الفولاذ من الدرجة 5: الخصائص والتطبيقات الرئيسية
شارك
Table Of Content
Table Of Content
الفئة 5 من الفولاذ، والمعروفة عادةً بالصلب من النوع 5 للمثبتات، هو فولاذ متوسط الكربون يستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الهندسة المختلفة، وخاصةً للمثبتات مثل البراغي والمسامير. تصنف هذه الفئة من الفولاذ كفولاذ كربوني، وبشكل خاص كفولاذ سبائكي متوسط الكربون، والذي يحتوي عادةً على نسبة كربون تتراوح بين 0.30% إلى 0.60%. تشمل العناصر السبائكية الرئيسية في الفئة 5 من الفولاذ المنغنيز، الذي يعزز قابلية التصلب والقوة، والسيليكون، الذي يحسن القوة وإزالة الأكسدة أثناء تصنيع الفولاذ.
نظرة شاملة
يشتهر فولاذ الفئة 5 بخصائصه الميكانيكية الممتازة، بما في ذلك قوة الشد العالية وقابلية التشوه الجيدة. يُستخدم غالباً في التطبيقات التي تتطلب قوة ومرونة معتدلتين. يتم عادةً معالجة الصلب بالحرارة لتحقيق قوة شد لا تقل عن 120,000 psi (حوالي 827 MPa)، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب أداءً قويًا.
مزايا فولاذ الفئة 5:
- قوة عالية: عملية المعالجة الحرارية تزيد بشكل كبير من قوة الشد، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات الهيكلية.
- قابلية تشوه جيدة: تتيح هذه الخاصية تشوهًا معينًا قبل الكسر، وهو أمر حيوي في التطبيقات التي قد تتعرض فيها المثبتات للأحمال الديناميكية.
- توافر واسع: فولاذ الفئة 5 متوفر بشكل شائع ويستخدم على نطاق واسع في مختلف الصناعات، مما يجعله خيارًا مفضلًا للمهندسين.
قيود فولاذ الفئة 5:
- مقاومة للتآكل: على الرغم من أدائه الجيد في العديد من البيئات، إلا أنه لا يعتبر مقاومًا للتآكل مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو الدرجات السبائكية الأخرى.
- أداء محدود في درجات الحرارة العالية: يمكن أن تتدهور خصائصه الميكانيكية عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يحد من استخدامه في التطبيقات عالية الحرارة.
تاريخيًا، لعب فولاذ الفئة 5 دورًا مهمًا في صناعات السيارات والبناء، حيث تم استخدامه في مكونات حيوية تتطلب أداءً موثوقًا تحت الضغط.
أسماء بديلة، معايير، ونظائر
المنظمة القياسية | التصنيف/الفئة | البلد/المنطقة الأصلية | ملاحظات/تعليقات |
---|---|---|---|
UNS | G50500 | الولايات المتحدة الأمريكية | أقرب نظير لـ AISI 1045 |
ASTM | A325 | الولايات المتحدة الأمريكية | يستخدم لبراغي البناء |
SAE | J429 الفئة 5 | الولايات المتحدة الأمريكية | يستخدم عادة للمثبتات |
ISO | 898-1 | دولي | معادل لبراغي الإنشاءات |
EN | 8.8 | أوروبا | خصائص ميكانيكية مشابهة |
DIN | 10.9 | ألمانيا | متغير بقوة أعلى |
JIS | S45C | اليابان | اختلافات بسيطة في التركيب |
غالبًا ما يتم مقارنة فولاذ الفئة 5 بدرجات أخرى مثل الفئة 8 والفئة 2. بينما توفر الفئة 8 قوة شد أعلى، قد تكون أكثر هشاشة، مما يجعل الفئة 5 اختيارًا أكثر تنوعًا للتطبيقات التي تتطلب توازنًا بين القوة والمرونة.
الخصائص الرئيسية
التركيب الكيميائي
عنصر (رمز واسم) | نسبة المئوية (% نطاق) |
---|---|
C (الكربون) | 0.30 - 0.60 |
Mn (المنغنيز) | 0.60 - 0.90 |
Si (السيليكون) | 0.15 - 0.40 |
P (الفوسفور) | ≤ 0.04 |
S (الكبريت) | ≤ 0.05 |
يلعب المنغنيز دورًا حاسمًا في تعزيز قابلية التصلب لفولاذ الفئة 5، مما يسمح له بتحقيق مستويات أعلى من القوة عبر المعالجة الحرارية. ويساهم السيليكون في القوة العامة ويعمل كعامل إزالة الأكسدة أثناء إنتاج الفولاذ. يُعتبر الكربون العنصر الأساسي الذي يؤثر على الصلابة والقوة، بينما يتم التحكم في الفوسفور والكبريت لتقليل الهشاشة.
