فولاد، آلیاژی متشکل از دو عنصر پایه آهن و کربن به همراه برخی از عناصر آلیاژی دیگر می باشد. به دلیل استحکام بالا و قیمت مناسب، این ماده به عنوان مهمترین ماده مصرفی در ساخت تجهیزات، ابزار، ساختمان سازی و تولید ماشین آلات، اتومبیل و کشتی کاربرد دارد.
آهن عنصر پایه در ترکیب شیمیایی فولاد است. آهن با توجه به درجه حرارت محیط می تواند در دو فرم کریستالین (آلوتروپ) متفاوت BCC (مکعب مرکز پر) و FCC (مکعب مراکز وجوه پر) به خود بگیرد. آنچه منجر به بروز طیف وسیعی از خواص منحصر به فرد در فولادها می گردد، برهم کنش هریک از آلوتروپ-های نام برده با عناصر آلیازی مختلف می باشد.
مقدار عنصر کربن در فولاد ساده کربنی عمدتاً تا 14/2% وزنی افزایش می یابد. فولاد ساده کربنی، دسته ای از خانواده فولادها محسوب می شود که مطابق با تعریف انجمن آهن و فولاد ایالات متحده (AISI) :
- هیچ گونه حد پایین برای عناصر آلیاژی نظیر کروم، کبالت، نیکل، تیتانیوم، نیوبیوم، تنگستن، وانادیوم و زیرکونیوم در ترکیب شیمیایی فولاد در نظر گرفته نشده باشد.
- حداقل مقدار مس در ترکیب شیمیایی از 4/0% وزنی تجاوز نکند.
- حداکثر مقدار عناصر منگنز، سیلیسیم و مس به ترتیب از 65/1%، 6/0 و 6/0 درصد وزنی بالاتر نرود.
با افزایش درصد وزنی کربن، شاهد افزایش استحکام و سختی فولاد در حین فرآیند عملیات حرارتی، و از سوی دیگر کاهش شکل پذیری آن خواهیم بود. همچنین بدون در نظر گرفتن عملیات حرارتی، افزایش درصد کربن در ترکیب شیمیایی منجر به افت قابلیت جوش پذیری و دمای ذوب در فولادهای ساده کربنی می گردد.
فولاد کم کربن (Mild Steel)
فولاد کم کربن (حاوی مقادیر ناچیز عنصر کربن) در حال حاضر متداول ترین نوع از فولادهای کربنی است چرا که با وجود قیمت بسیار پایین، مجموعه خواص قابل قبولی در مورد طیف وسیعی از کاربری های مختلف از خود نشان می دهد. این نوع از فولاد حاوی مقادیر 25/0- 05/0 % وزنی کربن است که منجر به شکل گیری خواص شکل پذیری و چکش خواری مطلوب در این نوع فولاد گردیده است. از دیگر ویژگی-های فولاد کم کربن، می توان به استحکام کششی نسبتا پایین و همچنین قیمت بسیار مناسب آن اشاره کرد. لازم به ذکر است که سختی سطحی این فولادها با عملیات کربوره کردن سطحی قابل افزایش است. در مورد کاربرد این دسته از فولادها می توان گفت که به دلیل استحکام تسلیم نسبی پایین، عمده مصرف این دسته از فولادها در کاربری هایی است، که سطح مقطع زیادی از فولاد در چرخه کاری قرار می گیرد چرا که در این حالت شکست ناشی از تنش تسلیم پایین تقریبا غیرمحتمل است و با توجه به قیمت بسیار پایین، این فولاد بهترین گزینه انتخابی خواهد بود. دانسیته این فولادها g/cm3 85/7 و مدول یانگ (الاستیسیته) آن حدود GPa 200 برآورد می شود.
فولاد پر کربن (High Carbon Steel)
فولادهای پر کربن پس از عملیات حرارتی حاوی 7/1- 3/0% وزنی کربن می باشند. میزان ناخالصی در این نوع فولادها اثرات چشمگیری بر روی کیفیت نهایی فولاد می گذارد. به عنوان مثال حضور گوگرد در این نوع فولادها منجر به تردی و شکنندگی این دسته از فولادها در محدوده دمای کاری می گردد. فولادهای کم کربن مانند رده A36، حاوی 05/0 % وزنی گوگرد بوده و در محدوده دمایی 1538-1426 درجه سانتیگراد ذوب می گردد. منگنز عموما به منظور افزایش سختی به این فولادها اضافه می گردد. طبق تعریف مؤسسه AISI مقدار منگنز می تواند تا 65/1% وزنی به ترکیب شیمیایی این فولاد اضافه شود..
انجمن AISI فولادهای ساده کربنی را به 4 زیرگروه تقسیم بندی می کند:
- فولاد کم کربن: حاوی 3/0- 05/0 % وزنی کربن
- فولاد کربن متوسط: بین 8/0- 3/0 % وزنی کربن. تعادل مناسبی بین استحکام و شکلپذیری در این نوع از فولاد دیده میشود. این فولادها مقاومت سایشی مناسبی داشته و کاربرد فراوانی در تولید قطعات و اجزاء اتومبیل دارد.
- فولاد کربن بالا: بین 2-8/0 % وزنی کربن. استحکام بسیار بالا داشته و در ساخت فنر، ابزار و سیم بکسل مورد استفاده قرار میگیرند.
- فولاد پر کربن: بین 4-25/3 % وزنی کربن. این دسته از فولادها به علت میزان کربن زیاد، می توانند با عملیات حرارتی ویژه به سختی بالا دست یابند. کاربریهای خاص نظیر قطعات برش نظیر چاقو، اکسل و پانچ از موارد استفاده این نوع فولادها میباشند.
