فولاد کم‌آلیاژ پراستحکام

فولاد کم‌آلیاژ پراستحکام که گاه «ریزآلیاژ» نیز نامیده می‌شود، نوعی فولاد آلیاژی است که با افزودن مقدار اندکی از عناصر آلیاژی مانند وانادیم، کلمبیم و تیتانیم تهیه می‌شود و برتری‌هایی بر فولاد کربنی معمولی دارد.
به سبب استحکام زیاد ریزآلیاژها، این‌گونه فلزات را می‌توان در ساخت قطعات باریک به کار برد. در صنایعی که کاهش وزن در درجه اول توجه قرار دارد (مانند صنایع خودرو) استفاده از ریزآلیاژها رونق بیشتری دارد. استحکام محصولی که با این مواد ساخته می‌شود بدون عملیات حرارتی از ۴۱۵ تا ۸۲۵ مگاپاسکال تغییر می‌کند.
با توجه به اینکه ریزآلیاژ در قطعه‌های فلزی باریک‌تر به کار می‌رود، خوردگی باعث کاهش چشمگیر استحکام در این‌گونه فلزات می‌شود. اما، می‌توان با افزودن فلزاتی همچون مس، سیلیکون، نیکل، کروم و فسفر بر مقاومت قطعه در برابر خوردگی جوی افزود که این امر خود مستلزم صرف هزینه‌است. گالوانیزه کردن، پوشش با روی و آبکاری‌های ضدزنگ دیگر می‌تواند ریزآلیاژها را در برابر خوردگی محافظت نماید.
ریزآلیاژها معمولا محتوی ۰٫۱۵ تا ۰٫۵۵ درصد کربن، ۰٫۶ تا ۱٫۶۵ درصد منگنز، ۰٫۱۵ تا ۰٫۶۵ درصد سیلیکون و مقادیر اندکی از وانادیم، کلمبیم (نیوبیم)، تیتانیم یا نیکل و مولیبدن هستند. وانادیم، کلمبیم و تیتانیم‌کاربید و/یا نیتریدهایی تولید می‌کنند که در اکثر دماهای فورجینگ در محلول جامد باقی می‌مانند، اما در فرایند سرد کردن که در سرعت‌های کنترل شده انجام می‌شود رسوب می‌شوند. پدیده رسوب سبب افزایش قدرت این فلزات پس از عملیات فورجینگ و سرد کردن کنترل شده می‌شود.
گروه‌هایی از ریزآلیاژها با نام «شکل پذیری بهبود یافته» (تولید شده با ASTM A۷۱۵ و ASTM A۶۵۶) استحکامی معادل با ۸۰،۰۰۰ psi دارند، در حالیکه تنها با صرف ۲۴٪ هزینه بیشتر از فولاد کربنی غیرآلیاژی که استحکامی برابر psi ۳۴،۰۰۰ دارد به این نیرو دست می‌یابیم. چون ریزآلیاژها باید با فلزات دیگر سازه‌ای مانند AISI ۱۰۱۰ و آلومینیم رقابت کنند، باید تا حد امکان ارزان باشند. اما ساختن چنین محصولی تا حد زیادی رویایی است. در محصول نهایی با افزایش و کاهش‌های متعددی روبرو می‌شویم که با توجه به نیاز خود باید مورد مناسب را استفاده کنیم. برای مثال، افزایش قدرت از ۳۵،۰۰۰ تا ۸۰،۰۰۰ به کاهش ۳۰ تا ۴۰ درصدی شکل‌پذیری می‌انجامد.
ریزآلیاژهای عنوان شده در بالا اصولا برای استفاده در صنعت خودرو و به خصوص در قسمت‌هایی ساخته شده‌اند که کاهش وزن بدون از دست دادن قدرت اهمیت دارد. مثلا قطعات شاسی، سیستم هدایت کننده و تعلیق، سپر و لاستیک نمونه‌هایی از استفاده اینگونه ریزآلیاژها در اتومبیل‌های سواری است.
