3140 الصلب: الخصائص والتطبيقات الرئيسية موضحة

يتم تصنيف فولاذ 3140 على أنه فولاذ سبائكي متوسطة الكربون، وهو معروف بشكل أساسي بقوته ومتانته الممتازتين. تشمل عناصر السبائك الرئيسية في فولاذ 3140 المنغنيز والكروم والموليبدينوم، والتي تعزز بشكل كبير خصائصه الميكانيكية وأدائه العام في تطبيقات مختلفة.

نظرة شاملة

يتميز فولاذ 3140 بتكوينه المتوازن، مما يسمح له بتحقيق مزيج جيد من القوة والليونة ومقاومة التآكل. يساعد وجود المنغنيز في تحسين القابلية للتصلب وقوة الشد، بينما يساهم الكروم في مقاومة التآكل والصلابة العامة. يعزز الموليبدينوم قدرة الفولاذ على تحمل درجات الحرارة العالية ويحسن من قابليته للتصلب.

مزايا فولاذ 3140:
- قوة ومتانة عالية: مناسب للتطبيقات التي تتطلب قدرة تحمل عالية.
- مقاومة جيدة للتآكل: مثالي للمكونات المعرضة للاحتكاك والتآكل.
- سهولة التصنيع: يمكن لحامها وتجهيزها بسهولة، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من عمليات التصنيع.

قيود فولاذ 3140:
- مقاومة متوسطة للتآكل: على الرغم من أنها أفضل من الفولاذ منخفض الكربون، قد لا تؤدي بشكل جيد في البيئات شديدة التآكل بدون طلاءات واقية.
- اعتبارات التكلفة: قد يؤدي المحتوى العالي من السبائك إلى زيادة تكاليف المواد مقارنة بالفولاذات ذات الدرجة الأقل.

تاريخياً، تم استخدام فولاذ 3140 في مجموعة متنوعة من تطبيقات الهندسة، بما في ذلك مكونات السيارات، وأجزاء الآلات، وتطبيقات هيكلية، وذلك بفضل خصائصه الميكانيكية المفضلة ومرونته.

أسماء بديلة، معايير، وبدائل

المنظمة القياسية	التسمية/الدرجة	البلد/المنطقة الأصلية	ملاحظات/ملاحظات
UNS	G31400	الولايات المتحدة الأمريكية	أقرب مكافئ لـ AISI 4140 مع اختلافات تركيبية طفيفة.
AISI/SAE	3140	الولايات المتحدة الأمريكية	يستخدم بشكل شائع في أمريكا الشمالية.
ASTM	A29/A29M	الولايات المتحدة الأمريكية	مواصفة عامة للفولاذ السبائكي.
EN	34CrMo4	أوروبا	مكافئ في أوروبا، مع اختلافات طفيفة في التركيب.
JIS	SCM440	اليابان	خصائص مشابهة، يستخدم غالبًا في التطبيقات اليابانية.

يمكن أن تؤثر الفروقات بين هذه الدرجات على الأداء في التطبيقات المحددة. على سبيل المثال، بينما يحتوي فولاذ 4140 على محتوى كربون أعلى قليلًا، قد يقدم قابلية أفضل للتصلب، مما يجعله مفضلًا لبعض التطبيقات ذات الضغط العالي.

الخصائص الرئيسية

تركيب كيميائي

عنصر (الرمز والاسم)	نطاق النسبة المئوية (%)
C (الكربون)	0.28 - 0.34
Mn (المنغنيز)	0.60 - 0.90
Cr (الكروم)	0.90 - 1.20
Mo (الموليبدينوم)	0.15 - 0.25
Si (السيليكون)	0.15 - 0.40
P (الفوسفور)	≤ 0.035
S (الكبريت)	≤ 0.040

تلعب العناصر الأساسية في فولاذ 3140 أدواراً حاسمة:
- الكربون (C): يعزز الصلابة والقوة من خلال المعالجة الحرارية.
- المنغنيز (Mn): يحسن القابلية للتصلب وقوة الشد.
- الكروم (Cr): يزيد من مقاومة التآكل والصلابة.
- الموليبدينوم (Mo): يعزز القوة عند درجات الحرارة العالية والقابلية للتصلب.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/الحرارة	درجة الحرارة الاختبارية	القيمة/النطاق النموذجي (مترية)	القيمة/النطاق النموذجي (إمبريالية)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	معالجة أنود	درجة حرارة الغرفة	620 - 850 ميغا باسكال	90 - 123 كيلو باوند/بوصة مربعة	ASTM E8
قوة الخضوع (إزاحة 0.2%)	معالجة أنود	درجة حرارة الغرفة	350 - 550 ميغا باسكال	51 - 80 كيلو باوند/بوصة مربعة	ASTM E8
الإطالة	معالجة أنود	درجة حرارة الغرفة	20 - 25%	20 - 25%	ASTM E8
الصلابة (برينيل)	معالجة أنود	درجة حرارة الغرفة	207 - 250 HB	95 - 120 HB	ASTM E10
قوة التأثير	مبرد ومعتدل	-20 درجة مئوية (-4 درجة فهرنهايت)	30 - 50 جول	22 - 37 قدم-جنوب	ASTM E23

