4135 الفولاذ: الخصائص والتطبيقات الرئيسية

يتم تصنيف الفولاذ 4135 كفولاذ سبيكة وسطي الكربون، ويعرف بشكل أساسي بكونه ممتاز في القابلية للتصلب والقوة. يحتوي هذا الدرجة الفولاذية على عناصر سبائك هامة مثل الكروم (Cr) والموليبدينوم (Mo)، التي تعزز خصائصه الميكانيكية ومقاومته للتآكل. تسهم هذه العناصر السبائكية في قدرة الفولاذ على الحفاظ على قوته عند درجات حرارة مرتفعة وتحسين متانته.

نظرة شاملة

يتم استخدام الفولاذ 4135 غالبًا في التطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومتانة، مما يجعله مناسبًا لمجموعة متنوعة من العمليات الهندسية والتصنيعية. تشمل خصائصه الملحوظة قابلية تشغيل جيدة، وقابلية للحام، والقدرة على المعالجة الحرارية لتحقيق الخصائص الميكانيكية المرغوبة. تعرف خصائص الفولاذ الأساسية بتكوينه الكيميائي، الذي يتضمن عادة حوالي 0.30-0.40% كربون، و0.70-0.90% كروم، و0.15-0.25% موليبدينوم.

مزايا الفولاذ 4135:
- قوة عالية: توفر عناصر السبائك قوة شد ويIELD محسنة.
- متانة جيدة: يظهر مقاومة ممتازة للصدمات، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات الديناميكية.
- قابلية التصلب: يمكن معالجة الفولاذ حراريًا لتحقيق مجموعة واسعة من مستويات الصلابة.
- قابلية للحام: يمكن لحام فولاذ 4135 باستخدام طرق متنوعة، مما يجعله مرنًا للتصنيع.

قيود الفولاذ 4135:
- مقاومة التآكل: مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ، فإن 4135 لديه مقاومة محدودة للتآكل.
- التكلفة: يمكن أن تجعل عناصر السبائك منه أكثر تكلفة من الفولاذات ذات الجودة الأدنى.
- حساسية المعالجة الحرارية: يمكن أن تؤدي معالجة حرارية غير صحيحة إلى الهشاشة.

تاريخيا، تم استخدام الفولاذ 4135 في صناعات السيارات والطيران، وخاصة للمكونات مثل التروس، والمحاور، وأجزاء حيوية أخرى تتطلب مزيجًا من القوة والمتانة. لا يزال موقفه في السوق قويًا بسبب خصائصه الملائمة ومرونته في تطبيقات متعددة.

أسماء بديلة، معايير، وما يعادلها

المنظمة المعايير	التصنيف/الدرجة	البلد/المنطقة الأصلية	ملاحظات/ملاحظات
UNS	G41350	الولايات المتحدة	أقرب ما يعادل AISI 4135
AISI/SAE	4135	الولايات المتحدة	تصنيف مستخدم بشكل شائع
ASTM	A29/A29M	الولايات المتحدة	مواصفات عامة للفولاذ السبيكة
EN	1.7035	أوروبا	اختلافات تركيب إضافية بسيطة
DIN	34CrMo4	ألمانيا	خصائص متشابهة ولكن تطبيقات مختلفة
JIS	SCM435	اليابان	معادل مع اختلافات طفيفة في التركيب

تبرز جدول التكافؤ أنه في حين يمكن اعتبار العديد من الدرجات معادلة للفولاذ 4135، فإن الاختلافات الدقيقة في التركيب يمكن أن تؤثر على الأداء في التطبيقات المحددة. على سبيل المثال، قد يقدم SCM435 قابلية تصلب أفضل قليلاً بسبب محتواه الأعلى من الكروم.

الخصائص الرئيسية

التكوين الكيميائي

عنصر (الرمز والاسم)	نطاق النسبة المئوية (%)
C (الكربون)	0.30 - 0.40
Cr (الكروم)	0.70 - 0.90
Mo (الموليبدينوم)	0.15 - 0.25
Mn (المنغنيز)	0.60 - 0.90
Si (السيليكون)	0.15 - 0.40
P (الفوسفور)	≤ 0.035
S (الكبريت)	≤ 0.040