در دستگاه‌هایی همچون جرثقیل، مخلوط‌کن بتن، ماشین‌های کشاورزی، کامیون‌ها، تریلرها، برج‌های انتقال قدرت، میل‌های ریزآلیاژی با حداقل قدرت ۵۰،۰۰۰ تا ۷۰،۰۰۰ استفاده می‌شوند. شکل دادن، کنده‌کاری، اره کردن و انجام ماشینکاری‌های دیگر بر روی ریزآلیاژها ۲۵ تا ۳۰ درصد بیشتر از فولادها انرژی می‌برد.
ریزآلیاژها بر خلاف اکثر فولادهای کربنی در مقابل خوردگی مقاومت زیادی دارند. برای مثال «فرشته شمال» در انگلستان (که به طور عمده از آلیاژی با نام COR-TEN که از مقدار اندکی مس تشکیل شده‌است، ساخته شده) نمونه بارزی از ریزآلیاژهای بی‌رنگ است. چگالی ریزآلیاژها معمولا ۷۸۰۰kg/m3 است.
فولادهای کم آلیاژ مستحکم High-Strength Low-Alloy به اختصار HSLA نوعی از آلیاژهای فولاد می‌باشد که خواص مکانیکی بهتر و مقاومت در برابر خوردگی بیشتری نسبت به فولادهای آلیاژی کربن دارند. HSLA با سایر فولادها متفاوت می‌باشند. بدین صورت که آنها صرفا جهت دارا بودن ترکیب شیمیایی خاصی تولید نمی‌شوند، بلکه برای برخورداری از خاصیت مکانیکی بهتری ساخته می‌شوند.
به سبب استحکام زیار فولادهای کم آلیاژ با مقامت بالای HSLA این گونه فلزات در ساخت قطعات باریک کاربرد گسترده‌ای دارند. در صنایعی که کاهش وزن قطعه در درجه اول اهمیت قرار دارد مانند صنایع خودروسازی، استفاده از HSLA کاربرد بیشتری دارد. استحکام محصولاتی که با فولادهای کم آلیاژ HSLA ساخته می‌شوند، بدون عملیات حرارتی از 415 MPa تا 825 MPa متغیر می‌باشد.
HSLA دارای ترکیب کربن به مقدار ۰٫۰۵ تا ۰٫۲۵ درصد می‌باشد تا شکل پذیری و جوش پذیری بهتری داشته باشد. از آلیاژهای دیگر می‌توان به ۲٫۰ درصد منگنز و مقادیر کمی از مس، نیکل، نوبیوم، نیتروژن، وانادیوم، کروم، مولیبدنیوم، تیتانیوم، کلسیم، عناصر کمیاب در زمین و زیرکنیوم اشاره کرد. ۲ ۱ مس، تیتانیوم، وانادیوم و نوبیوم برای قوی‌تر کردن فولاد به ان افزوده می‌شوند. ۲ این عناصر میکروساختار فولاد کربنی را بهبود می‌بخشند که معمولا مجموعه آلیاژ آهن و کربن لایه‌ای می‌باشد تا پراکندگی آلیاژ کاربید خوبی تولید کند. این ویژگی باعث از بین رفتن تاثیر کاهش سختی و شکست حجمی آلیاژ آهن و کربن شده و باعث افزایش قدرت ماده بوسیله تصحبح کردن اندازه دانه می‌شود که در مورد آلیاژ آهن و کربن باعث افزایش قدرت تسلیم آن به میزان ۵۰ درصد در تمامی نیم قطر دانه متوسط می‌شود.
