الفولاذ الكربوني العادي: الخصائص والتطبيقات الرئيسية

الفولاذ الكربوني العادي هو فئة أساسية من الفولاذ تتميز بشكل أساسي بمحتوى الكربون الخاص بها، والذي يتراوح عادة من 0.05% إلى 2.0%. تشمل هذه الفئة مختلف الفئات الفرعية، بما في ذلك الفولاذ منخفض الكربون، والفولاذ متوسط الكربون، والفولاذ عالي الكربون، يتم تعريف كل منها بناءً على نسب الكربون الخاصة بها والخصائص المقابلة. العنصر الرئيسي في سبائك الفولاذ الكربوني العادي هو الكربون نفسه، الذي يؤثر بشكل كبير على خصائصه الميكانيكية والصلابة والليونة.

نظرة شاملة

يتم تصنيف الفولاذ الكربوني العادي بناءً على محتوى الكربون الخاص به إلى ثلاث فئات رئيسية:
- الفولاذ منخفض الكربون: يحتوي على حوالي 0.05% إلى 0.25% كربون. يتميز بليونة ممتازة وقابلية اللحام، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب تشكيلًا واسعًا.
- الفولاذ متوسط الكربون: يحتوي على حوالي 0.25% إلى 0.60% كربون. يتمتع هذا النوع بتوازن بين القوة والليونة، مما يجعله مثاليًا لتطبيقات مثل مكونات السيارات وأجزاء الآلات.
- الفولاذ عالي الكربون: يحتوي على 0.60% إلى 2.0% كربون. يتميز بصلابة وقوة عالية ولكن ليونة أقل، مما يجعله مناسبًا لأدوات القطع والنوابض.

تشمل الخصائص المهمة للفولاذ الكربوني العادي:
- القوة: زيادة محتوى الكربون تزيد من القوة الشد.
- الليونة: محتوى الكربون المنخفض يعزز من الليونة، مما يسمح بتشكيل أسهل.
- قابلية اللحام: جيدة عموماً، ولكن قد تتأثر بمحتوى الكربون والمعالجة الحرارية.

المزايا:
- تكلفة فعالة ومتاحة على نطاق واسع.
- متنوعة للاستخدامات المختلفة بسبب نطاق محتوى الكربون.
- يمكن تخصيص الخصائص الميكانيكية من خلال المعالجة الحرارية.

القيود:
- عرضة للتآكل بدون طلاءات واقية.
- الفولاذات عالية الكربون يمكن أن تكون هشة وأقل ليونة.
- مقاومة محدودة لدرجات الحرارة العالية مقارنة بالفولاذات السبائكية.

تاريخياً، كان الفولاذ الكربوني العادي حجر الزاوية في صناعة الفولاذ، حيث كان أساسًا للعديد من التطبيقات الهندسية بسبب توفره وسهولة تصنيعه.

الأسماء البديلة، المعايير، والنظائر

المنظمة القياسية	التصنيف/الدرجة	الدولة/المنطقة الأصل	ملاحظات/ملاحظات
UNS	G10100	الولايات المتحدة	فولاذ منخفض الكربون
AISI/SAE	1010	الولايات المتحدة	أقرب نظير لـ UNS G10100
ASTM	A36	الولايات المتحدة	فولاذ هيكلي بمحتوى كربون منخفض
EN	S235JR	أوروبا	مقارنة بـ A36، مع اختلافات تركيبية طفيفة
DIN	St37-2	ألمانيا	يماثل S235JR، يُستخدم في التطبيقات الهيكلية
JIS	SS400	اليابان	يعادل S235JR، يُستخدم غالبًا في البناء
GB	Q235	الصين	يشبه A36، يُستخدم على نطاق واسع في البناء

تسليط الضوء في الملاحظات في الجدول على أنه بينما يمكن اعتبار هذه الدرجات متكافئة، فإن الاختلافات الطفيفة في التركيب والخصائص الميكانيكية يمكن أن تؤثر على أدائها في تطبيقات محددة. على سبيل المثال، يحتوي فولاذ A36 على قوة عائد محددة، بينما يحتوي S235JR على تركيبة كيميائية مختلفة قليلاً قد تؤثر على قابلية اللحام.

