الفولاذ عالي الكربون: الخصائص والتطبيقات الرئيسية

الصلب المتجاوز للإيتكتويد هو فئة محددة من الصلب الكربوني يتميز بمحتوى الكربون الذي يتجاوز 0.76% من وزنه. تصنيفه يضعه فوق التركيبة الإيتكتويدية في مخطط الطور الحديدي-الكربوني، مما يؤدي إلى ميزات مميزة في الميكروهيكلة وخصائص ميكانيكية. العنصر الأساسي في سبائك الصلب المتجاوز للإيتكتويد هو الكربون، الذي يؤثر بشكل كبير على صلابته وقوته ومقاومته للاهتراء. بالإضافة إلى الكربون، يمكن أن تكون هناك عناصر سبائكية أخرى مثل المنجنيز والكروم والموليبدينوم، مما يعزز خصائص محددة مثل المتانة ومقاومة التآكل.

نظرة عامة شاملة

الصلب المتجاوز للإيتكتويد معروف بصلابته العالية وقوته بسبب وجود السمنتايت (Fe₃C) في بنيته الميكروهيكلية. عند تبريده من درجة حرارة الأوستنيتي، يشكل هذا الصلب خليطًا من البيرلايت والسمنتايت، مما ينتج عن هيكل ميكروهيكلي أكثر صلابة ومقاومة للاهتراء مقارنة بالصلب الكربوني الأدنى.

المزايا:
- صلابة عالية ومقاومة للاهتراء: يؤدي محتوى الكربون المرتفع إلى زيادة حجم السمنتايت، مما يساهم في صلابة ومقاومة تآكل متفوقة.
- قوة محسنة: يظهر هذا الصلب قوة شد وعائد أكبر مقارنة بالصلب الكربوني الأدنى، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات ذات الإجهاد العالي.

القيود:
- هشاشة: يمكن أن يؤدي محتوى الكربون المرتفع إلى الهشاشة، خاصة في الأقسام السميكة، مما قد يقيد استخدامه في بعض التطبيقات.
- صعوبة في التصنيع: قد تعقد صلابة الصلب المتجاوز للإيتكتويد عمليات التصنيع، مما يتطلب أدوات وتقنيات متخصصة.

تاريخياً، تم استخدام الصلب المتجاوز للإيتكتويد في التطبيقات التي تكون فيها مقاومة الاهتراء حرجة، مثل أدوات القطع والقوالب والمكونات الهيكلية عالية القوة. مركزه في السوق مثبت جيدًا، لا سيما في الصناعات التي تتطلب مواد عالية الأداء.

أسماء بديلة ومعايير ومكافئات

المنظمة القياسية	التصنيف/الدرجة	بلد/منطقة المنشأ	ملاحظات/تعليقات
UNS	G10500	الولايات المتحدة	الأقرب إلى AISI 1095
AISI/SAE	1095	الولايات المتحدة	محتوى كربون مرتفع، يُستخدم في الفولاذ الأدوات
ASTM	A681	الولايات المتحدة	مواصفة للفولاذ عالي الكربون
EN	1.3505	أوروبا	خصائص مشابهة لـ AISI 1095
JIS	S58C	اليابان	فوارق تركيبية طفيفة يجب مراعاتها
ISO	1050	دولي	مواصفة عامة للفولاذ عالي الكربون

غالبًا ما تكمن الاختلافات بين هذه الدرجات في عناصرها السبائكية المحددة وخصائصها الميكانيكية، التي يمكن أن تؤثر على أدائها في تطبيقات مختلفة. على سبيل المثال، بينما AISI 1095 وEN 1.3505 متشابهتان في محتوى الكربون، قد تؤدي عناصر السبائك الخاصة بهما إلى اختلافات في المتانة وقابلية التصنيع.

الخصائص الرئيسية

المحتوى الكيميائي

عنصر (الرمز والاسم)	نطاق النسبة المئوية (%)
C (الكربون)	0.76 - 1.4
Mn (المنغنيز)	0.3 - 1.0
Si (السيليكون)	0.1 - 0.4
Cr (الكروم)	0.0 - 0.5
Mo (الموليبدينوم)	0.0 - 0.3
P (الفوسفور)	≤ 0.04
S (الكبريت)	≤ 0.05