الخصائص الميكانيكية
الخاصية | الحالة/الدرجة | درجة حرارة الاختبار | القيمة النموذجية/النطاق (ميترية) | القيمة النموذجية/النطاق (إمبراطورية) | المعيار المرجعي لطريقة الاختبار |
---|---|---|---|---|---|
قوة الشد | مبرد ومزجج | درجة حرارة الغرفة | 827 - 1,034 ميجا باسكال | 120 - 150 ksi | ASTM E8 |
قوة الخضوع (0.2% انحراف) | مبرد ومزجج | درجة حرارة الغرفة | 758 - 1,034 ميجا باسكال | 110 - 150 ksi | ASTM E8 |
الانفعال | مبرد ومزجج | درجة حرارة الغرفة | 15 - 20% | 15 - 20% | ASTM E8 |
الصلابة (روكويل C) | مبرد ومزجج | درجة حرارة الغرفة | 25 - 35 HRC | 25 - 35 HRC | ASTM E18 |
قوة الصدمة | مبرد ومزجج | -20°C (-4°F) | 27 - 40 جول | 20 - 30 قدم-باوند | ASTM E23 |
تجعل مجموعة القيم العالية من قوة الشد والخضوع فولاذ الفئة 5 مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب حملًا ميكانيكيًا كبيرًا. وتسمح له قدرته على التشوه بتحمل الأحمال الديناميكية دون كسر، مما يجعله مثاليًا للمثبتات في التطبيقات الآلية والهيكلية.
الخصائص الفيزيائية
الخاصية | الحالة/درجة الحرارة | القيمة (ميترية) | القيمة (إمبراطورية) |
---|---|---|---|
الكثافة | - | 7.85 جرام/سم³ | 0.284 باوند/بوصة³ |
نقطة الانصهار | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
التوصيل الحراري | 20 °C | 50 واط/م·ك | 34.5 BTU·بوصة/ساعة·قدم²·°F |
السعة الحرارية النوعية | 20 °C | 0.49 كيلوجول/كجم·ك | 0.12 BTU/باوند·°F |
المقاومة الكهربائية | 20 °C | 0.0000017 أوم·م | 0.0000017 أوم·بوصة |
تساهم كثافة فولاذ الفئة 5 في قوته العامة، بينما تشير نقطة انصهاره إلى استقرار حراري جيد. التوصيل الحراري معتدل، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب إبعاد الحرارة.
مقاومة التآكل
العامل المسبب للتآكل | تركيز (%) | درجة الحرارة (°C) | تصنيف المقاومة | ملاحظات |
---|---|---|---|---|
الكلورايدات | يختلف | بيئة | عادلة | خطر تآكل النقر |
الأحماض | يختلف | بيئة | ضعيف | لا يُوصى بها |
المحاليل القلوية | يختلف | بيئة | عادلة | مقاومة معتدلة |
الجو | - | بيئة | جيد | يتطلب طلاء واقي |
يظهر فولاذ الفئة 5 مقاومة معتدلة للتآكل، خاصة في الظروف الجوية. ومع ذلك، فإنه عرضة للنقر في البيئات الغنية بالكلور، ويجب عدم استخدامه في الظروف الحمضية. مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ، مثل 304 أو 316، فإن مقاومته للتآكل أقل بكثير، مما يجعله أقل ملاءمة للبيئات البحرية أو ذات التآكل العالي.
مقاومة الحرارة
الخاصية/الحد | درجة الحرارة (°C) | درجة الحرارة (°F) | ملاحظات |
---|---|---|---|
درجة حرارة الخدمة المستمرة القصوى | 400 °C | 752 °F | مناسب للحرارة المعتدلة |
درجة حرارة الخدمة المتقطعة القصوى | 500 °C | 932 °F | تعرض قصير الأمد فقط |
درجة حرارة التقشير | 600 °C | 1112 °F | خطر الأكسدة بعد هذه الدرجة |
عند درجات الحرارة المرتفعة، يحتفظ فولاذ الفئة 5 بقوته حتى حوالي 400 °C (752 °F) ولكنه قد يتعرض للأكسدة والتقشير بعد هذه النقطة. أداءه في التطبيقات عالية الحرارة محدود مقارنة بالفولاذات السبائكية الأعلى المصممة لمقاومة الحرارة.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
عملية اللحام | المعدن الملحق الموصى به (تصنيف AWS) | غاز/فلكس الحماية النموذجي | ملاحظات |
---|---|---|---|
MIG | ER70S-6 | أرجون + CO2 | جيدة للأقسام الرقيقة |
TIG | ER70S-2 | أرجون | يتطلب تسخين مسبق |
لصق | E7018 | - | مناسبة لللحام الميداني |
يمكن لحام فولاذ الفئة 5 عمومًا باستخدام عمليات شائعة مثل لحام MIG وTIG. قد يتطلب التسخين المسبق لتجنب التشقق، خاصة في الأقسام السميكة. يمكن أن تعزز المعالجة الحرارية بعد اللحام من خصائص اللحام.