افزایش قدرت به وسیله ته‌نشینی تاثیر کمی در افزایش تسلیم دارد. قدرت شکست HSLA بین ۲۵۰ تا ۵۹۰ مگاپاسکال می‌باشد. به دلیل قدرت و سختی زیاد HSLA ساخت آنها نیازمند ۲۵ تا ۳۰ درصد قدرت بیشتر در مقایسه با فولادهای کربنی می‌باشد. ۲
مس، نیکل، سیلیکون، کروم و فسفر جهت افزایش مقاومت در برابر خوردگی و زنگ زدگی افزوده می‌شوند. زیرکنیوم، کلسیم و عناصر کمیاب در زمین به کنترل شکل بوسیله افزودن سولفید افزوده می‌شوند تا شکل پذیری HSLA را افزایش دهند. این عناصر به این دلیل افزوده می‌شوند که HSLA دارای خواص مختلف در جهات مختلف را دارد. به عنوان مثال، شکل پذیری و مقاومت در برابر ضربه در طول و در جهت متقاطع بر آن در دانه تغییرات شدیدی دارد. خم‌هایی که به صورت موازی در طول دانه ایجاد می‌شوند معمولا در لبه بیرونی باعث شکست می‌شوند زیرا باعث بار کششی می‌شوند. این تغییرات متناشب با جهت در HSLA کاهش می‌یابند زیرا بوسیله‌ای کنترل شکل با سولفید ساخته شده‌اند. ۲
HSLA در خودروها، کامیون‌ها، جرثقیل‌ها، ترن هوایی‌ها و سایر وسایلی که باید نیروهای شدیدی را تحمل کنند یا نسبت قدرت به وزن زیادی داشته باشند استفاده می‌شود. ۲ مقطع و ساختار HSLA معمولا ۲۰ تا ۳۰ درصد کم وزن‌تر از فولاد کربنی با همان قدرت است. ۴ ۳
HSLA همچنین در برابر زنگ زدگی مقاومت بیشتری نسبت به فولادهای کربنی دارد زیرا آنها ترکیب آهن و کربن کمتری دارند. معمولا چگالی HSLA در حدود ۷۸۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است. ۵
در دستگاه‌هایی مانند جرثقیل، مخلوط کن بتن، ماشین‌های کشاورزی، کامیون‌ها، تریلرها، برج‌های انتقال قدرت، میل‌های HSLA با حد اقل قدرت ۵۰۰۰۰ تا ۷۰۰۰۰ مورد استفاده قرار می‌گیرند.
همچنین در مورد فولادهای کم آلیاژ با قدرت زیاد HSLA می‌توان این نکته را متذکر شد که شکل دادن، کنده کاری، اره کردن و انجام سایر ماشین کاری‌ها بر روی این فولادها نیازمند ۲۵ تا ۳۰ درصد انرژی بیشتر در مقایسه با سایر آلیاژهای فولادی می‌باشد.
· طبقه‌بندی فولادهای کم آلیاژ HSLA
- فولادهای مقاوم در آب و هوا (Weathering steels)
فولادهایی که مقاومت بیشتری در برابر خوردگی دارند. مانند COR-TEN. این نوع آلیاژها در ترکیب ساخت خود مقدار کمی فسفر و مس دارند تا میزان مقاومت آنها در برابر فرسایش‌های آب و هوایی افزایش یابد.
- فولادهای رول شده با کنترل (Control-rolled steel)
رول‌های داغ فولاد که ساختار بسیار گسیخته آستینیت دارند که به ساختار آهن و کربنی مکعبی خوبی ضمن فرایند سرد کردن تبدیل می‌شوند.
- فولادهای کم پرلیت (Pearlite-reduced steel)
فولادهای با کربن کم یا بدون کربن که ساختار دانه‌ای آهن و کربن خوبی دارند که به وسیله ته‌نشینی افزایش قدرت می‌یابند.
- فولادهای فریت (Acicular ferrite steel)
این فولادها به وسیله ساختار آهن و کربنی سوزنی، مقدار بسیار کمی کربن و سخت سازی خوبی افزایش قدرت داده می‌شوند. درصد کربن در این نوع فولادها بسیار اندک است و خواصی همچون جوش پذیری و شکل پذیری خوبی را دارند.