الدور الأساسي للكربون في الصلب المتجاوز للإيتكتويد هو زيادة الصلابة والقوة من خلال تشكيل السمنتايت. يزيد المنغنيز من قابلية التصلب والمتانة، بينما يحسن الكروم والموليبدينوم مقاومة الاهتراء ومقاومة التآكل، على التوالي.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/الحرارة	درجة حرارة الاختبار	القيمة النموذجية/النطاق (متري)	القيمة النموذجية/النطاق (إمبراطوري)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	ملدن	درجة حرارة الغرفة	600 - 900 ميجا باسكال	87 - 130 كيساي	ASTM E8
قوة العائد (0.2% اضمحلال)	ملدن	درجة حرارة الغرفة	400 - 700 ميجا باسكال	58 - 102 كيساي	ASTM E8
التمدد	ملدن	درجة حرارة الغرفة	10 - 20%	10 - 20%	ASTM E8
الصلابة (روكويل C)	مشتت ومُعالج حرارياً	درجة حرارة الغرفة	55 - 65 HRC	55 - 65 HRC	ASTM E18
قوة الصدمة	مشتت ومُعالج حرارياً	-20°C	20 - 50 جول	15 - 37 قدم-رطل	ASTM E23

تجمع القوة العالية في الشد والعائد، مع الصلابة الكبيرة، يجعل الصلب المتجاوز للإيتكتويد مناسبًا لتطبيقات تتطلب تحميل ميكانيكي عالٍ وسلامة هيكلية. ومع ذلك، القيم المنخفضة للتمدد تشير إلى ميل نحو الهشاشة، والتي يجب أخذها في الاعتبار أثناء التصميم.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (متري)	القيمة (إمبراطوري)
الكثافة	-	7.85 غرام/سم³	0.284 رطل/بوصة³
درجة انصهار	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
التوصيل الحراري	درجة حرارة الغرفة	45 واط/م·ك	31 وحدة حرارية بريطانية·بوصة/ساعة/قدم²·°F
السعة الحرارية النوعية	درجة حرارة الغرفة	0.46 كج/كغ·ك	0.11 وحدة حرارية بريطانية/رطل·°F
المقاومة الكهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.0006 أوم·م	0.00002 أوم·بوصة

تشير الكثافة ونقطة انصهار الصلب المتجاوز للإيتكتويد إلى قوته، بينما يُعتبر التوصيل الحراري والسعة الحرارية النوعية حاسمة لتطبيقات تشمل دورة حرارية. المقاومة الكهربائية منخفضة نسبيًا، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب موصلية كهربائية.

مقاومة التآكل

العامل المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
الكلوريدات	3 - 10	20 - 60	متوسط	خطر التآكل المتمركز
حمض الكبريتيك	10 - 30	25 - 50	ضعيف	غير موصى به
هيدروكسيد الصوديوم	1 - 5	20 - 40	جيد	مقاومة معتدلة
الجو	-	-	متوسط	عرضة للصدأ

يظهر الصلب المتجاوز للإيتكتويد مقاومة متوسطة للتآكل، خاصة في البيئات التي تحتوي على الكلوريدات والأحماض. إنه عرضة لتآكل التآكل المتمركز، خاصة في الظروف المالحة. مقارنة بالصلب الكربوني الأدنى، يقدم مقاومة أفضل للاهتراء ولكنه قد لا يؤدي بشكل جيد في البيئات المسببة للتآكل كما هو الحال مع الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذات السبائكية المصممة لمقاومة التآكل.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
أقصى درجة حرارة خدمة مستمرة	400	752	فوق ذلك، قد تتدهور القوة
أقصى درجة حرارة خدمة متقطعة	500	932	تعرض قصير المدى فقط
درجة حرارة التسلق	600	1112	خطر الأكسدة فوق هذه الدرجة
اعتبارات قوة التدفق	300	572	يبدأ في التدهور بشكل كبير

عند درجات حرارة مرتفعة، يحافظ الصلب المتجاوز للإيتكتويد على قوته حتى حد معين، بعده يمكن أن يحدث الأكسدة والتسلق. مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي يتم فيها التعرض لدرجات حرارة عالية بشكل متقطع، ولكن يجب تجنب التعرض المستمر لتجنب التدهور.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن الملحق الموصى به (تصنيف AWS)	الغاز/الفلكس الواقي النموذجي	ملاحظات
MIG	ER70S-6	أرجون/CO₂	التسخين المسبق موصى به
TIG	ER70S-2	أرجون	يتطلب معالجة حرارية بعد اللحام
Stick	E7018	-	غير موصى به للأقسام السميكة

يمكن لحام الفولاذ المتجاوز للإيتكتويد، ولكن يجب أخذ الحيطة لإدارة مدخل الحرارة وظروف التسخين المسبق لتجنب التشقق. غالبًا ما تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام ضرورية لتخفيف الضغوط وزيادة المتانة.