تجعل الخصائص الميكانيكية لفولاذ 3140 مناسبة للتطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومتانة، مثل التروس والمحاور والمكونات الهيكلية. إن قدرتها على تحمل الأحمال الميكانيكية الكبيرة ومقاومة التشويه تحت الضغط أمر حاسم لضمان سلامة الهيكل في البيئات القاسية.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/الحرارة	القيمة (مترية)	القيمة (إمبريالية)
الكثافة	درجة حرارة الغرفة	7.85 غرام/سم³	0.284 رطل/بوصة³
نقطة الانصهار	-	1425 - 1540 درجة مئوية	2600 - 2800 درجة فهرنهايت
التوصيل الحراري	درجة حرارة الغرفة	45 واط/م·ك	31 BTU·بوصة/(ساعة·قدم²·درجة فهرنهايت)
السعة الحرارية النوعية	درجة حرارة الغرفة	460 جول/كغ·ك	0.11 BTU/رطل·درجة فهرنهايت
المقاومة الكهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.0000017 أوم·م	0.0000017 أوم·بوصة

تشير كثافة ونقطة انصهار فولاذ 3140 إلى متانته وملاءمته للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. إن توصيله الحراري وسعته الحرارية النوعية ضرورية للتطبيقات التي تشمل نقل الحرارة، بينما تعتبر المقاومة الكهربائية ذات صلة بالتطبيقات الكهربائية.

مقاومة التآكل

العامل المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°م)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
الكلوريدات	3-5%	25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت)	متوسط	خطر تآكل التآكل.
حمض الكبريتيك	10%	20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت)	ضعيف	غير موصى به.
هيدروكسيد الصوديوم	5%	25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت)	متوسط	عرضة لتصدع التآكل تحت الضغط.

يظهر فولاذ 3140 مقاومة متوسطة للتآكل، مما يجعله مناسبًا لمجموعة متنوعة من البيئات ولكن ليس مثاليًا للظروف شديدة التآكل. إنه عرضة بشكل خاص للتآكل في البيئات التي تحتوي على كلوريد وتصدع التآكل تحت الضغط في المحاليل القلوية. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ، يتطلب فولاذ 3140 طلاءات أو معالجات واقية لتحسين مقاومته للتآكل في البيئات العدوانية.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°م)	درجة الحرارة (°ف)	ملاحظات
أقصى درجة حرارة خدمة مستمرة	400 درجة مئوية	752 درجة فهرنهايت	مناسب للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.
أقصى درجة حرارة خدمة غير مستمرة	500 درجة مئوية	932 درجة فهرنهايت	يمكن تحمل التعرض القصير.
درجة حرارة القشور	600 درجة مئوية	1112 درجة فهرنهايت	يبدأ في الأكسدة بشكل ملحوظ.

عند درجات الحرارة المرتفعة، يحتفظ فولاذ 3140 بقوته ومرونته، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتضمن الحرارة. ومع ذلك، يمكن أن تصبح الأكسدة مصدر قلق عند درجات حرارة أعلى، مما يتطلب اتخاذ تدابير وقائية في بعض البيئات.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن الملء الموصى به (تصنيف AWS)	غاز/مادة واقية نموذجية	ملاحظات
MIG	ER70S-6	أرجون + CO2	جيد لمعظم التطبيقات.
TIG	ER70S-2	أرجون	يتطلب تسخين مسبق للأجزاء السميكة.
لولبية	E7018	-	مناسب للاستخدام العام.

يعتبر فولاذ 3140 عمومًا قابلًا للحام، لكن قد يكون من الضروري التسخين المسبق للأجزاء السميكة لتجنب التشقق. يمكن أن تعزز معالجة الحرارة بعد اللحام من خصائص الوصلة الملحومة، مما يضمن سلامتها وأدائها.

قابلية المعالجة

معلمة المعالجة	فولاذ 3140	AISI 1212	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية المعالجة النسبي	60	100	فولاذ 3140 أصعب في المعالجة.
سرعة القطع النموذجية (الدوران)	30-50 م/دقيقة	60-80 م/دقيقة	استخدم أدوات من الفولاذ عالي السرعة.

