5115 الصلب: الخصائص والتطبيقات الرئيسية

يتم تصنيف الفولاذ 5115 كفولاذ سبائكي متوسط الكربون، ويُعرف بشكل أساسي بقدرته الجيدة على التنشئة وقوته الممتازة. يحتوي على عناصر سبائكية رئيسية مثل الكروم، الذي يعزز مقاومته للتآكل وقدرته على التنشئة، والموليبدينوم، الذي يحسن قوته ومرونته عند درجات الحرارة العالية. تتكون التركيبة النموذجية للفولاذ 5115 من حوالي 0.15% كربون، 0.5% كروم، و0.2% موليبدينوم، والتي تساهم معًا في خصائصه الميكانيكية وأدائه في مختلف التطبيقات.

الخصائص والخصائص

يتميز الفولاذ 5115 بمقاومته الجيدة للتآكل، وقوة الشد العالية، وقدرته على تحمل الضغوط العالية. وغالبًا ما يُستخدم في التطبيقات التي تتطلب قوة ومرونة عالية، مثل التروس والمحاور ومكونات أخرى تتعرض لأحمال ديناميكية.

المزايا:
- قوة عالية: مناسبة للتطبيقات ذات الأحمال العالية.
- مرونة جيدة: تحافظ على الأداء تحت تأثير الأحمال الصدمية.
- قدرة على التنشئة: يمكن معالجة الفولاذ حراريًا لتحقيق مستويات الصلابة المطلوبة.

القيود:
- قابلية اللحام: متوسطة؛ تتطلب سيطرة دقيقة أثناء اللحام لتجنب التشقق.
- مقاومة التآكل: على الرغم من تحسينها بواسطة العناصر السبيكة، إلا أنها ليست مقاومة للتآكل مثل الفولاذ المقاوم للصدأ.

تاريخيًا، تم استخدام الفولاذ 5115 في صناعات متعددة، خصوصًا في تصنيع السيارات والآلات، بفضل توازنه الملائم بين القوة والمرونة.

أسماء بديلة، معايير، ومكافئات

المنظمة القياسية	التصنيف/الدرجة	البلد/المنطقة الأصلية	ملاحظات
UNS	G51150	الولايات المتحدة الأمريكية	أقرب مكافئ لـ AISI 5150
AISI/SAE	5115	الولايات المتحدة الأمريكية	فولاذ سبائكي متوسط الكربون
ASTM	A29/A29M	الولايات المتحدة الأمريكية	مواصفة عامة للفولاذ السبيكي
EN	1.7035	أوروبا	اختلافات تركيبية طفيفة
JIS	SCr415	اليابان	خصائص مشابهة، لكن تطبيقات مختلفة

تسلط الجدول أعلاه الضوء على معايير ومكافئات مختلفة للفولاذ 5115. وعلى وجه الخصوص، بينما يتعلق G51150 وAISI 5150 ارتباطًا وثيقًا، قد تحتوي على اختلافات طفيفة في التركيب يمكن أن تؤثر على الأداء في تطبيقات معينة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي وجود عناصر سبيكة إضافية في درجة واحدة إلى تعزيز خصائص معينة، مثل المرونة أو القدرة على التنشئة.

الخصائص الرئيسية

التركيبة الكيميائية

العنصر (الرمز والاسم)	نطاق النسبة المئوية (%)
C (الكربون)	0.13 - 0.18
Cr (الكروم)	0.40 - 0.60
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

تشمل العناصر السبائكية الرئيسية في الفولاذ 5115:
- الكروم (Cr): يعزز من قدرة التنشئة ومقاومة التآكل.
- الموليبدينوم (Mo): يحسن القوة والمرونة، خاصة عند درجات حرارة مرتفعة.
- المنغنيز (Mn): يزيد من قدرة التنشئة والقوة بينما يحسن استجابة الفولاذ للمعالجة الحرارية.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة/النطاق النموذجي (الوحدات المترية - وحدات SI)	القيمة/النطاق النموذجي (الوحدات الإمبراطورية)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	مهدد	620 - 850 MPa	90 - 123 ksi	ASTM E8
قوة الخضوع (نسبة 0.2%)	مهدد	350 - 550 MPa	51 - 80 ksi	ASTM E8
التمدد	مهدد	15 - 20%	15 - 20%	ASTM E8
الصلابة (روكويل C)	مبرد ومعتدل	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
قوة التأثير	-40°C	27 J	20 ft-lbf	ASTM E23