- فولادهای دو فازی (Dual-phase steel)
این فولادها میکرو ساختار آهن و کربنی متشکل از مقدار کم و بکنواخت مارتنزیت دارند. این میکرو ساختار باعت کاهش قدرت تسلیم، افزایش درجه سختی و شکل پذیری خوب می‌شود. ۱. فولادهای دو فاز شکل پذیری خوبی را دارند و همچنین استحکام کششی آنها بالاست.
- فولادهای میکروآلیاژی (Micro-alloyed steel)
فولادی که دارای مقدار کمی نوبیوم، وانادیوم و/یا تیتانیوم می‌باشد که باعث بهبود اندازه دانه و/یا سخت شدن به وسیله ته‌نشینی می‌شود.
کاربرد آلیاژهای HSLA
آلیاژهای HSLA در صنایع سنگین هم چون لوله‌های نفت و گاز، تولید تجهیزات و ماشین آلات صنعتی کشاورزی، ماشین‌های چمن زنی، جرثقیل، مخلوط کن بتن، کامیون‌ها، تریلرها، برج‌های انتقال قدرت و… می‌باشد.
فولادهای HSLA به دلیل وزن کم و مقاومت بسیار بالا، در صنایع خودرو سازی بسیار پر کاربرد هستند.
طبقه‌بندی SAE
Society of Automotive Engineers به اختصار SAE (انجمن مهندسان خودروسازی) استانداردهای فولادهای کم آلیاژ HSLA را تعیین می‌کند، زیرا HSLA به دلیل دارا بودن خواص مطلوب برای استفاده در خودروها معمولا در این حوزه به کار می‌رود.
+SAE HSLA steel grade compositions 7
درجه
حداکثر درصد کربن
حداکثر درصد منگنز
حداکثر درصد فسفر
حداکثر درصد سولفور
حداکثر درصد سیلیکون
نکته
942X
۰٫۲۱
۱٫۳۵
۰٫۰۴
۰٫۰۵
۰٫۹۰
با نوبیوم یا وانادیوم
945A
۰٫۱۵
۱٫۰۰
۰٫۰۴
۰٫۰۵
۰٫۹۰
945C
۰٫۲۳
۱٫۴۰
۰٫۰۴
۰٫۰۵
۰٫۹۰
945X
۰٫۲۲
۱٫۳۵
۰٫۰۴
۰٫۰۵
۰٫۹۰
با نوبیوم یا وانادیوم
950A
۰٫۱۵
۱٫۳۰
۰٫۰۴
۰٫۰۵
۰٫۹۰
950B
۰٫۲۲
۱٫۳۰
۰٫۰۴
۰٫۰۵
۰٫۹۰
950C
۰٫۲۵
۱٫۶۰
۰٫۰۴
۰٫۰۵
۰٫۹۰
950D
۰٫۱۵
۱٫۰۰
۰٫۱۵
۰٫۰۵
۰٫۹۰
950X
۰٫۲۳
۱٫۳۵
۰٫۰۴
۰٫۰۵
۰٫۹۰
با نوبیوم یا وانادیوم
955X
۰٫۲۵
۱٫۳۵
۰٫۰۴
۰٫۰۵
۰٫۹۰
با نوبیوم، وانادیوم یا نیتروژن
960X
۰٫۲۶
۱٫۴۵
۰٫۰۴
۰٫۰۵
۰٫۹۰
با نوبیوم، وانادیوم یا نیتروژن
965X
۰٫۲۶
۱٫۴۵
۰٫۰۴
۰٫۰۵
۰٫۹۰
با نوبیوم، وانادیوم یا نیتروژن
970X
۰٫۲۶
۱٫۶۵
۰٫۰۴
۰٫۰۵
۰٫۹۰
با نوبیوم، وانادیوم یا نیتروژن
980X
۰٫۲۶
۱٫۶۵
۰٫۰۴
۰٫۰۵
۰٫۹۰
با نوبیوم، وانادیوم یا نیتروژن
+SAE HSLA steel grade mechanical properties 8
درجه
