فولاد کم کربن چیست؟
فولادهایی با میزان کربن اندک، که معمولاً درصد کربن آن‌ها از 0.3 بالاتر نمی رود، به عنوان یکی از متداول ترین آلیاژ آهن در صنایع گوناگون شناخته می‌شوند. فولاد کم کربن به دلیل ساختار شیمیایی خاص خود، خواصی نظیر قابلیت تغییر شکل بالا، اتصال‌پذیری مطلوب از طریق جوشکاری و پایداری در برابر نیروهای ناگهانی را دارا هستند. به علت انعطاف‌پذیری قابل توجه و سهولت در فرآوری، این مواد در ساخت قطعات متنوعی از جمله ورق‌های فلزی، اجزای وسایل نقلیه موتوری، انواع لوله‌ها و پیکره‌های ساختمانی به کار گرفته می‌شوند. در این مقاله ضمن معرفی فولاد کم کربن، به بررسی ویژگی‌های برجسته و تقسیم‌بندی‌های گوناگون آن‌ها می پردازیم.
آنچه در این مقاله میخوانید
نقش کربن در فولاد
کربن، عنصری حیاتی در ساختار فولاد، نقش چندوجهی ایفا می‌کند. این عنصر با آرایش اتمی آهن درهم‌تنیده و استحکام بی‌نظیری به آن می‌بخشد، گویی اسکلتی پولادین در کالبد آهن بنا می‌نهد. میزان کربن، تعیین‌کننده سختی و انعطاف‌پذیری این آلیاژ است؛ هر چه میزان آن فزونی یابد، صلابت و مقاومت در برابر تغییر شکل افزایش می‌یابد، اما در مقابل، قابلیت چکش‌خواری و انعطاف آن رو به کاستی می‌گذارد.
کربن، علاوه بر تأثیر بر خواص مکانیکی، قابلیت سخت‌کاری فولاد را نیز ارتقا می‌بخشد و امکان عملیات حرارتی گوناگون را فراهم می‌آورد. این عنصر، همچون چاشنی در آشپزی، طعم و مزه فولاد را دگرگون می‌سازد و آن را برای کاربردهای متنوع صنعتی، از ساخت ابزارآلات تیز و برنده گرفته تا تولید سازه‌های عظیم، مناسب می‌سازد. به بیان دیگر، کربن، جوهره فولاد است و بدون آن، آهن، آن صلابت و کارایی بی‌بدیل را نخواهد داشت.
انواع فولاد کربنی
فولادهای کربنی به طور کلی شامل 4 دسته می شوند که در ادامه به آن ها اشاره خواهیم کرد:
فولاد کم کربن
فولادهایی با درصد اندک کربن، به دلیل ساختار کریستالی انعطاف‌پذیر خود، از لطیف‌ترین گونه‌های آلیاژ آهن به شمار می‌روند. این دسته از مواد مهندسی، به واسطه پیوندهای اتمی ملایم، قابلیت تغییر هیئت و اتصال از طریق حرارت را به نحو مطلوبی دارا هستند.
فولاد کربن متوسط
گونه‌ای دیگر از آلیاژهای آهنی، موسوم به فولادهایی با میزان کربن متوسط، از منظر مقاومت و صلابت، در مرتبه‌ای بالاتر از فولاد کم‌کربن جای می‌گیرند.
فولاد پر کربن
گونه‌ای از آلیاژهای آهن که درصد کربن بالایی در ساختارشان به کار رفته، از بالاترین میزان سختی در میان هم‌خانواده‌های خود برخوردارند. این دسته از مواد، به دلیل مقاومت فوق‌العاده‌ای که از خود نشان می‌دهند، گزینه‌ای ایده‌آل برای ساخت قطعات و وسایلی به شمار می‌روند که نیازمند دوام و استحکام قابل توجهی هستند. ( این مقاله را حتما بخوانید: آشنایی با ورق کربنی)
فولاد اولترا کربن
در میان آلیاژهای آهنی که در ساختارشان از میزان قابل توجهی عنصر کربن بهره برده‌اند، دسته‌ای با نام فولادهای اولترا کربنی وجود دارند که به عنوان سخت‌ترین و مقاوم‌ترین نمونه‌ها شناخته می‌شوند. از این قطعات می توان در ساخت اجزای کلیدی نظیر محورهای چرخشی، میله‌های اصلی و اتصالات محوری استفاده کرد.
فولاد کم کربن یا فولاد نرم چیست؟
آلیاژ آهنی با درصد اندکی از عنصر کربن در ساختار خود، که غالباً با عنوان “فولاد نرم” نیز شناخته می‌شود، خصوصیاتی نظیر انعطاف‌پذیری مطلوب، قابلیت اتصال از طریق حرارت و همچنین امکان فرآوری با ابزارهای برشی را داراست. این ویژگی‌ها ناشی از میزان پایین کربن موجود در ترکیب آن است. با این وجود، همین عامل سبب می‌گردد که مقاومت و درجه سختی این نوع فولاد در مقایسه با نمونه‌های دارای کربن بیشتر، در سطح پایین‌تری قرار گیرد. افزون بر این، به سبب غلبه عنصر آهن در ساختار آن، این ماده از ویژگی‌های مغناطیسی نیز بهره می‌برد.