قابلية التشغيل
معامل التشغيل | فولاذ الفئة 5 | AISI 1212 | ملاحظات/نصائح |
---|---|---|---|
مؤشر قابلية التشغيل النسبي | 60% | 100% | قابلية تشغيل معتدلة |
سرعة القطع النموذجية (تشغيل) | 30 م/دقيقة | 50 م/دقيقة | استخدم أدوات فولاذية عالية السرعة |
يمتلك فولاذ الفئة 5 قابلية تشغيل معتدلة، يمكن تحسينها باستخدام أدوات وظروف قطع مناسبة. يُوصى باستخدام أدوات فولاذية عالية السرعة أو أدوات كربيد لتحقيق تشغيل فعال.
قابلية التشكيل
يظهر فولاذ الفئة 5 قابلية تشكيل جيدة، مما يسمح بعمليات التشكيل الباردة والساخنة. ومع ذلك، قد يتعرض لصلابة العمل، التي يمكن أن تؤثر على نصف قطر الانحناء. ينبغي اتخاذ الحذر لتجنب التشوه المفرط، الذي قد يؤدي إلى التشقق.
المعالجة الحرارية
عملية المعالجة | نطاق درجة الحرارة (°C) | زمن النقع النموذجي | طريقة التبريد | الغرض الأساسي / النتيجة المتوقعه |
---|---|---|---|---|
Annealing | 600 - 700 | 1 - 2 ساعة | هواء | تليين، تحسين القابلية للتشوه |
Quenching | 800 - 900 | 30 دقيقة | زيت/ماء | تصلب، زيادة القوة |
Tempering | 400 - 600 | ساعة واحدة | هواء | تقليل الهشاشة، تحسين المتانة |
عمليات المعالجة الحرارية مثل التبريد والتمليس أساسية لتحقيق الخصائص الميكانيكية المطلوبة في فولاذ الفئة 5. التغير أثناء هذه المعالجات يغير البنية الدقيقة، مما يعزز القوة والمتانة.
التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية
الصناعة/القطاع | مثال على التطبيق المحدد | الخصائص الرئيسية للصلب المستخدمة في هذا التطبيق | سبب الاختيار (بإيجاز) |
---|---|---|---|
السيارات | مكونات المحرك | قوة شد عالية، قابلية تشوه | موثوقية تحت الأحمال الديناميكية |
البناء | براغي هيكلية | قوة عالية، قابلية تشوه جيدة | أساسية لسلامة الهيكل |
الآلات | المثبتات في الآلات الثقيلة | قوة شد عالية، مقاومة معتدلة للتآكل | متانة في البيئات القاسية |
- السيارات: تستخدم في مكونات المحرك وأنظمة التعليق بسبب قوتها ومرونتها.
- البناء: تستخدم عادةً للبراغي الهيكلية في المباني والجسور.
- الآلات: تستخدم في مثبتات ومكونات مختلفة تتطلب أداءً موثوقًا.
تم اختيار فولاذ الفئة 5 لهذه التطبيقات بسبب توازنه بين القوة والقابلية للتشوه والAvailability، مما يجعله خيارًا مرنًا للمهندسين.
اعتبارات مهمة، معايير الاختيار، ورؤى إضافية
الميزة/الخاصية | فولاذ الفئة 5 | الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 304 | فولاذ السبائك AISI 4140 | ملاحظة إيجابية/سلبية موجزة أو مقايضة |
---|---|---|---|---|
الخاصية الميكانيكية الرئيسية | قوة عالية | قوة معتدلة | قوة عالية جدًا | فولاذ الفئة 5 أكثر قابلية للتشوه من 4140 |
الجوانب الرئيسية للتآكل | عادلة | ممتازة | ضعيفة | فولاذ الفئة 5 أقل مقاومة من 304 |
قابلية اللحام | جيدة | ممتازة | عادلة | فولاذ الفئة 5 أسهل في اللحام من 4140 |
قابلية التشغيل | معتدلة | ضعيفة | جيدة | فولاذ الفئة 5 أسهل في التشغيل من 304 |
قابلية التشكيل | جيدة | عادلة | ضعيفة | فولاذ الفئة 5 يمكن تشكيله بسهولة أكثر من 4140 |
التكلفة النسبية التقريبية | معتدلة | مرتفعة | معتدلة | فولاذ الفئة 5 اقتصادي للعديد من التطبيقات |
التوافر النموذجي | مرتفع | معتدل | معتدل | فولاذ الفئة 5 متوفر على نطاق واسع بأشكال مختلفة |
عند اختيار فولاذ الفئة 5، يجب أن يأخذ المهندسون في الاعتبار عوامل مثل الجدوى الاقتصادية، والتوافر، ومتطلبات التطبيق المحددة. توازنه بين الخصائص يجعله مناسبًا لمجموعة واسعة من التطبيقات، ولكن يجب الاعتراف بحدوده في مقاومة التآكل والأداء عند درجات الحرارة العالية.
في الختام، فولاذ الفئة 5 هو مادة متعددة الاستخدامات تستخدم على نطاق واسع في صناعة المثبتات، حيث توفر مزيجًا جيدًا من القوة، والقابلية للتشوه، والتوافر. تجعل خصائصه مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، ولكن من الضروري مراعاة قيوده للحصول على أداء مثالي في بيئات معينة.