فولادهای آلیاژی (High alloy steels) گروهی از خانواده آلیاژهای آهنی و زیر مجموعه فولادها هستند که کل محتوای عناصر آلیاژی در آنها بالاتر از ۸ درصد وزنی است [۱] .
در شکل های زیر برخی از ریزساختارهای این فولادها [۲] مشاهده می شود .
در شکل زیر ریزساختار برخی از فولادهای پر آلیاژی ارائه شده است. شکل (a) ریزساختار فولاد آستنیتی منگنز دار (Hadifeild steel)، (b) ریزساختار فولاد زنگ نزن (Stainless steel)، (c) ریزساختار فولاد با انتروپی بالا (High entropy steel)، (d) ریزساختار فولاد ابزار (Tool steel) و (e) ریزساختار فولاد با پلاستیسیته ناشی از دو قلویی (TWIP steel) را نشان میدهد[۲].
ریزساختارهای برخی از این فولادها [۲].
انواع فولادهای آلیاژی
علیرغم ارزانی فولادهای ساده کربنی و با توجه به اینکه در کاربردهای گوناگون، تمام نیاز مهندسی با این گروه از فولادها تامین نمی شود، افزودن عناصر آلیاژی سبب دستیابی به خواص بالاتر می شود. فولادهای آلیاژی اگرچه از لحاظ قیمت گران تر از فولادهای ساده کربنی هستند اما در عمل استفاده از آنها در صنعت اقتصادی تر می باشد. نیکل، کروم، مولیبدن، منگنز، سیلیسیم و وانادیوم از جمله عناصر آلیاژی هستند که کاربرد وسیعی در فولادهای آلیاژی دارند. عناصر دیگر مثل مس، سرب و کبالت نیز در پاره ای آلیاژها استفاده می شوند. عناصر آلیاژی به فولادها افزوده می شود تا موجب بهبود خواص مکانیکی در درجه حرارت های مختلف گردد. افزودن عناصر آلیاژی موجب افزایش دمای بازپخت شده و در این شرایط استحکام فولاد حفظ شده و موجب افزایش شکل پذیری آن می گردد. از طرف دیگر افزودن عناصر آلیاژی موجب افزایش مقاومت به خوردگی فولاد در دماهای بالا می گردد.
در تعریف کلی، فولادهای حاوی تا ۵۰% عناصر آلیاژی را فولاد آلیاژی می گویند. اما از از نقطه نظر فنی، فولاد آلیاژی به فولادهای ماشین سازی و ساختمانی عملیات حرارتی پذیر که حاوی ۱ تا ۴ درصد عناصر آلیاژی هستند، اطلاق می شود.این فولادها در ایالات متحده امریکا عموما با سیستم نامگذاری AISI/SAE مشخص می شوند.
این فولادها به گروه های زیر دسته بندی می شوند :
- فولادهای زنگ نزن (Stainless steels)
- فولادهای ابزار (tool steels)
- فولادهای مقاوم به حرارت (heat-resistant steels)
- فولادهای مقاوم به سایش (Wear-Resistant Steels )
- فولادهای با استحکام بسیار بالا (Ultrahigh-Strength Steel)
خواص فولادهای آلیاژی
برخی از ویژگیهای این فولادها در ادامه بطور مختصر مطرح شده است.
فولادهای زنگنزن گروهی از فولادهای آلیاژی هستند. این فولادها حاوی کروم با درصد بالای ۸ درصد بوده و به فولادهای مقاوم به خوردگی معروفاند. کروم باعث تشکیل یک لایه غیر فعال (passive) روی سطح فولاد شده و در نتیجه از خوردگی سطح آن جلوگیری میکند. فولادهای ابزار شامل مقادیر مختلفی از عناصر کروم، نیکل، مولیبدن، تنگستن، وانادیم و کبالت هستند. فولادهای مقاوم در برابر سایش (فولادهای آستنیتی منگنز دار) گروهی مهمی از این فولادها هستند که حاوی ۱/۲ درصد کربن و حداقل ۱۱ درصد منگنز هستند. این فولادها معمولا به شکل محصول نهایی ریختهگری میشوند. جدول زیر نام و خواص برخی از فولادهای آلیاژی را نشان میدهد [۱] .
برخی از خواص فولادهای آلیاژی[۳]
کاربرد فولادهای پر آلیاژ
فولادهای پر آلیاژی بدلیل مقاومت به خوردگی بالایی که در محیطهای آبی در محدوده دمای محیط و سرویس دهی در زمینه گازها و مایعات گرم در دماهای بالا (بیشتر از ۶۵۰ درجه سانتی گراد) دارند، بسیار مورد توجه هستند[۴].
فولادهای زنگنزن بعلت خواص ضد خوردگی بسیار خوبی که دارند در ساخت یخچال و فریزر و در بستهبندی مواد غذایی استفاده میشوند[۱].
فولادهای تندبر گروهی از فولادهای ابزار هستند که در ابزارهای برش سرعت بالا، مانند متهها، استفاده میشوند. فولادهای ابزار گرمکار در قالبهای پانچ، برش و شکلدهی مواد در دماهای بالا و فولادهای ابزار سردکار در کاربردهای مشابه در دمای اتاق بکار میروند[۱].
بالاترین دمای کاری برای فولادهای کربنی، بدلیل اکسیداسیون بیش از حد و از دست دادن استحکام، ۳۷۰ درجه سانتی گراد است. به همین دلیل تعدادی از فولادهای آلیاژی وجود دارد که فولادهای مقاوم به حرارت نامیده میشوند. این فولادها میتوانند در دماهای بین ۶۵۰-۵۴۰ درجه سانتی گراد بکار روند[۱].
فولادهای مقاوم در برابر سایش در طی استفاده کارسخت میشوند، بنابراین در کاربردهایی مانند خاکبرداری و خطوط راهآهن استفاده میشوند[۱].
فولادهای با استحکام فوقالعاده بالا در قطعات هواپیماها و موشکها که به استحکام بالایی نیاز دارند، استفاده میشوند. این فولادها همچنین در تارهای و سیمهای موسیقی کاربرد دارند. این سیمها تحت کشش بالا قرار میگیرند تا نتهای موسیقی مورد نظر حاصل شود. سیمهای با استحکام فوقالعاده بالا برای تقویت لاستیکهای اتومبیل نیز استفاده میشود[۱].
درصد عناصر آلیاژی در فولادهای پر آلیاژی بالاتر از ۸ درصد وزنی است. فولادهای زنگنزن، فولادهای ابزار، فولادهای مقاوم به حرارت، فولادهای مقاومت به سایش و فولادهایی با استحکام بالا در این گروه قرار میگیرند. این فولادها بدلیل وجود عناصر آلیاژی به مقادیر بالا، استحکام بالایی دارند و در شرایط خاص (دمای بالا و نیاز به استحکام بالا و غیره) کاربرد دارند.
منابع
[۱] Myer kutz, Handbook of Materials Selection. .
[۲] “https://www.intechopen.com/online-first/strengthening-of-high-alloy-steel-through-innovative-heat-treatment-routes.” .
[۳] کاویانینژاد، فریدون, انتخاب مواد و طراحی برای مهندسین مواد- مکانیک- شیمی. موسسه آموزشی و تحقیقاتی صنایع دفاعی.
[۴] “https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=100.” .