4340 الفولاذ: الخصائص والتطبيقات الرئيسية موضحة

فولاذ 4340 مصنف كفولاذ سبيكة متوسط الكربون، ويشتهر بشكل أساسي بقوته الممتازة وقدرته على التحمل. يحتوي على عناصر سبيكة هامة مثل الكروم والنيكل والموليبدينوم، التي تعزز خصائصه الميكانيكية وأدائه العام في تطبيقات متنوعة. وجود الكروم يحسن من القدرة على التصلب ومقاومة التآكل، بينما يساهم النيكل في القدرة على التحمل والمرونة. يزيد الموليبدينوم من القوة عند درجات الحرارة المرتفعة ويحسن مقاومة التآكل.

الخصائص الرئيسية

يتميز فولاذ 4340 بقوته الشد العالية، ومقاومته الجيدة للتعب، وقدرته الممتازة على التحمل، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات الصعبة. يمكن معالجته حراريًا لتحقيق مجموعة واسعة من الخصائص الميكانيكية، مما يسمح بالتنوع في التصميم والتطبيق.

المزايا والقيود

المزايا:
- نسبة عالية من القوة إلى الوزن
- ممتاز في القدرة على التحمل ومقاومة التعب
- قابلية جيدة للتشغيل في الحالة الملدنة
- خيارات معالجة حرارية متنوعة

القيود:
- مقاومة متوسطة للتآكل مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ
- يتطلب معالجة حرارية دقيقة لتجنب الهشاشة
- تكلفة أعلى مقارنة بالفولاذات ذات الكربون المنخفض

تاريخياً، تم استخدام فولاذ 4340 على نطاق واسع في صناعات الطيران والسيارات، خاصة للمكونات التي تتطلب قوة عالية وقدرة على التحمل، مثل التروس والمحاور وأجهزة هبوط الطائرات.

أسماء بديلة، معايير، ومكافئات

المنظمة القياسية	التعيين/الدرجة	البلد/المنطقة الأصلية	ملاحظات/تعليقات
UNS	G43400	الولايات المتحدة الأمريكية	أقرب مكافئ لـ AISI 4340
AISI/SAE	4340	الولايات المتحدة الأمريكية	تعيين يستخدم بشكل شائع
ASTM	A829	الولايات المتحدة الأمريكية	مواصفة قياسية للفولاذات السبيكية
EN	34CrNiMo6	أوروبا	تركيبة مشابهة، اختلافات طفيفة
DIN	1.6582	ألمانيا	معادل مع اختلافات طفيفة
JIS	SNCM439	اليابان	خصائص مشابهة، تستخدم في التطبيقات السيارات
GB	40CrNiMo	الصين	درجة قابلة للمقارنة مع اختلافات تركيبية طفيفة
ISO	34CrNiMo6	دولية	معادل للمعيار EN

يمكن أن تؤثر الاختلافات بين هذه الدرجات على الاختيار بناءً على متطلبات التطبيق المحددة، مثل الخصائص الميكانيكية أو التوفر.

الخصائص الرئيسية

التركيب الكيميائي

العنصر (الرمز والاسم)	نطاق النسبة المئوية (%)
C (الكربون)	0.38 - 0.43
Mn (المنغنيز)	0.60 - 0.80
Si (السيليكون)	0.15 - 0.40
Cr (الكروم)	0.70 - 0.90
Ni (النيكل)	1.65 - 2.00
Mo (الموليبدينوم)	0.20 - 0.30
P (الفوسفور)	≤ 0.035
S (الكبريت)	≤ 0.040

الدور الرئيسي لعناصر السبيكة الرئيسية في فولاذ 4340 يشمل:
- الكروم: يعزز من القدرة على التصلب ومقاومة التآكل.
- النيكل: يحسن القدرة على التحمل والمرونة، خاصة في الأقسام الملحومة.
- الموليبدينوم: يزيد من القوة عند درجات الحرارة المرتفعة ويعزز القدرة على التصلب.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/الحرارة	درجة الحرارة للاختبار	القيمة النموذجية/النطاق (ميترية)	القيمة النموذجية/النطاق (إمبراطورية)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	مبرد ومصلد	درجة حرارة الغرفة	980 - 1,100 ميغاباسكال	142 - 160 كيلو باوند لكل بوصة مربعة	ASTM E8
قوة العائد (0.2% انحراف)	مبرد ومصلد	درجة حرارة الغرفة	850 - 1,000 ميغاباسكال	123 - 145 كيلو باوند لكل بوصة مربعة	ASTM E8
التمديد	مبرد ومصلد	درجة حرارة الغرفة	12 - 15%	12 - 15%	ASTM E8
الصلابة (روكويل C)	مبرد ومصلد	درجة حرارة الغرفة	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
قوة التأثير	مبرد ومصلد	-40 °C	27 - 40 جول	20 - 30 قدم-باوند	ASTM E23