تلعب العناصر السبائكية الرئيسية في فولاذ 4135 أدوارًا حاسمة في تحديد خصائصه:
- الكروم (Cr): يعزز إمكانية التصلب ومقاومة التآكل.
- الموليبدينوم (Mo): يحسن القوة عند درجات الحرارة العالية ويساهم في المتانة.
- المنغنيز (Mn): يزيد من إمكانية التصلب ويحسن مقاومة التآكل.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/الحرارة	درجة الحرارة الاختبارية	القيمة/النطاق النموذجي (مترية)	القيمة/النطاق النموذجي (إمبراطوري)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	مقسى ومشدد	درجة حرارة الغرفة	850 - 1000 MPa	123 - 145 ksi	ASTM E8
قوة الخضوع (نسبة انحراف 0.2%)	مقسى ومشدد	درجة حرارة الغرفة	650 - 850 MPa	94 - 123 ksi	ASTM E8
التمدد	مقسى ومشدد	درجة حرارة الغرفة	15 - 20%	15 - 20%	ASTM E8
الصلابة (HRC)	مقسى ومشدد	درجة حرارة الغرفة	28 - 35 HRC	28 - 35 HRC	ASTM E18
قوة التأثير	احتواء شاربى V	-20 °C	30 - 50 J	22 - 37 ft-lbf	ASTM E23

تجعل الخصائص الميكانيكية لفولاذ 4135 مناسبة للتطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومتانة، مثل مكونات السيارات والطيران. تعتبر قدرته على تحمل الأحمال الكبيرة ومقاومة التشوه تحت الضغط أمرًا حاسمًا لسلامة الهيكلية.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (مترية)	القيمة (إمبراطوري)
الكثافة	درجة حرارة الغرفة	7.85 g/cm³	0.284 lb/in³
نقطة الانصهار	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
موصلية حرارية	درجة حرارة الغرفة	45 W/m·K	31 BTU·in/ft²·h·°F
السعة الحرارية النوعية	درجة حرارة الغرفة	460 J/kg·K	0.11 BTU/lb·°F
الموصلية الكهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.0000015 Ω·m	0.0000009 Ω·in

تعتبر الخصائص الفيزيائية لفولاذ 4135، مثل كثافته ونقطة انصهاره، هامة للتطبيقات التي تتضمن بيئات بدرجات حرارة عالية. تكون موصلتيته الحرارية كافية لتبديد الحرارة في المكونات الميكانيكية، بينما تشير سعة حرارته النوعية إلى كيفية استجابته للتغيرات الحرارية.

مقاومة التآكل

العامل المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C/°F)	تقييم المقاومة	ملاحظات
الكلوريدات	تختلف	محطة	متوسط	خطر التآكل
حمض الكبريتيك	10-20	محطة	ضعيف	غير موصى به
مياه البحر	-	محطة	متوسط	مقاومة معتدلة
الجو	-	محطة	جيد	يتطلب طلاء واقي

يظهر فولاذ 4135 مقاومة متوسطة للتآكل، خاصة في الظروف الجوية. ومع ذلك، فإنه عرضة للتآكل في بيئات الكلور ويجب عدم استخدامه في ظروف حمضية دون اتخاذ تدابير وقائية. مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ مثل 304 أو 316، فإن مقاومة التآكل للفولاذ 4135 أقل بكثير، مما يجعله أقل ملاءمة للاستخدامات البحرية أو الكيميائية.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
أقصى درجة حرارة خدمة مستمرة	400 °C	752 °F	مناسب للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية
أقصى درجة حرارة خدمة متقطعة	500 °C	932 °F	تعرض قصير الأمد فقط
درجة حرارة التفاعل	600 °C	1112 °F	خطر التأكسد عند درجات الحرارة العالية
اعتبارات قوة الزحف	400 °C	752 °F	تنخفض مقاومة الزحف فوق هذه الدرجة الحرارة

عند درجات حرارة مرتفعة، يحتفظ فولاذ 4135 بقوته ولكنه قد يتعرض للتأكسد إذا لم يكن محميًا بشكل صحيح. تجعل أدائه في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية مناسبة لمكونات مثل شفرات التوربينات وأجزاء المحرك، حيث تكون الاستقرار الحراري أمرًا حاسمًا.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن المملوء الموصى به (تصنيف AWS)	الغاز/الفلور الشائع	ملاحظات
MIG	ER70S-6	أرجون/CO2	جيد للأقسام الرقيقة
TIG	ER80S-Ni	أرجون	يتطلب تسخين مسبق
Stick	E7018	-	مناسب للعمل الميداني

يعتبر فولاذ 4135 عادة قابلاً للحام، ولكن يوصى بالتسخين المسبق لتقليل خطر التشقق. يمكن أن تعزز المعالجة الحرارية بعد اللحام خصائص وصلة اللحام، مما يضمن التكامل تحت الحمل.