فرم
حداقل مقاومت تسلیم (psi(MPa
حداقل مقاومت کششی نهایی(psi(MPa
942X
صفحه، اشکال و میله‌های تا ۴ اینج
۴۲،۰۰0 (290)
۶۰،۰۰0 (414)
945A, C
ورق و نوار
۴۵،۰۰0 (310)
۶۰،۰۰0 (414)
صفحه، اشکال و میله
۰ تا ۰٫۵ اینچ
۴۵،۰۰0 (310)
۶۵،۰۰0 (448)
۰٫۵ تا ۱٫۵ اینچ
۴۲،۰۰0 (290)
۶۲،۰۰0 (427)
۱٫۵ تا ۳ اینچ
۴۰،۰۰0 (276)
۶۲،۰۰0 (427)
945X
صفحه، نوار، اشکال و میله‌ها تا ۱٫۵ اینچ
۴۵،۰۰0 (310)
۶۰،۰۰0 (414)
950A, B, C, D
ورق و نوار
۵۰،۰۰0 (345)
۷۰،۰۰0 (483)
صفحه، اشکال و میله
۰ تا ۰٫۵ اینچ
۵۰،۰۰0 (345)
۷۰،۰۰0 (483)
۰٫۵ تا ۱٫۵ اینچ
۴۵،۰۰0 (310)
۶۷،۰۰0 (462)
۱٫۵ تا ۳ اینچ
۴۲،۰۰0 (290)
۶۳،۰۰0 (434)
950X
ورق، نوار، صفحه، اشکال و میله‌ها تا ۱٫۵ اینچ
۵۰،۰۰0 (345)
۶۵،۰۰0 (448)
955X
ورق، نوار، صفحه، اشکال و میله‌ها تا ۱٫۵ اینچ
۵۵،۰۰0 (379)
۷۰،۰۰0 (483)
960X
ورق، نوار، صفحه، اشکال و میله‌ها تا ۱٫۵ اینچ
۶۰،۰۰0 (414)
۷۵،۰۰0 (517)
965X
ورق، نوار، صفحه، اشکال و میله‌ها تا ۰٫۷۵ اینچ
۶۵،۰۰0 (448)
۸۰،۰۰0 (552)
970X
ورق، نوار، صفحه، اشکال و میله‌ها تا ۰٫۷۵ اینچ
۷۰،۰۰0 (483)
۸۵،۰۰0 (586)
980X
ورق، نوار، صفحه تا ۰٫۳۷۵ اینچ
۸۰،۰۰0 (552)
۹۵،۰۰0 (655)
+Ranking of various properties for SAE HSLA steel grades 9
رتبه
جوش پذیری
شکل پذیری
قدرت
بدترین
980X
980X
980X
970X
970X
970X
965X
965X
965X
960X
960X
960X
955X, 950C, 942X
955X
955X
945C
950C
945C, 950C, 942X
950B, 950X
950D
945X, 950X
945X
950B, 950X, 942X
950D
950D
945C, 945X
950B
950A
950A
950A
بهترین
945A
945A
945A
توضیحات
Classification of Carbon and Low-Alloy Steels, retrieved ۲۰۰۸-۱۰-۰۶
HSLA Steel, 2002-11-15, archived from the original on 2010-01-03, retrieved 2008-۱۰–۱۱
Degarmo, p. ۱۱۶
Same density as carbon steel, see next paragraph
"Stainless steel properties for structural automotive applications" (PDF). Euro Inox. June 2000. Retrieved ۲۰۰۷-۰۸-۱۴
Cold rolled sheet steel, archived from the original on 2008-04-30, retrieved 2008-۱۰–۱۱
Oberg, pp. ۴۴۰–۴۴۱
Oberg, p. ۴۴۱
Oberg, p. ۴۴۲