تركيبة هذه الخصائص الميكانيكية تجعل فولاذ 4340 مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب قوة عالية وقدرة على التحمل، لا سيما تحت ظروف التحميل الديناميكي.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/الحرارة	القيمة (ميترية)	القيمة (إمبراطورية)
الكثافة	درجة حرارة الغرفة	7.85 غم/سم³	0.284 رطل/بوصة³
نقطة الانصهار	-	1,400 - 1,540 °C	2,552 - 2,804 °F
الموصلية الحرارية	درجة حرارة الغرفة	45 واط/م·ك	31 وحدة حرارية بريطانية·إن/قدم²·°F
السعة الحرارية النوعية	درجة حرارة الغرفة	460 جول/كغ·ك	0.11 وحدة حرارية بريطانية/رطل·°F
المقاومة الكهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.0000017 أوم·م	0.0000017 أوم·إن

تعتبر الخصائص الفيزيائية الرئيسية مثل الكثافة والموصلية الحرارية هامة للتطبيقات التي تتطلب عوامل الوزن والتبديد الحراري، مثل مكونات الطيران.

مقاومة التآكل

الوكيل المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C/°F)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
الكلوريدات	3-5%	20-60 °C (68-140 °F)	متوسطة	خطر التآكل
حمض الكبريتيك	10%	25 °C (77 °F)	ضعيفة	غير موصى به
هيدروكسيد الصوديوم	5%	25 °C (77 °F)	متوسطة	خطر تشقق التآكل تحت الضغط
الجو الجوي	-	-	جيدة	تتطلب طلاءات واقية

يعرض فولاذ 4340 مقاومة متوسطة للتآكل، خاصة في الظروف الجوية. ومع ذلك، فإنه عرضة للتآكل والتشققات تحت الضغط في بيئات الكلوريد ولا ينبغي استخدامه في ظروف تآكل عالية بدون تدابير وقائية. مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ مثل 304 أو 316، فإن مقاومة التآكل لفولاذ 4340 أقل بكثير، مما يجعله أقل مناسبة للتطبيقات البحرية أو معالجة المواد الكيميائية.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحدود	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
درجة حرارة الخدمة المستمرة القصوى	400 °C	752 °F	مناسب للتطبيقات ذات الحرارة العالية
درجة حرارة الخدمة المتقطعة القصوى	500 °C	932 °F	تعرض قصير فقط
درجة الحرارة التي تسبب التآكل	600 °C	1,112 °F	خطر الأكسدة عند درجات الحرارة العالية
اعتبارات قوة الزحف	400 °C	752 °F	تبدأ في فقدان القوة

عند درجات الحرارة المرتفعة، يحتفظ فولاذ 4340 بخصائص ميكانيكية جيدة ولكنه قد يتعرض للأكسدة والتآكل. يتطلب الأمر اعتبارات دقيقة للتطبيقات التي تتضمن التعرض المطول لدرجات الحرارة العالية.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن الملحق الموصى به (تصنيف AWS)	غاز/فلكس الحماية النموذجي	ملاحظات
MIG	ER80S-Ni	أرغون + CO2	التسخين المسبق موصى به
TIG	ER80S-Ni	أرغون	تنصح المعالجة الحرارية بعد اللحام
اللحام الكهربائي	E8018-C3	-	يتطلب التسخين المسبق لتجنب التشقق

يمكن لحام فولاذ 4340 باستخدام أساليب متنوعة، ولكن من الضروري التسخين المسبق لتقليل خطر التشقق. كما يوصى أيضًا بالمعالجة الحرارية بعد اللحام لتخفيف الضغوط وتحسين القدرة على التحمل.

قابلية التشغيل

معامل التشغيل	فولاذ 4340	AISI 1212	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية التشغيل النسبي	60	100	4340 أصعب في التشغيل
سرعة القطع النموذجية	30-50 م/د	60-80 م/د	استخدم أدوات من كربيد لتحقيق أفضل النتائج

يمتلك فولاذ 4340 قابلية تشغيل متوسطة، وإن استخدام الأدوات الملائمة وسرعات القطع الضرورية أمر بالغ الأهمية لتحقيق اللمسات النهائية والأبعاد المطلوبة.