قابلية التشغيل

معلمة التشغيل	[فولاذ 4135]	AISI 1212	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية التشغيل النسبي	70	100	قابلية تشغيل جيدة ولكن تتطلب أدوات حادة
سرعة القطع التقليدية (التدوير)	30 م/دقيقة	50 م/دقيقة	تعديل حسب الأدوات

يتطلب تشغيل فولاذ 4135 اعتباراً دقيقاً لسرعات القطع والأدوات بسبب صلابته. يمكن أن يحسن استخدام أدوات فولاذية عالية السرعة أو أدوات كربيدية الكفاءة ويقلل من التآكل.

قابلية التشكيل

يظهر فولاذ 4135 قابلية تشكيل متوسطة، مما يجعله مناسبًا لعمليات التشكيل البارد والساخن. ومع ذلك، قد يتعرض لصلادة العمل، مما يتطلب اهتمامًا دقيقًا في التحكم في أنصاف الثني وتقنيات التشكيل لتجنب التشقق.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة حرارة (°C/°F)	الوقت النموذجي للتأخير	طريقة التبريد	الغرض الأساسي / النتيجة المتوقعة
التسخين	600 - 650 °C / 1112 - 1202 °F	1 - 2 ساعة	هواء	تليين، تحسين الدكتيلية
التسديد	850 - 900 °C / 1562 - 1652 °F	30 - 60 دقيقة	زيت أو ماء	تصلب، زيادة القوة
التمثيل	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 - 2 ساعة	هواء	تقليل الهشاشة، تحسين المتانة

تؤثر عمليات المعالجة الحرارية بشكل كبير على البنية الدقيقة لفولاذ 4135، مما يحول خصائصه من مرنة إلى صلبة وهشة، حسب المعالجة المطبقة. تعتبر المعالجة الحرارية المناسبة أمرًا حاسمًا لتحقيق التوازن المرغوب بين القوة والمتانة.

التطبيقات والنهايات النموذجية

الصناعة/القطاع	مثال تطبيقي محدد	الخصائص الأساسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار
السيارات	التروس	قوة عالية، متانة	حرجة للأداء
الطيران	مكونات الطائرات	نسبة القوة إلى الوزن العالية	أساسية للسلامة
النفط والغاز	رؤوس المثاقب	مقاومة التآكل، متانة	الاستدامة في البيئات القاسية
الآلات	محاور	مقاومة عالية للإرهاق	موثوقية تحت الحمل

تتضمن التطبيقات الأخرى:
- - مكونات الآلات الثقيلة
- - أجزاء هيكلية في البناء
- - مسامير وتوصيلات

يعود اختيار فولاذ 4135 لهذه التطبيقات أساسًا إلى خصائصه الميكانيكية الممتازة، التي تضمن الموثوقية والأداء تحت ظروف قاسية.

اعتبارات هامة، ومعايير الاختيار، ورؤى إضافية

الميزة/الخاصية	فولاذ 4135	AISI 4140	AISI 4340	ملاحظة موجزة عن الإيجابيات/السلبيات أو الموازنة
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	قوة عالية	مرونة أعلى	صلابة أعلى	يوفر 4140 مرونة أفضل، بينما 4340 يوفر صلابة أفضل
البعد الخاص بمقاومة التآكل	متوسط	متوسط	جيد	يمتلك 4340 مقاومة تآكل أفضل
قابلية اللحام	جيد	متوسط	جيد	قد يحتاج 4140 إلى تسخين مسبق أكبر
قابلية التشغيل	متوسطة	متوسطة	متوسطة	4140 أصعب في التشغيل
قابلية التشكيل	متوسطة	متوسطة	ضعيفة	4340 أقل قابلية للتشكيل
التكلفة التقريبية النسبية	متوسطة	أعلى	أعلى	يعتبر 4135 أكثر تكلفة للاستخدامات المتعددة
التوافر النموذجي	شائع	شائع	أقل شيوعًا	4135 متاحة على نطاق واسع

عند اختيار فولاذ 4135، تشمل الاعتبارات فعالية التكلفة، والتوافر، ومدى ملاءمته للتطبيقات المحددة. على الرغم من أنه قد لا يوفر نفس مستوى مقاومة التآكل كالعديد من الفولاذ المقاوم للصدأ، فإن خصائصه الميكانيكية تجعله اختياراً مفضلاً للكثير من التطبيقات الهندسية. بالإضافة إلى ذلك، فإن قابليته للحام والتشغيل تسمح بخيارات تصنيع مرنة، مما يجعله مادة قيمة في صناعات متعددة.