. بدین شکل که، با ترکیب آلومینیوم، منگنز، سیلسیوم و آهن، می‌تواند آخال‌های اکسیدی غیر فلزی تشکیل بدهد و چنین تاثیری را در فولاد ایجاد کند.
نیتروژن
از آنجایی که نیتروژن در اتمسفر هوا وجود دارد، تنها راه کنترل آن از طریق تنظیم اتمسفر بالای فولاد است. تاثیر مهمی که نیتروژن روی فولاد می‌گذارد این است که نقطه تسلیمی‌اش را افزایش می‌دهد.
هیدروژن
هیدروژن یکی از مضرترین گازهاییست که می‌تواند ترک‌های مویی یا ورقه‌ای در فولاد ایجاد کند. چرا که این عنصر از سرعت نفوذ بالایی برخوردار است. اما می‌توان با استفاده از روش‌های نظیر آنیل فولاد، هیدروژن را در دمای 600 درجه‌ی سانتی‌گرادی به حداقل رساند.
بیشتر بخوانید : 5 نوع ورق فولادی که باید بشناسید!
کلام آخر
ما در این مقاله در مورد فولاد ساده کربنی و انواع آن به طور مفصل صحبت کردیم. همان‌طور که در این مطلب خواندید کربن و مقدار آن می‌تواند در فولاد ساده کربنی تاثیر بسزایی داشته باشد. علاوه بر کربن، سایر عناصر تاثیرگذار و نقش آنها را در فولاد بررسی کردیم. با مطالعه این محتوا، می‌توانید بهتر با فولاد ساده کربنی و عناصر تاثیرگذارش آشنا شوید.