الخصائص الرئيسية

التركيب الكيميائي

العنصر (الرمز والاسم)	نطاق النسبة (%)
C (الكربون)	0.05 - 2.0
Mn (المنغنيز)	0.30 - 1.65
Si (السيليكون)	0.10 - 0.40
P (الفوسفور)	≤ 0.04
S (الكبريت)	≤ 0.05

الدور الأساسي لعناصر السبائك الرئيسية في الفولاذ الكربوني العادي يشمل:
- الكربون (C): يزيد من الصلابة والقوة ولكن يقلل من الليونة.
- المنغنيز (Mn): يعزز من القدرة على التصلب والقوة، بينما يحسن أيضًا من متانة الفولاذ.
- السيليكون (Si): يعمل كعامل إزالة الأكسدة أثناء صناعة الفولاذ ويمكن أن يحسن من القوة.
- الفوسفور (P): بكميات صغيرة، يمكن أن يحسن من قابلية التشغيل لكن قد يؤدي إلى الهشاشة عند تركزات أعلى.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/الحرارة	درجة الحرارة للاختبار	القيمة النموذجية/النطاق (المتري)	القيمة النموذجية/النطاق (الإمبراطوري)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	مخمِّر	درجة حرارة الغرفة	370 - 700 ميجا باسكال	54 - 102 كيساي	ASTM E8
قوة العائد (0.2% إزاحة)	مخمِّر	درجة حرارة الغرفة	250 - 450 ميجا باسكال	36 - 65 كيساي	ASTM E8
التطويل	مخمِّر	درجة حرارة الغرفة	20 - 40%	20 - 40%	ASTM E8
الصلابة (برينيل)	مخمِّر	درجة حرارة الغرفة	120 - 200 HB	120 - 200 HB	ASTM E10
قوة الصدمة	شربي V-notch	-20 °C	20 - 40 جول	15 - 30 قدم-رطل	ASTM E23

تجعل تركيبة هذه الخصائص الميكانيكية الفولاذ الكربوني العادي مناسبًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، خاصة حيث تكون القوة والليونة معتدلة مطلوبة. على سبيل المثال، يتم استخدام الفولاذات منخفضة الكربون غالبًا في ألواح جسم السيارات، بينما يُفضل الفولاذ متوسط الكربون للمكونات الهيكلية بسبب توازن قوته وقابلية العمل.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (المتري)	القيمة (الإمبراطوري)
الكثافة	درجة حرارة الغرفة	7.85 جرام/سم³	0.284 رطل/إنش³
نقطة انصهار/نطاق	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
الموصلية الحرارية	درجة حرارة الغرفة	50 واط/م·ك	29 وحدة حرارية بريطانية·إنش/(ساعة·قدم²·°F)
السعة الحرارية النوعية	درجة حرارة الغرفة	0.49 كيلوجول/كجم·ك	0.12 وحدة حرارية بريطانية/رطل·°F
مقاومة الكهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.0000017 أوم·م	0.0000017 أوم·قدم
معامل التمدد الحراري	درجة حرارة الغرفة	11.0 x 10⁻⁶ /°C	6.1 x 10⁻⁶ /°F

تعتبر الخصائص الفيزيائية الرئيسية مثل الكثافة ونقطة الانصهار حاسمة للتطبيقات التي تتضمن بيئات عالية الحرارة. تجعل الموصلية الحرارية للفولاذ الكربوني العادي مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب تفريغ الحرارة، بينما تشير سعته الحرارية النوعية إلى كيف سيتفاعل مع تغييرات الحرارة أثناء المعالجة.