مشخصات مکانیکی و شیمیایی فولاد کم کربن
فولاد کم کربن، آلیاژی آهنی با میزان کربن اندک (معمولاً 0.05% تا 0.25% وزنی) است که به دلیل ساختارهای مخصوص خود، چقرمگی و انعطاف‌پذیری قابل توجهی بروز می‌دهد. این ترکیب شیمیایی، قابلیت ماشین‌کاری و جوشکاری ممتاز را به ارمغان آورده و آن را به ماده‌ای پرکاربرد در صنایع گوناگون بدل ساخته است. با وجود استحکام کششی متوسط در قیاس با فولادهای پرکربن، چقرمگی بالا و قابلیت تغییر شکل وسیع، این ماده را برای کاربردهایی که نیازمند شکل‌دهی پیچیده و مقاومت در برابر ضربه هستند، ایده‌آل می‌سازد. حضور عناصر آلیاژی جزئی نظیر منگنز و سیلیسیم نیز ریزساختار و خواص نهایی آن را تعدیل می‌کند.
مزایای فولاد کم کربن
این محصولات دارای ویژگی ها و مزایای متعددی هستند که در ادامه به بیان آن ها خواهیم پرداخت:
- انعطاف پذیری مناسب: میزان اندک عنصر کربن در ساختار این نوع فولاد، خاصیت نرمی و قابلیت خمش‌پذیری چشمگیری به آن می‌بخشد، به طوری که امکان بهره‌گیری از آن در ساخت قطعات و محصولاتی که نیازمند تغییر شکل و انحنا هستند، فراهم می‌آید.
- قابلیت جوشکاری و تراش‌دهی مناسب: به علت ساختار شیمیایی بنیادین و درصد ناچیز کربن موجود، این آلیاژ آهنی از قابلیت اتصال ذوبی و شکل‌دهی مکانیکی سهل و آسانی برخوردار است، به گونه‌ای که فرآیندهای مذکور بدون ایجاد هیچ گونه گسستگی در ساختار آن میسر می‌گردد.
- قیمت مناسب: به سبب مراحل ساخت سهل‌تر و نیاز اندک به افزودنی‌های آلیاژی، تولید این گونه فولاد با صرفه اقتصادی بیشتری همراه است.
- وزن پایین تر: وزن این فولاد نسبت به سایر فولادها کمتر است.
معایب فولاد کم کربن
علاوه بر مزایا این فولاد دارای معایبی هم است که این معایب شامل موارد زیر می شوند:
- مقاومت کمتر: در سنجش با فولادهای غنی‌تر از لحاظ میزان کربن، گونه‌های کم‌کربن، نمایانگر سطوح پایین‌تری از مقاومت مکانیکی و صلابت ساختاری هستند.
- دوام سطحی محدود: نظر به درجه سختی پایین‌تر، این دسته از فولادها از پایداری چندانی در برابر فرسایش سطحی و ایجاد خط و خش برخوردار نیستند.
- مقاومت پایین در مقابل خوردگی: این محصولات به دلیل آلیاژهای مقاوم نمی توانند به خوبی در برابر زنگ زدگی مقاومت کنند.
انواع گرید فولاد کم کربن
بنیادی‌ترین مشخصات کیفی فولادهایی با کربن اندک که عموماً صفحات فلزی از آن‌ها تولید می‌گردند، شامل دسته‌هایی نظیر A36، A283، A516، A572 و همچنین A83 یا فولاد 1020 می‌شوند. هر یک از این طبقات، از مقاومت میانی، قابلیت تغییر شکل مطلوب و وزن سبک بهره می‌برند که این ویژگی‌ها، حاصل میزان پایین کربن و دیگر عناصر تشکیل‌دهنده آلیاژی در ساختار آن‌هاست. (این مقاله را حتما بخوانید: ورق A36 چیست؟ با کاربرد آن آشنا شوید)
قیمت فولاد کم کربن
قیمت فولاد کم کربن، تابعی پویا از فعل و انفعالات پیچیده در بازار جهانی است. بهای مواد اولیه کلیدی نظیر سنگ آهن و قراضه فلز، شریان حیاتی این تعیین قیمت به شمار می‌روند و نوسانات آن‌ها، هزینه تولید را مستقیماً تحت تاثیر قرار می‌دهد. علاوه بر این، توازن ظریف میان عرضه و تقاضای بین‌المللی، به ویژه از سوی صنایع بزرگ مصرف‌کننده، نقشی محوری ایفا می‌کند.
سیاست‌های تجاری کشورها، تعرفه‌ها و محدودیت‌های صادراتی-وارداتی نیز می‌توانند با ایجاد اختلال در زنجیره تامین، بهای نهایی را دستخوش تغییر نمایند. انرژی، به عنوان یکی از نهاده‌های اصلی تولید فولاد، هزینه تمام‌شده را تحت‌الشعاع قرار داده و تحولات اقتصادی کلان در سطح جهان، نیاز برای مصرف این ماده اولیه صنعتی را کم و زیاد می‌کند.