تجعل الخصائص الميكانيكية للفولاذ 5115 مناسبا للتطبيقات التي تتطلب قوة ومرونة عالية. تشير قوة الشد وقوة الخضوع إلى قدرته على تحمل الأحمال الثقيلة، بينما تشير نسبة التمدد إلى قابلية جيدة للتشكيل، مما يسمح بالتشوه دون كسر.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (الوحدات المترية - وحدات SI)	القيمة (الوحدات الإمبراطورية)
الكثافة	-	7.85 g/cm³	0.284 lb/in³
نقطة الانصهار	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
موصلية حرارية	20°C	45 W/m·K	31 BTU·in/(hr·ft²·°F)
السعة الحرارية النوعية	-	0.46 kJ/kg·K	0.11 BTU/lb·°F
المقاومة الكهربائية	-	0.00065 Ω·m	0.0004 Ω·in

تشير كثافة الفولاذ 5115 إلى كتلته لكل وحدة حجم، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات الحساسة للوزن. تعتبر نقطة الانصهار مهمة في العمليات التي تنطوي على درجات حرارة عالية، بينما تعتبر الموصلية الحرارية والسعة الحرارية النوعية مهمة في التطبيقات التي تشمل انتقال الحرارة.

مقاومة التآكل

العامل المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C/°F)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
الكلوريدات	3-5%	25°C/77°F	متوسطة	خطر التآكل النقطي
حمض الكبريتيك	10%	20°C/68°F	رديء	غير موصى به
ماء البحر	-	25°C/77°F	متوسطة	مقاومة معتدلة

يظهر الفولاذ 5115 مقاومة معتدلة للتآكل، خصوصًا في البيئات التي تحتوي على الكلوريدات، حيث قد يكون عرضة للتآكل النقطي. بالمقارنة مع الفولاذ المقاوم للصدأ، مثل 304 أو 316، فإن مقاومة الفولاذ 5115 محدودة، مما يجعله أقل ملائمة للبيئات شديدة التآكل.

بالمقارنة، يوفر الفولاذ المقاوم للصدأ 304 مقاومة ممتازة لمجموعة واسعة من العوامل المسببة للتآكل، بينما يوفر الفولاذ المقاوم للصدأ 316 مقاومة فائقة بفضل محتواه من الموليبدينوم، الذي يعزز من أدائه في البيئات الغنية بالكلوريد.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
أقصى درجة حرارة خدمة مستمرة	400°C	752°F	مناسب لتطبيقات الحرارة العالية
أقصى درجة حرارة خدمة متقطعة	500°C	932°F	تعرض قصير المدى فقط
درجة حرارة التسخين	600°C	1112°F	خطر الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة

عند درجات الحرارة المرتفعة، يحتفظ الفولاذ 5115 بقوته ومرونته، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتضمن الحرارة. ومع ذلك، فإن التعرض المطول لدرجات حرارة تفوق 400°C يمكن أن يؤدي إلى الأكسدة والتسخين، مما قد يضر بسلامته.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن الملئ الموصى به (تصنيف AWS)	غاز/فلكس الحماية النموذجي	ملاحظات
MIG	ER70S-6	الأرجون + CO2	موصى بالتسخين المسبق
TIG	ER80S-Ni	الأرجون	تتطلب معالجة حرارية بعد اللحام

قابلية لحام الفولاذ 5115 متوسطة؛ تحتاج إلى تسخين مسبق لتقليل خطر التشقق. غالبًا ما تكون بحاجة إلى معالجة حرارية بعد اللحام لتخفيف الضغوط وتحسين المرونة في منطقة اللحام.

قابلية التشغيل

معامل التشغيل	الفولاذ 5115	AISI 1212	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية التشغيل النسبي	60	100	5115 أقل قابلية للتشغيل مقارنة بـ 1212
سرعة القطع النموذجية (التدوير)	30 m/min	50 m/min	ضبط الأدوات لتحسين الأداء

قابلية التشغيل للفولاذ 5115 متوسطة؛ تحتاج إلى أدوات وسرعات قطع مناسبة لتحقيق أفضل النتائج. يشير مؤشر قابلية التشغيل النسبي إلى أنه أقل قابلية للتشغيل مقارنة بـ AISI 1212، المعروف بقابلية التشغيل الممتازة.