مقاومة التآكل

عامل التآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
غلاف جوي	يتفاوت	بيئة	جيد	عرضة للصدأ
كلوريدات	يتفاوت	بيئة	ضعيف	خطر التآكل بالتجويف
أحماض	يتفاوت	بيئة	غير موصى به	عرضة جدًا
قلويات	يتفاوت	بيئة	جيد	مقاومة معتدلة
المذيبات العضوية	يتفاوت	بيئة	جيدة	عموما مقاومة

يظهر الفولاذ الكربوني العادي مقاومة محدودة للتآكل، خاصة في البيئات ذات الرطوبة العالية أو التعرض للكلوريدات. إنه عرضة للصدأ عندما يتعرض للرطوبة ويتطلب طلاءات واقية أو جلفنة للاستخدامات الخارجية. مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ، الذي يحتوي على الكروم لتحسين مقاومة التآكل، فإن الفولاذ الكربوني العادي أقل بكثير من حيث المتانة في البيئات المسببة للتآكل.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
أقصى درجة حرارة خدمة مستمرة	400 °C	752 °F	بعد ذلك، تحدث الأكسدة
أقصى درجة حرارة خدمة متقطعة	500 °C	932 °F	تعرض قصير الأجل فقط
درجة حرارة التشقق	600 °C	1112 °F	خطر التشقق بعد هذه الدرجة
تبدأ اعتبارات قوة الزحف حول	400 °C	752 °F	قد يحدث زحف عند درجات حرارة مرتفعة

عند درجات الحرارة المرتفعة، يمكن أن يتعرض الفولاذ الكربوني العادي للأكسدة والتشقق، مما يمكن أن يهدد سلامته الهيكلية. تعتبر درجة الحرارة القصوى للخدمة المستمرة حاسمة للتطبيقات التي تتضمن حرارة، حيث أن تجاوز هذه الحدود يمكن أن يؤدي إلى تدهور كبير في خصائص المادة.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن الملئ الموصى به (تصنيف AWS)	غاز/فلكس حماية نموذجية	ملاحظات
MIG	ER70S-6	أرجون/CO2	جيد للأقسام الرقيقة
TIG	ER70S-2	أرجون	ممتاز للأعمال الدقيقة
المستخدمة	E7018	غير متوفر	مناسب للأعمال الخارجية

يعتبر الفولاذ الكربوني العادي عموماً لديه قابلية لحام جيدة، خاصة في نطاق الكربون المنخفض. قد يكون من الضروري تسخين الأجزاء السميكة مسبقًا لتجنب التشقق. يمكن أن تعزز المعالجة الحرارية بعد اللحام من متانة منطقة اللحام.

قابلية التشغيل

معلمة التشغيل	[فولاذ كربوني عادي]	[AISI 1212]	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية التشغيل النسبي	100	150	AISI 1212 أسهل في التشغيل
سرعة القطع النموذجية (التدوير)	30 م/دقيقة	50 م/دقيقة	سرعات أعلى لـ AISI 1212

يوفر الفولاذ الكربوني العادي قابلية تشغيل معقولة، خاصة في الدرجات ذات الكربون المنخفض. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي محتوى الكربون العالي إلى زيادة تآكل الأدوات وتقليل سرعات القطع.

قابلية التشكيل

يظهر الفولاذ الكربوني العادي قابلية تشكيل جيدة، خاصة في نطاق الكربون المنخفض. يمكن تشكيله بسهولة بالبرد إلى أشكال مختلفة، بينما يكون تشكيله بالحرارة أيضًا ممكنًا عند درجات حرارة مرتفعة. يجب مراعاة تأثير العمل الصلب أثناء عمليات التشكيل، لأنه يمكن أن يزيد من قوة المادة ولكن قد يؤدي أيضًا إلى التشقق إذا لم يتم إدارته بشكل صحيح.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°C/°F)	وقت النقع النموذجي	طريقة التبريد	الهدف الرئيسي / النتيجة المتوقعة
التخمير	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 ساعة	هواء أو ماء	تحسين الليونة وتقليل الصلابة
التصلب	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 دقيقة	ماء أو زيت	زيادة الصلابة
التمبيفر	400 - 700 °C / 752 - 1292 °F	1 ساعة	هواء	تقليل الهشاشة وتحسين المتانة