قابلية التشكيل

يعرض فولاذ 4340 قابلية تشكيل متوسطة. يمكن تشكيله على البارد ولكن قد يتطلب تليينًا وسيطًا لتخفيف الضغوط. يعتبر التشكيل على الساخن مفضلًا للأشكال المعقدة، مما يسمح بتحكم أفضل في الخصائص النهائية.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°C/°F)	زمن النقع النموذجي	طريقة التبريد	الهدف الرئيسي / النتيجة المتوقعة
التمدين	700 - 750 °C (1,292 - 1,382 °F)	1-2 ساعة	هواء	تليين، تحسين قابلية التشغيل
التبريد	800 - 850 °C (1,472 - 1,562 °F)	30 دقيقة	زيت أو ماء	تصلب
التحول	400 - 600 °C (752 - 1,112 °F)	1 ساعة	هواء	تحسين القدرة على التحمل

تغير عمليات المعالجة الحرارية بشكل كبير التركيب الدقيق لفولاذ 4340، مما يعزز من صلابته وقدرته على التحمل. تكون عملية التبريد والتحول فعالة بشكل خاص في تحقيق الخصائص الميكانيكية المطلوبة للتطبيقات ذات الضغط العالي.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على تطبيق محدد	الخصائص الرئيسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار
الفضاء	أجهزة هبوط الطائرات	قوة عالية، قدرة على التحمل	عنصر أمان حرج
السيارات	محاور الدفع	مقاومة التعب، قدرة على التحمل	أحمال ديناميكية عالية
النفط والغاز	رؤوس الحفر	مقاومة للتآكل، قوة	ظروف تشغيل قاسية
الآلات الثقيلة	علب التروس	قوة عالية، مقاومة للصدمات	موثوقية تحت الحمل

تتضمن التطبيقات الأخرى:
- معدات عسكرية
- مكونات سيارات ذات أداء عالي
- مكونات هيكلية في الآلات الثقيلة

يعود اختيار فولاذ 4340 لهذه التطبيقات إلى خصائصه الميكانيكية الممتازة، والتي تضمن الموثوقية والسلامة في بيئات صعبة.

اعتبارات مهمة ومعايير الاختيار ورؤى إضافية

الميزة/الخاصية	فولاذ 4340	AISI 4140	AISI 8620	ملاحظة موجزة عن المزايا/العيوب أو صلاحية التجارة
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	قوة عالية	قدرة جيدة على التحمل	قدرة جيدة على التصلب	فولاذ 4340 يوفر قدرة تحمل متفوقة
الميزة الرئيسية لمقاومة التآكل	مقاومة متوسطة	مقاومة متوسطة	مقاومة ضعيفة	فولاذ 4340 أفضل من 8620
قابلية اللحام	متوسطة	جيدة	عادية	فولاذ 4340 يحتاج إلى التسخين المسبق
قابلية التشغيل	متوسطة	جيدة	عادية	فولاذ 4340 أصعب في التشغيل
قابلية التشكيل	متوسطة	جيدة	جيدة	فولاذ 4340 يحتاج إلى عناية في التشكيل
التكلفة التقريبية النسبية	أعلى	متوسطة	أقل	توازن التكلفة مقابل الأداء
التوفر النموذجي	شائع	شائع	أقل شيوعًا	يتفاوت التوفر حسب المنطقة

عند اختيار فولاذ 4340، تشمل الاعتبارات الجدوى الاقتصادية، والتوفر، ومتطلبات الخصائص الميكانيكية المحددة. إن توازنه بين القوة والقدرة على التحمل يجعله خيارًا مفضلًا في التطبيقات ذات الأداء العالي، على الرغم من أن تكلفته الأعلى مقارنة بالفولاذات ذات الكربون المنخفض قد تكون عاملاً في اتخاذ القرار.

باختصار، يعتبر فولاذ 4340 سبيكة متعددة الاستخدامات تجمع بين مجموعة فريدة من الخصائص التي تجعله مناسبًا لمجموعة واسعة من التطبيقات الصعبة. توفر خصائصه الميكانيكية والفيزيائية، بالإضافة إلى قدراته في المعالجة الحرارية، مادة موثوقة للمكونات الحيوية.