قابلية التشكيل

يعرض الفولاذ 5115 قابلية جيدة للتشكيل، مما يسمح بعمليات التشكيل الباردة والساخنة. يمكن ثنيه وتشكيله دون خطر كبير من التشقق، رغم أنه يجب توخي الحذر لتجنب الصلابة المفرطة.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°C/°F)	الوقت النموذجي للنقع	طريقة التبريد	الغرض الأساسي / النتيجة المتوقعة
التخمر	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 ساعة	هواء	تليين، تحسين القابلية للتمدد
التبريد	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	30 دقيقة	زيت أو ماء	تصلب
التسخين	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 ساعة	هواء	تقليل الهشاشة، تحسين المرونة

تؤثر عمليات المعالجة الحرارية بشكل كبير على البنية الدقيقة وخصائص الفولاذ 5115. يعزز التبريد الصلابة، بينما يقلل التسخين من الهشاشة، مما يؤدي إلى توليفة متوازنة من القوة والمرونة.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على التطبيق المحدد	الخصائص الرئيسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار (باختصار)
السيارات	التروس	قوة عالية، مرونة	مطلوبة للأحمال الديناميكية
الآلات	المحاور	مقاومة جيدة للتآكل، قدرة على التنشئة	أساسية للمتانة
الفضاء	مكونات الهيكل الهبوط	قوة عالية، مقاومة التعب	حرجة للسلامة

تشمل التطبيقات الأخرى:
- البناء: مكونات هيكلية تتطلب قوة عالية.
- النفط والغاز: معدات تتعرض لضغوط مرتفعة وتآكل.

يُختار الفولاذ 5115 لهذه التطبيقات بفضل خصائصه الميكانيكية المواتية، التي توفر القوة والمتانة اللازمة للمكونات المعرضة للأحمال الديناميكية والبيئات القاسية.

اعتبارات هامة، معايير الاختيار، ورؤى إضافية

الخاصية/الخاصية	الفولاذ 5115	AISI 4140	AISI 5160	ملاحظة مختصرة عن الإيجابيات/السلبيات أو التنازلات
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	قوة عالية	مرونة أعلى	مقاومة تعب أفضل	الفولاذ 5115 قوي لكن أقل مرونة من 4140
الجانب الرئيسي لمقاومة التآكل	مقاومة متوسطة	رديئة	متوسطة	الفولاذ 5115 أفضل من 4140 لكنه ليس جيدًا كالفولاذ المقاوم للصدأ
قابلية اللحام	متوسطة	جيدة	رديئة	الفولاذ 5115 يتطلب العناية أثناء اللحام
قابلية التشغيل	متوسطة	جيدة	متوسطة	الفولاذ 5115 أقل قابلية للتشغيل من 4140
قابلية التشكيل	جيدة	متوسطة	جيدة	يمكن تشكيل الفولاذ 5115 بسهولة
التكلفة النسبية التقريبية	متوسطة	متوسطة	أعلى	موفرة التكلفة للعديد من التطبيقات
الإتاحة النموذجية	شائعة	شائعة	أقل شيوعًا	الفولاذ 5115 متوفر على نطاق واسع

عند اختيار الفولاذ 5115، تشمل الاعتبارات خصائصه الميكانيكية، مقاومته للتآكل، وخصائص التصنيع. إنه خيار موفر للتكاليف للتطبيقات التي تتطلب قوة ومرونة عالية، على الرغم من أنه يجب أخذ قابليته المتوسطة للحام والتشغيل في الاعتبار.

باختصار، يُعتبر الفولاذ 5115 فولاذ سبائكي متوسط الكربون متعدد الاستخدامات الذي يحقق توازنًا بين القوة والمرونة ومقاومة التآكل، مما يجعله مناسبًا لمجموعة واسعة من التطبيقات الهندسية. يمكن تعديل خصائصه من خلال المعالجة الحرارية، وعلى الرغم من أن لديه قيودًا في مقاومة التآكل مقارنةً بالفولاذ المقاوم للصدأ، فإنه لا يزال خيارًا شائعًا في صناعات متنوعة.