5140 الصلب: الخصائص والتطبيقات الرئيسية

تُصنف فولاذ 5140 كفولاذ سبائكي متوسط الكربون، معروف بشكل أساسي بقوته، ومتانته، ومقاومته للتآكل. وهو جزء من سلسلة AISI/SAE 5000 ويستخدم عادة في التطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومقاومة جيدة للإجهاد. تشمل العناصر السبائكية الرئيسية في فولاذ 5140 الكروم (Cr) والمنغنيز (Mn) والكربون (C)، التي تؤثر بشكل كبير على خصائصه الميكانيكية وخصائص الأداء.

نظرة شاملة

يحتوي فولاذ 5140 عادةً على حوالي 0.38% إلى 0.43% كربون، و0.75% إلى 1.00% منغنيز، و0.90% إلى 1.20% كروم. تعزز إضافة الكروم من القدرة على التصلب ومقاومة التآكل، بينما يساهم المنغنيز في القوة والصلابة. توفر محتويات الكربون الصلابة والقوة، مما يجعل فولاذ 5140 مناسبًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات الصعبة.

الخصائص الرئيسية:
- قوة عالية: يتمتع فولاذ 5140 بقوة شد وقوة عائد ممتازة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات الثقيلة.
- صلابة جيدة: يحتفظ بالصلابة حتى في درجات الحرارة المنخفضة، وهو أمر حاسم لسلامة البنية.
- مقاومة التآكل: تساهم العناصر السبائكية في قدرته على مقاومة التآكل، مما يجعله مثاليًا للمكونات المعرضة للاحتكاك والتآكل.

المزايا:
- خصائص ميكانيكية ممتازة، بما في ذلك قوة شد عالية ومقاومة للإجهاد.
- قابلة للمعالجة جيدًا وقابلة للحام، مما يسمح بخيارات تصنيع متعددة.
- مناسبة لعمليات المعالجة الحرارية، مما يعزز أدائها في تطبيقات متنوعة.

القيود:
- مقاومة متوسطة للتآكل مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ، مما يتطلب طلاءات واقية في البيئات التآكلية.
- تتطلب معالجة حرارية دقيقة لتحقيق الخصائص الميكانيكية المرغوبة، مما قد يعقد المعالجة.

تاريخيًا، تم استخدام فولاذ 5140 على نطاق واسع في صناعات السيارات والطيران لمكونات مثل التروس والمحاور والمحاور، نظرًا لتوازنه المفضل بين القوة والصلابة.

أسماء بديلة، معايير، ومعادلات

المنظمة القياسية	التسمية/الدرجة	الدولة/المنطقة الأصلية	ملاحظات/تعليقات
UNS	G51400	الولايات المتحدة الأمريكية	أقرب معادل لـ AISI 5140
AISI/SAE	5140	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية موحدة مستخدمة شائعًا
ASTM	A29/A29M	الولايات المتحدة الأمريكية	مواصفة قياسية للفولاذ السبائكي
EN	42CrMo4	أوروبا	اختلافات تركيبية بسيطة
DIN	1.7035	ألمانيا	خصائص مماثلة، تستخدم في أوروبا
JIS	SCM440	اليابان	معادل مع اختلافات طفيفة في التركيب

يمكن أن تؤثر الاختلافات بين الدرجات المعادلة على الاختيار بناءً على متطلبات الأداء المحددة. على سبيل المثال، في حين أن 42CrMo4 وSCM440 متشابهان، قد تختلف استجاباتهما للمعالجة الحرارية، مما يؤثر على الصلابة والصلابة.

الخصائص الرئيسية

التكوين الكيميائي

عنصر (الرمز والاسم)	نطاق النسبة المئوية (%)
C (الكربون)	0.38 - 0.43
Mn (المنغنيز)	0.75 - 1.00
Cr (الكروم)	0.90 - 1.20
Si (السيليكون)	0.15 - 0.40
P (الفوسفور)	≤ 0.035
S (الكبريت)	≤ 0.040