تؤثر عمليات المعالجة الحرارية بشكل كبير على البنية الدقيقة للفولاذ الكربوني العادي، مما يؤثر على خصائصه الميكانيكية. على سبيل المثال، يزيد التصلب من الصلابة ولكنه قد يؤدي إلى الهشاشة، مما يتم تخفيفه من خلال التمبيفر.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على التطبيق المحدد	الخصائص الأساسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار
السيارات	ألواح الجسم	قابلية تشكيل جيدة، قابلية اللحام	فعالة من حيث التكلفة، سهلة التشكيل
البناء	دعائم هيكلية	قوة عالية، قابلية لحام جيدة	أساسية للإنشاءات الحاملة للأحمال
التصنيع	أجزاء الآلات	توازن بين القوة والليونة	متنوعة لمكونات مختلفة
الأدوات	أدوات يدوية	صلابة عالية (في الأصناف عالية الكربون)	متانة ومقاومة للتآكل

تشمل التطبيقات الأخرى:
- أنابيب ومواد أنبوبية: تُستخدم في السباكة والتطبيقات الهيكلية.
- المثبتات: البراغي والصواميل والمسامير بسبب القوة الجيدة.
- معدات زراعية: مكونات تتطلب المتانة ومقاومة التآكل.

يتم اختيار الفولاذ الكربوني العادي لهذه التطبيقات بسبب توفره وفعاليته من حيث التكلفة، وقدرته على التخصيص من خلال المعالجة الحرارية والمعالجة.

اعتبارات مهمة، ومعايير الاختيار، وأفكار إضافية

الميزة/الخاصية	[فولاذ كربوني عادي]	[AISI 4140]	[فولاذ مقاوم للصدأ 304]	ملاحظة مختصرة عن الإيجابيات/السلبيات أو الصفقة
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	قوة معتدلة	قوة عالية	قوة معتدلة	AISI 4140 تقدم قوة أعلى ولكن بتكلفة أعلى
الجانب الرئيسي لمقاومة التآكل	ضعيف	جيد	ممتاز	الفولاذ المقاوم للصدأ متفوق في البيئات المسببة للتآكل
قابلية اللحام	جيدة	جيدة	جيدة	الفولاذ الكربوني العادي أسهل في اللحام من AISI 4140
قابلية التشغيل	معتدلة	جيدة	جيدة	الفولاذ الكربوني العادي أسهل في التشغيل من AISI 4140
قابلية التشكيل	جيدة	جيدة	جيدة	الفولاذ الكربوني العادي أكثر قابلية للتشكيل من AISI 4140
التكلفة النسبية التقريبية	منخفضة	متوسطة	مرتفعة	الفولاذ الكربوني العادي هو الخيار الأكثر فعالية من حيث التكلفة
التوفر النموذجي	مرتفع	متوسط	مرتفع	متوفر على نطاق واسع بأشكال مختلفة

عند اختيار الفولاذ الكربوني العادي، تشمل الاعتبارات فعالية التكلفة، والتوافر، والخصائص الميكانيكية المحددة المطلوبة للتطبيق. تجعل مرونته适合 مجموعة واسعة من الاستخدامات، لكن قابلية تآكله تتطلب تدابير وقائية في بيئات معينة.

باختصار، يظل الفولاذ الكربوني العادي مادة أساسية في الهندسة والتصنيع، حيث يوفر توازنًا من الخصائص يمكن تخصيصه لتلبية احتياجات التطبيقات المتنوعة.