کاربردهای فولاد کم کربن
فولاد با درصد اندک کربن، به واسطه ویژگی های منحصربه‌فرد خود، در عرصه‌های متنوع صنعتی استفاده می شود که در ادامه به معرفی آن ها خواهیم پرداخت:
- در پهنه ساخت‌وساز، این آلیاژ در تولید پروفیل‌های ساختمانی نظیر تیرها، ستون‌ها و صفحات فلزی که شالوده بناها و پل‌ها را تشکیل می‌دهند، نقشی محوری ایفا می‌کند.
- به دلیل بهای مقرون‌به‌صرفه و قابلیت پذیرش پوشش‌های محافظتی جهت ارتقا در برابر خوردگی، این ماده در حوزه لوازم منزل نیز دامنه کاربرد وسیعی یافته و در ساخت ادوات آشپزخانه، ملزومات خانگی و بسته‌بندی مواد غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- در صنعت خودروسازی، فولاد کم‌کربن به علت تسهیل فرآوری و شکل‌دهی، در تولید اجزایی چون بدنه، شاسی و قطعات داخلی به کار گرفته می‌شود و به کاهش هزینه‌ها کمک شایانی می‌نماید.
- همچنین، در ساخت لوله‌ها و اتصالات صنعتی که نیازمند استحکام میانی و قابلیت اتصال حرارتی بالا هستند، این ماده جایگاه ویژه‌ای دارد.
تفاوت فولاد کم کربن و پر کربن
تفاوت اصلی میان فولاد کم کربن و پر کربن در میزان عنصر حیاتی کربن نهفته است که خواص مکانیکی آن‌ها را به گونه‌ای متمایز رقم می‌زند. فولاد کم کربن، با درصد کربن اندک، نرمی و انعطاف‌پذیری بیشتری از خود بروز داده و قابلیت جوشکاری و شکل‌دهی مطلوبی دارد، اما در مقابل، از استحکام و سختی کمتری بهره می‌برد.
در سوی دیگر، فولاد پر کربن با غلظت بالاتر کربن، صلابت و مقاومت سایشی چشمگیری را به نمایش می‌گذارد، اما از چکش‌خواری و قابلیت جوشکاری آن کاسته می‌شود. این تضاد در ویژگی‌ها، کاربردهای متفاوتی را برای هر یک رقم زده است؛ فولاد کم کربن در ساختارهای ساختمانی و قطعات خودرو به کار می‌رود، در حالی که فولاد پر کربن در تولید ابزارآلات برنده و فنرها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نمودار تنش کرنش فولاد کم کربن
منحنی تنش-کرنش فولاد کم کربن، روایتی مصور از رفتار مکانیکی این ماده حیاتی در برابر اعمال بار است. این نمودار، نواحی متمایزی را آشکار می‌سازد: ابتدا، ناحیه الاستیک خطی که در آن، تغییر شکل با حذف نیرو به حالت اولیه بازمی‌گردد. پس از آن، نقطه تسلیم نمایان می‌شود، مرزی که با عبور از آن، تغییر شکل دائمی (پلاستیک) آغاز می‌گردد. در ادامه، ناحیه کرنش سخت‌شوندگی رخ می‌دهد که در آن، ماده با افزایش کرنش، مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد.
نهایتاً، به نقطه گسیختگی می‌رسیم، جایی که ماده تاب تحمل بار بیشتر را از دست داده و دچار شکست می‌شود. این منحنی، اطلاعات ارزشمندی در خصوص استحکام تسلیم، استحکام کششی نهایی، مدول الاستیسیته و میزان چکش‌خواری این آلیاژ پرکاربرد ارائه می‌دهد و برای مهندسان در طراحی سازه‌ها و قطعات، نقشی راهبردی ایفا می‌کند.
جمع بندی
فولاد کم کربن، آلیاژی پرکاربرد با میزان کربن اندک، به دلیل انعطاف‌پذیری، قابلیت جوشکاری و ماشین‌کاری مطلوب، در صنایع گوناگون جایگاه ویژه‌ای یافته است. بهای اقتصادی و امکان ارتقای مقاومت به خوردگی، دامنه استفاده از آن را در ساخت‌وساز، لوازم خانگی و خودروسازی گسترش داده است. اگرچه از استحکام و سختی کمتری نسبت به فولادهای پرکربن برخوردار است، اما چقرمگی و شکل‌پذیری آن، این نقص را در بسیاری از کاربردها جبران می‌کند. گریدهای متنوعی از این فولاد با استانداردهای مشخص، خواص مکانیکی متفاوتی را ارائه می‌دهند. در نهایت، فولاد کم کربن به دلیل مزایای متعدد، جزء جدایی ناپذیر تولیدات صنعتی مدرن محسوب می‌شود.