قابلية التصنيع

معامل التصنيع	الصلب المتجاوز للإيتكتويد	AISI 1212	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية التصنيع النسبي	50	100	يتطلب سرعات أبطأ وأدوات حادة
سرعة القطع النموذجية (الدوران)	30 م/دقيقة	60 م/دقيقة	استخدم أدوات كربيد لتحقيق أفضل النتائج

تعتبر قابلية التصنيع تحديًا بسبب صلابة الصلب المتجاوز للإيتكتويد. تشمل الظروف المثلى استخدام أدوات حادة وسرعات قطع أقل لتقليل درجة تآكل الأدوات.

قابلية التشكيل

الصلب المتجاوز للإيتكتويد أقل ملاءمة للتشكيل البارد بسبب هشاشته. يمكن استعمال عمليات التشكيل الساخن، ولكن يجب أخذ الحيطة لتجنب العمل الزائد. يجب أن تكون زوايا الانحناء أكبر مما تستخدم في الفولاذ الكربوني الأدنى لتجنب التشقق.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°C)	الوقت النموذجي للتشبع	طريقة التبريد	الغرض الأساسي / النتيجة المتوقعة
تمليس	700 - 800	1 - 2 ساعة	هواء	تقليل الصلابة، تحسين اللدونة
تصلب	800 - 900	30 دقيقة	زيت/ماء	زيادة الصلابة
تخمير	200 - 600	ساعة واحدة	هواء	تقليل الهشاشة، تحسين المتانة

خلال المعالجة الحرارية، undergoes الصلب المتجاوز للإيتكتويد تغييرات هيكلية ميكروية كبيرة. تؤدي عملية التصلب إلى تحويل الأوستنيت إلى مارتنزيت، مما يزيد من الصلابة، بينما تسمح عملية التخمير بتعديل الصلابة والمتانة من خلال تحويل بعض مارتنزيت مرة أخرى إلى هياكل متخشبة.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على تطبيقات محددة	الخصائص الرئيسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار
السيارات	أدوات القطع	صلابة عالية، مقاومة للاهتراء	مطلوبة للمتانة في تطبيقات القطع
التصنيع	القوالب والقوالب	قوة عالية، متانة	أساسية لعمليات التشكيل
الفضاء	مكونات هيكلية	نسبة قوة إلى وزن عالية	حرجة للأداء والسلامة
النفط والغاز	رؤوس الحفر	مقاومة للاهتراء، متانة	مطلوبة للبيئات القاسية

تشمل التطبيقات الأخرى:
* - تروس عالية الأداء
* - مسامير عالية القوة
* - أسطح مقاومة للاهتراء

يتم اختيار الصلب المتجاوز للإيتكتويد للتطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية للاهتراء والقوة، خاصة عندما تكون الأحمال الميكانيكية كبيرة.

اعتبارات هامة ومعايير الاختيار ورؤى إضافية

المميزة/الخاصية	الصلب المتجاوز للإيتكتويد	AISI 4140	AISI 1045	ملاحظة مختصرة عن المزايا/العيوب أو الاعتبارات المتبادلة
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	صلابة عالية	متوسطة	متوسطة	يوفر الصلب المتجاوز للإيتكتويد صلابة متفوقة
الموسوعة الرئيسية للتآكل	متوسطة	جيدة	متوسطة	يتميز AISI 4140 بمقاومة أفضل للتآكل
قابلية اللحام	متوسطة	جيدة	جيدة	يتطلب الصلب المتجاوز للإيتكتويد لحامًا دقيقًا
قابلية التصنيع	منخفضة	متوسطة	عالية	يُعتبر AISI 1045 أسهل في التصنيع
قابلية التشكيل	منخفضة	متوسطة	عالية	يُعتبر AISI 1045 أكثر قابلية للتشكيل
التكلفة التقريبية النسبية	متوسطة	متوسطة	منخفضة	تختلف التكلفة مع عناصر السبيكة
التوفر النموذجي	متوسطة	عالية	عالية	يُعتبر AISI 4140 و 1045 أكثر شيوعًا

عند اختيار الصلب المتجاوز للإيتكتويد، تشمل الاعتبارات خصائصه الميكانيكية وفعاليته من حيث التكلفة وتوفره. بينما يوفر صلابة وقوة متفوقة، قد تحد هشاشته وتحديات قابلية التصنيع من استخدامه في تطبيقات معينة. يعتبر فهم المقايضات مع الدرجات البديلة ضروريًا للاختيار الأمثل للمواد.