الدور الرئيسي للكربون في فولاذ 5140 هو تعزيز الصلابة والقوة من خلال المعالجة الحرارية. يحسن الكروم من القدرة على التصلب ومقاومة التآكل، بينما يساهم المنغنيز في الصلابة العامة والقوة. يتم تضمين السيليكون لتحسين إزالة الأكسدة أثناء تصنيع الفولاذ.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة/النطاق النموذجي (متري)	القيمة/النطاق النموذجي (إمبراطوري)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	مروية ومثمرة	850 - 1000 ميجا باسكال	123 - 145 كساي	ASTM E8
قوة العائد (0.2% انزلاق)	مروية ومثمرة	650 - 850 ميجا باسكال	94 - 123 كساي	ASTM E8
التمدد	مروية ومثمرة	15 - 20%	15 - 20%	ASTM E8
الصلابة (HRC)	مروية ومثمرة	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
قوة التأثير	شاربي V-notched، -20°C	30 - 50 جول	22 - 37 قدم-رطل	ASTM E23

يجعل الجمع بين قوة الشد العالية وقوة العائد، إلى جانب معامل التمدد الجيد، فولاذ 5140 مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب مقاومة للتحميل الميكانيكي وسلامة التركيب. تعتبر صلابته في درجات الحرارة المنخفضة مفيدة بشكل خاص للمكونات المعرضة للأحمال الديناميكية.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (متري)	القيمة (إمبراطوري)
الكثافة	درجة حرارة الغرفة	7.85 غم/cm³	0.284 رطل/in³
نقطة الانصهار	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
التوصيل الحراري	درجة حرارة الغرفة	45 واط/m·ك	31 BTU·in/(hr·ft²·°F)
السعة الحرارية النوعية	درجة حرارة الغرفة	460 جول/kg·ك	0.11 BTU/lb·°F
المقاومة الكهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.0000017 أوم·م	0.0000017 أوم·in

تشير كثافة فولاذ 5140 إلى كتلة كبيرة، مما يساهم في قوته. نقطة الانصهار مرتفعة نسبيًا، مما يسمح بأداء جيد تحت درجات حرارة مرتفعة. يعتبر التوصيل الحراري والسعة الحرارية النوعية مهمين للتطبيقات التي تتضمن عمليات التدوير الحراري.

مقاومة التآكل

العامل المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
كلوريدات	يختلف	بيئة	جيد	عرضة للتصديع
حمض الكبريتيك	منخفض	بيئة	سيء	لا يُوصى به
المحاليل القلوية	يختلف	بيئة	جيد	مقاومة متوسطة
جوي	-	بيئة	جيد	يتطلب طلاءات واقية

يظهر فولاذ 5140 مقاومة معتدلة للتآكل، خاصة في الظروف الجوية. ومع ذلك، فهو عرضة للتصديع في البيئات الكلوريدية ولا ينبغي استخدامه في الظروف الحمضية بدون تدابير وقائية. مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ مثل 304 أو 316، فإن مقاومة التآكل لفولاذ 5140 أقل بكثير، مما يجعله أقل ملاءمة للتطبيقات البحرية أو ذات البيئات التآكلية العالية.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
الحد الأقصى لدرجة حرارة الخدمة المستمرة	400 °C	752 °F	مناسب للحرارة المعتدلة
الحد الأقصى لدرجة حرارة الخدمة المتقطعة	500 °C	932 °F	تعرض لفترة قصيرة فقط
درجة الحرارة للتشقق	600 °C	1112 °F	خطر الأكسدة بعد هذه الدرجة
اعتبارات قوة الزحف	400 °C	752 °F	يبدأ في التدهور عند هذه الدرجة

عند درجات الحرارة المرتفعة، يحافظ فولاذ 5140 على خصائص ميكانيكية جيدة تصل إلى حوالي 400 °C (752 °F). بعد هذه الدرجة، قد يواجه الأكسدة وفقدان القوة. وهذا يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تكون فيها التعرض للحرارة محدودًا.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن filler الموصى به (تصنيف AWS)	الغاز/الفلكس للحماية المتوقعة	ملاحظات
MIG	ER70S-6	أرجون + CO2	جيدة للأقسام الرقيقة
TIG	ER80S-Ni	أرجون	يتطلب تسخين مسبق
التلحيم	E7018	-	مناسب للأقسام السميكة

يعتبر فولاذ 5140 عمومًا قابلًا للحام، لكن يُوصى بالتسخين المسبق لتجنب التشقق. يمكن أن تعزز المعالجة الحرارية اللاحقة خصائص منطقة اللحام، مما يضمن السلامة.