تتطلب معالجة فولاذ 3140 اعتبارات دقيقة للوصول إلى أدوات وسرعات القطع. على الرغم من أنه قابل للمعالجة، إلا أنه أقل تساهلًا من الفولاذات ذات الكربون المنخفض، مما يستدعي تعديلات في معلمات المعالجة.

قابلية التشكيل

يظهر فولاذ 3140 قابلية تشكيل معتدلة، مما يجعله مناسبًا لعمليات التشكيل الباردة والساخنة. ومع ذلك، يجب توخي الحذر لتجنب المعالجة المفرطة التي قد تؤدي إلى التشقق أثناء عمليات التشكيل. يجب الالتزام بنصف قطر الانحناء الموصى بها، خاصة في تطبيقات التشكيل البارد.

معالجة الحرارة

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°م/°ف)	الوقت النموذجي للامتصاص	طريقة التبريد	الغرض الأساسي / النتيجة المتوقعة
التخليل	600 - 700 / 1112 - 1292	1 - 2 ساعة	هواء	تليين، وتحسين الليونة.
التبريد السريع	800 - 850 / 1472 - 1562	30 دقيقة	زيت أو ماء	تصلب، وزيادة القوة.
التمليس	400 - 600 / 752 - 1112	ساعة واحدة	هواء	تقليل الهشاشة، وتحسين المتانة.

تؤثر عمليات معالجة الحرارة بشكل كبير على التركيب الدقيق وخصائص فولاذ 3140. يزيد التبريد السريع من الصلابة، بينما يقلل التمليس من الهشاشة، مما يسمح بتوازن بين القوة والليونة.

تطبيقات نموذجية واستخدامات نهائية

الصناعة/القطاع	مثال على تطبيق محدد	خصائص فولاذ رئيسية مستغلة في هذا التطبيق	سبب الاختيار (بإيجاز)
صناعة السيارات	التروس	قوة عالية، متانة	أساسي لمكونات تحميل الوزن.
الفضاء	مكونات هيكلية	مقاومة لدرجات الحرارة العالية، متانة	حرج للسلامة والأداء.
الآلات	محاور	مقاومة للتآكل، قوة	ضروري للمتانة والموثوقية.

تتضمن التطبيقات الأخرى:
- - مكونات صناعة النفط والغاز
- - أجزاء الآلات الثقيلة
- - الأدوات والقوالب

يعود اختيار فولاذ 3140 في هذه التطبيقات إلى خصائصه الميكانيكية الممتازة، مما يجعله مثاليًا للمكونات التي يجب أن تتحمل الضغط العالي والتآكل.

اعتبارات مهمة، معايير الاختيار، وأفكار إضافية

الميزة/الخاصية	فولاذ 3140	AISI 4140	AISI 1045	ملاحظة موجزة إيجابيات/سلبيات أو تعويض
خاصية ميكانيكية رئيسية	قوة عالية	صلابة أعلى	قوة معتدلة	يقدم 4140 قابلية أفضل للتصلب.
جانب مقاومة التآكل الرئيسي	متوسط	متوسط	ضعيف	يمتلك 4140 مقاومة أفضل من 1045.
قابلية اللحام	جيدة	متوسطة	جيدة	قد يحتاج 4140 إلى مزيد من العناية في اللحام.
قابلية المعالجة	متوسطة	متوسطة	جيدة	1045 أسهل في المعالجة.
قابلية التشكيل	متوسطة	متوسطة	جيدة	تقدم 1045 قابلية تشكيل أفضل.
التكلفة النسبية التقريبية	متوسطة	أعلى	أدنى	1045 أكثر فعالية من حيث التكلفة.
التوفر النموذجي	شائع	شائع	شائع جدًا	1045 متاح على نطاق واسع.

عند اختيار فولاذ 3140، تشمل الاعتبارات جدوى التكلفة، والتوافر، وملاءمته للتطبيقات المحددة. بينما يقدم توازنًا جيدًا من الخصائص، قد تكون البدائل مثل AISI 4140 أو AISI 1045 أكثر ملاءمة اعتمادًا على المتطلبات المحددة للتطبيق.

باختصار، فولاذ 3140 هو فولاذ سبائكي متوسط الكربون متعدد الاستخدامات يوفر مجموعة قوية من الخصائص الميكانيكية، مما يجعله مناسبًا لمجموعة واسعة من التطبيقات الهندسية. تضمن خصائصه الفريدة، إلى جانب الاعتبارات الدقيقة لخصائص التصنيع والعوامل البيئية، استمرارية أهميته في التصنيع والهندسة الحديثة.