قابلية المعالجة

معامل المعالجة	فولاذ 5140	AISI 1212	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية المعالجة النسبي	60	100	فولاذ 5140 أقل قابلية للمعالجة من 1212
سرعة القطع النموذجية (التحويل)	40 م/دقيقة	60 م/دقيقة	يجب ضبط الأدوات للحصول على نتائج أفضل

يمكن أن تكون قابلية المعالجة تحديًا بسبب صلابة فولاذ 5140، مما يتطلب أدوات مناسبة وسرعات قطع لتحقيق النتائج المثلى.

قابلية التشكيل

يظهر فولاذ 5140 قابلية تشكيل معتدلة. يمكن تشكيله باردًا، لكن التشكيل الساخن هو المفضل للأشكال المعقدة لتجنب تصلب العمل. يجب حساب انحناءات الانحناء بدقة لتجنب التشقق.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°C)	المدة الزمنية النموذجية	طريقة التبريد	الغرض الرئيسي / النتيجة المتوقعة
التجفيف	600 - 700	1 - 2 ساعة	هواء	تليين، تحسين الليونة
التبريد المفاجئ	800 - 850	30 دقيقة	زيت أو ماء	تصلب
التميع	400 - 600	ساعة واحدة	هواء	تقليل الهشاشة، تحسين الصلابة

تؤثر عمليات المعالجة الحرارية بشكل كبير على الميكرو هيكل لفولاذ 5140، محولة إياه من أوستنيت إلى مارتينسيت خلال التبريد، مما يعزز الصلابة. تسمح عملية التميع بالتوازن بين الصلابة والصلابة.

التطبيقات والنهائيات النموذجية

الصناعة/القطاع	مثال على التطبيق المحدد	الخصائص الأساسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار (باختصار)
السيارات	التروس	قوة عالية، مقاومة للتآكل	أساسي للمتانة
الطيران	المحاور	صلابة، مقاومة للإجهاد	حرج للسلامة
الماكينات	المحاور	قوة الشد العالية، مقاومة التأثير	مطلوب للأحمال الثقيلة
الأدوات	الأدوات القاطعة	صلابة، مقاومة للتآكل	ضروري لطول العمر

تتضمن التطبيقات الأخرى:
* - أعمدة الكرنك
* - الأجزاء المثبتة
* - المكونات الهيكلية في الماكينات

يتم اختيار فولاذ 5140 لهذه التطبيقات نظرًا لخصائصه الميكانيكية الممتازة، التي تضمن الاعتماد والأداء تحت الضغط.

الاعتبارات الهامة، ومعايير الاختيار، ورؤى إضافية

الميزة/الخاصية	فولاذ 5140	AISI 4140	AISI 4340	ملاحظة موجزة/تجارة
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	قوة عالية	قوة معتدلة	قوة عالية جدًا	يقدم فولاذ 5140 توازنًا بين القوة والصلابة
الجوانب الأساسية للتآكل	جيدة	سيئة	جيدة	فولاذ 5140 أفضل من 4140 لكنه ليس جيدًا مثل 4340
قابلية اللحام	جيدة	معتدلة	سيئة	فولاذ 5140 أسهل في اللحام من 4340
قابلية المعالجة	معتدلة	سيئة	سيئة	فولاذ 5140 أكثر قابلية للمعالجة من كلا البديلين
قابلية التشكيل	معتدلة	سيئة	سيئة	فولاذ 5140 يسمح بقدرات تشكيل أفضل
التكلفة التقريبية النسبية	معتدلة	معتدلة	أعلى	فعالة من حيث التكلفة لمعدلاته
توفر النموذج المعتاد	شائع	شائع	أقل شيوعًا	فولاذ 5140 متاح على نطاق واسع بأشكال متنوعة

عند اختيار فولاذ 5140، تشمل الاعتبارات خصائصه الميكانيكية، وتوفره، وفعاليته من حيث التكلفة. تجعل مقاومته المعتدلة للتآكل وقابليته للحام مناسبة لمجموعة من التطبيقات، بينما يمكن أن تكون قابلية المعالجة عاملًا محددًا في بعض الحالات. إن فهم المتطلبات المحددة للتطبيق أمر بالغ الأهمية لاختيار المواد المثلى.